隧道设计流程——岩土论坛.doc

综合该讨论的各家建议： E+Geac 隧道设计流程各家观点： Ge d 1、我们做设计的时候也是这样做的,先用同济曙光采用地层结构法模拟开挖过程,对喷锚支护及开挖方法进行分析,选择一个合适的开挖顺序,然后用荷载结构法计算初衬的变形, 和二衬的承载能力和裂缝宽度。 在予设计阶段也就计算这么多了，地层结构法计算时也是根据规范取的参数，由于地质勘察报告比较简略没法参考，荷栽结构法计算时依据规范的荷载计算方法，然后根据围岩类别初衬和二衬分别承担一部分计算。 PV3c3l= u$U|Cw-;T 2、隧道的设计计算过程：首先根据地质报告和地质纵断面以及平面图，确定隧道的路线走向，拟定洞门桩号，其次根据具体地质情况划分围岩级别，长隧道还要考虑通风等情况，对于不良地质的特殊设计计算处理；隧道衬砌结构的类型和强度虽然大部分采用经验类比法确定，个人认为仅限于、级以上的围岩，对于隧道的、级别围岩，应根据具体情况计算确定设计支护参数是否合理，浅埋情况应采用荷载结构法计算，对于深埋情况，建议采用地层结构法计算，对于黄土隧道，由于大部分采用矿山法施工，因而其计算中应充分考虑开挖施工过程的顺序，两次衬砌的施作； 对于荷载的释放情况（地层结构法），应与施工开挖设计方案配合进行，尤其是前后开挖面的距离等，主要涉及到开挖释放荷载的比例分配。 J6Kf z% ZV xBQKg 3、（1 地质专业提供进出口横断面图，主要用于确定隧道的进出口里程，是否浅埋偏压等； +wio:= （2 按照地质专业提供的隧道纵断面图划分的围岩级别，套用相应级别的衬砌类型；在特殊地质段落，根据不同的地质情况， 考虑一些特殊的工程措施，如进出口一般采用一段大管棚，水量大的地段可以考虑注浆措施，断层破碎带考虑小导管超前支护等等； %k2zsM （3 按照线路专业确定的线路纵曲线，确定一些关键点的内轨顶标高，再考虑一下隧道内综合洞室的布置等，对于铁路隧道，还要考虑四电、综合接地等（这些主要是附属设施，与隧道结构设计关系不大）。 DPoV （4 对于长大隧道，要做施工辅助通道的设计，如斜井、竖井、横洞、平导等。还需考虑施工运营通风，防火救灾救援等。 这些就是设计隧道的主体了。 ckZ,AKL+ hv9 =v+ 4、对于做隧道设计的，我觉得有一点是要有比较清晰的认识的： 围岩特性曲线（围岩荷载特性分析） 分为：弹性区、屈服区、松动区 就设计的经济性来讲：应将支护时间控制在围岩有屈服向松动开始的时间内， 此时，支护围岩所需要的支撑力为维护开挖面稳定的最小压力。全断面开挖又比部分断面开挖对支护结构产生的荷载要大。 Dp/uCW) tC&y3!k2jR )45,+XX Oc8+an1m : 5、我设想，隧道设计最开始肯定只能用工程类比法，你不可能假设衬砌厚度，通过有限元试算来确定衬砌厚度吧。 光用工程类比法，当然不可靠，心里没底，要靠计算来校核。 置于荷载结构法也好，有限元法也好，能否计算得到衬砌的真实的力学行为，当然要看计算条件模拟的够不够精确，本构模型简化到不到位。 一个是荷载情况，一个围岩衬砌的材料情况，都是相当复杂的东西，不能轻易确定，只能是跟据工程经验，尽量将对结构影响最大的因素反应出来。 有限元法虽然很先进，但就像前面提到的，参数的取值是个大问题，对于每个工程都用有限元计算是不现实的。只有在遇到特殊地质问题，工程技术问题，以前的工程中没有遇到的过的问题，可用有限元计算的结果进行参考。 GCYs|s FKzqJwT 6、隧道的计算目前还没有十分系统的理论，这主要是指岩体和在无法准确获得目前的一些关于隧道设计的软件，包括什么曙光、3d西格玛，FLac3d、ANSYS等等，都是纯理论的东西，复杂岩体条件下时，其可信度不高 vdoqkC .3Ap+V8? 7、对于地下工程，计算永远不可能与实际相符，因为计算工程本身就是一个虚拟的，首先对地层和结构做了很多理想假定条件，计算中很多参数的取值又大多是根据经验来确定，不同的人取值大都不一样，计算结果有很大的随机性。对于地下工程计算我的观点是对于重要的结构一定要进行计算，最好能用几种方法比较，虽然不能准确定量，但至少可以定性分析，做到心中有数。但也不能完全相信计算结果，还要结合实际类似工程类比，最终确定方案。 H11Wb(6Wu X31kHK5F_ 8、关于隧道计算之所以会出现理论计算与工程实际有脱节的现象我认为，虽然根本原因是计算理论、计算方法、计算手段无法真实反映极为复杂的围岩稳定与开挖状态，但是长期出现以工程类比法为主，甚至将工程类比法退化为照搬照抄的设计手段，重要的我国现行的建设管理体制严重制约的新奥法设计、施工理论在工程实际中的推广！请问各位从事设计的同行，贵单位是否只是重视施工图文件设计、审查，轻视施工现场配合与变更？请问在隧道工程施工过程中的，监控量测是否真正的反馈到设计人员手中？设计人员是否能够按照监控量测结果，对原计算模型、计算参数进行修正与反分析？过程控制才是新奥法设计与施工精髓，可是工程实际中我们经历的是勘察、设计、施工的相互脱节，这之中涉及到利益、责任、工作量的认可问题，我想在各个设计单位同样是，设计人员不愿意进行现场配合施工，因为配合施工没有做施工图见效益！风险高、任务繁琐、条件艰苦。所以，目前我国隧道设计的普遍状态是，设计以基于围岩分级的工程类比法为主，注重采用数值分析、施工过程模拟的设计文件审查，注重施组设计的文本厚度与详细，忽视工程实际根据具体围岩状态的优化与调整。这一切在一切顺利的情况下，相安无事，一旦出现工程事故，谁也跑不了，至少把你折腾一个够！ 1 用我国公（铁）路隧道推荐围岩压力计算方法竖向均布压力计算公式： I/(s p q=0.45z6-s rw 9Chkb|B s围岩类别 n1LS*- w宽度影响系数 %1lLUgf3G/ r围岩容重 8=e Q+ 水平均布压力则按设计规范（TB100032001，J1172001）查得。 6yR7RF （2） 浅埋地下结构围岩压力的计算 VOiphw a、埋深小于或等于等效荷载高度（hq）时，垂直荷载视为均布压力。 6ZMM7(V q=rH m:H )b q均布垂直力 jPe9 r坑道上覆围岩容重 abK/!mq H坑道埋深 UOwj# 水平侧向力e按均布考虑其值为 |GsLcUv6 e=r(H-1/2Ht)tan2(45-/2) 5yQgGd) e水平侧向均布压力 uo%zfi? r隧道上覆围岩容重 3sL#_+yz H隧道埋深 9K&b1OAj Ht隧道高度 g/g(RL 围岩计算摩擦角 c1Hv*Y b、埋深大于等效荷载高度（hq）小于深埋浅埋隧道分界深度（Hp）时 eC3ZKoJ q浅=rH(1-H/Bttan) 1bti M 作用在支护结构两侧的水平侧压力在隧洞顶底处之值为： rzex/ly e1=rHe2=rh KUp lN1Sy 当侧向力视为均布压力时 lKaBcd e=1/2（e1+e2） *AJW8tIP （3） 空间洞室围岩压力确定 ,6e o6 圆形或矩形的空间洞室的围岩压力，一般按平面洞室的围岩压力乘以考虑空间作用的降低系数来确定。其计算跨度取圆形直径或矩形短边。降低系数一般对平面为正方形的拱顶或圆形穹顶=0.828。对于矩形拱顶由 TN0d fba =1-2/3其中= 宽度 a(cuh. 1-1/2长度 !W6+ 2、可变（附加）荷载包括吊车荷载、设备重量、地下储油库的油压力、车辆、人群的荷载。 d6Z;f7 3、偶然(特殊)荷载包括地震作用和战时发生的武器爆炸冲击动荷载。 !T5,Y 当我们设计某一地下结构，上述几种荷载不一定同时存在。设计中应根据荷载实际可能出现的情况进行组合，取其最不利的组合作为设计荷载，以最危险截面中最大内力作为设计依据。 :$Lm&J 地下结构设计模型 w+JDu_9+A 1、荷载结构模型，它采用荷载结构法计算衬砌内力，并据以进行构件截面设计。 !dXA$ 地下结构的计算方法为两类：荷载结构法和地层结构法 3QEclZr 一般来说，地层岩性较差，洞室跨度较大宜采用荷载结构法。地层构造较完善，围岩的支承能力较好时宜采用地层结构法。目前，我国在地下工程的结构计算中，采用较多的仍是以散体压力理论为基础的荷载结构法。 pV1REk$& 一、荷载结构法的计算方法 05w_/l+ 地层对于地下结构作用只是产生作用在结构上的荷载（包括主动的地层土压力和被动弹性地层抗力）,一般可用结构力学的方法计算衬砌在荷载作用下产生内力和变形。下面就拱形、圆形、矩形结构在简单荷载作用下的内力和变形计算作如下介绍。 +.zriiFi （一） 拱形结构 uv Z!3UH. 1、 曲墙拱结构采用假定抗力图形法 )WDQ x& 该结构被简化为主动荷载（垂直荷载大于侧向荷载）及弹性抗力共同作用下，支承在弹性地基上的无铰高拱。拱两侧弹性抗力按二次抛物线分布，最大抗力点为h 点，值为h。为了便于计算，可将基本结构分解为在主动外荷载和单位抗力（被动荷载）作用下的两个基本图式，分别计算出相应的截面内力和位移值，接着用迭加原理求出衬砌截面的总内力。具体步骤如下： 4Sw)IUK( （1） 求出在主动荷载作用下衬砌截面的内力。 8?ZK+y （2） 求在单位被动荷载（单位抗力）作用下截面i所产生的内力。 0dXWyMn （3） 求最大抗力h值。 uNLA/hL+n （4） 求衬砌截面的总内力。 -MeGJX:I 2、 直墙拱结构 /auk 该方法将拱圈和边墙分开计算，将拱圈处理为弹性固定在边墙上的无铰平拱，边墙处理为搁置在弹性地基上的直梁，在拱脚和墙顶连接处应满足力的平衡条件和变形连续条件。拱圈的弹性抗力的分布按“假定抗力图形法”计算最大抗力点发生在墙顶。其值为h。拱脚处抗力为d，当=7590时可把d当作抗力最大值。边墙底部视为弹性地基上的刚性梁，侧面按其换算长度来确定为长梁（2.75），短梁（12.75），刚性梁（.0B% （三） 框架结构 tpUKR- 框架结构是平面变形问题，沿纵向取单位宽度，按闭合框架计算其结构内力。首先确定顶板上荷载，底板上荷载及侧壁的荷载。然后采用力矩分配法，迭代法或位移法求框架内力。 R9Vk*gFU 二、地层结构法把地下结构与地层作为一个受力变形的整体，按照连续介质力学原理来计算地下结构以及周围地层的变形。不仅计算出衬砌结构的内力和变形，而且计算出周围地层的应力。充分体现了周围地层与地下结构的相互作用，但是由于周围地层以及地层与结构相互作用模拟的复杂性，地层结构法目前尚处于发展阶段。它包括如下内容：地层合理化模拟，结构模拟，施工过程模拟，以及施工过程中结构与周围地层的相互作用，地层与结构相互作用的模拟等。 #T&a 总之，地下结构的设计受到各种复杂因素的影响，经验往往占据一定的位置。即使内力分析采用了比较严密的理论，其计算结果往往需要用经验类比加以判断和补充。我们在设计地下结构时只有同时进行多种设计方法的比较，才能做出较经济合理的设计。 )tI8 /n&w|b% 10、隧道确实很难用数值模拟方法来准确计算，人们不断寻求多种方法来更好的解决这个问题，除有限元之外的其他方法，如离散元、ADD等等，但始终没有一套放之四海而皆准的计算理论，就像是隧道围岩分级一样，公说公有理、婆说婆有理，世界各国的方法均有差异，归根结底是由于岩体的不明确性决定的。因此我们不能只用一种方法来概括，建议学隧道的同志们多多学习，接触多种理论与计算方法。 j0Q:hn xZwG+U=X 11、隧道设计首先主要的： 1 工程类比法 !T!Ue=u 2 结构力学模型，它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承, 即故又可称为荷载一结构模型。在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支承约束支护结构变形的抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。这一类计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。属于这一类模型的计算方法有：弹性连续框架（含拱形）法、假定抗力法和弹性地基梁（含曲梁和圆环）法等都可归属于荷载结构法。 sdzm% 3 岩体力学模型。它是将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为围岩结构模型或复合整体模型。在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，这一点正好和上述模型相反。复合整体模型是目前隧道结构体系设计中力求采用的并正在发展的模型，因为它符合当前的施工技术水平。在围岩结构模型中可以考虑各种几何形状，围岩和支护材料的非线性特性，开挖面空间效应所形成的三维状态，以及地质中不连续面等等。在这个模型中有些问题是可以用解析法求解，或用收敛约束法图解，但绝大部分问题，因数学上的困难必须依赖数值方法，尤其是有限单元法。利用这个模型进行隧道结构体系设计的关键问题，是如何确定围岩的初始应力场，以及表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。一旦这些问题解决了，原则上任何场合都可用有限单元法围岩和支护结构应力和位移状态。 +co VE/w krFuEaO 各国参考用法 iP)yB5 盾构开挖的 喷锚钢支撑的 中硬石质深埋隧道 V9mqJRFJ: jKpwf#a %R 弹性地基圆环有限元法验法一约束法、经验法 $/p0DY *Ri7CqU6 f4 k WwUhwY1o!L 日本 局部支承弹性地基圆环 局部支承弹性地基圆环、经验加 弹性地基框架、有限 (1IYOlG4 *jR4OY|DXH 测试有限元法元法、特性曲线法 YuXCRw9p; 8NnGN(a*D ZWmS6?L. !),eEy 初期支护：有限元法、初期支护：经验法 22OfbwCb 9JtZO 中国自由变形或弹性地基圆环收敛一约束法永久支护：作用和反 GI| t _lG|t6y 二期支护；弹性地基圆环作用模型 lfw|Q ,B5;/ | 大型洞室：有限元法 HxHkqan &HQ_e$1 I?N.v O llS 瑞士作用一反作用模型有限元法，有时用 D; ($lm 4Ss$* 收敛-约束法 tr 6jo7 qRSoF04!R ;E_Go&Vd wz. 英国弹性地基圆环缪尔伍德法 收敛约束法、有限元法、收敛-约束 sYhHh$mwA Ay7PU 经验法 法、 经验法 U!L$S s3Wjhw/ ;Fo7 -kK -9$Ll+2h 美国弹性地基圆环 弹性地基圆环、 弹性地基圆环、 O7rIy OMW9E 作用一反作用模型有限元法、锚杆经验法 1Ys)b: x4|5 Y 但是如何界定初始条件，比如说一条破碎带，纵向，横向，斜向对整个结构影响差别是非常大的， 既然是地下结构，那么首先，我们应该对岩土要有一定的认识，岩石的成因，岩浆岩、沉积岩、变质岩 的成因，以及各种下面的岩石类型，我们都应该了解，然后再针对各种岩石的特性，选用合理的工法。 监控量测，给了我们一些现场数据，我们可以通过此结合一些计算来检验。 现场施工的水平也直接影响到最后的工程质量，各种岩石状况下放炮时药量的控制等， 系统锚杆其实也不一定要按切线打，我们都应该结合实际情况，各种工法的主要作用，再结合理论分析， 控制我们材料的用量是否合理。 最后就是材料，材料的质量，比如说普通锚杆，一般，8-15年左右基本就失效了，这些都是必须考虑的因数。 总之，个人浅见，隧道就是多看，多了解，多分析，多实践，多总结。 最后一点，技术都是交流出来的，闭门造车是很难出好成果的。 .820b0 =;GmLi3A 13、现在还是半经验半理论的计算方法关键是对围岩进行分级，这个确定以后就基本是套公式，进行验算，并不断调整衬砌的尺寸，使计算结果满足要求最后还得现场量测，对变形进行监测，确定设计符合要求 所以，围岩分级最重要，还是经验为主，监测辅助 fWC(L s 14、（1.计算隧道的时候，应先判断隧道是浅埋还是深埋，这可以通过铁路隧道规范和公路隧道规范确定，不过我就喜欢用重庆大学编的小程序计算。当定好隧道类型，之后就是选择荷载组合。 YecdwBW? （2.现在我们搞的隧道计算主要是地铁隧道那方面的，技术内力一般都是用ansys分析的！ansys可以模拟那些铰。但是初步设计一般都是用excel表来初步计算。等到施工设计时候可以采用ansys比较精确分析。我想在这里指出，用理正岩土软件都可以分析隧道的，但是它分析的模型跟我们实际有些差别，同样做圆形隧道，理正分析的是整个隧道断面是一个整体的，无铰的！分析出的的结果是没有怎么考虑到铰的位置的应力集中情况的！ |)xWQ KzA （3.我们计算衬砌的时候可以考日本隧道的设计规范！ 5VpqDLd YxM&% 15、地铁车站的计算一般用MIDIAS计算，区间一般是工程类比和以往经验+ANSYS 模拟参考。 H Io!aKU Qn|8Ic * 16、隧道设计要根据实际情况确定设计参数，无论是计算或是工程类比 TV0sxod6 以现在最常见的复合式衬砌为例 其一：二次衬砌设计现阶段已有明确的设计依据-铁规或是公路隧道规范，但是深浅埋界定？采用建规荷载组合或是极限状态、容许应力法等等，均应有统一考虑。 其二：对于岩质隧道初期支护，采用荷载结构模型计算初期支护过于保守，但是由于有限元模型的不确定性（其计算值要远小于实际值，即使选取岩土参数时进行大幅折减），因此其计算结果仅作为参考，初期支护厚度一般采用工程类比法，亦或是按铁规选定，并考虑配套的辅助措施的要求。 重点是应根据地质条件的不同，采取不同的辅助措施，比如分部开挖，小导管，自近式锚杆，中空注浆锚杆，管棚，钢拱架，钢格栅等等，而这些措施除了分部开挖外采用有限元是无法模拟的。 其三：对于土质隧道初期支护，由于其自稳能力差，因此基本采用荷载结构模型计算（容许应力法或是极限状态法，建规过于保守不易算过所以放弃），并配以密排钢格栅及小导管等辅助措施。 auB 931| $IS!GS&: 17、目前隧道工程设计计算主要分为两个大类： N p*TJ （1）市政隧道、地铁隧道等，这类隧道埋深一般较浅，且很多采用明挖法施工，故多采用荷载结构法计算，且用混凝土设计规范（极限状态理论）进行配筋计算。 *DvX| & （2）铁路隧道、公路隧道中的山岭隧道，这类隧道多根据围岩分级参照规范确定支护及衬砌参数，一般不需要计算。特殊情况下计算一下，但只要以经验类比为主，且结构配筋也不按照混规计算，而是按照隧道设计规范配筋。 =f H5 r_n $UdBZT- 18、正好最近在做两座公路隧道，谈点个人的看法，欢迎大家批评指正。 个人认为隧道设计过程中初支和二衬的设计侧重点应有所不同。初支因其自身组成结构的复杂性（锚杆、喷砼、预加固岩体等共同组成的复合结构），若采用有限元进行地层结构法计算，一方面难以模拟实际的岩体材料，另一方面也难以准确模拟锚杆与岩体之间的相互作用（目前主要采用节点耦合算法），最终计算出来的结果只能来进行定性分析，正如前面几位朋友提到的，可以用作为隧道的开挖方法提供一定的参考。因此个人认为初支的设计还是要以工程类比为主，最好多与有经验的专家沟通，合理确定初支参数。二衬为模筑结构，其受力相对比较明确，可采用荷载结构法来计算结构的受力和配筋。 j/Y3RSMp 1Z 82) 19、隧道的设计计算过程：首先根据地质报告和地质纵断面以及平面图，确定隧道的路线走向，拟定洞门桩号，其次根据具体地质情况划分围岩级别，长隧道还要考虑通风等情况，对于不良地质的特殊设计计算处理；隧道衬砌结构的类型和强度虽然大部分采用经验类比法确定，个人认为仅限于、级以上的围岩，对于隧道的、级别围岩，应根据具体情况计算确定设计支护参数是否合理，浅埋情况应采用荷载结构法计算，对于深埋情况，建议采用地层结构法计算，对于黄土隧道，由于大部分采用矿山法施工，因而其计算中应充分考虑开挖施工过程的顺序，两次衬砌的施作； 对于荷载的释放情况（地层结构法），应与施工开挖设计方案配合进行，尤其是前后开挖面的距离等，主要涉及到开挖释放荷载的比例分配。 pouXt-%2X u,nnY 20、本人从事国内公路隧道和铁路隧道的研究与设计6年，接