隧道设计方法PPT.ppt

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1,隧道设计方法,2,一、概述,长期以来，隧道结构的计算仅仅是针对支护结构中的二次衬砌的，在计算中一直采取拱涵力学模式，即把衬砌视为拱形推力结构，承受来自围岩的主动和被动荷载。

这种简化显然与隧道结构的实际工作状态相差很大。

例如：

理论上已经证实，在无支护坑（隧）道中,坑道本身就是承载结构，其工作状态更接近于半无限或无限介质中的孔洞那样工作。

地下结构的力学模式必须符合下述条件：

（1）与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态以及围岩与支护结构的接触状态；

（2）荷载假定应与在修建洞室过程中荷载发生的情况一致；（3）所确定的应力状态要与经过长时间使用的结构所发生的事故和破坏情况一致；（4）材料性质和数学表达要等价。

只要符合上述条件，任何设计和计算方法都会获得合理的结果。

不管采取何种设计方法，都必须清楚地认识隧道结构物与其他工程结构物在本质上的差异，主要表现在以下几点：

（1）其他工程结构都是抵抗荷载的，而隧道结构，按目前的认识水平来说，围岩同时是工程材料、承载结构和荷载。

隧道结构的主体是围岩，其承载结构是由围岩和初期支护、衬砌组成的一个整体。

该系统的荷载是由支护结构和围岩之间的相互作用给定的，不是事先能给定的参数。

（2）地面结构有很大自由空间，其中每个构件都是事先根据标准荷载决定的，并用大家公认的方法进行计算、验证。

相反地，隧道全部是开挖出来的，是在初始地应力场作用下的工程材料中开挖出来的，也就是说是在具有一定应力场的围岩中修筑的。

结构很早就逐步地参与工作，其中的初始地应力场是很难准确决定的。

4,（3）在其他建筑中，设计者能够计算与荷载假定相适应的结构的性质，以及在可能的荷载组合下其中的应力和变形。

在隧道工程中要想计算出材料（既是挖过的围岩也是支护的主体）中的应力和变形是很困难的，因为它与形成的结构的类型以及时间有很大关系。

（4）其他建筑根据力学计算以及构造上、经济上的考虑来选择工程结构的材料，而隧道工程的重要构件（围岩），本身就是建筑材料，我们既不能选择，也不能极大地影响它的力学性质。

（5）在施工中，其荷载、变形和安全度与其他结构相比都还远远没有确定，尤其是与最终状态的关系密切。

因此，在隧道结构中最后状态的安全度检算和力学计算是存在问题的。

二、设计方法的选择和适用条件,隧道支护结构的设计应根据围岩条件（围岩的强度特性、初始应地力场等）和设计条件（隧道断面形状、隧道周边地形条件、环境条件等）选择合适的设计方法。

根据隧道支护结构的特点，在预设计中采用以下方法:

（1）标准支护模式的设计方法（简称标准设计）；

（2）类似条件的设计方法（简称类比设计或经验设计）；（3）解析的设计方法（简称解析设计）。

隧道支护结构设计，在有标准支护模式时以标准设计为主要的设计方法。

在没有标准支护模式时，则要根据围岩条件、结构特点等选择类比设计或解析设计的方法进行设计。

6,标准设计是用于一般围岩条件下的标准隧道断面的设计，在围岩条件特殊或设计条件特殊时，采用已经实施过的、经过工程实际证实是安全和经济的支护结构模式的设计方法。

不仅研究隧道结构物本身的安全性，而且要保护周边环境或接近居民区的情况也越来越多。

在这种情况下，有必要采用解析方法分析地表面下沉等地层的动态。

在下面所示的特殊条件的情况下，宜根据解析的计算结果，进行定量的判断：

（1）地质条件特别差的情况；

（2）埋深大、初始地应力大的情况；（3）埋深小、地表面下沉有问题的情况；（4）采用施工方法、开挖顺序与标准的支护模式不同的特殊工法的情况；,7,（5）断面比标准支护模式大得多的情况；（6）断面形状特殊的情况；（7）洞口段、斜坡面下隧道等地形条件可能产生偏压的情况；（8）有接近隧道的结构物的情况；（9）预计有与时间有关的流变荷载作用、二次衬砌存在长期荷载的情况。

在解析方法中，有两种主要的方法，即：

传统的结构力学方法及近代的岩体力学方法。

前者是把支护结构和周围围岩分割开来，把围岩作为给定荷载，支护结构作为承载结构，即结构荷载模式。

后者是把结构和周围岩体视为一体，作为共同的承载体系，即相互作用模式或围岩结构模式，这是我们目前在隧道设计中力求采用的或正在发展中的方法。

8,三、类比设计,采用类比设计方法，应充分研究其设计条件及设计的妥当性，根据当地围岩的性质加以修正。

所谓类似条件：

围岩条件及断面形状等设计条件的类似。

研究围岩条件类似时，最有参考价值的是附近既有工程的实际情况，如在围岩分类时，应着重在弹性波速度、裂隙系数、围岩强度比、相对密度、细颗粒含量等类似性上；其次，也要研究地下水条件的类似性。

设计条件的类似性主要是支护模式、地形条件、施工方法、辅助工法等的类似性。

类比设计的类似性以及妥当性，一般应按表1和表2所列项目进行研究。

9,从这些实践中，大致上可以发现在进行支护结构“类比设计”时，需要注意的几点:

（1）首先，对坑道围岩要有一个大致的分级。

这些分级大都是根据地质调查结果，为一座隧道或一条线路单独编制的。

但不管采用何种分级，大体上都是把坑道围岩分为四个基本类型。

即：

1）完整、稳定围岩；2）易破碎、剥离的块状围岩；3）有地压作用的破碎围岩；4）强烈挤压性围岩或有强大地压的围岩。

其中某些类别还有些亚类。

10,

（2）各类围岩的支护结构参数大体按下述原则选用。

1）完整、稳定的围岩锚杆长1.5m，n=44.2根/m左右，从力学上看是不期待锚杆的支护作用的，围岩本身强度就可以支护坑道，但因有局部裂隙或岩爆等，用其加以控制而已。

喷混凝土用于填平补齐，为确保洞内安全作业应设金属网防止顶部岩石剥离。

二次衬砌采用能够施工的最小混凝土厚度，约30cm左右。

2）易破碎、剥离的块状围岩锚杆长1.53.5m，n=10根/m左右，多数情况是长、短锚杆配合使用，短锚杆用胀壳式，长锚杆用灌浆式。

11,喷层厚0l0cm，稳定性好些的用来填平补齐，也可只在拱部喷射，此时开挖正面无需喷射。

金属网与

（1）同，特殊情况要采用可缩性支撑或轻型格栅钢支撑。

二次衬砌厚度约3040cm，包括喷层在内约40cm。

3）有地压作用的破碎围岩锚杆长3.04.0m，有时用6.0m的灌浆式，n=10根/m左右。

这种围岩视围岩强度比，预计有塑性区发生时，从控制它的发展看，锚杆必须用喷混凝土等加强。

喷层厚约1520cm，拱部和侧璧同厚，视情况正面也要喷5cm左右。

开挖进度要注意，必要时控制在1.0m以下。

二次衬砌厚度,包括喷层在内为4050cm,尽可能薄些。

12,4）强烈挤压性围岩或有强大地压的围岩在这种围岩中施工是很困难的，要分台阶施工，限制分部的面积。

锚杆长4.06.0m，n=15根/m左右。

喷层厚2025cm，正面喷35cm。

必须采用可缩性支撑，间距约75cm左右。

二次衬砌厚度，按总厚度50cm决定。

在30天以内断面要闭合，即要修好仰拱。

（3）在施工中应尽量少损害围岩，使其尽量保持原有围岩的强度，因此，应采用控制爆破技术。

13,（4）预计有大变形和松弛的情况下，开挖面要全面防护包括正面,使之有充分的约束效应，在分台阶开挖时，上半断面进深不宜过长，以免影响整个断面的闭合时间。

（5）二次衬砌通常是现灌的，在修二次衬砌之前要修防水层，形成具有防水性能的组合式衬砌。

应使衬砌成为薄壳，这样可减少弯矩而使弯曲破坏的发生为最小。

因此，不仅初期支护，二次衬砌都要薄些。

（6）允许甚至希望围岩出现一定的变形，以减少为完成支护作用所需的防护措施。

这些防护措施包括衬砌，必要时要修仰拱以及直接深入到不稳定岩层内部的锚固系统，或其他结构构件。

14,（7）要制定一个详细周密的量测计划。

控制变形与应力，确定所建立的支护阻力是否和围岩类型相适应以及还需要什么样的加强措施。

（8）支护结构的施工顺序与正确的掌握围岩的时间效应很有关系。

因此，施工要严格按着预定的施工程序施工。

从当前地下工程设计现状来看，多数情况是依靠类比设计的，甚至有的提出“在隧道力学中不可能进行计算，只能给以必要的假设”，并指出“首先是提出一个大致简化的力学模型，然后根据某些经验和工程师的直观来判断”。

米勒更绝对地指出“通过大量的虚拟的计算，说明我们的无知，这些虽然能够使发包者得到安慰，也只是自欺欺人”。

这些说法虽然有些绝对，但也说明计算的局限性。

15,四、标准设计,在一般的围岩条件下的预设计中，有标准支护模式时，原则上都要采用标准设计。

这也是当前隧道设计方法的主流。

标准设计适合于围岩条件（地形、地质、埋深）和断面积、断面形状、周边环境的影响等条件均属一般的情况。

标准设计流程如图1所示。

采用标准设计时，根据施工中掌子面观察和量测结果进行设计修正是很重要的。

位移量有问题的情况，或在城市的土砂围岩及接近结构物施工对地表面下沉有限制等情况，与解析方法同时应用也是必要的。

16,采用标准设计时，要确实地进行围岩分级，充分考虑应用条件。

标准支护模式的主要支护构件是喷混凝土、锚杆、钢支撑等，同时要考虑开挖、仰拱、二次衬砌等。

在附近有类似条件的工程时，也应参考。

2、标准设计的标准支护模式为了提高设计效率和质量，提高隧道设计的标准化程度是非常重要的。

这也是目前许多国家大力提倡的。

标准设计的中心内容是支护模式的标准化。

下面列举我国及国外的一些标准设计的概况。

（1）我国铁路隧道的标准设计单线铁路隧道标准支护参数列于表3、表4。

17,3、城市条件采用矿山法修筑的隧道的标准设计最近，日本针对城市砂质土和粘性土的地质条件和埋深浅的设计条件，编制了城市采用矿山法修筑地下铁道区间隧道或铁路、道路隧道的设计标准，很有借鉴意义。

该技术标准在决定断面形状时，考虑完成后和施工时的稳定。

断面形状视使用目的，要确保建筑限界，同时要考虑变形富裕，尽可能地采用不产生应力集中的圆顺的隅角。

同时原则上要设置仰拱，并采用钢筋混凝土结构。

因在山岭隧道中开挖断面形状的自由度比较高，应根据施工中的量测掌握实际的围岩动态，来验证基本设计的安全性。

下图是参考既有的事例，考虑各种条件的断面形状。

以下各表是标准支护模式。

18,五、荷载结构模式解析方法中的几个问题,把隧道支护结构在力学上和构造上作为拱形结构来处理这个思想是从地面结构引申出来的。

是否合适和合理到何种程度要根据现在的认识、经验去判断。

把隧道作为拱形结构的概念,就是承认松弛土压的作用。

松弛压力不是不可避免的荷载，多数场合是由于某些作业方法所诱发的，因而都在力图阻止它发生。

如果这一点收到成效，就失去根据松弛压力决定尺寸的必要性。

如果施工没有满足下述条件，隧道结构就只能是个拱,而按拱形结构进行设计计算：

（1）制止松弛和由此产生的松弛压力；

（2）结构和围岩之间有效的、长期的紧密接触。

19,1、荷载及荷载模式在沿用地面结构的设计方法进行隧道结构设计时，结构的作用效应基本上是由荷载产生的，而隧道结构的力学特性是：

荷载、结构、材料三位一体，没有象地面结构那样明确的荷载概念。

因此，不得不假定一个“虚拟”的荷载，认为它仅仅与围岩的特性有关，而与衬砌结构的特性无关，即“松弛荷载”。

荷载结构模式的发展,主要表现在“荷载”处理上,它大致经历了下述三个阶段：

（1）主动荷载模式；

（2）主动荷载+被动荷载模式；（3）实际荷载模式。

20,多数情况都采取第二种模式，考虑了结构和围岩之间的相互作用，局部地体现了隧道作为地下结构的受力特点。

为保证围岩约束抗力的存在，就必须保证结构与围岩之间紧密接触。

第三种模式当前正在发展，也就是形变压力。

实际上它与第一种模式是一致的，只不过荷裁是实地量测或计算的。

实测荷载基本上反映了结构与围岩全面的相互作用的特征。

因此,结构力学方法同样也可以反映结构支护体系相互作用的功能。

21,a）主动荷载模式；b）主动荷载被动荷载；c）实际荷载（形变荷载）,采用第三种模式时计算中有二种情况：

（1）结构与围岩牢固接触的情况：

在接触面上不仅有径向荷载，还有切向荷载存在，切向荷载的存在可以减小荷载分布的不均匀程度，从而大大减小结构中弯矩。

例如，喷混凝土支护就属这种。

22,

（2）结构与围岩松散接触的情况：

在接触面上只能传递径向荷载，一般具有回填层的现灌混凝土衬砌或用盾构法修筑的隧道都符合这种情况。

2、弹性抗力的处理弹性抗