隧道與地下工程 課件 第3、4章 隧道總體設(shè)計(jì)、圍巖壓力理論與計(jì)算

本章提要：本章主要介紹隧道勘察的目的、內(nèi)容以及方法；圍巖的分級(jí)方法（著重介紹了公路隧道圍巖的分級(jí)方法）和圍巖分級(jí)的影響因素；隧道路線的選址的方法和原則；隧道洞口位置的選擇方法以及隧道的幾何設(shè)計(jì)要求（隧道平面的設(shè)計(jì)、縱斷面設(shè)計(jì)、橫斷面設(shè)計(jì)）。隧道圍巖分級(jí)是本章學(xué)習(xí)的重點(diǎn)及難點(diǎn)，重點(diǎn)掌握圍巖分級(jí)、圍巖分級(jí)的影響因素。第3章隧道總體設(shè)計(jì)3.1

隧道勘察3.2隧道圍巖分級(jí)的影響因素和指標(biāo)3.3公路隧道圍巖分級(jí)3.4隧道方案比較3.5隧道及洞口位置選擇3.6隧道的幾何設(shè)計(jì)第3章隧道總體設(shè)計(jì)3.1隧道勘察

隧道勘察的目的是查明隧道所處位置的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，以及隧道施工和運(yùn)營(yíng)對(duì)環(huán)境保護(hù)的影響。為規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工提供所需的勘察資料，并對(duì)存在的巖土工程問題、環(huán)境問題進(jìn)行分析評(píng)價(jià)提出合理的設(shè)計(jì)方法和施工措施，從而使隧道工程經(jīng)濟(jì)合理和安全可靠。為預(yù)可行性研究階段工程地質(zhì)勘察（簡(jiǎn)稱預(yù)可勘察）工程可行性研究階段工程地質(zhì)勘察（簡(jiǎn)稱工可勘察）施工圖設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察（簡(jiǎn)稱詳細(xì)勘察）初步設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察（簡(jiǎn)稱初步勘察）3.1.1隧道勘察的階段劃分1.資料收集2.地形與地質(zhì)調(diào)查3.勘探3.1.2隧道勘察主要方法

1.資料收集

應(yīng)全面收集隧址區(qū)下列資料：1）地形地貌資料，以及有關(guān)的遙感與觀測(cè)資料；2）工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地表水，特別是自然地質(zhì)災(zāi)害的種類、性質(zhì)、規(guī)模、危害程度等資料；3）氣溫、降水、風(fēng)速和風(fēng)向等氣象資料；4）地震歷史、地震動(dòng)參數(shù)等資料；5）沿線交通情況、施工條件等；6）沿線礦產(chǎn)資源、周邊既有工程等資料。

2.地形與地質(zhì)調(diào)查

隧道各階段調(diào)查的目標(biāo)、內(nèi)容及范圍見下表。

3.勘探在隧道工程勘察中，當(dāng)需要查明巖土的性質(zhì)和分布，從地下采取巖土樣供室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定，巖土的物理力學(xué)性質(zhì)可采用挖探、鉆探、地球物理勘探等勘探方法進(jìn)行。工程地質(zhì)勘探點(diǎn)、測(cè)試點(diǎn)和觀測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)該目的明確，具有代表性，能判明重要的地質(zhì)界線和查明工程地質(zhì)狀況，其密度、深度應(yīng)根據(jù)勘察階段、成圖比例、露頭情況和工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定。工程地質(zhì)調(diào)繪應(yīng)與路線及沿線工程結(jié)構(gòu)設(shè)置相結(jié)合，為路線方案比選、工程場(chǎng)地選擇以及勘探、測(cè)試工作量的擬定等提供依據(jù)。3.2

隧道圍巖分級(jí)的影響因素和指標(biāo)

●圍巖：隧道周圍一定范圍內(nèi)，對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的巖（土）體。

一定范圍：應(yīng)力變化忽略不計(jì)或位移為零，橫斷面上約為6～10倍洞徑。●最關(guān)心問題:開挖形成隧道后圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)洞室開挖實(shí)踐，洞室開挖后的穩(wěn)定性大體上可分為以下幾類：4.不穩(wěn)定1.充分穩(wěn)定3.2.1

地下洞室穩(wěn)定性分類2.基本穩(wěn)定3.暫時(shí)穩(wěn)定地質(zhì)因素（客觀）工程活動(dòng)中的人為因素（主觀）3.2.2影響圍巖穩(wěn)定性的因素巖體結(jié)構(gòu)類型、巖石的力學(xué)性質(zhì)、地下水狀況、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合、圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)等。地下洞室尺寸和形狀、施工中采用的開挖方法等。國(guó)外圍巖分級(jí)概述：1、日本國(guó)鐵土石分類，主要根據(jù)開挖巖（土）體的難易程度（強(qiáng)度）來劃分。

2、前蘇聯(lián)巖石堅(jiān)固性分類，采用巖石堅(jiān)固性系數(shù)。3、英國(guó)和美國(guó)太沙基分級(jí)法、巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）、穩(wěn)定時(shí)間。3.2.3

圍巖分級(jí)的因素指標(biāo)我國(guó)圍巖分級(jí)概述：1）20世紀(jì)50年代：鐵路隧道圍巖分級(jí)，巖石抗壓強(qiáng)度和巖石天然重度，分為堅(jiān)石、次堅(jiān)石、松石及土質(zhì)四類。2）

以后，借用前蘇聯(lián)的巖石堅(jiān)固系數(shù)。3）1975年，鐵路隧道規(guī)范，分為六類。4）1990年，公路隧道圍巖分級(jí)，分為六類。5）2004年，公路隧道圍巖分級(jí)，分為六級(jí)。3.2.3

圍巖分級(jí)的因素指標(biāo)●人們對(duì)圍巖的認(rèn)識(shí)是不斷深入的土石方工程分類法(開挖難易程度)巖石的堅(jiān)固性來分類:如堅(jiān)固性系數(shù)f巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）從圍巖穩(wěn)定性出發(fā)分類來代替多年沿用的堅(jiān)固性為基礎(chǔ)的分類從分級(jí)指標(biāo)方面：大多數(shù)從定性描述經(jīng)驗(yàn)判斷定量描述●以隧道圍巖的穩(wěn)定性為基礎(chǔ)進(jìn)行分級(jí)是隧道圍巖分類的總趨勢(shì)。1、單一的巖性指標(biāo)：

巖石的抗壓、抗拉強(qiáng)度、彈性模量;

單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度；試驗(yàn)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可靠。

2、單一的綜合性指標(biāo)以單一的指標(biāo)，反映巖體的綜合因素。3.2.3

圍巖分級(jí)的因素指標(biāo)(1)彈性波傳播速度彈性波傳播速度與巖體的強(qiáng)度和完整性成正比。反映巖石的力學(xué)性質(zhì)和巖體的破碎程度。（2）巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）RQD=單位鉆孔長(zhǎng)度指鉆探時(shí)巖心復(fù)原率或巖芯采取率，綜合反映巖體的強(qiáng)度和巖體的破碎程度的指標(biāo)。

3.2.3

圍巖分級(jí)的因素指標(biāo)（3）圍巖的自穩(wěn)時(shí)間從隧道開挖到頂部開始發(fā)生可察覺的移動(dòng)、松弛所經(jīng)歷的時(shí)間。

（4）巖體的堅(jiān)固系數(shù)巖體的堅(jiān)固系數(shù)是反映巖石強(qiáng)度和巖體構(gòu)造特征的綜合性指標(biāo)。單位鉆孔長(zhǎng)度下10cm以上巖芯累計(jì)長(zhǎng)度X100%3、復(fù)合指標(biāo)：用兩個(gè)或兩個(gè)以上的巖性指標(biāo)或綜合巖性指標(biāo)所表示的復(fù)合性指標(biāo)。

（1）國(guó)標(biāo)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)采用兩個(gè)復(fù)合指標(biāo)—巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ和修正的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]，對(duì)工程巖體進(jìn)行分級(jí)。

（2）《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范(SL279-2002)圍巖工程地質(zhì)分類和國(guó)際《描桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB50086-2001)所采用的圍巖/巖體強(qiáng)度應(yīng)力比S綜合考慮了巖石強(qiáng)度巖體完整性和地應(yīng)力的因素。

（3）巴頓等人提出的巖體質(zhì)量Q指標(biāo)，Q綜合表達(dá)了巖體質(zhì)量的六個(gè)地質(zhì)參數(shù)。根據(jù)不同的Q值，巖體質(zhì)量評(píng)為九級(jí)。3.2.3

圍巖分級(jí)的因素指標(biāo)

（4）我國(guó)總參謀部工程兵坑道工程圍巖分類中采用巖體質(zhì)量指標(biāo)Rm和應(yīng)力比S。1.公路隧道圍巖分級(jí)的出發(fā)點(diǎn)

●

強(qiáng)調(diào)巖體的地質(zhì)特征的完整性和穩(wěn)定性，避免單一的巖石強(qiáng)度指標(biāo)分級(jí)的方法；●

分級(jí)指標(biāo)應(yīng)采用定性和定量指標(biāo)相結(jié)合的方式；●

明確工程目的和內(nèi)容，并提出相應(yīng)的措施；●

分級(jí)應(yīng)簡(jiǎn)明，便于使用；●

考慮吸收其它圍巖分級(jí)優(yōu)點(diǎn)，并盡量和我國(guó)其它工程分級(jí)一致。3.3公路隧道圍巖分級(jí)

2.考慮分級(jí)的指標(biāo)和因素●巖體的結(jié)構(gòu)特征與完整狀態(tài)巖體的結(jié)構(gòu)特征與完整狀態(tài)是評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定程度最直接、最重要的指標(biāo)●巖石強(qiáng)度

將巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖按巖性、物理力學(xué)參數(shù)、耐風(fēng)化能力和作為建筑材料的要求劃分為硬質(zhì)巖石及軟質(zhì)巖石二級(jí)，依飽和抗壓極限強(qiáng)度Rb與工程的關(guān)系分為四種，其標(biāo)準(zhǔn)及代表性巖石見表●地下水在公路隧道圍巖的分級(jí)中，遇有地下水時(shí)，一般的處理采用降級(jí)的方法①整體的硬質(zhì)巖石中，一般的地下水對(duì)其穩(wěn)定性影響不大，不考慮降級(jí)；②塊狀硬質(zhì)巖和整體軟質(zhì)巖中，地下水將影響其穩(wěn)定性，產(chǎn)生局部坍塌，或軟化軟弱結(jié)構(gòu)面，圍巖分級(jí)時(shí)一般可酌情降低1級(jí)；③碎石狀松散結(jié)構(gòu)的巖體中，裂隙中有泥質(zhì)充填物，地下水對(duì)穩(wěn)定性影響很大，可根據(jù)地下水的性質(zhì)、水量、滲流條件、動(dòng)水和靜水壓力等情況，判斷其對(duì)圍巖的危害程度，可降低1～2級(jí)；④強(qiáng)烈的斷裂帶，或軟塑性粘土和潮濕的粉細(xì)砂，分類時(shí)已考慮了一般含水地質(zhì)情況的影響，不再降級(jí)。對(duì)于特殊含水地層如已達(dá)到飽和狀態(tài)或具有較大的承壓水時(shí)，需另作處理。

隧道圍巖分級(jí)的綜合評(píng)判方法采用兩步分級(jí)，并按以下順序進(jìn)行：

1.根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度和巖體的完整程度兩個(gè)基本因素的定性特征和定量的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ，綜合進(jìn)行初步分級(jí)。

2.對(duì)圍巖進(jìn)行詳細(xì)定級(jí)時(shí)，應(yīng)在巖體基本質(zhì)量分級(jí)基礎(chǔ)上考慮修正因素的影響，修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)值。

3.按修正后的巖體質(zhì)量指標(biāo)[BQ]，結(jié)合巖體的定性特征綜合評(píng)判、確定圍巖的詳細(xì)分級(jí)。3.3

公路隧道圍巖分級(jí)

3.3.1

巖石的堅(jiān)硬性圍巖分級(jí)中巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度兩個(gè)基本因素的定性劃分和定量指標(biāo)及其對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)符合下列規(guī)定：1.巖石堅(jiān)硬程度定性劃分2.巖石風(fēng)化程度確定3.巖石堅(jiān)硬程度定量指標(biāo)用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc表達(dá)4.Rc與巖石堅(jiān)硬程度定性劃分的關(guān)系巖石堅(jiān)硬程度可按下表定性劃分。名稱定性鑒定代表性巖石硬質(zhì)巖堅(jiān)硬巖錘擊聲清脆，有回彈，震手，難擊碎；浸水后大多無吸水反應(yīng)未風(fēng)化-微風(fēng)化的花崗巖、正長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、輝綠巖、玄武巖、安山巖、片麻巖、石英片巖、硅質(zhì)板巖、石英巖、硅質(zhì)膠結(jié)的礫巖、石英砂巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等較堅(jiān)硬巖錘擊聲較清脆，有輕微回彈，稍震手，較難擊碎；浸水后大多有輕微吸水反應(yīng)1、弱風(fēng)化的堅(jiān)硬巖2、未風(fēng)化-微風(fēng)化的熔結(jié)凝灰?guī)r、大理巖、板巖、白云巖、石灰?guī)r、鈣質(zhì)膠結(jié)的砂頁(yè)巖軟質(zhì)巖較軟巖錘擊聲不清脆，無回彈，較易擊碎；浸水后指甲可刻出印痕1、弱風(fēng)化的堅(jiān)硬巖2、弱風(fēng)化的較堅(jiān)硬巖3、未風(fēng)化-微風(fēng)化的凝灰?guī)r、千枚巖、砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、頁(yè)巖等軟巖錘擊聲啞脆，無回彈，有凹痕，易擊碎；浸水后手可掰開1、強(qiáng)風(fēng)化的堅(jiān)硬巖2、弱風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化的較堅(jiān)硬巖3、弱風(fēng)化的較軟巖4、未風(fēng)化的泥巖等極軟巖錘擊聲啞脆，無回彈，有較深凹痕，手可捏碎；浸水后可捏成團(tuán)1、全風(fēng)化的各種巖石2、各種半成巖巖石風(fēng)化程度可按下表確定名稱野外特征

風(fēng)化系數(shù)k?波速比kv未風(fēng)化巖質(zhì)新鮮，偶見風(fēng)化痕跡0.9～1.00.9～1.0微風(fēng)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造基本未變，僅節(jié)理面有渲染或略微變色，有少量風(fēng)化裂隙0.8～0.90.8～0.9中等（弱）風(fēng)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造部分破壞，礦物色澤較明顯變化，裂隙面出現(xiàn)風(fēng)化礦物或存在風(fēng)化夾層0.6～0.80.6～0.8強(qiáng)風(fēng)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造大部分破壞，礦物色澤明顯變化，長(zhǎng)石、云母等多風(fēng)化成次生礦物0.4～0.60.4～0.6全風(fēng)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造全部破壞，礦物成分除石英外，大部分風(fēng)化成土狀——0.2～0.4Rc與巖石堅(jiān)硬程度定性劃分的關(guān)系可按下表堅(jiān)硬程度堅(jiān)硬巖較堅(jiān)硬巖較軟巖軟巖極軟巖注：平均間距指主要結(jié)構(gòu)面間距的平均值3.3.2

巖石的完整程度名稱結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度主要結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度主要結(jié)構(gòu)面類型相應(yīng)結(jié)構(gòu)類型組數(shù)平均間距（m）完整1～2>1.0好或一般節(jié)理、裂隙、層面整體狀或巨厚層結(jié)構(gòu)較完整1～2>1.0差節(jié)理、裂隙、層面塊狀或厚層結(jié)構(gòu)2～31.0～4.0好或一般塊狀結(jié)構(gòu)

較破碎2～31.0～4.0差節(jié)理、裂隙、層面、小斷層裂隙塊狀或中厚層結(jié)構(gòu)0.2～0.4好鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)一般中、薄層狀結(jié)構(gòu)破碎0.2～0.4差各種類型結(jié)構(gòu)面裂隙塊狀結(jié)構(gòu)一般或差裂隙狀結(jié)構(gòu)極破碎無序——很差

——散體狀結(jié)構(gòu)巖體完整程度的定性劃分巖體完整程度的定量指標(biāo)用巖體完整性系數(shù)Kv表達(dá)式中：Vpm—巖體彈性縱波速度（km/s）；

Vpr—巖石彈性縱波速度（km/s）

Jv與Kv對(duì)照表Jv(條/m3)<33-1010-2020-35>35Kv>0.750.75-0.550.55-0.350.35-0.15<0.15Kv與定量劃分的巖體完整程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Kv>0.750.75-0.550.55-0.350.35-0.15<0.15完整程度完整較完整較破碎破碎極破碎

Kv一般用彈性波探測(cè)值，若無探測(cè)值時(shí)，可用巖體體積節(jié)理數(shù)JV

確定Kv值

巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ應(yīng)根據(jù)分級(jí)因素的定量指標(biāo)Rc值和Kv值按下式計(jì)算。

當(dāng)

時(shí)，

當(dāng)

時(shí)，3.3.3

圍巖分級(jí)綜合評(píng)判。公路隧道圍巖分級(jí)注：本表不適用于特殊條件的圍巖分級(jí)，如膨脹性圍巖、多年凍土等。

圍巖詳細(xì)分級(jí)時(shí)，如遇下列情況之一，應(yīng)對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行修正：

1有地下水

2圍巖穩(wěn)定性受軟弱結(jié)構(gòu)面影響，且由一組起控制作用。

3存在高初始應(yīng)力

圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]可按下式算：

式中：

[BQ]-圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值；

BQ-圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)；

K1-地下水影響修正系數(shù)；

K2-主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；

K3-初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)

3.3.3

圍巖分級(jí)綜合評(píng)判。3.3.3

圍巖分級(jí)綜合評(píng)判。

在工程可行性研究和初步勘測(cè)階段，可采用定性劃分的方法或工程類比的方法進(jìn)行圍巖級(jí)別劃分巖質(zhì)圍巖級(jí)別土質(zhì)圍巖級(jí)別ⅠⅡⅢⅣⅤⅣⅤⅥⅠⅡⅢ1Ⅲ1Ⅳ1Ⅳ2Ⅳ2Ⅴ1Ⅴ2Ⅳ3Ⅴ1Ⅴ2Ⅵ

亞級(jí)劃分公路隧道巖質(zhì)圍巖的基本質(zhì)量分級(jí)3.4隧道方案比較

隧道方案與其他方案的比較具體有以下幾點(diǎn)

（1）隧道與繞行及深路塹比較（2）短隧道群與長(zhǎng)隧道比較（3）兩座單線隧道方案和一座雙線隧道方案比較（4）分離隧道與小凈距隧道及連拱隧道的比較一般說來，隧道造價(jià)比明塹要貴一些，施工技術(shù)也復(fù)雜一些，明塹方案常常是比較省錢、省事、又快速的。但在比較隧道方案與明塹方案時(shí)，忽略了安全條件，就會(huì)造成錯(cuò)誤。例如，為了避免修建工程較難的隧道，有意識(shí)地將線路向靠河一側(cè)移動(dòng)，把本該用隧道穿過的地方，硬以明塹通過。由于明塹劈坡太深開挖后，邊坡不穩(wěn)，施工時(shí)墜石掉塊，運(yùn)營(yíng)后塌坡坍方，給長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)帶來安全上的威脅和防護(hù)上的困難。從長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)條件來看，隧道方案優(yōu)于明塹。2.與路塹方案的比較3.4.1隧道與繞行及深路塹比較繞行方案技術(shù)要求低、投資省、工期短。但線路延長(zhǎng)、彎道增多，尤其是小半徑彎道，極不利于以后的運(yùn)營(yíng)。此外，沿線可能形成高大邊坡，將會(huì)留下塌方落石等嚴(yán)重影響交通運(yùn)營(yíng)的隱患。1.與繞行方案的比較與路塹方案比較舉例經(jīng)驗(yàn)山體可穿而不宜大挖，大挖必塌！

寶成線秦嶺盤山道，本應(yīng)以隧道通過，但為了趕工期，圖省錢，改用明塹方案。深挖邊坡為1：0.75和1：0.5，邊坡的高度達(dá)60m，個(gè)別邊坡高達(dá)90m，巖層為強(qiáng)風(fēng)化破碎花崗巖。開挖后，巖石風(fēng)化很快，邊坡站立不住。以后多次刷方，但終不能穩(wěn)定，最后不得不采用明洞，但以造成不應(yīng)有的損失，并且致使施工非常混亂。無展線余地—隧道穿山方案可展線—反復(fù)跨河“避難就易”方案3.4.2短隧道群與長(zhǎng)隧道比較短隧道群方案的優(yōu)點(diǎn)一般說來，短隧道是比較容易施工的。有時(shí)可以只用簡(jiǎn)單的設(shè)備就可以進(jìn)行施工，技術(shù)上困難也不多；一群短隧道并不相連，中間以明線相連。這樣，它們各自有自己的出口和入口，可以開辟較多的工作面，容納較多的人同時(shí)工作，施工進(jìn)度較快；建成后，由于隧道短，多半可以只靠自然通風(fēng)，不必另配機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)；運(yùn)營(yíng)成本低，車上旅客長(zhǎng)時(shí)間處于地下的不舒服感覺可以減輕。短隧道群方案的缺點(diǎn)河谷邊坡的地質(zhì)多是比較復(fù)雜的，尤其是地表覆蓋層更是風(fēng)化地帶，巖體松散破碎，節(jié)理切割嚴(yán)重。短隧道在此通過，坑道多不穩(wěn)定，圍巖壓力很大，開挖時(shí)易坍方；隧道外側(cè)覆土太薄，形成偏側(cè)壓力，使隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)處于不利的受力狀態(tài)中。若是巖體的，層理是向外下傾的，更易發(fā)生剪切破壞，對(duì)隧道的穩(wěn)定形成威脅；多個(gè)隧道相距不遠(yuǎn)，有時(shí)前一座隧道的出口，隔不了多遠(yuǎn)就是另一座隧道的進(jìn)口，施工時(shí)互相干擾，洞口場(chǎng)地不利布置；多條隧道要多建多座洞門建筑物，在工程造價(jià)上不經(jīng)濟(jì)。3.4.2短隧道群與長(zhǎng)隧道比較長(zhǎng)隧道方案的優(yōu)點(diǎn)它將位于巖體深處堅(jiān)固穩(wěn)定的地層中，圍巖壓力小，坑道穩(wěn)定，無偏壓受力的情況；支護(hù)可以簡(jiǎn)單，施工比較安全；工程單一，施工不受干擾；洞門建筑物只有兩個(gè)，比多座短隧道為少。隧道長(zhǎng)，技術(shù)上要復(fù)雜一些，工程造價(jià)可能要貴一些。多年實(shí)踐指出，線路還是傾向于向里靠一些，寧愿隧道長(zhǎng)一些，但只是一座為好。長(zhǎng)隧道方案的缺點(diǎn)短隧道群：

多、雜、碎、塌長(zhǎng)隧道：少、簡(jiǎn)、整、穩(wěn)3.4.2短隧道群與長(zhǎng)隧道比較3.4.3兩座單線隧道方案和雙線隧道方案比較一座雙線隧道的優(yōu)點(diǎn)一座雙線隧道所需的地位寬度比兩座單線隧道的位置寬度要小，選線時(shí)易于安排布置；一座雙線隧道的開挖面面積比兩座單線隧道的開挖總面積為小。也就是工程量要小，而施工的相互干擾也少些；雙線隧道的凈空較大，坑道寬敞，有條件使用大型機(jī)械施工；雙線隧道的通風(fēng)條件好，維修養(yǎng)護(hù)都較方便。雙線隧道斷面跨度大，所受圍巖壓力也就大。因此需要更為有力的支護(hù)結(jié)構(gòu)；隧道施工時(shí)，因?yàn)閴毫Υ螅R時(shí)支護(hù)困難，發(fā)生坍方事故的威脅較大；雙線隧道的一次工程投資比兩座單線隧道先后修建的初期投資大；雙線隧道斷面積大，不能充分利用列車活塞風(fēng)。一座雙線隧道的缺點(diǎn)3.4.3兩座單線隧道方案和雙線隧道方案比較斷面小，壓力小，坑道的穩(wěn)定性好，施工容易，支護(hù)簡(jiǎn)單而且安全；對(duì)于近期尚不準(zhǔn)備修第二線的新建隧道來說，可以先修第一線的單線隧道，預(yù)留第二線，待需要時(shí)才修。如此則初期一次投資較少；若第一線隧道施工時(shí)采用了平行導(dǎo)坑，則平導(dǎo)即可作為第二線隧道的前進(jìn)導(dǎo)坑。兩座單線隧道的優(yōu)點(diǎn)3.4.3兩座單線隧道方案和雙線隧道方案比較兩座單線隧道的缺點(diǎn)兩座單線隧道必須橫向相隔一定的安全距離，才能保證兩隧道間的圍巖土柱有足夠的支承能力，以避免在修筑第二線隧道的施工中，對(duì)第一線隧道有影響；兩座單線隧道無論是同時(shí)施工還是先后施工，施工時(shí)總會(huì)有些相互干擾。尤其是在修第二線隧道時(shí)，多半是在已成第一線不間斷行車的條件下進(jìn)行的，這就增加了施工的困難。3.4.3兩座單線隧道方案和雙線隧道方案比較當(dāng)復(fù)線本身相距一定的橫向距離時(shí)，自然要各自修建單線隧道。但要保證兩座隧道之間有足夠的安全距離。在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，歸納出最小間距的數(shù)值，如下表所列，僅供參考。

復(fù)線兩隧道間的橫向最小距離圍巖級(jí)別最小安全距離(m)Ⅰ(1.5～2.0)BⅡ—Ⅲ(2.0～2.5)BⅣ(2.5～3.0)BⅤ(3.0～5.0)BⅥ>5.0B

注：表中B為隧道開挖斷面的寬度(m)3.4.3兩座單線隧道方案和雙線隧道方案比較公路分離隧道、小凈距隧道及連拱隧道的比較如下表3.4.4分離隧道與小凈距隧道及連拱隧道的比較比較項(xiàng)目分離隧道小凈距隧道連拱隧道雙洞邊墻間距/m大于153～150結(jié)構(gòu)與受力簡(jiǎn)單、穩(wěn)定較簡(jiǎn)單、較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力不穩(wěn)定工序、工期和難度少、短、小較少、較短、較小工序多、工期長(zhǎng)、難度大圍巖受擾動(dòng)次數(shù)少較少多地質(zhì)條件好差都有較好差、淺埋、偏壓隧道長(zhǎng)度不限，長(zhǎng)隧道更顯優(yōu)越性中、短型為主中、短型，很少有長(zhǎng)隧道與線路連接差較好線形較好可容交通量較小較小大，可用多連拱隧道適用范圍山區(qū)較廣城市和山丘占地面積多較少最少地下空間利用差較好最好人文景觀與環(huán)保不利較有利最有利經(jīng)濟(jì)評(píng)估每米造價(jià)低，連接線高有利每米造價(jià)高、總價(jià)經(jīng)濟(jì)合理高跨比─＞0.5＜0.5隧道選址應(yīng)考慮以下原則：※逢山穿洞，寧長(zhǎng)勿短，早進(jìn)晚出—避免洞口深挖；※寧里勿外，寧深勿淺，避軟就硬—避免不良地質(zhì)；小結(jié)：3.5隧道及洞口位置的選擇

隧道具體位置的選擇與區(qū)域工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地形地貌條件、工程難易程度、投資數(shù)額、工期要求，以及現(xiàn)有的施工技術(shù)水平和今后運(yùn)營(yíng)條件等因素有關(guān)

隧道洞口位置的選擇是隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一。結(jié)合洞口的地形、地質(zhì)條件、施工、運(yùn)營(yíng)條件以及洞口的相關(guān)工程（橋涵、通風(fēng)設(shè)施等）綜合考慮。

要避免用單純的經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來選定隧道洞口。3.5.1越嶺隧道選址

穿越分水嶺的隧道稱為越嶺隧道。分水嶺是水系的分界線。越嶺地段通常地形陡峻，山巒起伏，地質(zhì)及水文條件復(fù)雜，地形變化較大。什么是埡口？?jī)缮介g的狹窄地方。地理意義指的是山脊上呈馬鞍狀的明顯下凹處。

埡口的概念：當(dāng)線路必須跨越分水嶺時(shí)，分水嶺的山脊線上高程較低處，即稱埡口。3.5.1越嶺隧道位置的選擇1.越嶺隧道平面位置選擇

◆然后進(jìn)行可能通過的埡口、溝谷的比選。3.5.1越嶺隧道位置的選擇

選擇埡口的方法◆利用小比例尺地形圖(如軍用地圖)、航空照片、衛(wèi)星照片等；◆根據(jù)線路的航空線方向和克服越嶺高程的不同要求進(jìn)行大面積選線，錄求可供越嶺的幾個(gè)埡口位置；

◆隧道位置高，隧道長(zhǎng)度短，施工工期短，但兩端展線長(zhǎng)，

線路拔起高度大，通過能力小，運(yùn)營(yíng)條件差；

◆隧道位置低，則與前者相反，但施工難度增加。

◆宜采用低位置方案，但必須進(jìn)行多種因素綜合比選。3.5.1越嶺隧道位置的選擇2.越嶺隧道高程選擇

越嶺隧道立面位置的選擇是指隧道越嶺標(biāo)高的選擇。

埡口不同，越嶺標(biāo)高，就會(huì)出現(xiàn)不同長(zhǎng)度的隧道方案。埋藏較淺，地層受風(fēng)化影響較大，施工中容易破壞山體平衡，造成各種病害。山坡常有滑坡、松散堆積、泥石流現(xiàn)象。洞身里側(cè)厚，外側(cè)薄，易產(chǎn)生偏壓。3.5.2傍山隧道的選址

山區(qū)鐵路（或公路）除越嶺地段以外，線路大多是沿河傍山而行，在地勢(shì)陡峻的峽谷地段，常需修建的隧道即為傍山隧道，也有稱之為河谷線隧道。1.傍山隧道的概念(4)河道狹窄，水流湍急沖刷力強(qiáng)，對(duì)山坡穩(wěn)定和隧道安全威脅較大。2.傍山隧道的特點(diǎn)(1)依山傍水修建時(shí)，施工中容易破壞山體平衡，造成各種病害；(2)因?yàn)槭窃谏襟w表層范圍內(nèi)修建隧道，常常遇到崩塌、滑坡、錯(cuò)落、松散堆積及泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，地質(zhì)情況較為復(fù)雜；(3)一般埋深較淺，屬淺埋隧道和短隧道群，洞身覆蓋薄、易產(chǎn)生不對(duì)稱的偏壓情況；

傍山隧道在淺埋地段，要注意洞身覆蓋厚度問題。為保持山體穩(wěn)定和避免沖刷偏壓、隧道位置宜往山體內(nèi)側(cè)靠，一般要求隧道外側(cè)最小覆蓋厚度應(yīng)不小于規(guī)范規(guī)定的數(shù)值。3.傍山隧道的位置選擇要點(diǎn)(1)洞身覆蓋層厚

河岸存在中沖刷現(xiàn)象或河道窄、水流急，沖刷力強(qiáng)的地段，要考慮河岸受沖刷對(duì)山體和洞身穩(wěn)定的影響，隧道位置宜往山體內(nèi)側(cè)靠一些，有可能時(shí)，最好設(shè)在穩(wěn)定的巖層中。3.傍山隧道的位置選擇要點(diǎn)(2)寧里勿外

線路沿山嘴繞行應(yīng)與直穿山嘴的隧道方案進(jìn)行比較。如山嘴地段地形陡峻、地質(zhì)復(fù)雜，河岸沖刷嚴(yán)重，以路塹或短隧道通過難以長(zhǎng)期保證運(yùn)營(yíng)安全時(shí)，應(yīng)盡可能用“裁彎取直”，以較長(zhǎng)隧道方案通過。3.傍山隧道的位置選擇要點(diǎn)(4)“裁彎取直”

傍山隧道位置應(yīng)考慮施工便道設(shè)置和既有公路的位置，應(yīng)注意既有公路邊坡年可能坍塌和便道施工對(duì)洞身穩(wěn)定的影響。3.傍山隧道的位置選擇要點(diǎn)(4)注意周圍既有建筑對(duì)隧道穩(wěn)定的影響

不良地質(zhì)系指滑坡、錯(cuò)落、崩塌、松散堆積、泥石流、巖溶、含鹽、含煤、地下水發(fā)育等，還有巖堆、危巖、落石、陷穴、流砂、斷層及第四紀(jì)堆積層等不良地段。如線路難以繞避或繞避而有損于線路的總體性時(shí)，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的條件下，亦可因地制宜地采取相應(yīng)工程措施通過。3.5.3地質(zhì)條件與隧道位置選擇

◆常見的不良地質(zhì)條件主要是指：

滑坡、崩坍、松散堆積、泥石流、巖溶及含鹽、含煤地層、地下水發(fā)育等地質(zhì)現(xiàn)象。3.5.3不良地質(zhì)地段隧道位置的選擇

◆大量工程實(shí)踐表明：不論是河谷線還是越嶺線。在具體選定隧道位置時(shí)都必須詳細(xì)研究地質(zhì)條件的影響，力求使隧道在較好的地質(zhì)條件下通過，盡量減少不良地質(zhì)條件的影響是極力重要的。（2）層狀傾斜巖層沿某個(gè)軟弱面滑動(dòng)1.滑坡（1）山體可能沿某軟弱面滑動(dòng)3.5.3不良地質(zhì)地段隧道位置的選擇

巖石經(jīng)風(fēng)化作用，分解和剝離成為大小不一的塊體，從山坡上方滾下，或沖刷夾持而堆積在山坡坡腳處，形成松散堆積體。隧道通過這類地區(qū)，開挖時(shí)極易發(fā)生坍方，給施工帶來困難。這時(shí)宜把隧道位置放在巖堆以下的穩(wěn)定巖體之中。2.松散堆積層3.5.3不良地質(zhì)地段隧道位置的選擇3.泥石流當(dāng)線路通過泥石流地區(qū)時(shí)，首先應(yīng)充分預(yù)計(jì)和判明泥石流的成因、規(guī)模、發(fā)展趨勢(shì)和沖、淤變化規(guī)律，論證以路基、橋梁通過或者以隧道等方式繞道的合理性，并判定工程安全度，以決定隧道方案的可行性。當(dāng)隧道(明洞)洞口位置毗鄰泥石流溝時(shí)，應(yīng)注意適當(dāng)延長(zhǎng)以避免泥石流可能擴(kuò)散范圍的影響。3.5.3不良地質(zhì)地段隧道位置的選擇4.巖溶地區(qū)盡量避免或要有足夠的安全距離。力求避免穿越巖溶嚴(yán)重發(fā)育的網(wǎng)狀洞穴區(qū)、巨大空洞區(qū)及有利于巖溶發(fā)育的構(gòu)造帶。盡量避開洞身置于碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖(可溶巖與非可溶巖)的接觸帶。當(dāng)不可能時(shí)，應(yīng)選擇在較狹窄地段，以垂直或大角度穿過，使通過巖溶地段為最短。注意足夠的巖壁厚度注意突水的可能性3.5.3不良地質(zhì)地段隧道位置的選擇4.巖溶地區(qū)側(cè)蝕或下切對(duì)隧道的危害溶洞地區(qū)隧道位置的選擇溶洞的危害3.5.3不良地質(zhì)地段隧道位置的選擇5.瓦斯地區(qū)

隧道在通過煤層時(shí)會(huì)遇到甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)等有害氣體，容易引起火災(zāi)、爆炸、最好避開，不得已時(shí)作好通風(fēng)稀釋措施?；鹈鐨鈽硬杉?.5.3不良地質(zhì)地段隧道位置的選擇瓦斯測(cè)量值3.5.5隧道洞口位置的選擇

隧道洞口位置的選擇是隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一。結(jié)合洞口的地形、地質(zhì)條件、施工、運(yùn)營(yíng)條件以及洞口的相關(guān)工程（橋涵、通風(fēng)設(shè)施等）綜合考慮。

要避免用單純的經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來選定隧道洞口。隧道長(zhǎng)度是由隧道兩端的洞口位置決定的，即隧道長(zhǎng)度為其進(jìn)出口洞門墻外表面與線路中線交點(diǎn)之間的距離。洞口是進(jìn)出隧道的咽喉，又是隧道施工的主要通道。洞口位置選擇是否合理，將對(duì)隧道的施工工期、造價(jià)、運(yùn)營(yíng)安全等產(chǎn)生重大的影響，所以在隧道設(shè)計(jì)中，洞口位置的選擇是一項(xiàng)非常重要工作。隧道的進(jìn)出口也是隧道唯一暴露的部分，也是隧道最為薄弱的環(huán)節(jié)、由于隧道洞口處地質(zhì)條件差，多為嚴(yán)重風(fēng)化的堆積體；受地表水沖刷，加上隧道開挖山體擾動(dòng)等容易失穩(wěn)，產(chǎn)生滑動(dòng)和坍塌，如果隧道洞口位置選擇不對(duì)，導(dǎo)致坍塌將無法進(jìn)洞。1.隧道洞口的作用及特點(diǎn)3.5.5隧道洞口位置的選定2.隧道洞口位置選擇誤區(qū)

要避免單純經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)(所謂“等價(jià)點(diǎn)”)來選定隧道洞口。

等價(jià)點(diǎn)的概念：每米路塹的造價(jià)是隨著路塹的挖深增大而顯著增大的，當(dāng)路塹挖深達(dá)到某一程度時(shí)，其每米造價(jià)就會(huì)與每米隧道的造價(jià)相等，甚至超過。因此認(rèn)為在二者造價(jià)相等的點(diǎn)就是路塹轉(zhuǎn)入隧道最經(jīng)濟(jì)合理的地方。選定洞口：根據(jù)地形、地質(zhì)、施工、運(yùn)營(yíng)及洞口相關(guān)工程（如橋涵、通風(fēng)設(shè)施都能夠）綜合考慮。3.5.5隧道洞口位置的選定

隧道施工中，洞口段圍巖一般比較破碎、地質(zhì)條件較差，應(yīng)遵循盡量減少對(duì)巖體擾動(dòng)的原則，以提高洞口段巖體和邊、仰坡的穩(wěn)定性。3.隧道洞口應(yīng)“早進(jìn)晚出”“早進(jìn)、晚出”：

《設(shè)計(jì)規(guī)范》及《施工規(guī)范》均作了洞口位置規(guī)范性要求，強(qiáng)調(diào)“早進(jìn)洞、晚出洞”，即適當(dāng)延長(zhǎng)洞口和隧道的長(zhǎng)度,盡量避免對(duì)山體的大挖大刷，提倡零開挖洞口.讓隧道洞口周圍的植被得到妥善保護(hù),維護(hù)原有的生態(tài)地貌。洞門力求與自然環(huán)境、人文景觀相協(xié)調(diào)。在保持邊、仰坡穩(wěn)定的前提下，及時(shí)施作洞口，并在進(jìn)洞之前，結(jié)合洞口的實(shí)際情況，先作好洞口地表的防排水措施。在大斷面、淺埋和地質(zhì)條件差的情況下通常采用地表預(yù)注漿、超前長(zhǎng)管棚注漿等預(yù)加固措施。3.5.5隧道洞口位置的選定（1）處穩(wěn)定、避不良：洞口應(yīng)盡可能地設(shè)在山體穩(wěn)定、地質(zhì)較好地下水不太豐富的地方。避開不良地質(zhì)現(xiàn)象。如遇到不良地質(zhì)，應(yīng)早進(jìn)洞或加接明洞，還可以設(shè)置柔性鋼絲網(wǎng)防護(hù)，對(duì)大型危石或集中落石區(qū)，可根據(jù)情況采用清除、支護(hù)等措施。（2）不與水爭(zhēng)路：洞口不宜設(shè)在埡口溝谷的中心或溝底低洼處，不要與水爭(zhēng)路。一般情況下，埡口溝谷是地質(zhì)構(gòu)造上最薄弱的一環(huán)，常會(huì)遇到斷層帶或者褶皺、古塌方或者沖擊土等松散地層；此外溝底也是地表水的匯集場(chǎng)所，所以，洞口最好放在溝谷的一側(cè)，讓出溝心，流出泄水的通道。4洞口位置選擇原則3.5.5隧道洞口位置的選定（3）盡可能正交入山：洞口應(yīng)盡可能設(shè)在線路與地形等高線相垂直的地方，使隧道正面進(jìn)入山體，洞門結(jié)構(gòu)物不致受到偏側(cè)壓力。傍山隧道，只能斜交進(jìn)洞時(shí)，也應(yīng)使夾角不要太小，而且要有相應(yīng)的補(bǔ)救措施，如采用斜洞門或臺(tái)階式洞門，切忌隧道中線與地形等高線平行。4.選擇洞口位置的原則3.5.5隧道洞口位置的選定（4）洞口高于洪水位：當(dāng)線路位于有可能被淹沒的河灘上或水庫(kù)回水影響范圍以內(nèi)時(shí)，隧道洞口標(biāo)高應(yīng)在洪水位以上，并加上波浪的高度，以防洪水倒灌到隧道中去。（5）不宜大開挖邊坡及仰坡：為了保證洞口的穩(wěn)定和安全，邊坡及仰坡均不宜開挖過高，不使山體擾動(dòng)太大，也不使新開出的暴露面太大。一般情況下，設(shè)計(jì)各類圍巖中隧道洞口上方的仰坡和路塹的邊坡控制高度和坡度可參考下表：4.選擇洞口位置的原則圍巖級(jí)別Ⅰ～ⅡⅢⅣⅤ～Ⅵ坡率貼壁1:0.31:0.51:0.51:0.751:0.751:11:1.251:1.251:1.5高度(m)<15<2025左右<2025左右<15<1820左右<15<18公路隧道：洞口路肩設(shè)計(jì)標(biāo)高=洪水設(shè)計(jì)標(biāo)高＋0.5m3.5.5隧道洞口位置的選定（6）洞口外留場(chǎng)地：洞口以外必須留有生產(chǎn)活動(dòng)的場(chǎng)所。隧道洞口一般都在山谷中，地勢(shì)狹窄，而施工中的許多工序都是在洞外進(jìn)行的，需要一定的場(chǎng)地。要有目的的使用洞外的場(chǎng)地，以便于運(yùn)輸、材料堆放、生產(chǎn)設(shè)施用地以及生產(chǎn)生活用地等。4、選擇洞口位置的原則（7）注重環(huán)境保護(hù)：洞口施工應(yīng)減少破壞天然植被、保護(hù)和利于自然景觀；還要注意爆破噪聲、水污染等。3.5.5隧道洞口位置的選定4、選擇洞口位置的原則（8）洞口遇陡壁：若洞口前方巖壁陡立，基巖裸露。此時(shí)，最好不刷動(dòng)原生坡面，不挖開山體，保持原有的穩(wěn)定性。巖壁穩(wěn)定：貼壁進(jìn)洞巖壁不穩(wěn)、有落石：延伸洞口，接長(zhǎng)明洞，至塌落影響范圍以外3－5m3.5.5隧道洞口位置的選定3.6隧道的幾何設(shè)計(jì)隧道由主體建筑物和附屬建筑物兩部分組成。

主體建筑物包括洞門和洞身襯砌，以及由于地形地質(zhì)情況而需要在洞口地段接長(zhǎng)的明洞。附屬建筑物包括通風(fēng)、照明、防排水、安全設(shè)備、電力、通信設(shè)備等。主體設(shè)計(jì)是從幾何和結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行研究

幾何設(shè)計(jì)：研究范圍主要是汽車行駛與隧道各個(gè)元素的關(guān)系，以保證在設(shè)計(jì)速度、預(yù)計(jì)交通量以及滿足通風(fēng)、照明、安全設(shè)施等條件下，行駛安全、經(jīng)濟(jì)、旅客舒適以及隧道美觀等。

在結(jié)構(gòu)方面,對(duì)洞門和洞身襯砌這些結(jié)構(gòu)物總的要求是：用最小的投資，盡可能少的外來材料以及合理的養(yǎng)護(hù)力量，使它們能在圍巖一壓力和汽車行駛所產(chǎn)生的各種力的作用下，在設(shè)計(jì)年限內(nèi)保持使用質(zhì)量。

3.6.1隧道平面設(shè)計(jì)3.6.2隧道縱斷面設(shè)計(jì)曲線上隧道缺點(diǎn)曲線隧道設(shè)計(jì)要點(diǎn)坡道形式坡度大小坡段長(zhǎng)度坡段間的銜接公路隧道平面線形設(shè)計(jì)要點(diǎn)公路隧道縱斷面線形公路隧道引線的平、縱斷面線形設(shè)計(jì)要素3.6隧道的幾何設(shè)計(jì)3.6.1隧道的平面設(shè)計(jì)

公路隧道的平面線形和普通道路一樣，根據(jù)公路規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。隧道平面指隧道中心線在水平面上的投影。

隧道平面線形，一般采用直線、避免曲線。如必須設(shè)置曲線時(shí)，應(yīng)盡量采用大半徑曲線，并確保視距要求。一、平縱斷面設(shè)計(jì)的基本概念隧道長(zhǎng)度:

鐵路：洞門外表面與內(nèi)軌頂面的交點(diǎn)

公路：洞門外表面與路線中線的交點(diǎn)隧道平面：中心線在水平面的投影隧道縱斷面：中心線展直后在垂直面的投影3.空氣阻力大，機(jī)車牽引力損失大；1.列車傾斜和平移，建筑限界加寬，坑道尺寸加大，增大開挖量，增加襯砌圬工量；2.不同曲率，建筑限界加寬不同，隧道斷面變化，施工時(shí)，支護(hù)和襯砌尺寸均不一致，技術(shù)上復(fù)雜；4.產(chǎn)生離心力，洞內(nèi)空氣潮濕，鋼軌磨損加速，洞內(nèi)養(yǎng)護(hù)工作量大；二、鐵路曲線隧道缺點(diǎn)5.洞壁對(duì)氣流阻力加大，通風(fēng)條件變壞；6.增加了運(yùn)營(yíng)檢查線路平面和水平的作業(yè)量和難度；7.洞內(nèi)施工測(cè)量操作復(fù)雜，精度降低。1.盡量：短曲線、直線、大半徑曲線，或?qū)⑶€置洞口附近避免設(shè)反向曲線或復(fù)曲線，以利于運(yùn)營(yíng)曲線：受地形、地質(zhì)（不良、避開）影響三、鐵路隧道線路平面設(shè)計(jì)要點(diǎn)復(fù)曲線：兩個(gè)或兩個(gè)以上半徑不同，轉(zhuǎn)向相同的圓曲線相連接或插入緩和曲線相連接而成的平面曲線。2.曲線兩端設(shè)緩曲，緩曲設(shè)洞外，緩直點(diǎn)(或直緩點(diǎn))距洞口一定距離(如公路隧道應(yīng)保證停車視距)。3.隧道內(nèi)圓曲線長(zhǎng)度不應(yīng)短于一節(jié)車廂長(zhǎng)度。4.必須設(shè)兩條曲線時(shí)，其間應(yīng)有足夠長(zhǎng)的夾直線，一般是3倍車輛長(zhǎng)度以上。直緩點(diǎn)夾直線三、鐵路隧道線路平面設(shè)計(jì)要點(diǎn)四、公路隧道線路平面設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.半徑不宜小于不設(shè)超高的最小曲線半徑，并符合視距要求1.要求與鐵路隧道大同小異執(zhí)行《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，并考慮隧道特點(diǎn)2.兩個(gè)關(guān)系：曲線半徑與視距的關(guān)系

超高與隧道斷面關(guān)系5.洞口應(yīng)采用大半徑曲線的引線與隧道銜接。6.設(shè)置曲線有利于司機(jī)的“亮適應(yīng)”。出隧道由暗到明4.根據(jù)停車視距換算不加寬的最小曲線半徑。進(jìn)隧道由明到暗

隧道縱斷面是隧道中心線展直后在垂直面上的投影。3.6.2隧道縱斷面設(shè)計(jì)隧道內(nèi)線可設(shè)置單面坡（向隧道一端上坡或下坡）或人字坡（從中間向洞口兩端下坡）。1.鐵路隧道線路縱斷面設(shè)計(jì)(1)坡度大小鐵路隧道線路縱斷面設(shè)計(jì)主要考慮的因素是排水、施工、通風(fēng)、越嶺高程等，對(duì)于車輛的行駛，線路的坡度以平坡最好，但為了滿足自然排水的需要，最小坡度不宜小于0.3%。對(duì)于鐵路而言，還應(yīng)考慮洞內(nèi)濕度影響和洞內(nèi)空氣阻力影響對(duì)限坡作進(jìn)一步的折減。(2)坡段長(zhǎng)度

對(duì)于鐵路隧道，隧道內(nèi)的坡段宜設(shè)計(jì)長(zhǎng)些，或不短于列車長(zhǎng)度。(3)坡段連接為了列車行車平順，兩個(gè)相鄰坡段坡度的代數(shù)差值不宜太大，當(dāng)兩相鄰破段代數(shù)差太大時(shí)可以在兩個(gè)坡段之間插入一段緩和坡段或者在變坡點(diǎn)處設(shè)置豎曲線來連接兩坡段。2.公路隧道線路縱斷面設(shè)計(jì)隧道內(nèi)縱斷面線形應(yīng)考慮行車安全、運(yùn)營(yíng)通風(fēng)規(guī)模、施工作業(yè)和排水等要求確定，最小縱坡不應(yīng)小于0.3%，最大縱坡不應(yīng)大于3%?？紤]到隧道通風(fēng)問題，縱坡控制在2%為好。當(dāng)隧道縱坡超過2%時(shí)，汽車排出的有害物質(zhì)隨著縱坡的增大而急劇增多。從公路隧道通過車輛盡量少排出有害氣體觀點(diǎn)出發(fā)，一般情況不應(yīng)大于3%。3.6.3隧道橫斷面設(shè)計(jì)（1）公路隧道建筑限界：保證隧道內(nèi)各種交通的正常運(yùn)行與安全，而規(guī)定在一定寬度和高度范圍內(nèi)不得有任何障礙物的空間限界。

公路隧道建筑限界詳圖（2）隧道凈空指隧道襯砌內(nèi)輪廓線所包圍的空間，包括隧道建筑限界、通風(fēng)及其他所需的斷面積。3.6.3隧道橫斷面設(shè)計(jì)什么是隧道凈空？什么是隧道建筑限界？(3)襯砌斷面的輪廓線

①襯砌內(nèi)輪廓線：是襯砌的完成線，在內(nèi)輪廓線之內(nèi)的空間為隧道的凈空斷面。

②襯砌外輪廓線：指為保持凈空斷面的形狀，襯砌必須有足夠的厚度(或稱最小襯砌厚度)的外緣線。該線又稱為最小開挖線。

隧道內(nèi)輪廓線擬定3.6.3隧道橫斷面設(shè)計(jì)③實(shí)際開挖線

為保證襯砌外輪廓，開挖時(shí)往往稍大，尤其用鉆爆法開挖時(shí)，實(shí)際開挖線不可避免的成為不規(guī)則形狀。隧道內(nèi)輪廓線擬定超挖線，超挖部分的大小叫超挖量，一般不應(yīng)超過10cm。實(shí)際上凸凹不平，這樣10cm的限制線只能是平均線，它是設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行工程量計(jì)算的依據(jù)。用鉆爆法施工時(shí)，很難掌握剛好達(dá)到平均線，常常比它大，造成了不必要的工程量，如何控制它，至今仍為一個(gè)難題。

所有超挖部分都要用片石回填或噴射同等級(jí)的混凝土使其密實(shí)。隧道超挖嚴(yán)重（4）、隧道襯砌截面厚度

隨所處地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件不同而有較大變化，并且與隧道的跨徑，荷載大小，襯砌材料以及施工條件等有關(guān)。3.6.3隧道橫斷面設(shè)計(jì)根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，拱圈可以采取等截面，也可采取在拱腳部分加厚20%—50％的變截面。仰拱厚度一般略小于拱頂厚度。

3.6.4隧道襯砌內(nèi)輪廓線的求法1.鐵路隧道輪廓線的求法

我國(guó)鐵路隧道的建筑限界是統(tǒng)一固定的，因此，相同圍巖級(jí)別情況下，其襯砌結(jié)構(gòu)的斷面形狀也是固定的，這些襯砌結(jié)構(gòu)均有通用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖，不需做專門的設(shè)計(jì)，但當(dāng)有較大偏壓、凍脹力、傾斜的滑動(dòng)推力或施工中出現(xiàn)大量坍方以及7度以上地震區(qū)等情況時(shí)，則應(yīng)根據(jù)荷載特點(diǎn)進(jìn)行個(gè)別設(shè)計(jì)（1）襯砌內(nèi)輪廓尺寸擬定（1）襯砌內(nèi)輪廓尺寸擬定

3.6.4隧道襯砌內(nèi)輪廓線的求法2.公路隧道輪廓線的求法

公路隧道的建筑限界取決于公路等級(jí)、地形、車道數(shù)等條件，公路隧道的附屬設(shè)施如通風(fēng)、照明、消防、報(bào)警燈均比鐵路隧道多且要求高。目前公路隧道大多采用單心圓或三心圓的拱形斷面內(nèi)輪廓線計(jì)算圖（1）襯砌內(nèi)輪廓尺寸擬定（1）襯砌內(nèi)輪廓尺寸擬定對(duì)于長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道應(yīng)在行車方向的右側(cè)設(shè)置緊急停車帶?？紤]車輛在隧道內(nèi)發(fā)生事故，有一個(gè)應(yīng)急的搶險(xiǎn)、疏導(dǎo)車輛的余地，便于較快地消解阻塞，減少損失。緊急停車帶的設(shè)置，寬度不小于3.0m，且緊急停車帶寬度與右側(cè)側(cè)向?qū)挾戎筒恍∮?.5m；長(zhǎng)度不宜小于50m，其中有效長(zhǎng)度不應(yīng)小于40m。緊急停車帶的設(shè)置間距不宜大于750m，并不應(yīng)大于1000m。停車帶的路面橫坡，長(zhǎng)隧道可取水平，特長(zhǎng)隧道可取0%～1.0%或水平。3.6.5其他線形設(shè)計(jì)緊急停車帶橫向通道上下分離式獨(dú)立雙洞的公路隧道之間應(yīng)設(shè)橫向通道。人行橫向通道的設(shè)置間距取250m,并不大于500m。車行橫向通道的設(shè)置間距取750m,并不大于1000m。建筑限界見圖。

復(fù)習(xí)思考題1.隧道勘察的目的和意義是什么？2.圍巖的分級(jí)方法和圍巖分級(jí)的影響因素？3.隧道路線的選址的方法和原則？4.隧道洞口位置的選擇方法以及隧道的幾何設(shè)計(jì)要求。第4章圍巖壓力理論與計(jì)算

本章提要：對(duì)圍巖壓力的正確認(rèn)識(shí)是進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本章主要介紹圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的概念、變化規(guī)律及影響因素，隧道圍巖壓力的分類及幾種常用的圍巖壓力計(jì)算方法，圍巖典型的破壞方式。隧道圍巖壓力的分類及其計(jì)算是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，應(yīng)著重掌握深淺埋隧道的判定及松動(dòng)壓力的計(jì)算。第四章圍巖壓力4.1初始應(yīng)力場(chǎng)4.2圍巖壓力分類4.3松動(dòng)壓力4.4普式理論和太沙基理論4.5彈性分析4.6彈塑性分析4.1初始應(yīng)力

初始應(yīng)力場(chǎng)指由于巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造作用,在坑道開挖前巖體中就已經(jīng)存在的地應(yīng)力場(chǎng),其形成與巖體構(gòu)造、性質(zhì)、埋藏條件以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的歷史等有密切關(guān)系。地應(yīng)力場(chǎng)是存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力場(chǎng)。1.自重應(yīng)力場(chǎng)2.構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)3.初始應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律4.1.1、初始地應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律

自重應(yīng)力場(chǎng)：由上覆巖體自重所產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)。以水平成層、地面平坦的情形為例。巖體是線性變形，在XZ平面是均質(zhì)的，沿Y軸方向是非均質(zhì)的。單位體積重量假定沿深度變化。由彈性力學(xué)可得：邊界條件，h=0，（4-15）（1）自重應(yīng)力場(chǎng)

當(dāng)水平方向和垂直方向的彈性模量、泊松比相同時(shí)，可得：—側(cè)壓力系數(shù)

結(jié)論

1）泊松比變化在0.15-0.35之間，在自重應(yīng)力場(chǎng)水平應(yīng)力通常是小于垂直應(yīng)力的。

2）垂直應(yīng)力隨深度增大而增大，但圍巖本身的強(qiáng)度是有限的。

3）到一定深度，圍巖將處于隱塑狀態(tài)，與靜水壓力近似。

規(guī)律:(1)應(yīng)力隨深度呈線性增加；

(2)水平應(yīng)力總是小于垂直應(yīng)力,最多與其相等。

地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為低層各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂都是地應(yīng)力作用的結(jié)果。地質(zhì)力學(xué)把構(gòu)造體系和構(gòu)造形式在形成過程中的應(yīng)力狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)：地殼處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂所形成的地應(yīng)力，是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)場(chǎng)。（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)1、構(gòu)造應(yīng)力以各種形式積蓄在巖體內(nèi)，對(duì)隧道工程產(chǎn)生重大影響。2、在較淺地層中普遍存在，最大構(gòu)造應(yīng)力的方向近似為水平；水平應(yīng)力分量常大于重力應(yīng)力場(chǎng)的水平應(yīng)力分量，甚至大于重力應(yīng)力場(chǎng)垂直應(yīng)力分量。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特性：3、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是不均勻的，主應(yīng)力軸的方向和絕對(duì)值的變化很大。4.1.2、初始應(yīng)力場(chǎng)的影響因素

圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)受到兩類因素的影響。第一類因素有重力、溫度、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造、地形等經(jīng)常性的因素影響；第二類因素有地殼運(yùn)動(dòng)、地下水活動(dòng)、人類的長(zhǎng)期活動(dòng)等暫時(shí)性的或局部性的因素。

目前主要研究由巖體重力形成的應(yīng)力場(chǎng),而認(rèn)為其他因素只是改變了由重力造成的初始應(yīng)力狀態(tài)。此外,在眾多的因素中,還要特別研究下面幾點(diǎn)：4.1.2、初始應(yīng)力場(chǎng)的影響因素

1.地形和地貌

在靠近山坡部位，最大壓應(yīng)力方向近似平行山坡表面。在山谷底部，最大壓應(yīng)力方向幾乎水平。

從主應(yīng)力量值來看，在接近山谷岸坡表面部分是應(yīng)力偏低的地帶，往里則轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力偏高帶，再往山體深部逐漸過渡到應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，在山谷底部則有較大的應(yīng)力集中。

在實(shí)際工程中，還發(fā)現(xiàn)有些傍山隧道，雖然臨近山谷，按理應(yīng)力已基本釋放完畢，屬于應(yīng)力偏低帶，可是仍存在著相當(dāng)大的應(yīng)力，這可能是由于地形剝蝕作用所造成的。

2.巖體的力學(xué)性質(zhì)

現(xiàn)階段圍巖中的應(yīng)力狀態(tài)是經(jīng)過歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的積累和后來剝蝕作用的釋放而殘存下來的。按照強(qiáng)度理論，巖體中的應(yīng)力狀態(tài)不能超出巖體強(qiáng)度，所以巖體強(qiáng)度越高，地應(yīng)力值越大。

一般可用應(yīng)力度（垂直應(yīng)力與巖體單軸抗壓強(qiáng)度的比值）來表示巖體在開挖前的狀態(tài)，應(yīng)力度越小，說明巖體的潛在能力越大，開挖后就越穩(wěn)定，引起的位移就越小此外，應(yīng)力的積累還與巖體的變形特性有關(guān)。變形模量較大的近于彈性的巖體對(duì)應(yīng)力的積累比較有利。塑性巖體容易產(chǎn)生變形，不利于應(yīng)力的積累，故在這類巖體中常以自重應(yīng)力場(chǎng)為主。3.地溫溫度變化，尤其是圍巖內(nèi)部溫度不相同時(shí)，溫度應(yīng)力的一部分會(huì)殘留下來。此外，地殼內(nèi)巖漿固結(jié)或受高溫高壓再結(jié)晶時(shí)，將伴隨著體積膨脹或收縮，受到相鄰巖塊的約束作用而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。4.人類活動(dòng)

人類活動(dòng)包括大堆渣場(chǎng)的形成，深的露天開采和地下開挖，修建水庫(kù)、抽水、采油以及高壩建筑等，都可能局部地影響圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生比較大的影響，如因水庫(kù)蓄水而誘發(fā)地震就是比較典型的例子。綜上所述，只有詳細(xì)了解影響圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的各種因素，才能較可靠地確定圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)。4.1.3初始應(yīng)力場(chǎng)的確定方法1.實(shí)地應(yīng)力量測(cè)

實(shí)地應(yīng)力量測(cè)是直接在未經(jīng)擾動(dòng)的巖體中進(jìn)行應(yīng)力量測(cè)。

巖體應(yīng)力量測(cè)有兩種:

(1)量測(cè)圍巖的絕對(duì)應(yīng)力值，包括其大小和方向；

(2)量測(cè)圍巖應(yīng)力在開挖過程中的相對(duì)變化。

前者可用來確定圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)，后者則可評(píng)價(jià)施工程序的優(yōu)劣及開挖對(duì)相鄰地下工程的影響等。2.地質(zhì)力學(xué)分析法

巖體中一切構(gòu)造形跡，如巖層傾斜、皺曲、破裂和錯(cuò)動(dòng)等，無一不是巖體在地應(yīng)力作用下形成的永久變形的形象，是地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中力學(xué)作用的殘跡。因此，根據(jù)構(gòu)造形跡可以宏觀地反推出地應(yīng)力的性質(zhì)和方向，這就是地質(zhì)力學(xué)分析的基本概念。

應(yīng)用地質(zhì)力學(xué)方法分析工程地段圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，首先應(yīng)進(jìn)行區(qū)域性的構(gòu)造形跡的調(diào)查和測(cè)繪，查明區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方向；其次是根據(jù)構(gòu)造形跡的特征，定性地估計(jì)初始應(yīng)力場(chǎng)的量級(jí)；最后再考慮其他地質(zhì)力學(xué)標(biāo)志，如埋深、風(fēng)化程度等，評(píng)價(jià)水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的比值。4.2圍巖壓力的分類1962年，卡斯特奈根據(jù)圍巖壓力成因，把圍巖壓力分為松散壓力、真正的地層壓力和膨脹壓力三類。自20世紀(jì)70年代中期起，在我國(guó)一些教科書和文章中也提出了類似的分類方法。分類的依據(jù)除考慮圍巖壓力的成因外，還考慮了圍巖壓力的特征，應(yīng)用較廣的分法是把圍巖壓力分成松動(dòng)壓力、變形壓力、沖擊壓力和膨脹壓力四類。4.2圍巖壓力的分類●圍巖壓力按作用力發(fā)生形態(tài)分為：

⑴松動(dòng)壓力：

⑵變形壓力：

⑶沖擊壓力：

⑷膨脹壓力：

⑴松動(dòng)壓力：常通過下列三種情況發(fā)生：

①在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個(gè)別松動(dòng)掉塊的巖石對(duì)支護(hù)造成的落石壓力；

②在松散軟弱的巖體中，洞室頂部和兩側(cè)片幫冒落對(duì)支護(hù)造成的散體壓力；

③在節(jié)理發(fā)育的裂隙裂原巖體中，圍巖某些部位的巖體沿弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞，形成了局部塌落的松動(dòng)壓力。

⑵變形壓力

變形壓力則是由圍巖變形受到支護(hù)的抑制產(chǎn)生的，所以變形壓力除與圍巖應(yīng)力有關(guān)外，還與支護(hù)時(shí)間和支護(hù)剛度等有關(guān)，按其成因可進(jìn)步分為下述幾種情況。1）彈性變形壓力當(dāng)采用緊跟開挖面進(jìn)行支護(hù)的施工方法時(shí)，由于存在著開挖面的“空間效應(yīng)”而使支護(hù)受到一部分圍巖的彈性變形作用，由此而形成的變形壓力稱為彈性變形壓力。2）塑性變形壓力由于圍巖塑性變形(有時(shí)還包括一部分彈性變形)而使支護(hù)受到的壓力稱為塑性變形壓力，這是最常見的一種圍巖變形壓力。3）流變壓力圍巖產(chǎn)生顯著的隨時(shí)間增長(zhǎng)的變形或流動(dòng)壓力是由巖體變形、流動(dòng)引起的，有顯著的時(shí)間效應(yīng)，它能使圍巖鼓出、閉合，甚至完全封閉。⑷沖擊壓力

沖擊壓力是在圍巖中積累了大量的彈性變性能以后，由于隧道的開挖，圍巖的約束被解除，能量突然釋放所產(chǎn)生的巨大壓力。沖擊發(fā)生時(shí)伴隨著巨響、巖石成鏡片狀或葉片狀高速迸發(fā)出來。沖擊壓力又分為巖爆、巖震和突出等現(xiàn)象。由于沖擊壓力是巖體能量的積累與釋放問題，所以它與高地應(yīng)力和完整硬巖直接相關(guān)。彈性模量較大的巖體，在高地應(yīng)力作用下，易于積累大量的彈性變性能，一旦破壞原始平衡條件，它就會(huì)突然猛烈的釋放。⑶膨脹壓力

當(dāng)巖體具有吸水、應(yīng)力解除等膨脹性特征時(shí)，由于圍巖膨脹所引起的壓力稱為膨脹壓力。膨脹壓力與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由于吸水、應(yīng)力解除等膨脹引起的。從現(xiàn)象上看，它與流變壓力有相似之處，但兩者的機(jī)理完全不同。巖體的膨脹性，既決定于其蒙脫石、伊利石和高嶺土士的合量含量，也取決于外界水的滲入和地下水的活動(dòng)特征，巖層中蒙脫石含最愈高，有水源供給，膨脹性越重大。

確定圍巖壓力方法

（1）直接量測(cè)法直接量測(cè)法是一種切合實(shí)際的方法，對(duì)隧道工程而言，也是研究發(fā)展的方向，但由于受測(cè)量設(shè)備和技術(shù)水平的制約，目前還不能普遍使用。

（2）經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法是根據(jù)以前工程的實(shí)際資料的統(tǒng)計(jì)和總結(jié)，按不同圍巖分級(jí)提出圍巖壓力的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，作為后建工程確定圍巖壓力的依據(jù)，是目前使用較多的方法

（3）理論估算法理論估算法是實(shí)踐的基礎(chǔ)上從理論上研究圍巖壓力的方法

由于地質(zhì)條件的不確定性，影響圍巖壓力的因素非常多，這些因素本身及它們之間的組合也帶有一定的偶然性，試圖建立一種完善的和適合各種實(shí)際情況的通用圍巖壓力理論及計(jì)算方法是困難的。4.3松動(dòng)壓力

開挖隧道所引起的圍巖松動(dòng)和破壞的范圍有大有小，有的可達(dá)地表，有的則影響較小。

對(duì)于一般裂隙巖體中的深埋隧道，其波及范圍僅局限在隧道周圍一定范圍。所以作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松動(dòng)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上覆巖層自重所造成的壓力。形成過程：

圖4-4圍巖壓力形成過程a）應(yīng)力重分布b）垂直壓力增大c）巖塊掉落d）平衡拱形成1）隧道開挖后，在圍巖應(yīng)力重分布的過程中，頂板開始沉陷并出現(xiàn)斷裂紋，可視為變形階段，如圖4-4（a）所示。2）頂板中間部位的裂紋，繼續(xù)發(fā)展，并且張開，由于結(jié)構(gòu)面切割等原因，巖石開始掉落，支護(hù)所受的垂直壓力增大，如圖4-4（b）所示。

3）頂板以上掩體繼續(xù)塌落，巖塊與圍巖母體脫離，形成近似于拱形的塌落面，垂直壓力穩(wěn)定在一定數(shù)值內(nèi)，但由于原巖應(yīng)力向隧道兩側(cè)轉(zhuǎn)移至?xí)r兩側(cè)圍巖壓力增大，如圖4-4（c）所示。4）頂板冒落到一定程度后達(dá)到相對(duì)平衡時(shí)，垂直壓力和側(cè)向壓力趨于穩(wěn)定，此時(shí)塌落面，近似為拱形，如圖4-4（d）所示。4.3.1

深埋隧道圍巖壓力的確定

目前我國(guó)公路隧道和鐵路隧道推薦的計(jì)算圍巖豎向均布松動(dòng)壓力的公式是以工程類比為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)分析了我國(guó)357座鐵路隧道的塌方資料統(tǒng)計(jì)而擬定的。

1.塌方形態(tài)1）局部塌方局部塌方多數(shù)在拱部，有時(shí)也出現(xiàn)在側(cè)壁(圖4-5(a))，主要在大塊狀巖體中。（2）拱形塌方拱形塌方一般發(fā)生在層狀巖體或碎塊狀巖體中，有2種類型：一類是在坑跨范圍內(nèi)，僅出現(xiàn)在拱部(圖4-5(b))，另一類是包括側(cè)壁崩塌在內(nèi)的擴(kuò)大的拱形崩塌爆(圖4-5(c))。（3）異形塌方異形塌方是由于特殊的地質(zhì)條件(如溶洞、陷穴)及地形條件(如淺埋）等造成的。圖4-5塌方的基本形態(tài)a）局部塌方b）拱形塌方c）異形塌方2.巖體的堅(jiān)固系數(shù)與塌方特性的關(guān)系如以巖體的堅(jiān)固系數(shù)值作為評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的指標(biāo)，則多數(shù)塌方發(fā)生在2~5的巖體內(nèi)(圖4-6)。這是典型的裂隙巖體的一個(gè)基本特征，即易于崩塌。嚴(yán)格地說，1.5并不屬于裂隙巖體的范疇。⑴深埋隧道圍巖豎向均布?jí)毫按下式計(jì)算

q=0.45×2s-1γω(kN/m2)

式中：S—圍巖級(jí)別，如屬IV級(jí)，則S＝4；

γ—圍巖容重，(kN/m3)；

ω＝1+i(B-5)—寬度影響系數(shù)；

B—隧道寬度，(m）；

i—以B＝5m為基準(zhǔn)，B每增減1m時(shí)的圍巖

壓力增減率。B<5m，取i＝0.2；

當(dāng)B>5m，取i＝0.1?！襁m用條件

①H/B<1.7，式中H為隧道高度；②深埋隧道；③不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般隧道；④采用鉆爆法施工的隧道。

圍巖的水平勻布?jí)毫的確定，按下表中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算圍巖級(jí)別I、IIIIIIVVVI水平勻布?jí)毫?<0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q

在確定了圍巖壓力數(shù)值后，一個(gè)重要的問題是考慮壓力分布特征。

我國(guó)隧道圍巖壓力的一些量測(cè)結(jié)果表明：作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載是不均勻的，在V及VI級(jí)圍巖中，局部塌方是主要的，而其他級(jí)別的圍巖中，巖體破壞范圍的形狀和大小受巖體結(jié)構(gòu)、施工方法等因素的控制，極不規(guī)則。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，圍巖豎向壓力的分布圖大致如4-7所示。用等效荷載即非均布?jí)毫Φ目偤团c均布?jí)毫Φ目偤拖嗟鹊姆椒?，可確定各種荷載圖形的最大壓力值。圖4-7圍巖豎向壓力分布特征a)均布分布b)半寬均布分布c)有對(duì)稱集中的均布分布d)對(duì)稱三角形分布e)梯形分布f)對(duì)稱梯形分布

上述壓力分布圖形只概括一般情況，當(dāng)?shù)刭|(zhì)、地形或其他原因可能產(chǎn)生特殊荷載時(shí)，圍巖壓力的大小和分布應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況分析確定。

在分析支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，一般以豎向和水平的均布荷載圖形為主，并用局部壓力、偏壓以及非均布的荷載圖形進(jìn)行校核，較好的圍巖著重于局部壓力校核。如果地質(zhì)、地形或其他原因可能產(chǎn)生特殊荷載，則圍巖壓力的大小和分布應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況分析確定。

在分析支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)一般以豎向和水平的均布荷載圖形為主，并用局部壓力、偏壓以及非均布的荷載圖形進(jìn)行校核，較好的圍巖分析著重于局部壓力校核。另外，還應(yīng)考慮圍巖水平壓力分布情況。①深、淺埋隧道的判定原則

Hp＝（2～2.5）hq式中:Hp—深淺埋隧道分界深度;hq—荷載等效高度，按下式計(jì)算：

hq＝q/γq—深埋隧道豎向均布?jí)毫N／m2；

γ—圍巖容重（kNm2）。

在礦山法施工的條件下I～Ⅲ級(jí)圍巖取Hp＝2hq

4.3.2淺埋隧道圍巖壓力的計(jì)算Ⅳ～Ⅵ級(jí)圍巖取

Hp＝2.5hq

當(dāng)隧道覆蓋層厚度H≥Hp時(shí)為深埋，

H＜Hp時(shí)為淺埋②淺埋隧道圍巖壓力的確定方法

1）埋深(H)小于或等于等效荷載高度hq時(shí)，荷載視為

均布豎向壓力

q=γH

式中:q—?jiǎng)虿疾钾Q向壓力；

γ—深度上覆圍巖容重；

H—隧道埋深，指隧道頂至地面的距離。側(cè)向壓力e，按勻布考慮時(shí)：

e=γ(H+Hi/2）tan2(450–Φ/2)式中:e—側(cè)向勻布?jí)毫Γ?/p>

γ—圍巖容重，以kN/m3計(jì)；

H—隧道埋深，以m計(jì)；

Hi—隧道高度，以m計(jì)；

Φ—圍巖計(jì)算摩擦角，可查有關(guān)規(guī)范。

三棱體自重為

（4-12）

式中---圍巖重度（kN/m3）；---隧道底部到地面的距離（m）；---破裂面與水平置的夾角（°）圖4-8淺埋隧道圍巖壓力

由正弦定律：——側(cè)壓力系數(shù)2）埋深（H）大于hq、小于等于Hp

極限最大阻力T值可求得。作用在HG面上的總豎向壓力Q淺：常改寫為：2）埋深（H）大于hq、小于等于Hp

由于GC、HD與EG、FH相比往往較小；壓力稍大些偏于安全。由于GC、HD與EG、FH相比較?。粔毫ι源笮┢诎踩?。用H代替h。則2）埋深（H）大于hq、小于等于Hp側(cè)壓力為均布時(shí)圖4-9淺埋隧道換算均布荷載

換算為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的均布荷載如圖4-9所示。

4.3.3偏壓隧道圍巖壓力

偏壓是指作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱荷載。由于地面坡度較陡或傾斜節(jié)理的切割等地質(zhì)結(jié)構(gòu)因素的影響，有的隧道將承受偏壓（圖4-9）。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于I～I(xiàn)II級(jí)圍巖，依地質(zhì)構(gòu)造的影響狀況進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于IV級(jí)及其以下的圍巖，一般按地形引起的偏壓計(jì)算。

地形引起的偏壓隧道圍巖壓力的假定、受力分析及公式的推導(dǎo)與地表水平時(shí)類似，這里僅給出計(jì)算結(jié)果。

偏壓隧道襯砌荷載的計(jì)算假定偏壓分布圖形與地面坡一致。4.4普式理論和太沙基理論4.4.1普氏理論

普氏認(rèn)為所有的巖體都不同程度被節(jié)理、裂隙所切割，可視為散粒體。但巖體又不同于一般的散粒體，結(jié)構(gòu)面上存在著不同程度的內(nèi)聚力。基于這種認(rèn)識(shí)，普氏提出了巖體的“堅(jiān)固性系數(shù)”f（又稱側(cè)摩擦系數(shù)）的概念。巖體的抗剪強(qiáng)度，將巖體視為散粒體，且保證其抗剪強(qiáng)度不變，則有，于是

式中、---巖體的內(nèi)摩擦角和似摩擦角、---巖體的抗剪強(qiáng)度和剪切破壞時(shí)的正應(yīng)力

c---巖體的黏聚力在確定圍巖的松動(dòng)壓力時(shí)普氏提出了基于“自然拱”概念的計(jì)算方法。他認(rèn)為在具有一定內(nèi)聚力的松散介質(zhì)中開挖坑道后，其上方會(huì)形成一個(gè)拋物線形的自然拱，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力即為自然拱內(nèi)松散巖體的重力。而自然拱的形狀和高度反映巖體的特征值，與所開挖的隧道寬度有關(guān)，其具體表達(dá)式為式中hk---自然拱高度；bt---自然拱的半跨度圖4-11普氏理論自然拱形成a）堅(jiān)硬巖體b）松散和破碎巖體

在堅(jiān)硬的巖體中坑道側(cè)壁比較穩(wěn)定，自然拱的跨度即為隧道的跨度，如圖4-11a所示。在松散和破碎巖體中，坑道側(cè)壁受到干擾而產(chǎn)生滑移，自然平衡拱的跨度相應(yīng)加大，如圖4-11b所示，此時(shí)的值為

由此，隧道拱頂處圍巖垂直松動(dòng)壓力為

圍巖水平松動(dòng)壓力e可按朗肯土壓力公式計(jì)算

普氏理論的主要優(yōu)點(diǎn)：是計(jì)算圍巖松動(dòng)壓力的公式比較簡(jiǎn)單，使用方便，而且經(jīng)過修正后的?值也能在一定程度上反映真實(shí)情況。按普氏理論計(jì)算的軟巖隧道圍巖松動(dòng)壓力，比實(shí)際情況偏小，對(duì)堅(jiān)硬圍巖則偏大，一般對(duì)松散、破碎圍巖計(jì)算值中較準(zhǔn)確。4.4.2太沙基理論

在太沙基理論中，假定巖體為散體，但是具有一定的內(nèi)聚力。這種理論適用于一般的土體壓力計(jì)算。由于巖體中總有一定的原生及次生各種結(jié)構(gòu)面，加之開挖洞室施工的影響，所以其圍巖不可能為完整而連續(xù)的整體，因此采用太沙基理論計(jì)算巖壓力(松動(dòng)圍巖壓力)收效也較好。

太沙基理論是從應(yīng)力傳遞原理出發(fā)推導(dǎo)豎向圍巖壓力的。如4-12圖所示，假定洞室頂壁襯砌頂部AB兩端出現(xiàn)一直延伸到地表面的豎向破裂面AD及BC，在ABCD所圈出的散體中，切取厚度為dz的薄層單元為分析對(duì)象。該薄層單元受力情況如右圖所示，共受以下五種力的作用:圖4-12太沙基理論計(jì)算圍巖壓力簡(jiǎn)圖①單元體自重力：②作用于單元體上表面的豎直向下的上覆巖體壓力：③作用于單元體下表面的豎直向上的下伏巖體托力：④作用于單元體側(cè)面的豎直向上的側(cè)向圍巖摩擦力：⑤作用于單元體側(cè)面的水平方向的側(cè)向圍巖壓力：

(4-33)將式(4-33)代人入式(4-31)得（4-34）薄層單元體在豎向的平衡條件為

（4-35）將式(4-28)、式(4-29)、式(4-30)及式(4-34)代入人式(4-35)得

（4-36）整理式(4-36)得

（4.37）由式(4-37)解得

（4-38）邊界條件：當(dāng)=0時(shí),(地表面荷載)將該邊界條件代人代入式(4-38)得

（4-39）將式(4-39)代入人式(4-38)得

（4-40）其中z——薄層單元體埋深（m）將z=H代入人式(4-40）時(shí)，可以得到洞室頂項(xiàng)部的豎向圍巖壓力q為

（4-41）式(4-41)對(duì)于深埋洞室及淺埋洞室均適用，將H→∞代入人式(4-41)，可以得到埋深很大的洞室頂項(xiàng)部豎向圍巖壓力q為

（4-42）由式(4-42)可以看出,對(duì)于埋深很大的深埋洞室來說，地表面的荷載對(duì)洞室項(xiàng)部豎向圍巖壓力q已不產(chǎn)生影響。當(dāng)洞室側(cè)壁圍巖因不穩(wěn)定而從洞室底面起產(chǎn)生與豎向成角的滑裂面時(shí)，如圖（4-13）所示，洞頂豎向圍巖壓力q計(jì)算法與上述的完全一樣，只需將以上各式中的a代以a′即可此時(shí)有圖4-13側(cè)壁圍巖出現(xiàn)滑裂面時(shí)是洞頂豎向圍巖壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖

（4-43）

將式(4-43)代入式(4-41)，得出現(xiàn)側(cè)向滑裂面后的洞頂堅(jiān)向豎向圍巖壓力q計(jì)算式

（4-44）太沙基也將巖體視為散粒體，坑道開挖后，其上方巖體因隧道的變形而下沉，產(chǎn)生圖4-14所示的錯(cuò)動(dòng)OAB。其圍巖壓力計(jì)算公式為圖4-14太沙基理論圍巖壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖

4.5彈性分析4.5.1無支護(hù)洞室圍巖應(yīng)力和位移1.洞室開挖后破壞形態(tài)

坑道開挖后，在圍巖中產(chǎn)生一系列的力學(xué)現(xiàn)象，如：坑道周邊的應(yīng)力重分布、坑道周邊圍巖性質(zhì)的改變、坑道斷面的縮小以及坑道穩(wěn)定性的喪失。這是一個(gè)屬于無支護(hù)坑道的穩(wěn)定和強(qiáng)度問題。

無支護(hù)地段巖體在要求的時(shí)間內(nèi)不發(fā)