（地质工程专业论文）公路山岭隧道标准化初步研究.pdf

摘要 随着国家经济的飞速增长，西部大开发的不断深入，大力发展我国西部地区的交通 运输事业成为国家建设的一项重要国策。由于西部多山地，地区地形复杂，大量的山岭 隧道建设必不可少。为了使公路山岭隧道设计施工更加经济、安全、合理，公路山岭隧 道标准化的研究成为了必然。虽然在我国现行有一套公路隧道设计施工的标准，但是山 岭隧道的建设在很多方面仍然没有达到标准化，或者标准化程度低。 本文就公路山岭隧道的标准化问题展开研究。首先收集和归纳关于公路隧道设计施 工标准和规范的资料，从资料中整理出现阶段采用比较多的公路隧道断面设计计算方案 和关于隧道围岩压力计算和围岩等级划分的理论；然后，利用m a r c 有限元软件对于不 同围岩等级下，隧道不同的内轮廓下，深埋公路隧道结构应力、应变、位移情况进行模 拟，对公路山岭隧道的围岩类别标准和公路山岭隧道横断面设计标准进行深入研究；最 后，从收集的众多云南省隧道设计施工资料中，整理出了国道主干线( g z 4 0 ) 二连浩 特至河口云南蒙自至新街高速公路绿水河隧道的设计施工以及监控量测资料作为主要 实例，对有限元模拟结果进行对比和研究。 本文研究中得出了一些有益的结论，在对围岩应力的模拟方面，对标准围岩等级划 分体系进行系统研究，形成了以隧道围岩类别分类的有限元隧道模型。该模型显示了公 路山岭隧道在不同围岩性质下的应力、应变情况。在对于隧道横断面是否采用仰拱的模 拟中，得出地基承载力不足和较松散围岩应采用有仰拱的横断面设计的结论。最后以实 际监测结果与模拟结果相对比后，验证了标准公路山岭隧道围岩模型的准确性。 关键词：山岭隧道标准化，分离式山岭隧道，有限元，监控量测 a b s t r a c t w i t ht h er a p i de c o n o m i cg r o w t ho fc h i n aa n di n d e p t hd e v e l o p m e n to ft h ew e s t e r n r e g i o n ，t od e v e l o p ，t h ew e s t e r nr e g i o nt r a n s p o r th a sb e c o m eam a j o rn a t i o n a lp o l i c y a sa r e s u no ft h ew e s t e r nm o u n t a i na r e a sa n dm o r ec o m p l e xt e r r a i n ，al a r g en u m b e ro f m o u n t a i n t i m n e li se s s e n t i a l i no r d e rt om a k et h er o a dd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fm o u n t a i nt u n n e l s m o r ee c o n o m i c a l ，s a f e ，r e a s o n a b l e ，a n dt h es t u d yo fm o u n t a i nr o a dt u n n e ls t a n d a r d i z a t i o n b e c o m ei n e v i t a b l e a l t h o u g hc h i n ah a st h ec u r r e n td e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fh i g h w a yt u n n e l s t a n d a r d s b u tt h ec o n s t r u c t i o no f m o u n t a i nt u n n e l si nm a n ya r e a sa l es t i l ln o tb es t a n d a r d i z e d ， o ral o wd e g r e eo fs t a n d a r d i z a t i o n t h i sa r t i c l et a k e ss t u d yo nt h es t a n d a r d i z a t i o no ft h em o u n t a i nr o a dt u n n e l ，f i r s to fa l l ，t o c o l l e c ta n ds u m m a r i z et h ed a t ao fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fh i g h w a yt u n n e ls t a n d a r d sa n d n o m s 丘o mt h ei n f o r m a t i o n ，t h e r ea r em o r es e c t i o n so ft h eh i g h w a yt u n n e ld e s i g na n d c a l c u l a t i o np r o g r a m sa n db e c o m et h et h e o r yo ft h e t u n n e lw a l ls u r r o u n d i n gr o c kt l l e c a l c u l a t i o na n dc l a s s i f i c a t i o n ；t h e n ，u s et h em a r ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et os i m u l a t et h e s i t u a t i o no fs t r a i na n dd i s p l a c e m e n to nt h e t r a n s e c to ft h eb u r i e dh i g h w a yt u n n e l c r o s s s e c t i o n a ls t r e s sw i t had i f f e r e n tp r o f i l e ，t oc o n d u c ti n d e p t hs t u d y o na n dc r o s s 。s e c t i o n a l d e s i g ns t a n d a r d so nt h er o a dm o u n t a i nt u n n e l s ；f i n a l l y , m a n yf r o mt h ec o l l e c t i o no f y u n n a n p r o v i n c ei nt h et u n n e ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fi n f o r m a t i o n ，s o r t i n go u tt h et u n n e ld e s i g n a n dc o n s t r u c t i o nd a t ao fn a t i o n a lt r u n k ( g z 4 0 ) e r l i a n h o tm e n g z ii ny u n n a nt ot h ee s t u a r y t o t h en e wl u s h u i h es t r e e te x p r e s s w a y , w i t ht h em a i ne x a m p l e ，u s et h em a r cf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r et os i m u l a t i o nr e s u l t sf o rc o m p a r i s o na n dr e s e a r c h t h i sp a p e rd r a w ss o m eu s e f u lc o n c l u s i o n s ，i nt h es i m u l a t i o no fr o c ks t r e s s ，u s i n gas t a n d a r d g r a d i n gs y s t e ms u r r o u n d i n gs y s t e m t of o r mt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h et u n n e ls u r r o u n d i n gr o c kt y p e s ， t h em o d e ls h o w s l ed i f f e r e n ts t r e s sa n ds t r a i ns i t u a t i o nu n d e rt h en a t u r eo ft h et u n n e l i nr e g a r dt ot h e s i m u l a t i o no fw h e t h e ra d o p tt h et u n n e lc r o s s s e c t i o no fi n v e r t e da r c h ，d r a wt h ec o n c l u s i o nt h a ti ts h o u l db e u s e di i l 、r e r t e da r c hi nt h et r a n s e c td e s i g no fl o o s er o c k f i n a l l y , c o m p a r e dt h ea c t u a lm o n i t o r i n gr e s u l t sw i t h t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，v e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h es t a n d a r dm o u n t a i nr o a dt u n n e lm o d e l k e y w o r d s ：m o u n t a i nt u n n e l ss t a n d a r d i z a t i o n ， s p l i tm o u n t a i nt u n n e l ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，m o n i t o r i n g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 甲 木0 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：上吃孳 却年钐月争日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：上哓巧、土哆辞石月午日 导师签名：若砩 加罗年，月够日 长安大学硕士学位论文 1 1 选题依据及研究意义 1 1 1 选题依据 第一章绪论 经济的发展，人民生活水平的提高，国家综合国力的提升，交通运输起到了非常重 要的作用。为了达到使交流、交往变得更加方便及时的目的，人们对于交通建筑的各种 需求也越来越高。现在，大量的地下交通建筑建设不但降低了交通运输的成本，提高了 交通的安全性，并且为实现全国范围的高速交通运营创造了基本条件。从建国后的半个 多世纪里，国家投入了大量人力、物力在基础交通建设上面，对覆盖全国交通网络的建 设进行了全面细致的规划和设计。现今，伴随着国家对西部地区在经济上面更大规模的 扶持，西部的交通建设将进入一个新的高潮。我国中西部地区，地形比较复杂，多山地 和水路，要想更好的连接中西部地区与东南沿海等发达地区，必须要有更加完备的交通 体系作为基础。因此，为了覆盖复杂地形的山区，公路隧道建设是必不可少的。在长期 的隧道建设中，人们积累了相当多的经验，创造了各种理论和方法，随着隧道建设的设 计施工技术不断完善，隧道建设的标准化问题就自然而然得被提出来。隧道标准化可以 使隧道建设更加规范、安全、合理，最大程度的标准化是隧道工程发展的一个方向。 1 1 2 研究意义 1 9 8 8 年1 0 月3 1 日，上海至嘉定1 8 。5 k m 高速公路建成通车宣告了中国大陆高速公 路实现了零的突破。截至2 0 0 7 年年底，中国高速公路通车总里程突破5 万公里，通车 总里程稳居世界第二位。中国公路行业可以自信地说，改革开放3 0 年以来，特别是近 1 5 年中国高速公路发展，直接改变了中国国内的交通状况，迅速形成了国家优质资产之 一，取得了举世瞩目的成就。 而在我国云南省，至2 0 0 7 年底已建成1 0 条高速公路，全省公路通车总里程达1 9 8 5 万公里，高速公路1 6 3 2 k m 。现阶段在国家的大力扶持下云南省多条高速公路在建当中， 年投入都在百亿以上。据报道，规划到2 0 2 0 年，云南省干线公路网将建设总里程达 6 0 0 0 k m 的高速公路，基本形成横贯东西、纵贯南北、覆盖全省、连接所有周边国家口 岸的高等级公路网络。云南省山区高速公路建设的有别于平原和沿海地区，其建设中遇 到主要困难有： 第一章绪论 ( 1 ) 地形：山高、谷深、v 型鸡爪地形，地面横坡陡，起伏落差大，沟壑纵横， 高速公路布线十分困难，需穿越崇山峻岭，跨越河谷，需要大量隧道建设。 ( 2 ) 地质：地质构造复杂，稳定性差，红层、膨胀土、强风化岩层普遍，盆地间 软基多，大滑坡、泥石流等自然灾害频繁发生，喀斯特地貌内溶洞增加工程难度，加之 多数地带处于地震高烈度区，工程地基处理和抗震设防大幅度增加工程投入。 ( 3 ) 水文：地处热带、亚热带、温带气候条件，高海拔山区寒带气候，每年5 至 1 0 月，雨量集中，暴雨常常形成山洪暴发的自然灾害，旱湿分明，地下水位普遍偏高。 云南是我国山区分布最广泛的省区之一，全省有9 4 的是山地。隧道建设在云南省 的公路建设中必不可少，因而研究云南山岭隧道的标准化，对于与云南省同样地形复杂 多山地区的公路建设的发展具有重大的经济和社会意义。 1 2 山岭隧道标准化研究现状 1 2 1 标准化的定义 标准化是指为在一定的范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共同的和 重复使用的规则的活动。它包括制定，发布及实施标准的过程。标准化的重要意义是改 进产品过程和服务的适用性，防止贸易壁垒，促进技术合作。“通过制定、发布和实施 标准，达到统一”是标准化的实质。“获得最佳秩序和社会效益”则是标准化的目的【1 】。 公路铁路建设是我国经济建设的重要组成部分，隧道工程是公路铁路建设的重要环 节，因其地下作业，地下的不确定因素的存在，一直是投入资金较大，危险性较高的部 分。前人已经对隧道的基本设计施工建立了一套比较完整的理论和规范，但是，隧道工 程地质条件因素和隧道工程要求的多样性，决定了隧道标准化研究的复杂性和必要。 隧道通常指作用地下通道的工程建筑物。一般分为两大类：一类是修建在土层中的， 称为软土隧道；一类是修建在岩层中，成为岩石隧道，该类隧道修建在山体中的较多， 故又称其为山岭隧道【2 1 。本文研究其中第二类也就是山岭隧道加以讨论研究。 1 2 2 隧道标准化研究情况的概述 伴随人类生产生活的需要，隧道工程越发重要，现今世界各处都遍布着各种各样的 隧道。特别是长大道路隧道，长大水底隧道工程的兴建，这些宝贵的工程实践促进了各 种隧道相关理论的提出和改进，隧道工程越来越成熟。 隧道工程设计施工理论的逐渐成熟，标准化隧道工程成为了一项很有实际意义的工 2 长安大学硕士学位论文 作。 ( 1 ) 目前，已经标准化的方面。 在查阅很多相关资料书籍后，现阶段已经较为成熟的隧道标准化的主要的几个方面 有： 第一，隧道工程建设的主要流程的标准化。 首先是进行隧道的工程调查，通过文献资料收集，实地地质勘察进而给出隧道施工 地区地质地貌实际情况，气象环境等重要资料，以确定隧道大概位置；然后进行隧道的 设计，通过隧道的使用要求和施工地区实际情况，设计出隧道主体建筑物和附属建筑物 的尺寸规格具体位置以及采用的施工手段；然后根据设计进行现场施工，在施工中，设 计方案可以根据实际的现场情况在经过设计方和施工方协调之后进行必要的修改；施工 期间必须进行严格的监测，施工完成后还要通过质量验收，最后才能投入使用。 第二，隧道工程中隧道的结构构造的标准化。 隧道结构构造主要由主体构造物和附属构造物两大类组成，主体构造物通常指洞身 衬砌和洞门构造物。洞身衬砌的平、纵、横断面的形状主要由隧道的几何设计确定，衬 砌断面的形状和厚度由衬砌计算决定。在山体坡面有发生崩坍和落石可能时，往往需要 接长洞身或者修筑明洞。洞门的构造形式由多方面的因素决定，如岩体的稳定性、通风 方式、照明状况、地形地貌、建筑造型以及环境条件等。附属构造物是主体构造物以外 的其他建筑物，是为了营运管理、维修养护、给水排水、供蓄发变电、通风、照明、通 讯、安全等而修建的构造物。 衬砌通常需要承受较大的围岩压力、地下水压力、化学物质侵蚀，地处高寒地区还 要受到冻害等，所以衬砌材料应具有足够的强度、耐久度、抗渗性、耐腐蚀和抗冻性等。 另一方面还要从经济合理方面考虑，衬砌材料应价格便宜、就地取材、便于机械化施工。 通常采用混凝土、钢筋混凝土喷射混凝土、锚杆与锚喷支护、石料以及装配式材料。 洞身的衬砌类型主要有直墙式衬砌、曲墙式衬砌、喷( 混凝土) 锚( 杆) 衬砌及复 合式衬砌、圆形断面隧道以及矩形断面衬砌。 洞门的主要采用的形式有端墙式洞门、翼墙式洞门、环框式洞门、削竹式洞门和遮 光棚式洞门。 隧道内部装饰、顶棚及路面的选择、噪声的处理和隧道附属设施的设定方面可以根 据具体隧道设计要求进行相应的设计选材。 第三，大部分情况下围岩压力计算方法的标准化。 3 第一章绪论 根据围岩分类级别的不同，以及埋深程度等因素，对于大部分普通隧道围岩压力的 计算方法比较成熟，有标准可依。 ( 2 ) 未标准化的方面。 地下工程的复杂性和不可完全预知性的存在，以及一些基础性问题仍未有定论，使 得隧道工程很多方面仍然很难标准化，即使现在已经可以标准化的部分也可能因为新的 技术理论的发现而改变。 现阶段很难进行标准化的方面主要有以下几个方面： 第一，地层压力理论。 该问题是隧道工程中的基础性问题。研究基本上沿着两个方向进行，一个是把地层 视为松散构造的散粒体理论，另一个是把地层视为连续弹性体弹塑性理论，百年来虽然 在理论工程实践中对地层压力进行了极广的研究，获得不少成果，但仍未得到系统、圆 满、严密的理论，直到今天仍在不断的进行着新的探索【4 l 。 几百年来对于隧道工程的探索和理论研究不断加深完善。从1 4 世纪地层压力研究 的开始，到2 0 世纪初普氏理论的提出，1 9 5 8 年我国著名学者陈宗基教授首次把岩石力 学作为- i - j 边缘科学来发展，他的很多创造性的概念的提出为地下工程、设计和施工以 巨大的推动并提供了新的理论依据【2 1 。 普氏理论是以均质松散体为基础，假定岩石为松散体，简化岩体之间的复杂联系， 以一个似摩擦系数描写。该方法过于粗糙，工程中出现很多不适用的情况。 陈宗基教授的理论，强调了用力学的观点，以地质为基础来解决工程实际问题，主 题思想是要尽量把各种可能影响工程的因素都考虑到。其涉及的因素非常多，整个体系 非常复杂。但工程实践中往往不可能把所有因素都考虑到，而且即使都考虑到，每个因 素所起到的作用以什么样的标准和影响程度以量化的数据引入工程中又是一个很大的 难题。 作者认为陈宗基教授的理论指出了地层压力理论研究的发展方向。如果完善了陈宗 基教授的理论体系，当我们可以把各种复杂因素量化，并能够完整地建立一套行之有效 的试验采集数据体系之后，他的理论的发展完全后就可以成为能被大家公认的地层压力 理论。 第二，公路隧道的横断面设计问题。 隧道工程中，铁路隧道由于轨道交通使用要求比较单一易于标准化。目前的铁路隧 道设计一般采用的大多是标准图，特殊情况不多，设计施工标准明确，标准化程度较高。 4 长安大学硕士学位论文 公路隧道由于多种多样的使用要求，目前还不能采用标准图，公路隧道必须根据经济能 力和实际使用要求逐个设计。公路隧道的标准化程度较低，需要解决的问题也较多。 特别是在隧道横断面设计标准化问题上面。铁路隧道标准化工作已先行一步，但公 路隧道横断面设计标准化工作很难说已经到位。2 0 0 4 年年底实施的公路隧道设计规范 ( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) 开始对两车道、三车道单向交通隧道的内轮廓标准作了一些原则性的形 状规定，但无具体尺寸：条文说明中也仅对高速公路、一级公路双车道单向交通隧道的内 轮廓断面形状及几何尺寸作了一些推荐。相比较日本以及欧盟国家在隧道横断面设计标 准化工作方面做得很好，尤其是日本，仅对双车道隧道而言，便有2 2 种标准断面，而 且对每种标准断面的内轮廓形状及尺寸都做了明确的规定【3 1 。 第三，大跨隧道与小净距隧道围岩压力的计算。 现行规范的围岩压力计算仅仅适用于隧道跨度小于1 5 m 的情况。对于大跨度隧道及 小净距隧道的围岩压力计算采用何种计算模式还处于研究之中【2 7 】。 第四，隧道数字模型的建立。： 基于计算机技术的飞速发展，以各种有限元模拟软件为平台建立的隧道数字模型层 出不穷，但是具体采用什么基础理论和关键参数来定义隧道，建立起的模型才能切合实 际情况，没有定论。这也是现阶段学术界探讨的难点和热点问题。 1 3 研究思路和主要研究内容 由于标准化的研究必须具有普遍性和共通性，本文以最常见的分离式公路山岭隧道 为主要研究对象。首先收集和归纳关于公路隧道设计施工标准和规范的资料，从资料中 整理出现阶段采用比较多的公路隧道断面设计计算方案和关于隧道围岩压力计算和围 岩等级划分的理论；然后利用m a r c 有限元软件对于不同围岩等级下，隧道不同的内轮 廓下，深埋公路隧道结构应力、应变、位移情况进行模拟，对公路山岭隧道的围岩类别 标准和公路山岭隧道横断面设计标准进行深入研究；最后从收集的众多云南省隧道设计 施工资料中，整理出了国道主干线( g z 4 0 ) 二连浩特至河口云南蒙自至新街高速公路 绿水河隧道的设计施工以及监控量测资料作为主要实例，对有限元模拟结果进行对比和 研究。 本文的主要内容如下： ( 1 ) 分析分离式公路山岭隧道的结构设计标准和计算原则。 ( 2 ) 分析讨论山岭隧道围岩理论并简述隧道围岩等级的划分。 s 第一章绪论 ( 3 ) 利用m a r c 有限元软件模拟分析不同设计横断面和不同围岩等级下，深埋公路 山岭隧道横断面应力、应变和位移情况。 究。 ( 4 ) 分析绿水河隧道设计施工以及监控量测资料。结合数值模拟结果进行深入研 6 长安大学硕士学位论文 第二章分离式公路隧道结构设计以及结构计算的现行标准研究 本章主要归纳和介绍了分离公路式隧道设计及结构计算的现行标准和理论依据。 2 1 分离式隧道结构设计标准 2 1 1 设计标准及依据 分离式隧道设计标准根据公路等级、计算车速、汽车荷载等级以及围岩等级等指标 的不同，有着不同标准的设计方案和设计要求【5 】【q 。 本文针对两车道高速公路，计算车速8 0 k m h 和1 0 0 k m h 的分离式山岭隧道的设计 方案为研究对象。 主要参考采用的标准及依据如下：公路工程技术标准( j t gb 0 1 2 0 0 3 ) 、公路隧 道设计规范( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) 、公路隧道施工技术规范( j t j0 4 2 - - 9 4 ) 。公路桥涵没 计通用规范( j t gd 6 0 ) 。 2 1 2 隧道建筑限界以及内轮廓 公路隧道的横断面设计与铁路隧道相比，除满足隧道建筑限界的要求外，还应考虑 通风、照明、安全、监控等设施所需要的断面，并根据施工方法( 矿山法或新奥法) 确定 断面形式及尺寸，达到安全、经济、合理的要求【5 4 1 。 公路隧道隧道建筑限界：1 0 2 5 m x 5 0 0 m ( 8 0 k m h ) 如图2 1 所示，1 0 7 5 x 5 0 0 m 0 0 0 k m h l 如图2 2 所示。为了后面研究的直观和方便图中给出了隧道的具体尺寸。 图2 1 8 0 k m h 建筑限界 7 第二章分离式公路隧道结构设计以及结构计算的现行标准研究 图2 2l o o k m h 建筑限界 公路隧道在进行断面设计时，尽量选择断面利用率高、结构受力合理的结构形式。 公路隧道横断面的一般布置形以及隧道内轮廓：1 0 2 5 m x 5 o o m ( 8 0 k m h ) 如图2 3 所 示，1 0 7 5 x 5 o o m ( 1 0 0 1 0 n h ) 如图2 - 4 所示。图中左半部分为无仰拱隧道设计图，而右半部 分为有仰拱隧道设计图。 图2 38 0 k m h 内轮廓设计图 8 长安大学硕士学位论文 图2 41 0 0 k n f f h 内轮廓设计图 毫 凄 2 1 3 结构计算原则 结构构件按概率极限状态法，根据承载力极限状态和正常使用极限状态的要求，分 别进行承载力、稳定性、变形及裂缝宽度验算。 ( 1 ) 结构构件按概率极限状态法，根据承载力极限状态和正常使用极限状态的要 求，分别进行承载力、稳定性、变形及裂缝宽度验算。 ( 2 ) 结构构件按破损阶段法进行验算其安全系数。 ( 3 ) 钢筋混凝土结构构件按照荷载基本组合求得的最大裂缝宽度限值不大于 0 2 m m 。 ( 4 ) 结构构件的设计应按承载力极限状态分别进行荷载效应组合，并取各自的最 不利组合进行设计， ( 5 ) 结构设计应符合结构的实际工作条件。 2 2 荷载与荷载组合 2 2 1 荷载分类 根据公路隧道设计规范( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) 第6 1 1 条规定，隧道结构上的荷载主 要有如下几项，如表2 1 示。 9 第二章分离式公路隧道结构设计以及结构计算的现行标准研究 表2 1隧道荷载分类8 i 编号荷载分类荷载名称 l围岩压力 2 土压力 3永久荷载 结构自重 4 ( p e r m a n e n tl o a d ) 结构附加荷载 5 混凝土收缩徐变的影响力 6 水压力 7 公路车辆荷载、人群荷载 基本可 8 立交公路荷载及其所产生的冲击力、土压力 变荷载 9 可变荷载立交铁路列车及其所产生的冲击力、土压力 1 0 ( v a r i a b l e 立交渡槽流水压力 1 l l o a d ) 其他可 温度变化的影响力 1 2 变荷载 冻胀力 1 3 施工荷载 1 4 偶然荷载落石冲击力 1 5 ( a c c i d e n t a ll o a d ) 地震力 ( a ) 永久荷载 ( 1 ) 隧道结构自重可按结构设计尺寸及材料标准审度计算，结构附加恒载一般应 按实际情况计算。本文按钢筋混凝土容重2 7 k n m 3 计算。 ( 2 ) 围岩压力：隧道上面覆土荷重或松散岩土压力，分为垂直压力( q ) 和侧压 力( e ) 。下文专门讨论围岩压力的各种情况。 ( 3 ) 结构附加荷载。仰拱回填及路面混凝土。 ( b ) 可变荷载 ( 1 ) 车辆荷载。按汽车荷载公路i 级考虑。参考公路桥涵没计通用规范( j t gd 6 0 ) 的规定，车辆荷载按g = 3 4 5 k n m 计算。 ( 2 ) 施工荷载。施工荷载包括设备运输及吊装荷载、施工机具荷载、地面堆载、 材料堆载等，由于机构设计主要考虑隧道正常使用阶段的情况，本文施工荷载不计入。 1 0 长安大学硕士学位论文 ( b ) 偶然荷载 偶然荷载：仅指地震荷载，本文不予考虑。 2 2 2 荷载组合 受力分析中按概率极限状态法设计考虑荷载组合 6 1 ，荷载组合见表2 2 。 表2 2 荷载组合表 一 永久荷载 可变荷载 组合 围岩压力结构自重结构附加荷载 基本组合：永久荷载 1 3 51 3 5| 标准组合1 ：永久荷载 1 o1 00o 标准组合2 ：永久荷载 1 3 51 3 51 3 51 o 标准组合3 ：永久荷载 0 9 4 50 9 4 5| 重) 基本组合：永久荷载+ 可变荷载( 围岩压力+ 结构自重) 标准组合：永久荷载+ 可变荷载( 围岩压力+ 结构自重+ 附加恒载+ 公路一i 级荷载) 折减荷载( 考虑隧道二次衬砌结构承担7 0 永久荷载) ：永久荷载( 围岩压力+ 结构自 2 3 隧道围岩压力的确定 隧道设计理论计算中，围岩压力的确定一直是一个难点重点问题。围岩压力理论主 要经历了古典压力理论、散体压力理论及现在广泛应用的弹性力学理论、塑性力学理论 m 。现阶段围岩压力的确定一般包括理论公式法和数值计算法两种方法。作为地下的建 筑的隧道工程，其实际的复杂程度是一般地面建筑无法比拟的，因此如果像地面建筑一 样仅用比较成熟经典的力学计算理论来分析、判断隧道围岩及衬砌的力学情况是很不合 理，有很大缺陷的。现今的一些计算围岩压力的公式理论得出的围岩压力的结果与实际 测量的结果不是很符合说明了这点。所以对于隧道围岩压力的研究是必要和必需的，在 经典理论上不断完善隧道围岩压力计算体系，使之趋进于实际是有很大意义的。隧道围 岩压力的确定对于隧道标准化进程也有着非常重要的意义。 2 3 1 围岩压力分类及计算理论 围岩压力主要是指引起地下空间周围岩体和支护结构变形的破坏作用力。广义上 第二章分离式公路隧道结构设计以及结构计算的现行标准研究 讲，围岩压力包括两种情况，围岩有支护和围岩无支护的情况；从狭义上来理解，围岩 压力单指围岩所用在支护结构上的压力。工程中对狭义的围岩压力研究比较多。 围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为松动压力，变形压力，膨胀压力，冲击 压力。 围岩压力的影响因素很多，一般情况下可以分为以下两类：第一，地质因素，主要 有围岩原始应力状态、岩石物理力学性质、岩体结构面性质等；第二，工程因素，包括 开挖的施工方法、支护结构设置方法和设置时间、支护结构的刚度、以及整体纵向形状 等。 确定围岩松动压力的方法有：现场试验进行数据的实测；按理论公式结合工程实际 进行推导计算确定；结合大量的实际资料，采用数学统计的方法分析确定。按目前的试 验测量技术水平和试验测量手段方法来看，实测的结果很难充分反映围岩的实际情况， 但是现场试验量测数据资料可以推动围岩压力计算理论的进一步完善，所以现场实测法 应该作为以后围岩压力确定的努力方向。由于围岩地质条件复杂的影响因素千变万化， 引用公式计算时，各种参数难以取适当值，而且目前也还没有一种能真正适合于各种客 观实际情况的被公认的统一的围岩计算理论，所以公式计算局限性非常大。在大多数现 场实际施工危险事件的统计基础上，建立起来的数学统计的方法，可以在一定范围和程 度上反映出围岩压力的实际情况。综上得出结论，现阶段，不应采用一种方法确定围岩 压力，应该采用几种方法同时使用，相互验证准确性是确定围岩压力较好的方法。 目前被较广泛使用的确定围岩压力的理论方法主要有以下几种： ( 1 ) 普氏理论 该理论认为，所有岩体都有不同程度和范围的被节理、裂隙所切割和破坏，因此岩 体可视为散粒体，但这种散粒体又不同于一般的散粒体，有不同程度的粘结力存在于各 个结构面之上。基于这种假定，该理论提出了岩体的“坚固性系数”即“似摩擦系数”厂 的概念。 岩体的抗剪强度以f = c t g q , + c 计算，岩体被视为散粒体后，又要保证岩体的抗剪强 度不变，则得出f = 仃厂。推导得： 1 2 长安大学硕士学位论文 厂= 詈= 螋i t = 留伊+ 詈= 辔ao 式中：矽、岩体的内摩擦角、似摩擦角： ( 2 1 ) f 、盯岩体的抗剪强度、发生剪切破坏下的正应力； c 岩体的粘结内力。 由此可以看出，岩体的似摩擦性系数厂说明了岩体特性( 由岩体的强度、抗钻特性、 抗爆特性、各种构造和地下水因素等共同作用反映出的特性) 的综合指标。为了确定计 算围岩的松动压力，普氏又提出了基于“自然拱”概念的计算理论。该理论认为在具有一 定粘结内力的松散介质之中，开挖洞室后，其上方会形成几何形状类似抛物线形的一个 自然拱，而作用在支护上的围岩压力就是在自然拱的范围内松散岩体产生的重量。而自 然拱的几何形状和具体尺寸( 即自然拱的高度h 和跨度b ) 与前面提到的岩体摩擦性系数 厂有关。其具体计算公式为 h = 6 厂( 2 2 ) 式中： 自然拱的高度； 厂岩体的坚固性系数即似摩擦系数； 6 自然拱的半跨度。 在比较坚硬的岩体之中，洞室侧壁比较稳定，洞室的跨度按前面提到的自然拱的跨 度计算。在比较松散和破碎岩体之中，洞室的侧壁受到扰动后会产生滑移，自然拱的跨 度也应该相应的加大，此时的跨度b 值计算公式为 6 = b 心t g ( 4 5 一譬) ( 2 3 ) 式中：包坑道的净跨度的一半； 皿坑道的净高度； 岩体的似摩擦角，计算公式为= a r c t g f 围岩垂直均布松动压力 q = y h( 2 4 ) 第二章分离式公路隧道结构设计以及结构计算的现行标准研究 围岩水平均布松动压力可按郎金公式计算 吲g + i 1y e ) 培2 ( 4 5 0 - 譬) ( 2 5 ) 一般情况下，普氏理论计算所得到的较软弱围岩的松动压力，与实际情况值相对比 偏小；而对于较坚硬围岩情况下的值相对实际则偏大。所以该理论一般多使用于松散、 破碎程度不是很高的围岩。 ( 2 ) 泰沙基理论 该理论同普氏理论一样将岩体视为散粒体，认为洞室在开挖后，其上方的岩体因洞 室的岩体变形而下沉，并产生错动面o a b ，如图2 5 所示的。作用在任何水平面上的竖 向压应力c r v ，被假定是均布的，而相对应的水平力o m = k q ( k 为岩体的侧压力系数) 。 在离地面，深度为 处，取出一段厚度为砌的水平条带单元体进行分析，考虑单元体的 平衡条件y = o ，得出公式： 2 b ( t r v + d o - v ) 一2 b o o - v + 2 k c r d g 仍oo d h 一2 b y d h = 0 ( 2 6 ) 善蠹铴一。 仁7 ， 解公式2 7 的微分方程，同时引进边界条件：h = 0 ，吒= 0 ，可得出洞室顶岩体中任意 一点的垂直压力计算值为： 吼= 一k t g 。p o 卜刁 随着洞室埋深办的加大，他饰气h 趋近于o ，则吒值趋于某一个固定数值， q ：苦三 ( 2 9 )q 2 孟鬲 2 9 1 4 长安大学硕士学位论文 泊 吼= - 留 定义t g q , o = f 代入上式中，得 民- - = y b f ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 发现此时结果和普氏理论计算公式得到的结果一致。泰沙基认为当满足日5 b 的条件的 隧道为深埋隧道。至于侧向均布压力则同普氏理论样仍采用郎金公式计算： p = ( qv 1 耳) t 9 2 ( 4 5 。一譬) 亿 ( 3 ) a 毕尔鲍曼理论和w 利特理论 a 毕尔鲍曼法在国外应用比较普遍，该理论认为在松散岩层中修筑浅埋隧道时，岩 层中形成的滑动面可以用两条与水平成( 4 5 0 + 2 ) 的两条直线代替。该方法与我国工 程技术规范所用方法得出的侧向压力比较为小，安全系数为低，但计算较为简便。 w 利特理论认为对于深埋隧道，作用于支护衬砌上的垂直围岩压力不是由整体洞顶 岩柱重量引起，而是由于洞项某一曲线拱范围内松动岩块重量引起的，其等值于拱内松 动岩块重量减去使拱内岩块与周围体脱离的力。 这两种理论方法很少应用于国内的隧道设计中，这里不多介绍。 第= 章分离式公路隧道镕构设计斟厦结构计算现行标准研究 圈2 5 泰沙基理论模型” 232 深埋公路隧道围岩压力计算方法 深浅埋隧道的区分，主要由上文提到的泰沙基理论公式来判断。具体深埋隧道是指 隧道的埋深超过一定界限值之后，由于洞室的开挖，将在洞室周边的一定范围内的围岩 形成松动圈，从而形成“自然拱”，由于埋深其自然拱对地表无影响，如超过该界限值后， 随着隧道埋深的增加，对自然拱成拱作用无影响。以下将介绍公路隧道设计规范( j t g d 7 0 - 2 0 0 4 ) 采用的计算深埋公路隧道围岩压力的主要方法，如下 | i ： ( a ) i l v 级围岩中的深埋隧道，主要形变压力为洞室的围岩压力，其值可按围岩 释放的荷载计算。 对于级以上围岩，由于开挖同时必须进行大量的围岩处理，喷射混凝土层将在与 洞室围岩共同变形的过程中对围岩提供结构支护抗力，使围岩的变形在容许范围内，并 得到控制，使洞室围岩保持其稳定性。与此同时，支护结构的喷层将受到来自支护结构 外围岩的挤压力。该挤压力由围岩的变形引起，一般称为“变形压力”。 对于i v 级以上围岩，一般具有塑性和流变的特性。因此洞室在开挖之后变形的后继 发展往往会持续较长的时问。如果采用了模筑混凝土结构支护围岩来顶替原有临时结 构支护的扰动洞室围岩及衬砌同周围洞室岩体密贴程度低都可引起围岩的松散压力。洞 室发生坍落，并且达到一定程度后，村砌将与洞室围岩密贴，衬砌会随围岩变形的继续 发展，其也将受到挤压力作用，从而经受变形的压力，村砌将承担围岩压力。可见洞室 长安大学硕士学位论文 围岩与结构支护间的围岩压力传递过程，是随时间的推进而逐渐发展的过程。该类时效 现象习惯称作为“时间效应”。但是，在有限元分析中，变形压力一般只能在计算过程中 同时被确定，而如果作为开挖效应的有限元模拟中，直接施加的荷载应该是在开挖边界 条件上施加的一定量的释放荷载。其释放荷载可以根据初始地应力或与前一步开挖，相 对应的应力场来确定。具体做法是，先求得预计开挖边界上各个节点单元的应力，各节 点单元间应力呈线性分布，反转开挖边界上各节点单元应力的方向( 改变其符号) ，最后 求得释放荷载的数值，如图2 6 所示。 ( 1 ) 初始地应力的确定 初始地应力的确定一般需要专门的讨论研究。对于岩石，初始地应力一般分为两 部分即自重地应力和构造地应力分。初始应力的自重地应力部分可根据有限元法求得， 构造地应力部分则可根据位移反分析方法确定。如将其假设为均布应力或者假设为线性 分布的应力，然后将其与自重地应力值叠加，可得如下初始地应力的计算式 吒= q + a 4 z 吒= a 2 + a 5 z ( 2 1 3 ) 2a 3j 其中q 口，为常量，z 为坐标的竖向值。 毋掌， 。_ 一 ，_ _ - 一 _ 一 、 矗。l 矗三j 1 三，矗 f | 7 j ， 三三；一。1 讨 i 。 图2 6开挖边界节点 s l 对地基较软的软土地层，其初始地应力的垂直分量定为结构的自重应力，水平分量 1 7 第二章分离式公路隧道结构设计以及结构计算的现行标准研究 由经验公式中给出的水平侧压力系数k 算得， 计算公式为 吒：吒q ：麓+ p 吒=( 吒一只) + pj 式中：c r z 、吒为竖直向的地应力、水平向的地应力； 乃计算点以上第f 层土体的重度； 马对应土层的厚度； 毋孑l 隙水压力。 ( 2 1 4 ) ( 2 ) 释放荷载的计算方法 对各个洞室开挖阶段的状态，在有限元分析中采用的表达式写为 【k 】， a s 。= 嵋) 。+ 峨l ( i = l ，三) ( 2 1 5 ) 式中：i 一洞室开挖的阶段数； 【赵】，_ 第f 开挖阶段的围岩体和结构刚度的增减值，体现单元的挖除、填筑以及 结构单元的施作或者拆除； 值； ， 【k 】，第f 开挖阶段围岩和结构的总刚度矩阵，根据【k 】，= 【k 】。+ 【从】，公式取 【k 】。在开挖开始前围岩和结构的初始总刚度矩阵； 万) ，第f 开挖阶段的节点位移增量。 蚯 ，第f 开挖阶段开挖边界上的释放荷载的等效节点力； 必 ，第f 开挖阶段新增自重等的等效节点力； 释放荷载计算时采用的增量初始应变法解题时，对每个阶段的开挖步骤，增量加载 过程的有限元分析表达式为 【k 】渺) 驴= 嵋) ，+ 峨) ， ( i = i ，l ；j = i ，m ) ( 2 1 6 ) 式中： 必 驴第f 开挖步中施加第增量步新增自重等的等效节点力； 长安大学硕士学位论文 m 各开挖步增量加载的次数； 【k l _ f 开挖步中施加第增量步时的刚度矩阵，【k 】 = 【k l + 妻【从】 ，： a s f 第f 开挖步中施加第j f 增量步的节点位移增量。 第f 开挖步中施加第，增量步的开挖边界释放荷载系数，开挖边界荷载完全 m 释放时有- - 1 ； i = 1 增量按步骤加载载荷的过程中，岩土体部分进入塑性状态后，由岩体屈服引起的过 量塑性应变，以初始应变的形式被转移后，负荷将由整个体系中的所有单元共同承担。 每一个步骤中，每个单元体与岩体过量塑性应变相应的初应变均以等效节点力的形式对 整体起作用，其形式被处理为在下一个节点计算时的附加荷载，通过整体的迭代运算， 直至时步最终达到并满足给定的精确度要求。 岩土体单元和接触面单元出现受拉破坏或受剪破坏时，也可按与上述方法类似的方 法为基础，引入个例条件后进行处理。如果单元体发生破坏，沿破坏方向的单元应力应 该转移并将作用于下个节点，计算过程之中将按照等效节点力处理，进而方便进行迭代 计算。 ( b ) 深埋隧道的围岩压力，在级围岩条件下为松散荷载，此情况下围岩垂直 均布压力及围岩水平分布压力应按以下公式计算： ( 1 ) 围岩垂直均布压力按式( 2 1 7 ) 计算。 式中： g = y h( 2 1 7 ) h = 0 4 5 x 2 5 1 彩 ? , - - 重度( k n m 3 )