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1主讲:谭忠盛隧道工程设计与施工北京交大隧道系2第五部分隧道预设计3隧道设计分为：预设计和修正设计二类。预设计指：通过施工前的地质调查，按标准设计进行的设计，正确与否或与实际的符合程度，需通过施工的检验。修正设计指：通过施工中的调查和观察，包括量测的验证等，而对预设计进行修正的设计，也可称为设计变更或施工设计。预设计以大致掌握安全性、施工性、对周边的影响等为主要目的，其设计项目以下表中的①-④为主要对象。修正设计则着重在表中的⑤以下的项目，并修正预设计决定的项目。一、概述4设计项目预设计修正设计①断面形状◎△②开挖方法◎△③对策◎△④超前支护◎△⑤一次支护○◎⑥二次衬砌及仰拱○◎⑦防排水☆◎⑧洞口部☆◎⑨量测☆◎◎：详细研究○：以需要的精度研究△：有必要时修正☆：有必要时研究预设计、修正设计的设计项目56二、隧道净空断面的确定在隧道标准设计中，隧道净空断面的标准化是关键。它直接决定了隧道的开挖轮廓和形状。从公路隧道的功能出发，隧道净空断面应确保以下必要的空间，而且要考虑稳定性、施工性及车辆的走行性，确定合理的断面形状和尺寸。·道路宽度及建筑限界；·铺装、排水；·通风设备；·内装；·监视员通道；·其他。7这里所指的隧道净空断面是隧道衬砌和基底围岩或仰拱所包围的内侧部分的大小和形状。公路隧道不仅要提供汽车行驶的空间，还要满足舒适行驶、交通安全、防灾等服务的空间。因此，隧道的净空断面不仅要满足要求的道路宽度及建筑限界，还要有设置通风、照明、内装、排水、标志等的设置空间，也要确保维修检查的监视员通道的设置空间。隧道断面应具有合理适应应力流和变形的形状，同时要适应围岩条件、净空要求，一般都采用三心圆、五心圆等马蹄形形状。但从降低造价方面看，以采用简明、单纯的单心圆断面为宜。8日本标准净空断面设定的基本方法有明确规定，对我们编制公路隧道的标准设计有一定的参考价值。（1）适用隧道：双车道、自然通风或纵向式通风（并设2台直径1500mm射流风机）（2）建筑限界等车道的建筑限界、空间的施工高度及监视员通道上方的步行空间的设置，以及隧道路肩构造示于图。9（3）横断坡度一般取-3.0~+3.0%，来决定净空半径、下半断面高度。基底围岩和铺装路面，如图所示，要设置2.0%以上的中央排水管。铺装构造为混凝土板25cm、铺装路面20cm，中央排水管无有孔塑料管或高密度管（直径300mm）。10（4）路侧部构造路侧的构造如图，路侧排水沟采用圆形水管（200mm）左右衬砌的基脚位置壁计划路面高度低50cm。11（5）通风设备采用2台1500的射流风机。（6）内装设置在不影响净空断面的高度以下。监视员通道设在隧道侧部、其上部步行空间示于图。监视员通道等构造步行空间的标准尺寸12（7）其他标志原则上设在残余空间，不专门考虑。各种标准净空断面的典型例示于图。从建筑限界看，隧道的净空断面可以是直壁的，也可以是曲壁的。但从结构受力角度看，多数国家，不管围岩好坏，一律采用曲壁的净空断面。不仅如此，在底部与壁的连接处，也多采用圆顺的没有隅角的连接方式。隧道净空断面的形状，直接影响隧道结构的形状。13三、支护结构的功能和作用机理1、对支护结构的基本要求支护结构的基本作用：保持坑道断面的使用净空；防止围岩质量的进一步恶化；承受可能出现的各种荷载；使坑道支护体系有足够的安全度。因此，任何一种类型的支护结构都应具有与上述作用相适应的构造、力学特性和施工可能性。理想的支护结构应满足以下基本要求：（1）必须能与周围围岩大面积地牢固接触，即保证支护一围岩体系作为一个统一的整体工作。接触状态的好坏，不仅改变了荷载的分布图形，也改变了两者之间相互作用的性质。例如在通常矿山法中,早期临时支护多采用木支撑，它与围岩形成点的、任意部位的接触，而钢支撑虽然也是点接触，14但位置是固定的，因而支护效果比木支撑优越。在喷混凝土施工中，支护结构与围岩是全面而牢固地接触，这与模筑混凝土与围岩的接触状态是完全不同的，因而，支护效果也有显著差异。围岩—支护结构的接触状态点接触面接触A.任意的B.确定的C.松散的D.牢固的模筑混凝土钢支撑、木支撑土质隧道喷混凝土、有回填层泵送混凝土衬砌接触状态的分类15由于接触状态的不同，对围岩应力分布，对支护结构的受力状态等都有着重要的影响。例如：D类接触，由于全面的牢固接触，不仅能传递径向应力也能传递切向应力，而且接触应力的分布比较均匀。同时也改善了结构的受力状态，支护效果较佳。A类接触，由于接触点的不确定，围岩压力极不均匀。因此经常出现衬砌受力异常，发生开裂甚至丧失使用功能。我们目前的衬砌设计，基本上是按D类接触进行设计和计算的，即能全面地传递径向及切向压力，但从实际施工情况看，是难于保证这种状态的。最多是C类，有时甚至是A类。设计条件与受力实践是不符的。16四类接触状态的力学联系大致如图。接触不同，在支护—围岩体系中发生的力学过程也是不同的。这在建立某一种计算方法时是必须解决的。现代支护理论的研究多数是以全面接触为出发点的。因此，在施工作业时必须尽量实现这一点。从现灌混凝土看，取消回填，采用混凝土泵〈或输送器〉的灌注方法可以基本上满足要求，喷射混凝土则能更好地满足这个要求。17（2）重视初期支护的作用，并使初期支护与永久支护相互配合，协调一致地工作。过去在支护处理上，常分为临时支护和永久支护两种。临时支护的主要目的是为了暂时地、迅速地控制坑道围岩的力学过程，为永久支护创造有利条件。过去只把永久支护作为基本的承载的支护结构，完全忽视了临时支护的作用。目前随着支护技术的发展，逐步把临时支护与永久支护合并考虑，临时支护亦作为永久支护的一个重要部分。喷射混凝土一锚杆支护就是一例。18临时支护实质上是初期支护，它是永久支护的第一步。目前很少采用木支撑，木支撑在多数情况下是要拆除的。这种拆除或顶替已承载支撑的作业，会造成围岩的过度松弛及应力的第二次分配。因此多采用钢支撑或格栅，它在架设后不再拆除，而成为永久支护的一部分。这样就大大减轻混凝土衬砌的负担。使整个支护结构变得经济、更为有效。喷射混凝土—锚杆支护的这个特点更为突出。因此，消除支撑顶替是对支护的一个重要要求。应该指出，坑道支护过程实质上就是控制坑道围岩内的应力—应变的变化过程。因此分阶段地、有预计地进行支护作业是很重要的。例如围岩变形过大、过速，可以让它变缓等。这就要求支护结构具有良好的适应性。19（3）要允许坑道—支护体系产生有限制的变形，以充分协调地发挥两者的共同作用。这就要求对支护结构的刚度、构造给予充分地注意，即要求支护结构有一定的柔性或可缩性。这样可以充分发挥围岩的承载作用而减小支护结构的作用。目前的支护结构，其刚度相对地降低很多，即以采用柔性支护结构为主，与过去的刚性支护结构—现灌混凝土衬砌相比，厚度有了大幅度减小。柔性结构能产生一定的变形，使支护—围岩中的应力重新调整。例如，在有利的条件下，接触应力(径向及切向的)变得均匀，而支护结构中的弯矩很小，基本上是受压的。20已知pa与ua的关系如图，不同刚度支护结构与围岩达成平衡位移的pa是不同的，与支护结构1相应的位移为uo+up1，支护阻力为pa1，与支护结构2相应的位移为uo+up2,支护阻力为pa2，如不考虑uo的话，可以看出up2up1，而pa2pa1，这说明刚度大的支护结构承受较大的径向应力，柔度大的，支护阻力则减小。这要求在施工初期，要迅速地修筑支护结构，但要具有一定柔性，使之与围岩一起有控制地变形。这就是为什么我们强调早期柔性支护的理由之一。21（4）必须保证支护结构架设及时。支护过晚会使围岩暴露、产生过度的位移而濒临破坏。因此,应在坑道围岩达到极限平衡之前开始发挥作用。坑道开挖后要及时地、尽快地加以支护，其目的在于控制围岩的初始位移。这一点在埋深小、围岩差的情况下，尤其重要。因为在这种场合，几厘米径向位移就会造成围岩有害的松弛。如图同样刚度的支护结构，施设的时间不同，最后达成平衡的状态也不同，如2较1所要求的支护阻力小，但这不等于说，支护参与工作的时间愈迟愈好。因为初始变形不加控制会导致坑道的迅速松弛、崩塌。因此，原则上要对初始变形的增快速度加以限制。即避免围岩产生有害的松弛。例如，当初始位移达到u0时再施设初期支护，就为时过晚。反过来说，也并不是在所有情况下，都要求愈早愈好。22例如在埋深大的塑性围岩中，位移即使达到20~30cm，围岩还是处在应力释放过程中。此时只要求能够逐步控制这个变形的速度就可以了，过早地控制它的发展反而有害。施工过程对结构的安全也是有影响的。所以要求不断改变开挖循环、衬砌时间、仰拱闭合时间、上半断面开挖长度等，以使围岩与支护结构成为一个体系来维护围岩的稳定。23（5）作为支护结构要能根据坑道围岩的动态及时地进行调整和修改，以适应不断变化的围岩状态。这一点在传统的木支撑条件下，也是较难实现的，而用现代支护技术，则可采取分次喷射、增设锚杆或调整其参数(间距、锚将直径和长度)等方法来实现。当然，作为支护结构也要满足易于施设、构件可互换、断面类型单一、便于改变刚性等施工性上的条件。显然，某一种支护结构要完全满足上述技术要求是很困难的，这就要求对各种类型的支护结构有一正确的评价，以便根据变化的地质条件进行合理的选择。242、支护结构的类型隧道的支护体系是由围岩、初期支护、二次衬砌构成，在某些条件下，还包括超前支护在内。其中初期支护有：喷混凝土、锚杆和钢支撑或格栅。超前支护，按日本的分类有短超前支护和长超前支护。有时也把短超前支护列在初期支护内。根据围岩条件和使用条件，可做如下分类：（1）无支护坑道（毛洞）；（2）单层衬砌，基本上由喷混凝土、钢纤维喷混凝土或模筑混凝土构成；（3）组合衬砌基本上由初期支护和二次衬砌构成；是目前采用的主要支护体系，隔离层通常是采用防水板。（4）装配式衬砌；25支护体系的的选择主要根据下述条件决定：（1）对预计的主要围岩类型的评价；（2）对围岩类别变化的适应性；（3）对很大的或特殊地压的适应性；（4）对地下水性质的适应性；（5）经济；（6）作业时间消耗少。从力学角度看，支护结构应根据围岩开挖后的力学动态、支护结构的支护作用来选定。除一些特殊情况围岩以外，可以根据大部分隧道开挖的力学动态，按下表进行选择。26围岩支护的目的主要的初期支护辅助的初期支护弹性位移收敛的良好的围岩·防止围岩风化·饰面·喷混凝土·砂浆—少许掉块产生松弛的围岩·支持可能掉落岩块的重量·阻止岩块滑移·喷混凝土·局部锚杆—产生较大松弛和一部塑性化的围岩·控制围岩松弛；·形成内压，提供支护阻力·控制塑性区的发展·提高围岩的承载能力·喷混凝土·系统锚杆·局部格栅·金属网·短超前支护围岩强度不足产生形变土压的围岩。·形成内压，提供强大的支护阻力·控制塑性区的扩大·提高围岩的承载能力·喷混凝土·系统锚杆·系统钢支撑或格栅·金属网·长超前支护围岩与初期支护27初期支护的作用也是选择支护类型的重要依据。喷混凝土：直接控制围岩的松弛，用其强度抵抗发生位移的围岩，通过与围岩的粘结力和轴力传递到围岩。这说明喷混凝土在直接防止围岩松弛的增大和不稳定岩块掉落的同时，给予围岩内压，使围岩成为一体。除了衬砌以外，与其他支护比较，是内压力最高的支护方式。喷混凝土的问题是其材料强度和弹性系数的出现是需要一定时间的，因此，在设计上一定要强调喷混凝土的初期强度，其出现时间要有明确的规定，通常都规定1d的强度值。喷混凝土与围岩表面是密封的，也是喷混凝土发挥支护作用的关键。此外喷混凝土还可以把压力传递到锚杆和钢支撑上，反过，喷混凝土也可以提高锚杆和钢支撑的支护效果。因此，在支护组成上，任何情况都不能缺少喷混凝土。28锚杆：从深入围岩支护这一点上看，在补强裂隙岩体薄弱部分和改良围岩为均匀围岩方面，是与其他支护不同的。在硬岩、中硬岩中，确保岩块的咬合，抑制不稳定岩块的崩落，控制沿裂隙的位移等，从而确保松弛围岩一体化。在围岩没有移动或位移的场合，锚杆中是不产生应力的。在软岩围岩中，开挖引起围岩强度的降低，松弛范围要增大。锚杆可以一边追随围岩的变形，一边约束围岩防止