A43熟悉隧道支护结构基本参数精Word下载.docx

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这正是现代隧道围岩承载理论解决隧道工程问题的思路（这个思路与传统松弛荷载理论有着根本的区别）。

基于对围岩“三位一体特性”和对“围岩与支护的基本关系”的认识，人们针对围岩稳定能力不足的工程实际，提出了利用“支护”来“帮助”围岩获得稳定的工程措施。

并进一步总结出提供支护帮助的基本原则：

“围岩不稳，支护帮助，遇强则弱，遇弱则强，按需提供，先柔后刚，量测监控，动态调整”。

这就是现代围岩承载理论关于隧道支护结构设计的基本原则。

这个基本原则的含义是：

在围岩稳定性很好，能够满足可靠度要求时，开挖坑道后，只需作必要的安全防护，而不需设人工支护结构。

此时，围岩就是隧道支护结构，即围岩表现出完全三位一体特性。

在围岩稳定能力不足时，不能满足可靠度要求时，就必须加设人工支护结构，以帮助围岩获得稳定，保证隧道安全可靠。

提供帮助的多少（支护的刚柔），主要取决于围岩稳定能力的强弱。

对稳定性好的围岩，可提供少一些、弱一些的支护；

而对稳定性差的围岩，则应提供多一些、强一些的支护。

提供人工支护结构的时机、过程、结构型式、材料品种、支护性能，均可以根据围岩的需要来选择和调整。

提供支护的过程也可以分次施作，先柔弱后刚强。

对支护参与围岩共同工作的状态和效果，采用量测技术手段来加以监视、控制和评价，以指导提供支护的时机和支护参数的调整，并最终形成稳定的“承载环”或“加固区”。

二、支护结构的设计程序

现代围岩承载理论关于隧道支护结构设计的基本程序为：

1、根据隧道使用年限及重要性，确定安全系数。

2、在满足直线建筑限界要求、功能要求和构造要求，保证隧道净空大小够用的条件下，依据围岩稳定能力的强弱、岩体结构类型、围岩压力的作用和分布状态，应用工程类比方法，初步拟定支护结构的横断面几何形状和尺寸等各项支护参数。

3、然后应用理论计算方法检算支护结构内力及围岩内应力，并调整横断面几何形状和尺寸，使支护受力状态及围岩应力分布均趋于合理。

4、在施工过程中对“围岩-支护”结构体系的力学动态进行必要而有效的现场监控量测，以验证各项参数的合理性，发现和控制施工过程中出现的不良状况，并依据实际状况的变化对相应的支护参数乃至于施工方案予以及时调整和修改。

三、支护结构的设计方法

现代隧道工程围岩承载理论的一个最大特点是“勘测、设计、施工一体化”。

这主要是指支护的设计应做到勘测，设计、施工紧密配合，不分离。

在隧道施工过程中根据实际的围岩动态来进行支护设计当然是最经济、合理和有效的。

它是将勘测、设计工作贯穿到施工的全过程。

这是人类在解决隧道及地下工程问题过程中，由传统的设计、施工概念向现代概念的一大跃进，也是在解决隧道及地下工程问题的思路上区别于地面工程的一个重要特征。

这种“一体化思想”体现在设计方法上，就是多种方法并用、互相补充、互相验证，并与施工紧密相结合。

即“三法并用”来完成支护结构体系设计的，以使支护结构更接近隧道工程实际，更趋于经济、合理。

值得注意的是，无论是初期支护还是后期支护，它们一旦参与工作，就与围岩共同构成了一个完整的复合结构体系。

只是由于要求它们发挥的作用有所侧重，两者所采用的材料不同、力学性能不同、承受荷载大小不同、参与工作的时机不同，以及参与方式（融合程度）不同等，使得初期支护和后期支护两部分设计时，所建立的力学模型、力学分析方法和计算方法上有些区别。

1、工程类比设计法

工程类比设计法主要是在编制围岩分级（铁路）或分类（公路）表的基础上，比照已建类似工程的锚喷支护参数、内层衬砌参数，以及施工方法和工艺流程等经验，结合拟建工程的围岩等级与工程尺寸等条件，直接确定拟建工程的初期支护参数、内层衬砌参数并同时提出施工方法和工艺流程的建议的设计方法。

工程类比设计法发展最早，在应用传统的松弛荷载理论进行隧道整体式衬砌（即单层衬砌）设计时，工程类比设计法用得最多。

目前工程类比设计法仍然是隧道支护设计中应用最广泛和最实用的设计方法。

国内有关初期支护—锚喷支护规范（如GB50086-2001）仍以此法为主，同样，后期支护—内层衬砌的设计也采用工程类比设计法。

工程类比法与设计者的实践经验关系很大，更与拟建隧道工程与已建类似工程在技术经济指标、工程地质条件等方面的差异关系很大。

所以，要进行严格的类比也是比较困难的。

2、现场监控设计法

现场监控设计法又称信息设计法，它是以现场量测为手段、以量测信息为设计依据，来确定支护参数、支护时机、施工方法和工艺流程的设计方法。

这种设计方法，将量测的结果反馈到设计施工中，使得支护的设计和施工工艺流程更符合或接近隧道及地下工程的现场实际，也能够更好地适应多变的地质条件和各种不同的施工条件，因而它比工程类比法和理论计算法更为实用可靠，这也是当前此法在软弱地层设计中迅速发展的原因。

然而，根据量测信息来判断围岩的动态的经验性很强，且受量测地段的选择、量测数据的处理、量测技术的水平、施工条件的变动等多重因素的影响，使得对围岩动态判断的准确程度难以把握和评价，加之量测工作量大、耗资多、对施工有一定干扰，使得其推广受到一些阻碍。

3、理论计算设计法

理论计算设计法是在测得岩体和支护力学参数的前提下，根据围岩和支护的力学特性及共同工作关系，应用弹塑性理论和有限单元分析方法，建立力学模型，通过计算确定支护参数的设计方法。

其力学模型见图4-5。

图4-5围岩—支护共同工作力学模型

其力学关系为：

在支护阻力p作用下，保证围岩不致于失稳的允许周边位移［u］与支护的变形相等，即寻求一个最佳共同工作点，及最佳共同工作状态下的支护阻力PE和相应的支护参数。

其数学表达式为：

[u]=F（PE）=f（PE）式4-10

围岩-支护的共同工作关系，可以用围岩位移特性曲线u=F（Pi）和支护特性曲线u=f（Pi）表达，如图4-6。

图4-6围岩—支护共同工作Pi-u关系示意图

这种设计方法是基于岩体力学的发展，考虑围岩与支护共同作用而逐渐形成的。

其具体的力学模型和计算方法主要是根据岩体的力学特性和结构类型而定。

当前有近似的解析计算法和借助电子计算机的有限元、边界元等数值解法。

后者能考虑弹性各向异性、节理裂隙等多方面因素，因而在工程设计中已逐步被采用。

但理论计算的发展尚很不成熟，这主要是因为围岩地质状况复杂多变，其力学模型和岩体力学参数不易准，支护作为边界条件的不确定性等原因，加之计算方法中很难反映施工方法、支护时机等因素的影响，使得理论计算设计法一般只作为辅助设计方法，其计算结果仅作为参考。

4、综合设计法

综上所述，隧道支护结构设计的三种方法各有利弊，单靠哪一种方法都有其局限性。

从实际的发展情况来看，三种方法并用将是今后发展的方向，从而形成了“综合设计法”。

目前正在国内外蓬勃兴起的反分析计算法，就是监控设计法和理论设计法的融合，它既较好地解决了岩体力学参数和地应力参数难以取准的问题，又进一步完善了监控设计法的反馈工作，当然其初始参数的确定仍借助于工程类比和工程设计经验。

三种方法并用即综合设计法的设计程序是：

用工程类比法先行初步设计（依据有关支护规范）；

再根据工程实际情况（主要是围岩力学特性和结构特征），选择适当的理论计算方法，分析洞室稳定性，验算初步设计的支护参数是否合理；

然后在施工中对“围岩一支护”结构体系的力学动态进行必要而有效的现场监控量测，以其提供的信息和围岩地质详勘结果（必要和可能时结合理论电算分析），把原设计和施工中与实际不符部分立即予以变更，使之与实际情况相符。

在上述三法并用的设计程序中，三种方法的作用有所不同。

工程类比法所确定的支护参数作为理论验算和现场监控设计的初选值，同时也作为编制工程预算和制订施工方案的初步依据；

理论计算法作为对工程类比设计方案的理论论证，同时为分析支护的作用效果提供一些定性的或半定量的理论参考；

现场监控量测作为对初选值和实际效果的现场检验，并据此对初选的支护参数加以调整，使之更合理、可靠、经济。

当然在具体的设计中，根据围岩地质、力学特点的不同，三种方法的结合可以有所侧重。

这就是综合设计法的特点。

四、支护的结构组成

前已述及，根据现代围岩承载理论关于隧道支护结构设计的基本原则，现代隧道工程设计和施工时，将隧道支护结构体系中为帮助围岩获得稳定的人工支护结构分为“初期支护（外层衬砌）”和“后期支护（内层衬砌）”两部分。

即外层衬砌加内层衬砌，构成“复合衬砌”。

虽然人工支护结构的两个部分都是帮助围岩获得稳定，但各自的作用又有所侧重，各自的结构形式和材料、工艺也有较显著的区别，见表4-3，并分述如下。

表4-3隧道支护的结构组成

隧道支护

（复合衬砌）

初期支护

（外层衬砌）

锚喷支护

（常规支护）

喷射混凝土（加固围岩）

素喷射混凝土

钢筋网喷射混凝土

钢纤维喷射混凝土

锚杆（加固围岩）

系统锚杆

局部锚杆

钢拱架（支护围岩）

花钢拱架（格栅钢架）

超前支护

（特殊支护）

型钢拱架

超前锚杆（加固前方围岩）

超前管棚（支护前方围岩）

超前小导管（短管棚）

超前大管棚（长管棚）

超前插板（背板）

地层改良

（特殊措施）

注浆加固（加固围岩和堵水）

超前小导管注浆

超前深孔围幕注浆

深层搅拌桩（加固围岩）

冷冻固结法（临时固化围岩和地下水）

后期支护

（内层衬砌）

（二次衬砌）

混凝土衬砌（就地模筑）

钢筋混凝土衬砌（就地模筑）

喷射混凝土或喷射钢纤维混凝土

拼装衬砌

（一）初期支护（外层衬砌）

初期支护的作用主要是承受“早期围岩压力”，帮助围岩达成“基本稳定”，以便安全、顺利地挖除坑道内岩体，保证隧道在施工期间的稳定和安全。

按照初期支护的作用的机理和适用的地层条件来分，初期支护可以分为“锚喷支护”、“超前支护”、“地层改良”三种类型。

其中锚喷支护称为“常规支护”或“常规稳定措施”，超前支护和注浆加固称为“特殊支护”或“特殊稳定措施”，见表4-3。

值得注意的是：

锚喷支护、超前支护和地层改良各部分，与混凝土内层衬砌一样，都应满足耐久性的要求。

有资料显示，早在20世纪90年代，日本新干线上采用新奥法修建的隧道出现大范围的内层衬砌开裂。

说明因初期支护耐久性不足，致使在设计服务期内就已经出现明显的失效，而内层衬砌的储备能力又不足以抵抗围岩压力，成为内衬开裂的重要原因。

好在这个问题在我国高速铁路隧道工程中，已明确提出了现实的要求。

1、锚喷支护（常规支护）

锚喷支护是初期支护最基本的结构形式，也是隧道工程中使用最多的“常规支护”结构和工程措施。

常规的锚喷支护泛指锚杆（主要指系统锚杆）、喷射混凝土（素喷、网喷或钢纤维喷射混凝土）和钢拱架〔花钢拱架（格栅钢架）或型钢拱架（工字钢架）〕的组合。

常规的锚喷支护主要适用于围岩稳定性较好，开挖坑道后掌子面能基本稳定的条件下。

在此条件下，开挖面一般只需要作常规的锚喷支护，就可以解决围岩的稳定问题，施工也可以