北京交通大學隧道設計與施工第部分隧道設計方法

1主講:譚忠盛隧道工程設計與施工北京交大隧道系2第四部分隧道設計方法3一、概述

長期以來，隧道結(jié)構的計算僅僅是針對支護結(jié)構中的二次襯砌的，在計算中一直采取拱涵力學模式，即把襯砌視為拱形推力結(jié)構，承受來自圍巖的主動和被動荷載。這種簡化顯然與隧道結(jié)構的實際工作狀態(tài)相差很大。

[例如]：理論上已經(jīng)證實，在無支護坑道中,坑道本身就是承載結(jié)構，其工作狀態(tài)更接近于半無限或無限介質(zhì)中的孔洞那樣工作。4

[例如]:明挖施工隧道（如淺埋地下鐵道、明洞等），多采用拱涵力學模式。因為這種承受回填材料重量的結(jié)構與拱涵的工作狀態(tài)是一致的。在其他情況下，則與圓管靜力學模式或與半無限及無限介質(zhì)中帶加強環(huán)框的孔洞力學模式更為接近。5

地下結(jié)構的力學模式必須符合下述條件：

（1）與實際工作狀態(tài)一致，能反映圍巖的實際狀態(tài)以及圍巖與支護結(jié)構的接觸狀態(tài)；（2）荷載假定應與在修建洞室過程中荷載發(fā)生的情況一致；（3）所確定的應力狀態(tài)要與經(jīng)過長時間使用的結(jié)構所發(fā)生的事故和破壞情況一致；（4）材料性質(zhì)和數(shù)學表達要等價。只要符合上述條件，任何設計和計算方法都會獲得合理的結(jié)果。不管采取何種設計方法，都必須清楚地認識隧道結(jié)構物與其他工程結(jié)構物在本質(zhì)上的差異，主要表現(xiàn)在以下幾點：6

（1）其他工程結(jié)構都是抵抗荷載的，而隧道結(jié)構，按目前的認識水平來說，圍巖同時是工程材料、承載結(jié)構和荷載。隧道結(jié)構的主體是圍巖，其承載結(jié)構是由圍巖和初期支護、襯砌組成的一個整體。該系統(tǒng)的荷載是由支護結(jié)構和圍巖之間的相互作用給定的，不是事先能給定的參數(shù)。

（2）地面結(jié)構有很大自由空間，其中每個構件都是事先根據(jù)標準荷載決定的，并用大家公認的方法進行計算、驗證。相反地，隧道全部是開挖出來的，是在初始地應力場作用下的工程材料中開挖出來的，也就是說是在具有一定應力場的圍巖中修筑的。結(jié)構很早就逐步地參與工作，其中的初始地應力場是很難準確決定的。7

（3）在其他建筑中，設計者能夠計算與荷載假定相適應的結(jié)構的性質(zhì)，以及在可能的荷載組合下其中的應力和變形。在隧道工程中要想計算出材料（既是挖過的圍巖也是支護的主體）中的應力和變形是很困難的，因為它與形成的結(jié)構的類型以及時間有很大關系。

（4）其他建筑根據(jù)力學計算以及構造上、經(jīng)濟上的考慮來選擇工程結(jié)構的材料，而隧道工程的重要構件（圍巖），本身就是建筑材料，我們既不能選擇，也不能極大地影響它的力學性質(zhì)。

（5）在施工中，其荷載、變形和安全度與其他結(jié)構相比都還遠遠沒有確定，尤其是與最終狀態(tài)的關系密切。因此，在隧道結(jié)構中最后狀態(tài)的安全度檢算和力學計算是存在問題的。8二、設計方法的選擇和適用條件

隧道支護結(jié)構的設計應根據(jù)圍巖條件（圍巖的強度特性、初始應地力場等）和設計條件（隧道斷面形狀、隧道周邊地形條件、環(huán)境條件等）選擇合適的設計方法。根據(jù)隧道支護結(jié)構的特點，在預設計中采用以下方法:

(1)標準支護模式的設計方法（簡稱標準設計）；

(2)類似條件的設計方法（簡稱類比設計或經(jīng)驗設計）；

(3)解析的設計方法（簡稱解析設計）。

隧道支護結(jié)構設計，在有標準支護模式時以標準設計為主要的設計方法。在沒有標準支護模式時，則要根據(jù)圍巖條件、結(jié)構特點等選擇類比設計或解析設計的方法進行設計。9目前，我國鐵路隧道主要是采用標準設計方法進行設計的，而公路隧道還處在類比設計的階段，但有的設計單位也逐漸向采用標準設計的方向演變。國外在絕大多數(shù)場合，公路隧道是采用標準設計模式的。設計方法選擇與圍巖條件和設計條件有關，選擇時可參考下表及下圖。設計方法

圍巖條件

設計條件標準設計

·一般圍巖

·特殊圍巖

·一般條件(標準斷面)類比條件

·特殊圍巖

·特殊條件(大斷面、偏壓地形、埋深極小或極大、地表面下沉有限制等）解析設計

·一般圍巖(符合右欄的特殊條件)

·特殊圍巖表1設計方法的選擇10圖1設計方法的選擇流程圖11標準設計是用于一般圍巖條件下的標準隧道斷面的設計，在圍巖條件特殊或設計條件特殊時，采用已經(jīng)實施過的、經(jīng)過工程實際證實是安全和經(jīng)濟的支護結(jié)構模式的設計方法。不僅研究隧道結(jié)構物本身的安全性，而且要保護周邊環(huán)境或接近居民區(qū)的情況也越來越多。在這種情況下，有必要采用解析方法分析地表面下沉等地層的動態(tài)。在下面所示的特殊條件的情況下，宜根據(jù)解析的計算結(jié)果，進行定量的判斷：（1）地質(zhì)條件特別差的情況；（2）埋深大、初始地應力大的情況；（3）埋深小、地表面下沉有問題的情況；（4）采用施工方法、開挖順序與標準的支護模式不同的特殊工法的情況；12（5）斷面比標準支護模式大得多的情況；（6）斷面形狀特殊的情況；（7）洞口段、斜坡面下隧道等地形條件可能產(chǎn)生偏壓的情況；（8）有接近隧道的結(jié)構物的情況；（9）預計有與時間有關的流變荷載作用、二次襯砌存在長期荷載的情況。在解析方法中，有兩種主要的方法，即：傳統(tǒng)的結(jié)構力學方法及近代的巖體力學方法。前者是把支護結(jié)構和周圍圍巖分割開來，把圍巖作為給定荷載，支護結(jié)構作為承載結(jié)構，即結(jié)構－荷載模式。后者是把結(jié)構和周圍巖體視為一體，作為共同的承載體系，即相互作用模式或圍巖－結(jié)構模式，這是我們目前在隧道設計中力求采用的或正在發(fā)展中的方法。13數(shù)值解析方法主要有：有限元法、有限差分法、剛體單元法、邊界單元法、離散極限解析法、塊體理論方法等。

有限元數(shù)值解析方法的特征如下：

1）即使在解析對象區(qū)域的圍巖和隧道幾何形狀復雜的情況，也能夠采用各種單元的組合模式，不僅對初期支護，對二次襯砌都能夠按實際形狀進行解析；

2）即使材料力學性質(zhì)不同的各種單元也能夠進行解析。為此，可以把具有復雜地質(zhì)條件的圍巖力學特性和初期支護（混凝土材料、鋼材等）等的力學特性等按實際情況模式化；

3）研究埋深小、對地表面有影響的情況時，能夠推定伴隨開挖的下沉量。因此，也能判斷壓漿等改善圍巖的效果；

4）因基礎方程式的定式化比較容易，所以，可以考慮圍巖的非線性特性。14考慮上述性質(zhì)，采用節(jié)理單元模擬不連續(xù)的裂隙圍巖的方法得到了應用，同時考慮粘彈塑性模式的研究也取得了一定的進展。這樣，使具有復雜支護模式的隧道和特殊圍巖條件下的隧道動態(tài)的解析也成為可能。為提高有限元解析方法的可靠性，采用數(shù)值解析的前提是仔細的地質(zhì)調(diào)查和如何將其利用在設計中的評價技術。結(jié)構力學解析方法，主要用于研究二次襯砌。把二次襯砌分割模擬成為近似小段的直線構件，取各結(jié)點為剛性連接的骨架結(jié)構。同時，對襯砌的變形采用地層彈簧支持的彈性體來計算襯砌斷面內(nèi)力的方法。地層彈簧因按各節(jié)點設定，故對復雜地質(zhì)條件的情況也能進行解析，并計算出襯砌斷面的內(nèi)力。但是，不能計算隨掌子面進展和地表面下沉等情況。15三、類比設計采用類比設計方法，應充分研究其設計條件及設計的妥當性，根據(jù)當?shù)貒鷰r的性質(zhì)加以修正。

所謂類似條件：圍巖條件及斷面形狀等設計條件的類似。研究圍巖條件類似時，最有參考價值的是附近既有工程的實際情況，如在圍巖分類時，應著重在彈性波速度、裂隙系數(shù)、圍巖強度比、相對密度、細顆粒含量等類似性上；其次，也要研究地下水條件的類似性。

設計條件的類似性主要是支護模式、地形條件、施工方法、輔助工法等的類似性。類比設計的類似性以及妥當性，一般應按表1和表2所列項目進行研究。16表1研究類似性的項目項目注意點圍巖條件圍巖級別特殊圍巖地形、埋深埋深、不穩(wěn)定的偏壓地形、其他特殊的圍巖性質(zhì)（沖積低地等不整合面、斷層等）地質(zhì)、土質(zhì)的構成和性質(zhì)地層名稱、地質(zhì)年代、成層構造、層組、層相、固結(jié)程度、滲透性、地下水位等斷面形狀單線、雙線、新干線、車站水壓防水型、排水型對周邊影響的限制限制值完成后的接近施工種類、位置關系、規(guī)模等抗震研究條件（預定地震動等）項目注意點妥當性研究的量測值開挖工法分部尺寸、一次掘進長度掌子面穩(wěn)定性、地表面下沉、接近結(jié)構物位移等掌子面穩(wěn)定對策設計方法、設計、影響預測方法等地下水對策周邊影響對策超前支護初期支護設計方法、設計、解析方法等地表面下沉、凈空位移、拱頂下沉、噴混凝土應力、襯砌應力、使用開始后有無變異等表2研究妥當性的項目17

下面進一步說明圍巖條件和設計條件的類似性。

·

硬巖在硬巖中的類似圍巖指：分級表中的地層名、巖石名中屬于硬質(zhì)圍巖的。例如，地層名、巖石名同屬于一類的，就可以判斷有一定的類似性。因此，在類比設計時，可參考其彈性波速度、裂隙系數(shù)的類似性進行設計。

·

中硬巖、軟巖在中硬巖、軟巖中，巖石的物性值因巖石的種類及互層狀態(tài)等而異，因此，即使巖石名相同，還要考慮生成年代、強度、或圍巖強度比類似的圍巖條件。在這種情況時，砂質(zhì)巖中的砂的固結(jié)狀態(tài)(強度)及是否形成透水層是很重要的。所以，在進行類比設計時，最好參考其彈性波速度、裂隙系數(shù)、圍巖強度比的類似條件。在泥質(zhì)巖、凝灰質(zhì)軟巖中，有無膨脹性、斷層等的程度的類似性也十分重要。

18

·

土砂圍巖未固結(jié)或土砂圍巖，應研究其生成年代、形成過程、緊密程度、透水性、地下水位等的類似性。對粘性土要研究其圍巖強度比，對砂質(zhì)土要研究相對密度、細顆粒含量、含水比等的類似性。

·

設計條件在類似圍巖中應著重收集其設計條件、施工方法、輔助工法的內(nèi)容、凈空位移值等的量測結(jié)果，并加以分析、評價，而后編制經(jīng)過修正的支護模式。

研究設計條件類似性的注意事項列于表3。19

表3作為參考的設計注意事項注意事項研究內(nèi)容圍巖特性圍巖種類和凈空位移值的關系開挖工法分部的方法

開挖方式一次掘進長度、機械性能等輔助工法種類及效果支護結(jié)構支護模式支護材料使用材料的種類，噴混凝土配比、強度、施工二次襯砌設計方法、混凝土強度、是否采用鋼纖維等在大多數(shù)情況下，隧道支護體系設計還是依賴“類比設計”的。表4是錨桿噴混凝土支護技術規(guī)范建議的噴錨支護設計參數(shù)。20表4隧洞和斜井的噴錨支護類型和參數(shù)毛洞跨度（m）B≤55<B≤1010<B≤1515<B≤2020<B≤25I

不支護50mm厚噴射混凝土(1)80～100mm厚噴射混凝土(2)50mm厚噴射混凝土，設置2～2.5m長的錨桿100～150mm厚噴射混凝土，設置2.5～3m長的錨桿，必要時配置鋼筋網(wǎng)120～150mm厚鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，設置3～4m長的錨桿Ⅱ

50mm厚噴射混凝土(1)80～100mm厚噴射混凝土(2)50mm厚噴射混凝土，設置1.5～2m長的錨桿(1)120～150mm厚噴射混凝土，必要時，配置鋼筋網(wǎng)(2)80～120mm厚噴射混凝土，設置2～3m長的錨桿，必要時配置鋼筋網(wǎng)120～150mm厚鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，設置3～4m長的錨桿150～200mm厚鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，設置5～6m長的錨桿，必要時設置長度大于6m的預應力或非預應力錨桿Ⅲ(1)80～100mm厚噴射混凝土(2)50mm厚噴射混凝土，設置1.5～2m長的錨桿(1)120～150mm厚噴射混凝土，必要時配置鋼筋網(wǎng)(2)80～100mm厚噴射混凝土，設置2～2.5m長的錨桿，必要時配置鋼筋網(wǎng)100～150mm厚鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，設置3～4m長的錨桿150～200mm厚鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，設置4～5m長的錨桿，必要時設置長度大于5m的預應力或非預應力錨桿21

Ⅳ80～lOOmm厚噴射混凝土，設置1.5～2m長的錨桿100～150mm厚鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，設置2～2.5m長的錨桿，必要時采用仰拱150～200mm厚鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，設置3～4m長的錨桿，必要時采用仰拱并設置長度大于4m的錨桿

V120～150mm厚鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，設置1.5～2m長的錨桿，必要時采用仰拱150～200mm厚鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，設置2～3m長的錨桿，采用仰拱，必要時加設鋼架注：1表中的支護類型和參數(shù)，是指隧洞和傾角小于30的斜井的永久支護，包括初期支護與后期支護的類型和參數(shù)。

2服務年限小于10年及洞跨小于3．5m的隧洞和斜井，表中的支護參數(shù)，可根據(jù)工程具體情況，適當減小。

3復合襯砌的隧洞和斜井，初期支護采用表中的參數(shù)時，應根據(jù)工程的具體情況，予以減小。

4陡傾斜巖層中的隧洞或斜井易失穩(wěn)的一側(cè)邊墻和緩傾斜巖層中的隧洞或斜井頂部，應采用表中第(2)種支護類型和參數(shù)。其他情況下，兩種支護類型和參數(shù)均可采用。

5對高度大于15．0m的側(cè)邊墻，應進行穩(wěn)定性驗算。并根據(jù)驗算結(jié)果，確定錨噴支護參數(shù)。22從這些實踐中，大致上可以發(fā)現(xiàn)在進行支護結(jié)構“類比設計”時，需要注意的幾點:

（1）首先，對坑道圍巖要有一個大致的分級。這些分級大都是根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，為一座隧道或一條線路單獨編制的。但不管采用何種分級，大體上都是把坑道圍巖分為四個基本類型。即：

1）完整、穩(wěn)定圍巖；

2）易破碎、剝離的塊狀圍巖；

3）有地壓作用的破碎圍巖；

4）強烈擠壓性圍巖或有強大地壓的圍巖。其中某些類別還有些亞類。23

（2）各類圍巖的支護結(jié)構參數(shù)大體按下述原則選用。

1）完整、穩(wěn)定的圍巖錨桿長<1.5m，n=4~4.2根/m左右，從力學上看是不期待錨桿的支護作用的，圍巖本身強度就可以支護坑道，但因有局部裂隙或巖爆等,用其加以控制而已。噴混凝土用于填平補齊，為確保洞內(nèi)安全作業(yè)應設金屬網(wǎng)防止頂部巖石剝離。二次襯砌采用能夠施工的最小混凝土厚度，約30cm左右。

2）易破碎、剝離的塊狀圍巖錨桿長1.5~3.5m，n=10根/m左右，多數(shù)情況是長、短錨桿配合使用，短錨桿用脹殼式，長錨桿用灌漿式。

24噴層厚0~l0cm，穩(wěn)定性好些的用來填平補齊，也可只在拱部噴射，此時開挖正面無需噴射。金屬網(wǎng)與（1）同，特殊情況要采用可縮性支撐或輕型格柵鋼支撐。二次襯砌厚度約30~40cm，包括噴層在內(nèi)約40cm。

3）有地壓作用的破碎圍巖錨桿長3.0~4.0m，有時用6.0m的灌漿式，n=10根/m左右。這種圍巖視圍巖強度比，預計有塑性區(qū)發(fā)生時，從控制它的發(fā)展看，錨桿必須用噴混凝土等加強。噴層厚約15~20cm，拱部和側(cè)璧同厚，視情況正面也要噴5cm左右。開挖進度要注意，必要時控制在1.0m以下。二次襯砌厚度,包括噴層在內(nèi)為40~~50cm,盡可能薄些。25

4）強烈擠壓性圍巖或有強大地壓的圍巖在這種圍巖中施工是很困難的，要分臺階施工，限制分部的面積。錨桿長4.0~6.0m，n=15根/m左右。噴層厚20~25cm，正面噴3~5cm。必須采用可縮性支撐，間距約75cm左右。二次襯砌厚度，按總厚度50cm決定。在30天以內(nèi)斷面要閉合，即要修好仰拱。

（3）在施工中應盡量少損害圍巖，使其盡量保持原有圍巖的強度，因此，應采用控制爆破技術。26

（4）預計有大變形和松弛的情況下，開挖面要全面防護〈包括正面〉,使之有充分的約束效應，在分臺階開挖時，上半斷面進深不宜過長，以免影響整個斷面的閉合時間。

（5）二次襯砌通常是現(xiàn)灌的，在修二次襯砌之前要修防水層，形成具有防水性能的組合式襯砌。應使襯砌成為薄殼，這樣可減少彎矩而使彎曲破壞的發(fā)生為最小。因此，不僅初期支護，二次襯砌都要薄些。

（6）允許甚至希望圍巖出現(xiàn)一定的變形，以減少為完成支護作用所需的防護措施。這些防護措施包括襯砌，必要時要修仰拱以及直接深入到不穩(wěn)定巖層內(nèi)部的錨固系統(tǒng)，或其他結(jié)構構件。27

（7）要制定一個詳細周密的量測計劃。控制變形與應力，確定所建立的支護阻力是否和圍巖類型相適應以及還需要什么樣的加強措施。（8）支護結(jié)構的施工順序與正確的掌握圍巖的時間效應很有關系。因此，施工要嚴格按著預定的施工程序施工。從當前地下工程設計現(xiàn)狀來看，多數(shù)情況是依靠類比設計的，甚至有的提出“在隧道力學中不可能進行計算，只能給以必要的假設”，并指出“首先是提出一個大致簡化的力學模型，然后根據(jù)某些經(jīng)驗和工程師的直觀來判斷”。米勒更絕對地指出“通過大量的虛擬的計算，說明我們的無知，這些雖然能夠使發(fā)包者得到安慰，也只是自欺欺人”。這些說法雖然有些絕對，但也說明計算的局限性。28四、標準設計在一般的圍巖條件下的預設計中，有標準支護模式時，原則上都要采用標準設計。這也是當前隧道設計方法的主流。

標準設計適合于圍巖條件(地形、地質(zhì)、埋深)和斷面積、斷面形狀、周邊環(huán)境的影響等條件均屬一般的情況。標準設計流程如圖1所示。采用標準設計時，根據(jù)施工中掌子面觀察和量測結(jié)果進行設計修正是很重要的。位移量有問題的情況，或在城市的土砂圍巖及接近結(jié)構物施工對地表面下沉有限制等情況，與解析方法同時應用也是必要的。29

圖1初步設計中的標準支護模式設計的流程

301、標準設計的實用范圍及注意事項標準設計在一般的設計條件下，適用于所有圍巖級別。表1、表2分別是標準設計的適用范圍及采用標準設計時應注意的事項。表1標準設計的適用范圍

一般圍巖

特殊圍巖

土砂圍巖

隧道埋深在2~500m范圍埋深超過500m時，對圍巖預計沒有巖爆等現(xiàn)象時也適用。

不發(fā)生顯著的膨脹性地壓，單線凈空位移在15cm，雙線、新干線凈空位移在30cm以下的圍巖?！ば碌谌o的砂質(zhì)土、風化殘積土等，采用超前支護和簡便的排水措施可使掌子面穩(wěn)定的圍巖。

·在硬巖、中硬巖、軟巖中，隧道埋深在5D~2D，采用輔助工法可使掌子面穩(wěn)定的場合。

·硬巖、中硬巖、軟巖中，有斷層破碎帶，但采用輔助工法可使掌子面穩(wěn)定的情況。31表2標準設計應用上的注意事項

一般圍巖

特殊圍巖

土砂圍巖·采用輔助工法時，要修正支護構件的設計。

·在硬巖的下半斷面，根據(jù)裂隙狀態(tài)，可能不能期待錨桿的內(nèi)壓效果，此時可省略錨桿。

·在軟巖中，彈性波速度大于2.6km/s，圍巖強度比小于2時，應格外注意。

·硬巖中，根據(jù)裂隙狀態(tài)，可同時采用噴混凝土和錨桿，或采用錨桿和金屬網(wǎng)而不采用噴混凝土，或采用無支護的?！ゎA計單線在15cm、雙線在30cm以上的凈空位移時，應立即修正設計。

·發(fā)生鋼支撐局部屈服和噴混凝土開裂的情況，應增加噴混凝土的強度，增加金屬網(wǎng)以提高其柔性。

·應研究超前支護、正面支護、環(huán)形開挖、臨時閉合等措施?！紤]的輔助工法有：斜錨桿、管棚等。

·采用排水鉆孔、壓漿等情況，對級圍巖要專門研究。

·根據(jù)掌子面的自穩(wěn)性，可采用正面噴混凝土、臨時閉合等。

·根據(jù)錨桿的拉拔力，研究錨桿的長度、孔徑及錨固方法等。

·沒有受拉力的錨桿可以取消。32

采用標準設計時，要確實地進行圍巖分級，充分考慮應用條件。標準支護模式的主要支護構件是噴混凝土、錨桿、鋼支撐等，同時要考慮開挖、仰拱、二次襯砌等。在附近有類似條件的工程時，也應參考。2、標準設計的標準支護模式為了提高設計效率和質(zhì)量，提高隧道設計的標準化程度是非常重要的。這也是目前許多國家大力提倡的。標準設計的中心內(nèi)容是支護模式的標準化。下面列舉我國及國外的一些標準設計的概況。（1）我國鐵路隧道的標準設計

單線鐵路隧道標準支護參數(shù)列于表3、表4。

33表3單線鐵路隧道標準支護參數(shù)圍巖級別初期支護二次襯砌(cm)噴混凝土厚度(cm)錨桿鋼筋網(wǎng)鋼架拱部、邊墻仰拱拱部、邊墻仰拱位置長度（m）間距（m）Ⅱ4-----25-Ⅲ6-局部設置2.01.2~1.5--25-Ⅳ1010拱、墻2.0~2.51.0~1.2必-要時設置-3030Ⅴ1414拱、墻2.5~3.00.8~1.0拱、墻、仰拱必要時設置3535Ⅵ通過試驗確定34圖2單線鐵路隧道典型的標準斷面及支護模式(cm)35表4雙線鐵路隧道的標準支護參數(shù)圍巖級別初期支護二次襯砌(cm)噴混凝土厚度(cm)錨桿鋼筋網(wǎng)鋼架拱部、邊墻仰拱拱部、邊墻仰拱位置長度(m)間距(m)Ⅱ5-局部設置2.01.5--30-Ⅲ1010拱、墻2.0~2.51.2~1.5必要時設置-3535Ⅳ1515拱、墻2.5~3.01.0~1.2拱、墻、仰拱必要時設置3535Ⅴ2020拱、墻3.0~3.50.8~1.0拱、墻、仰拱拱、墻、仰拱4040Ⅵ通過試驗確定36圖3雙線鐵路隧道典型的標準斷面及支護模式(cm)37（2）日本鐵路隧道標準支護模式

表5

單線鐵路隧道的標準支護參數(shù)支護構件錨桿噴混凝土（cm）鋼支撐標準支護模式配置長度(m)×根數(shù)間距(m)拱部、邊墻

仰拱種類ⅣNP———5（平均）－－ⅢNP拱部2×0~4（隨意）10(平均)－－ⅡNP拱部2×6l.510(平均)－－ⅠNP拱部、邊墻3×101.010(最小)－(100H)*ⅠSP拱部、邊墻3×12l.010(最小)10(最小)100HⅠLP拱部、邊墻3×8l.015(最小)－100H38圖4單線鐵路隧道典型的標準斷面及支護模式(m)39表6雙線鐵路隧道標準支護參數(shù)支護構件錨桿噴混凝土（cm）鋼支撐標準支護模式配置長度(m)×根數(shù)間距

(m)拱部、邊墻

仰拱

種類ⅣNP---5(平均)--ⅢNP拱部2×0~5（隨意）10（平均）--ⅡNP拱部3×8l.510(平均)ⅠNP拱部、邊墻3×12l.015(最小)(125H)*ⅠSP拱部、邊墻3×84×101.015(最小)15（最小)150HⅠLP拱部、邊墻3×101.020(最小)125H40圖5雙線鐵路隧道典型的標準斷面及支護模式(m)41表7新干線隧道標準支護參數(shù)支擴構件錨桿噴混凝土（cm）鋼支撐標準支護模式配置長度(m)×根數(shù)間距

(m)拱部、邊墻

仰拱

種類ⅣNP---5（平均）--ⅢNP拱部2×0~6（隨意）5(平均)--ⅡNP拱部3×10l.510(平均)--ⅠNP拱部、邊墻3×141.010(最小)-(100H)*ⅠSP拱部、邊墻3×84×12l.010(最小)15（最小)100HⅠLP拱部、邊墻3×12l，015(最小)-100H注：1.4m長的錨桿，配置在拱腳附近。

2.如采用鋼支撐，以括號內(nèi)種類為準。42圖6新干線隧道標準斷面及支護模式（m）43

（3）日本公路隧道的標準設計日本公路隧道的標準設計的程度是比較高的。不僅有雙車道隧道，三車道隧道的標準設計，還有雙車道隧道緊急停車帶的標準設計。表8雙車道隧道標準支護模式圍巖級別支護模式標準一次掘進長度(cm)錨桿噴混凝土鋼支撐襯砌厚度變形富裕開挖方法長度(cm)施工間隔施工范圍厚度(cm)上半尺寸下半尺寸拱、邊墻(cm)仰拱(cm)環(huán)向縱向BB-a2.03.01.52.0上半1205_-3000輔助臺階的全斷面法或上半斷面臺階法CⅠCⅠ-a1.53.01.51.5上半12010--30(40)0CⅡCⅡ-a1.23.01.51.2上下半10--30(40)0CⅡ-b1.23.01.51.210--30(40)0DⅠDⅠ-a1.03.01.21.0上下半15H125-30450DⅠ-b1.04.01.21.015H125H12530450DⅡⅡ-a<1.04.01.2<1.0上下半20H1509雙車道隧道緊急停車帶的標準支護模式圍巖級別錨桿噴混凝土鋼支撐襯砌厚度長度（m）施工間隔（m）厚度（cm）上半尺寸下半尺寸間隔（m）拱、墻仰拱環(huán)向縱向B無1.5(上半)2.010無無-40-CⅠ4.01.21.515無無-40（50）CⅡ4.01.21.215H-150無1.24050DⅠ6.01.01.020H-150H-1501.04050DⅡ個別設計表10三車道隧道的標準支護模式圍巖級別錨桿噴混凝土鋼支撐襯砌厚度長度（m）施工間隔(m)厚度(cm)上半尺寸下半尺寸間隔（m）拱、墻仰拱環(huán)向縱向B3.01.51.510無無-40-CⅠ4.01.21.215H-150無1.24050CⅡ4.01.21.220H-150H-1501.24050DⅠ6.01.01.020H-200H-2001.04050DⅡ個別設計45表11三車道隧道緊急停車帶支護模式的大致標準圍巖級別錨桿噴混凝土鋼支撐襯砌厚度長度（m）施工間隔（m）厚度（cm）上半尺寸下半尺寸間隔（m）拱、墻仰拱環(huán)向縱向B6.01.21.215無無1.25050CⅠ6.01.01.020H-299無1.05050CⅡ6.01.01.025H-250H-2501.05050

參考上述標準支護參數(shù)時要注意：日本的鐵路隧道和公路隧道是采用不同的圍巖分級方法，表中所列的級別，請參考日本的分級方法。一般說，根據(jù)圍巖級別采用的標準支護模式，即使在同一的圍巖級別條件下，因埋深大，支護構件穩(wěn)定性有時也會出現(xiàn)問題，應參考圍巖的變形系數(shù)和埋深的關系以及量測結(jié)果等，修正標準的支護結(jié)構模式。463、城市條件采用礦山法修筑的隧道的標準設計最近，日本針對城市砂質(zhì)土和粘性土的地質(zhì)條件和埋深淺的設計條件，編制了城市采用礦山法修筑地下鐵道區(qū)間隧道或鐵路、道路隧道的設計標準，很有借鑒意義。該技術標準在決定斷面形狀時，考慮完成后和施工時的穩(wěn)定。斷面形狀視使用目的，要確保建筑限界，同時要考慮變形富裕，盡可能地采用不產(chǎn)生應力集中的圓順的隅角。同時原則上要設置仰拱，并采用鋼筋混凝土結(jié)構。因在山嶺隧道中開挖斷面形狀的自由度比較高，應根據(jù)施工中的量測掌握實際的圍巖動態(tài)，來驗證基本設計的安全性。下圖是參考既有的事例，考慮各種條件的斷面形狀。以下各表是標準支護模式。47圖7砂質(zhì)地層的雙線斷面形狀例圖8黏性土地層雙線斷面形狀例48表12雙線隧道的標準初期支護參數(shù)支護模式INPILCPILSP圍巖級別INILCILS噴混凝土上·下半斷面200mm250mm250mm仰拱200mm250mm250mm鋼支撐間距1m1m1m上·下半斷面125H150H150H仰拱125H150H150H錨桿長度3m3m3m根數(shù)12根12根10根短超前支護長度2m3m3m間距（環(huán)向）0.6m0.6m0.6m49表13單線隧道的標準初期支護參數(shù)支護模式INPILCPILSP圍巖級別INILCILS噴混凝土上·下半斷面150mm200mm200mm仰拱150mm200mm200mm鋼支撐間距1m1m1m上·下半斷面100H125H125H仰拱100H125H125H錨桿長度3m3m3m根數(shù)1０根10根10根短超前支護長度2m3m3m間距（環(huán)向）0.6m0.6m0.6m50表14二次襯砌和仰拱的標準設計（雙線）名稱圍巖級別設計荷載（水壓）距襯砌拱頂?shù)母叨龋╩）標準設計斷面記事二次襯砌仰拱近接施工的可能范圍防排水形式厚度（cm）配筋厚度（cm）配筋加載σmaxKPa卸載hmin/HINLIN無30無45無－－排水型INL-無50D19@250mm50D19@250mm400.9排水型INL0050D19@250mm50D19@250mm950.8防水型INL5550D19@250mm50D19@１25mm1250.7INL101060D19@250mm60D19@１25mm1500.7ILLIL無30無45無－－排水型ILL-無50D19@250mm50D19@250mm150.9排水型ILL0050D19@250mm50D19@250mm600.9防水型ILL5550D19@250mm50D19@１25mm750.9ILL101060D19@250mm65D19@１25mm550.9

51

表15二次襯砌和仰拱的標準設計（單線）名稱圍巖級別設計荷載（水壓）距襯砌拱頂?shù)母叨龋╩）標準設計斷面記事二次襯砌仰拱近接施工的可能范圍防排水形式厚度（cm）配筋厚度（cm）配筋加載σmaxKPa卸載hmin/HINLIN無40無40無－－排水型INL-無40D19@250mm40D19@250mm650.8排水型INL0040D19@250mm40D19@250mm1050.8防水型INL5540D19@250mm40D19@25０mm650.9INL101040D19@250mm40D19@25０mm250.9ILLIL無30無30無－－排水型ILL-無40D19@250mm40D19@250mm350.8排水型ILL0040D19@250mm40D19@250mm750.9防水型ILL5540D19@250mm40D19@25０mm550.8ILL101040D19@250mm40D19@１25mm250.952五、荷載—結(jié)構模式解析方法中的幾個問題

把隧道支護結(jié)構在力學上和構造上作為拱形結(jié)構來處理這個思想是從地面結(jié)構引申出來的。是否合適和合理到何種程度要根據(jù)現(xiàn)在的認識、經(jīng)驗去判斷。把隧道作為拱形結(jié)構的概念,就是承認松弛土壓的作用。松弛壓力不是不可避免的荷載，多數(shù)場合是由于某些作業(yè)方法所誘發(fā)的，因而都在力圖阻止它發(fā)生。如果這一點收到成效，就失去根據(jù)松弛壓力決定尺寸的必要性。如果施工沒有滿足下述條件，隧道結(jié)構就只能是個拱,而按拱形結(jié)構進行設計計算：

（1）制止松弛和由此產(chǎn)生的松弛壓力；（2）結(jié)構和圍巖之間有效的、長期的緊密接觸。531、荷載及荷載模式在沿用地面結(jié)構的設計方法進行隧道結(jié)構設計時，結(jié)構的作用效應基本上是由荷載產(chǎn)生的，而隧道結(jié)構的力學特性是：荷載、結(jié)構、材料三位一體，沒有象地面結(jié)構那樣明確的荷載概念。因此，不得不假定一個“虛擬”的荷載，認為它僅僅與圍巖的特性有關，而與襯砌結(jié)構的特性無關，即“松弛荷載”。荷載－結(jié)構模式的發(fā)展,主要表現(xiàn)在“荷載”處理上,它大致經(jīng)歷了下述三個階段：

（1）主動荷載模式；（2）主動荷載+被動荷載模式；（3）實際荷載模式。54a)主動荷載模式；b)主動荷載＋被動荷載；c)實際荷載（形變荷載）

多數(shù)情況都采取第二種模式，考慮了結(jié)構和圍巖之間的相互作用，局部地體現(xiàn)了隧道作為地下結(jié)構的受力特點。為保證圍巖約束抗力的存在，就必須保證結(jié)構與圍巖之間緊密接觸。

第三種模式當前正在發(fā)展，也就是形變壓力。實際上它與第一種模式是一致的，只不過荷裁是實地量測或計算的。實測荷載基本上反映了結(jié)構與圍巖全面的相互作用的特征。因此,結(jié)構力學方法同樣也可以反映結(jié)構支護體系相互作用的功能。55采用第三種模式時計算中有二種情況：

（1）結(jié)構與圍巖牢固接觸的情況：在接觸面上不僅有徑向荷載，還有切向荷載存在，切向荷載的存在可以減小荷載分布的不均勻程度，從而大大減小結(jié)構中彎矩。例如，噴混凝土支護就屬這種。

（2）結(jié)構與圍巖松散接觸的情況：在接觸面上只能傳遞徑向荷載，一般具有回填層的現(xiàn)灌混凝土襯砌或用盾構法修筑的隧道都符合這種情況。圖2形變壓力的特征56表1松弛荷載的計算公式隧道類型

計算公式

公式

符號意義鐵路隧道q=0.043e0.64(6-s)(B+H)γq:垂直均布壓力γ：圍巖單位容重S：圍巖級別B、H：坑道的寬度、高度Kb:跨度影響系數(shù)公路隧道q=0.8γKbe0.62(6-s)水工隧洞q=(0.2~0.3)γB注：公式來源于有關規(guī)范。2、彈性抗力的處理彈性抗力是相互作用產(chǎn)生的被動荷載，把隧道結(jié)構視為一個在荷載作用下的位于彈性地基上的結(jié)構，是現(xiàn)行計算方法的基本出發(fā)點。把圍巖對結(jié)構變形的約束所產(chǎn)生的反作用視為線彈性的，即σ=Ky（K為彈抗力系數(shù)；y為接觸點徑向位移）。57

實際上，在荷載作用下地基的變形是一個彈塑性過程，在初始荷載作用下，一般地基向襯砌方向移動，因為圍巖在開挖中會松弛或在襯砌回填中沒有達到密貼的要求，而在卸載條件下，圍巖變形只有一部分復原。因此，彈性抗力系數(shù)，不完全是圍巖的特征值，它受到承載面大小和形狀以及荷載大小的影響。

[例如]在用加載板方法研究的荷載下沉曲線中，同時發(fā)生可觀的彈性和塑性下沉。此外，彈性抗力系數(shù)由于不同大小的松弛，在底部附近最大，在拱部最小。彈性抗力系數(shù)還直接受到施工方法的影響，減小震動的開挖會給出較高的彈性抗力系數(shù)，而過度爆破所得到的K值要低一些。58表2各級圍巖的彈性抗力系數(shù)K的標準值圍巖級別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥK（MPa/m）1800~28001200~1800500~1200200~500100~200<100

彈性抗力系數(shù)K，實質(zhì)上與地基反力系數(shù)是一個概念，因此應盡可能地采用原位置試驗的地基反力系數(shù)。在土砂圍巖的情況，可采用下式確定：

式中：Kn：法線方向的地基反力系數(shù)（N/cm3）；Eo：孔內(nèi)水平加載的變形系數(shù)（N/cm2）；Do：襯砌外徑（cm）；δ：襯砌的變形量（cm）。59彈性抗力與水平荷載之間有密切關系，在松散地層中因水平荷載大，彈性抗力很小，圍巖約束襯砌變形的作用不大，一般計算中可以忽略彈性抗力。但在巖質(zhì)隧道中，彈性抗力的作用是非常顯著的，它能夠充分體現(xiàn)圍巖約束變形的作用。彈性抗力分布多數(shù)按徑向分布，但也可按水平分布處理。一般以彈簧表示,有全周彈簧模式和在圍巖條件差的情況采用在隧道頂部45o范圍內(nèi)不設置彈簧的模式。計算時彈簧出現(xiàn)拉力的場合應取消彈簧。圖3彈性抗力的分布圖圖4彈性抗力的彈簧設置

603、近接施工的影響隧道完成后有接近隧道進行其他結(jié)構物施工的場合，隧道受到其影響會產(chǎn)生位移、變形。在這種場合，要切實掌握對二次襯砌及仰拱的影響，必要時要考慮近接施工所產(chǎn)生的荷載。

（1）近接施工的種類和變形動態(tài)的特征

圖5近接施工種類和變形動態(tài)特征隧道上部填土；隧道上部挖土；隧道并列；隧道交叉61

（2）設計方法近接施工的影響程度與近接的程度（間隔距離）、近接施工的規(guī)模（荷載的大小、范圍）、圍巖條件、襯砌構造等是多種多樣的。為此，影響程度不能一概而論。

（3）近接荷載的計算方法由于圍巖的應力狀態(tài)變化而出現(xiàn)各種各樣的現(xiàn)象，但大體上可分為圍巖應力向壓縮側(cè)變化（近接加載）和向拉伸側(cè)變化（近接卸載）二種情況。

a.近接加載作用在地層上的荷載向土中的影響，隨深度因應力分散而減小。說明荷載的作用范圍是有限的，一般越深地層的剛性相對地變大。為此，對二次襯砌及仰拱的影響也是逐漸減小的。62

近接荷載P的計算方法：圖6地中應力分布圖7地表面加載1kgf/cm2時，隧道正上方的垂直應力分布

隨著深度的增加，隧道正上方的應力逐漸減少，深度達20m時，僅為地表荷載的1/15。一般說，超過某一深度后（隧道直徑的2～3倍），可認為隧道正上方的應力基本上與地表荷載無關，而僅收到松弛壓力的作用。有限單元法應力分散公式法63b.近接卸載近接卸載的場合要注意有以下特征：卸載時的圍巖彈性系數(shù)比加載時大；卸載時圍巖向離開二次襯砌方向變形，圍巖和二次襯砌間沒有拉力作用。日本統(tǒng)計了近30多座隧道的卸載開挖實例，研究挖土量H和埋深h的關系后認為：因挖方產(chǎn)生襯砌變異的事例并不多，而襯砌發(fā)生開裂的局限在剩余埋深h小于5～10m或剩余埋深比h/H小于0.2～0.3的范圍內(nèi)。即使剩余埋深h＝0m時，也有不開裂的情況。在泥質(zhì)軟巖中h大于10m多產(chǎn)生開裂。64

此外，也研究了地下開挖對地面建筑物基礎承載力的影響。在結(jié)構物基礎附近修筑地下結(jié)構物時，對基礎的影響究竟如何，通過一個計算例說明。取地層的強度是均一的，cu＝500kN/m2，結(jié)構物寬設定20m，承載力是單軸抗壓強度的5.14倍，即2570kN/m2。不同情況下地層承載力的變化如下。表3開挖引起的地層承載力的變化情況Qu(kN/m2)qu/Cqu/qu0a)2710.85.421.000b)1350.82.700.498c)2518.95.040.929d)505.61.010.187e)1728.03.460.637f)1101.42.200.40665六、巖石力學解析方法中的幾個問題

1、圍巖的力學模式適合解析用的圍巖力學模式，應選擇能夠表現(xiàn)伴隨隧道開挖的圍巖變形特性、強度特性的模式。有限元界限中采用的位移的力學模式（圖1）有：線性模式；非線性模式；彈塑性模式。也有把應變的時間特性，即粘性功能考慮在內(nèi)的模式。圖1圍巖的力學模式例66

線性模式是最單純的力學模式，對大致推斷隧道支護體系的力學動態(tài)，此模式是充分的。非線性模式把實際的圍巖變形特性，近似模擬成隨應力的增加，變形系數(shù)慢慢降低的模式，而在隧道開挖解析中獲得廣泛的應用。非線性模式的方法有：破壞接近度模式、雙曲線模式等，經(jīng)常采用的是破壞接近度的方法和松弛系數(shù)的方法。發(fā)生大規(guī)模塑性區(qū)的情況，也可以采用彈塑性模式，但其解析結(jié)果受到屈服條件參數(shù)的影響?？刹捎媚?庫侖屈服條件（M-K條件）和德魯克-布拉卡的屈服條件（D-P條件）。

（１）破壞接近度的非線性模式巖石三軸試驗的應力-應變曲線的非線性模式示于圖2，此曲線表示出其切線變形系數(shù)D和其應力狀態(tài)的主應力圓摩爾-庫侖破壞條件及破壞接近度R的關系。67圖2破壞接近度的非線性模式a)三軸試驗的應力－應變曲線；b)破壞接近度；c)破壞接近度和變形系數(shù)的關系；d)破壞接近度和泊松比的關系68也就是說，破壞接近度在彈性極限REL以下，則顯示非線性，變形系數(shù)D降低，泊松比則增加。這種關系表示為：

R'=1（R>REL）

R'=R/REL（R≦REL）

D/Do=R'1/n+（1-R'1/n）Df/Dμ=μ０R'1/kn+（1-R'1/kn）μf

式中：D0、μ０為彈性狀態(tài)的變形系數(shù)和泊松比；Df、μf為破壞時的變形系數(shù)和泊松比；n為D的變化路徑的參數(shù)；k為常數(shù)，一般取2。

（2）松弛系數(shù)的非線性模式此法是把圖3所示的主應力圓和破壞包絡線的距離定義為松弛系數(shù)。把它作為助變數(shù)用以下方法表示圍巖的非線性特性。69圖3松弛系數(shù)

當R≧1，R<Rmin時：

D=Do

μ=μo

當Rmin≦R<1時：70式中：α1、α2、β1、β2表示非線性的參數(shù)，由實驗確定；

R為松弛系數(shù)，

k為彈性極限參數(shù)，為彈性極限狀態(tài)的值。2、圍巖和隧道的模式化（1）解析區(qū)域伴隨隧道開挖使圍巖應力變化的范圍大致在2D左右，因此，作為解析區(qū)域要確保在隧道外側(cè)最小2D的范圍。一般在水平方向取(4~5)D，垂直方向取(2~3)D。71圖4解析區(qū)域

（2）邊界條件解析區(qū)域?qū)嶋H上是在半無限連續(xù)的圍巖中取出隧道周邊有限的范圍，因此解析區(qū)域的端面必須滿足以遠區(qū)域的連續(xù)性邊界條件。作為邊界條件，一般可采用表1所示的條件。（3）圍巖和支護構件模式化按表2的單元模式化。72表1一般采用的邊界條件邊界的種類水平方向的位移垂直方向的位移備注解析區(qū)域的上面自由自由地表面的上覆荷載或解析區(qū)域上面的圍巖重量，可作為荷載作用在邊界面上。解析區(qū)域的側(cè)面固定自由初始側(cè)壓系數(shù)大于1時。在初始應力解析中，側(cè)面的水平方向位移不要固定，而把水平土壓作為荷載作用之。解析區(qū)域的下面固定固定

表2圍巖和支護構件的模式化模式化的構件單元種類圍巖平面單元噴混凝土棒單元鋼支撐梁單元錨桿棒單元和特殊結(jié)合單元二次襯砌格子單元或平面單元和棒單元73圖5錨桿和特殊結(jié)合單元圖6格子單元圖7平面單元與棒單元的結(jié)合743、施工過程的模式化解析應能反映隧道施工順序、掌子面進展的三維效果。在隧道的開挖方法中，有全斷面方法、臺階法、中隔壁法等方法，要根據(jù)斷面形狀和地質(zhì)條件采用。圍巖及隧道的應力和位移，則因開挖步驟和支護時期等而變，因此，應把施工步驟忠實地反映在解析步驟中。同時，隧道隨掌子面的進展而產(chǎn)生圍巖位移。在毛洞時，掌子面達到之前已發(fā)生約30%的位移，而在掌子面后方約2D左右位移基本收斂。因此，如圖8所示，由于開挖后支護設置的時期，隧道應力和位移是變化的。根據(jù)圍巖狀況因釋放率的不同，而認真地加以研究。

75

掌子面進展的三維效果可以按二維解析方法處理，這可采用流變函數(shù)方法和應力釋放率方法。流變函數(shù)方法是把距掌子面的距離置換為天數(shù)，把掌子面達到后的位移發(fā)生過程用流變函數(shù)近似表示的方法。采用此方法時，圍巖的力學模式中要介入具有粘性功能的參數(shù)。圖8支護設置時期和隧道位移76

應力釋放率的方法是把與開挖時點及支護設置時點的各自位移相當?shù)膽︶尫怕?，按開挖相當外力分階段地作用進行解析的方法。此方法，在解析上的處理是比較容易的，但某開挖階段的開挖相當外力，因在該階段不是100%的釋放，而不能移到下一階段，在有輔助臺階的全斷面方法等下一階段的距離比較短的情況，要格外注意。不管那種方法，在噴混凝土情況應設在強度能夠發(fā)揮到某種程度的那一點，錨桿的情況，應設在充填材料硬化時那一點?？傊詈迷O在各構件開始發(fā)揮支護功能的時期。4、輸入物性值和圍巖分級采用有限元法進行設計時，要充分考慮計算方法、計算上的假定，采用適合的物性值。77

（1）初始地壓有以下三個參數(shù)：埋深、初始側(cè)壓系數(shù)、單位體積重量。

（a）埋深：取隧道頂端到地表面的距離(m)為埋深。

（b）初始側(cè)壓系數(shù):

彈性理論求解方法:

基于彈性理論可根據(jù)泊松比直接求出初始側(cè)壓系數(shù)，泊松比一般分布在0~0.5之內(nèi)，初始側(cè)壓系數(shù)在0~1.0之內(nèi)。有限元法：根據(jù)泊松比求解的方法，不能設定初始側(cè)壓系數(shù)大于1.0以上。側(cè)壓系數(shù)大于1.0時，在自重應力場分析中，應解除圍巖模式側(cè)方的水平約束，作用與側(cè)壓系數(shù)對應的水平方向荷載，設定所定的初始應力。78

反分析的方法:

施工時有位移量測數(shù)據(jù)時，可采用量測斷面模式的反分析方法確定初始側(cè)壓系數(shù)。但沒有量測數(shù)據(jù)時，也可根據(jù)類似條件的隧道量測數(shù)據(jù)進行反分析求解。反分析方法求出的初始側(cè)壓系數(shù)和埋深的關系例示于圖9。（a）79圖9初始側(cè)壓系數(shù)和埋深的關系（b）（c）80(c)單位體積重量原則上采用物性試驗求出，在受到上部有幾種地層構成時，硬按每一層地層設定。（2）圍巖的變形特性

(a)初始變形系數(shù)D0、破壞時變形系數(shù)Df

圍巖的變形系數(shù)，因隧道開挖范圍和試驗采用的試件尺寸而不同，因此，根據(jù)試驗得到的物性值不能直接用，應充分考慮試驗的特性確定。主要方法有：降低物性試驗得到的數(shù)值的方法；采用位移量測數(shù)據(jù)反分析求出的方法（圖10）；采用按圍巖級別的標準值的方法（圖11）。

81圖10變形系數(shù)和凈空位移的關系圖11圍巖級別和圍巖變形系數(shù)的關系82(b)初始泊松比μ0、破壞時泊松比μf

沒有物性試驗結(jié)果是，作為標準值可按下表采用。破壞時泊松比是連續(xù)體塑性化時的數(shù)值，不管圍巖級別，都取0.45。

表3泊松比的標準值圍巖初始泊松比μo破壞時泊松比μf硬巖0.250.45中硬巖、軟巖0.300.45未固結(jié)圍巖（土砂）0.350.45

(c)彈性極限EEL、非線性參數(shù)n

一般根據(jù)三軸試驗的應力-應變曲線求出，沒有物性試驗結(jié)果時，可根據(jù)圍巖級別確定。83

（3）圍巖的強度特性圍巖強度特性有基于摩爾-庫倫破壞基準的黏結(jié)力、內(nèi)摩擦角、抗拉強度等。這些強度特性都能夠由試件的強度試驗和原位置試驗求出，但一般說，在隧道中進行原位置試驗的較少。因此，強度特性中的黏結(jié)力和變形系數(shù)一樣，考慮裂隙的影響，將試件的試驗值適當降低。而內(nèi)摩擦角因不太受裂隙的影響，可采用三軸試驗得到的數(shù)值。沒有物性試驗結(jié)果時，可按圍巖級別的標準值確定。

（4）其他物性值

(a)圍巖的流變特性圍巖的流變特性有粘性倍率α1和遲延系數(shù)β1。這些物性值能根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果求出，但因試件小、加載時間短，可能得到粘性倍率α1小、遲延系數(shù)β1大的結(jié)果，要加以注意。84

在施工時，有量測數(shù)據(jù)可以獲得隨掌子面進展而位移增加的情況時，可以采用反分析方法求解。

(b)掌子面進展的參數(shù)掌子面進展的參數(shù)α2、β2，把掌子面的3維效果用流變函數(shù)模擬的數(shù)值。α2是根據(jù)掌子面前方的位移的比例求出的，一般假定該位移為30%左右，即：α2=70%/30%≒2。遲延系數(shù)β2在掌子面后方2D（D隧道直徑），根據(jù)位移收斂90%的假定設定的。

（5）支護結(jié)構的輸入物性值

(a)噴混凝土噴混凝土與通常的混凝土不同，因在令期小的時候就發(fā)生變形，顯示出具有彈性變形以外的相當大的流變變形和干燥收縮變形。彈性系數(shù)（包括鋼纖維噴混凝土）取E=340MPa。85表4噴混凝土的流變試驗結(jié)果例材齡2天3天7天加載時的強度（MPa）18.620.524.3加載應力（MPa）3.115.666.79加載時應變（10）160490580加載后28天的應變（10）9101190130028天的干燥收縮應變（10）600570470加載時的彈性系數(shù)（GPa）19.411.611.728天后的視彈性系數(shù)（GPa）2.913.373.61

(b)錨桿一般使用的錨桿主要的異形棒鋼，也有采用帶螺紋的棒鋼。異形棒鋼有明確的屈服點，具有完全彈塑性的特性，但螺紋棒鋼因進行過冷加工，沒有明確的屈服點，可產(chǎn)生應變軟化，具有非線性特性。錨桿一般都按彈性體處理。86

錨桿的材料特性：

1)普通錨桿

Ec=210GPaσY=29.5MPaσY=34.5MPa2)錨桿和圍巖間的滑動因錨桿與砂漿間的附著強度大，錨桿發(fā)生滑動時，多發(fā)生在充填砂漿和圍巖之間。此時，有充填砂漿先行剪切破壞和圍巖先行剪切破壞兩種情況，由兩者的抗剪強度的大小決定。根據(jù)試驗結(jié)果，充填砂漿的抗剪強度可定為C=0.5MPa、φ=30，計算采用的數(shù)值可采用圍巖抗剪強度和此值中的小者。87

(c)鋼支撐鋼支撐一般取梁單元，但因與噴混凝土形成一體，也可換算為噴混凝土厚度計算。材料特性采用：Ec=219GPa;σY=40MPa

(d)襯砌混凝土在一般解析中，不進行二次襯砌計算的情況居多，但二次襯砌灌注后受到變形時，還要進行計算。輸入物性值可按設計基準確定。

(e)超前支護在二維計算中，明確地把超前支護的支護構件模式化是不可能的。作為簡便的方法，可以改善后的壓漿區(qū)的變形、強度特性的方法進行解析。885、考慮掌子面三維影響的方法掌子面進展用流變函數(shù)表現(xiàn)的方法和逐步釋放開挖面應力的方法。

(1)掌子面的進展用流變函數(shù)表現(xiàn)的方法日本鐵道公團采用的方法是把掌子面的進展發(fā)生的三維應變的變化用流變函數(shù)置換進行計算的方法。在假定必要參數(shù)的輸入值時，不僅要根據(jù)地質(zhì)調(diào)查的物性值，也要參考過去的解析例。在計算中，對隧道的變形模式（拱頂下沉和凈空位移的比值）有巨大影響的是初始側(cè)壓系數(shù)K。內(nèi)摩檫角φ、黏結(jié)力c等，與塑性有關的系數(shù)的影響是第二位的。其它的非線性參數(shù)，如非線性參數(shù)n、破壞時的變形系數(shù)Df、破壞接近度R的設定方法等的影響是不大的。89

對計算結(jié)果有很大影響的初始側(cè)壓系數(shù)K0和初始變形系數(shù)D0在實際的圍巖中是很難測定的，因此在計算時要充分地研究這些輸入條件。

(2)逐步釋放開挖面應力的方法此方法是把在初始狀態(tài)的隧道預計開挖面的應力，與開挖的同時，配合掌子面的進展逐步釋放的方法。圖12曲線，表示把隨掌子面進展在隧道某一觀察斷面產(chǎn)生的位移u（z）與隧道完全貫通時的平面應變狀態(tài)的最終位移u的無量綱化，因此，此曲線稱為位移的特性曲線。采用此特性曲線，三維狀態(tài)的位移u（z）可表示如下。

90u(z)=u0f（z）這樣，在二維解析中，開挖時的釋放荷載P（z），可對應掌子面的進展，由下式表示。

P(z)=P0f(z)圖12隧道凈空位移與掌子面的關系916、解析結(jié)果的評價

(1)位移隧道位移，一般采用凈空位移（上半斷面收斂值）評價。根據(jù)試驗結(jié)果，凈空位移達到隧道直徑的2%后，位移將急劇增大，因此，這個值可以作為容許值的大致標準。作為量測值的凈空位移多在絕對位移的70~80%左右，作為基準值可取隧道直徑的1.5%。根據(jù)標準設計的計算結(jié)果，凈空位移在隧道直徑的0.2%以下時，幾乎不會發(fā)生塑性區(qū)，因此，這個值可以作為視圍巖為彈性體時的大致標準。接近結(jié)構物的情況，要把結(jié)構物的位移為主進行評價。一般鐵道、公路等都設定了相應的基準值（管理值、容許值）。

92(2)圍巖的穩(wěn)定性根據(jù)計算結(jié)果評價圍巖的穩(wěn)定性時，其參數(shù)有破壞接近度和隧道周圍發(fā)生的塑性區(qū)的大小。在三軸試驗中，軟巖、中硬巖的破壞接近度R在1.0~0.3之間時，具有直線的應力應變關系。R≦0.3后則變?yōu)榉蔷€性的應力應變關系。在硬巖的場合，R≦0.2的范圍時，就顯示非線性的關系。因此，圍巖的破壞接近度如在0.2以下的范圍內(nèi)，圍巖可以大體上保持彈性狀態(tài)。這也可以作為一個評價基準。此外，從塑性區(qū)來看，壁面應力達到圍巖的單軸抗壓強度時開始塑性化，塑性區(qū)達到隧道直徑的20%后急劇增大。因此，塑性區(qū)不超過隧道直徑的20%的基準，可以作為評價圍巖穩(wěn)定性的一個大致標準。93(3)支護構件的應力噴混凝土、錨桿、鋼支撐等支護構件，應根據(jù)有關標準設定混凝土、鋼材的容許值。但容許值應考慮支護構件的作用來設定。也就是說，支護構件作為主體結(jié)構的一部分時，應采用與有關標準相同的容許值。如支護構件僅作為臨時結(jié)構物時，應適當降低容許應力，作為容許值。在膨脹性圍巖、圍巖條件極端差的情況、位移非常大的情況時，從構件不發(fā)生破壞的觀點出發(fā)，也可以采用構件的強度作為容許值。如下表。94表5隧道設計的容許值例設計原則支護構件作為主體結(jié)構的一部分時支護構件作為臨時結(jié)構時以支護構件強度使用的情況位移凈空位移值≦0.002D≦0.015D圍巖穩(wěn)定性破壞接近度≧0.2塑性區(qū)≦0.2D支護構件的應力噴混凝土應力kgf/cm2≦0.85fck/γcγbγt≦0.85fck/γt≦0.85fck錨桿應力MPa≦180≦200≦295≦345主要對象的圍巖ⅤnⅣnⅢnⅡnⅠnⅠLⅠsD：隧道直徑（mm）fck：噴混凝土設計基準強度（MPa）γc：噴混凝土的材料系數(shù)（=1.3）γb：噴混凝土的構件系數(shù)（=1.15）γt：噴混凝土的結(jié)構物系數(shù)（=1.1）95七、結(jié)構計算中的水壓力問題

從防排水角度設計隧道有兩種類型，即防水型隧道和排水型隧道。水壓力的處理是一個難題，特別在巖質(zhì)隧道中。1、對地下水問題的基本認識（1）水是循環(huán)的。因降水、滲透、蒸發(fā)等現(xiàn)象，具有在大氣圈、地表、地中循環(huán)的性質(zhì)，并以地表水、地下水的系統(tǒng)在循環(huán)系統(tǒng)中存在。

96

（2）地下水是經(jīng)常變動的。地下水由于降水、河流、湖泊等的補給，當超過其儲存能力時，就向河流、涌泉等流出。（3）開挖工程是以排水為前提的，對水循環(huán)有一定影響。在山嶺隧道中，通常是一邊排水一邊開挖的，使水處于動水狀態(tài)，可以減輕作用在襯砌上的水壓。這是能夠修建海底隧道的理由之一。

圖2隧道開挖前后巖層中地下水流動概念圖97

（4）對地表水、地下水的影響。地表層的滲透能力非常強，降水的大部分向地下滲透以土壤水儲存，其后從表層到數(shù)米的土壤層和風化層的蒸發(fā)和樹木根系的吸收、蒸發(fā)，并向深部滲透。圖2山地表層的水循環(huán)圖3淺層地下水面和深部地下水的關系模式98

（5）地下水的存在形態(tài)。隧道施工的涌水形態(tài)與地下水的存在系統(tǒng)關系密切，其形態(tài)從空隙的角度看，大體上可分為層狀水和脈狀水。

圖4層狀水和脈狀水99

（6）山地地下水的流動規(guī)律。其規(guī)律是：在賦予地下水的山地中，水頭一般因上部比下部高(pmu>pmb)，故向下流動；地下水在流出的河流部，則相反，因下部的水頭比上部高(pru>prb)故是向上流動的；山側(cè)與河側(cè)及其中間部的水頭，是pmb>phb>prb，故地下水是從賦予部（山）向流出部（河流）流動的。圖5巖層中地下水的分布100

（7）地質(zhì)條件與影響范圍

·

中、古生層：埋深在150m以內(nèi)幾乎都受到影響，出現(xiàn)枯水現(xiàn)象，其范圍在埋深50～100m時是最大的，隨著埋深的增加有逐漸減小的趨勢。在破碎質(zhì)圍巖中，影響范圍有的可達1000～2000m的情況。

·

深成巖類：發(fā)生枯水現(xiàn)象大多在埋深200m以內(nèi)，也有離開隧道1000m的情況。與中、古生層一樣，影響范圍在埋深50～100m時最大(一側(cè)可達1500m)，埋深越大，影響范圍減少。

·

變質(zhì)巖類：數(shù)據(jù)比較少，看不出規(guī)律，但埋深在50m以內(nèi)，多發(fā)生枯水現(xiàn)象。

·

火山巖及火山破碎巖類：枯水現(xiàn)象在埋深250～300m時，幾乎都發(fā)生，范圍在埋深100～200m時最大。101

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砂礫層：數(shù)據(jù)比較少，看不出規(guī)律，但埋深在50m以內(nèi)，多發(fā)生枯水現(xiàn)象。

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泥巖、砂巖類：枯水現(xiàn)象幾乎在埋深100m以下、距隧道500m以內(nèi)發(fā)生。埋深在20m～30m時影響最大。

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火山泥流堆積物：埋深越大其范圍也越大。2、山嶺隧道的水壓力問題（1）既有的一些研究成果我國水工建筑物荷載設計規(guī)范規(guī)定：作用在混凝土襯砌的外水壓強標準值，按下式確定。

P=β·γ·H式中：P：水壓強標準值；β：外水壓力折減系數(shù)；γ：水的重度；H：作用水頭，按設計采用的地下水位線與隧洞中心線之間的高差確定。102表1外水壓力折減系數(shù)級別地下水活動狀態(tài)地下水對圍巖穩(wěn)定的影響β值1洞壁干燥或潮濕無影響0~0.22沿結(jié)構面有滲水或滴水風化結(jié)構面有充填物質(zhì)，地下水降低結(jié)構面抗剪強度，對軟弱巖體有軟化作用。0.1~0.43沿裂隙或軟弱結(jié)構面有大量滴水、線狀流水或噴水泥化軟弱結(jié)構面有充填物質(zhì)，地下水降低抗剪強度，對中硬巖體有軟化作用。0.25~0.64嚴重滴水、沿軟弱結(jié)構面有小量涌水地下水沖刷結(jié)構面中的充填物質(zhì)，加速巖體風化，對斷層等軟弱帶軟化泥化，并使其膨脹崩解及產(chǎn)生機械管涌，有滲透壓力，能夠鼓開較薄的軟弱層。0.4~0.85嚴重股狀流水、斷層等軟弱帶有大量涌水地下水沖刷帶出結(jié)構面中的充填物質(zhì)，分離巖體，有滲透壓力，能夠鼓開一定厚度的斷層等軟弱帶，并導致圍巖坍方。0.65~1.0103表說明：在不同的地質(zhì)條件下，水壓值可以有不同程度的折減，而折減的主要方法是根據(jù)開挖后暴露的滲漏水的狀況決定的。這實質(zhì)上，也是目前許多國家采用的辦法。因此，利用平導進行超前的地質(zhì)預報，根據(jù)巖面的水的活動狀況，或透水試驗確定折減系數(shù)是可行的。在錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范也建議外水壓力可采用地下水位以下的水柱高乘以相應的折減系數(shù)的方法估算。表2外水應力折減系數(shù)地下水活動分級地下水活動情況折減系數(shù)1無02微弱0～0.2