第2部分 隧道设计方法

1、1隧道设计方法隧道设计方法2一、概一、概 述述 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，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。结构的实际工作状态相差很大。 例如例如 ：理论上已经证实，在无支护坑（隧）道中：理论上已经证实，在无支护坑（隧）道中, , 坑道本身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就是承

2、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。洞那样工作。地下结构的力学模式必须符合下述条件：地下结构的力学模式必须符合下述条件：（1 1）与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态以及）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；围岩与支护结构的接触状态；（2 2）荷载假定应与在修建洞室过程中荷载发生的情况一）荷载假定应与在修建洞室过程中荷载发生的情况一致；致；（3 3）所确定的应力状态要与经过长时间使用的结构所发）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；生的事故和破坏情况一致；（4 4）材料性质和数学表达要等价。）材料性质和

3、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。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：工程结构物在本质上的差异，主要表现在以下几点：（1 1）其他工程结构都是抵抗荷载的，而隧道结构，按目前的）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、衬砌组结

4、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。作用给定的，不是事先能给定的参数。（2 2）地面结构有很大自由空间，其中每个构件都是事先根据）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

5、岩中修材料中开挖出来的，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。难准确决定的。4（3 3）在其他建筑中，设计者能够计算与荷载假定相适应的结）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）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中的应力和变形是很困难的

6、，因为它与形成的结构的类型以及时间有很大关系。时间有很大关系。（4 4）其他建筑根据力学计算以及构造上、经济上的考虑来选）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。质。（5 5）在施工中，其荷载、变形和安全度与其他结构相比都还）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，在隧道远远没有确定，尤其是与最终状态的关系密切。因

7、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。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、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。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根据隧道支护结构的特点，在预设计中采用以下方法: :(1) (1) 标准支护模式的设计方法（简称标准设计）；标准支护模式的设计方法

8、（简称标准设计）；(2) (2) 类似条件的设计方法（简称类比设计或经验设计）；类似条件的设计方法（简称类比设计或经验设计）；(3) (3) 解析的设计方法（简称解析设计）。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。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，在围标准设计是用于一般围岩条件下的标

9、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。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。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，进在下面所示的特殊条件的情况下，宜根据解析的计

10、算结果，进行定量的判断：行定量的判断： （1 1）地质条件特别差的情况；）地质条件特别差的情况； （2 2）埋深大、初始地应力大的情况；）埋深大、初始地应力大的情况； （3 3）埋深小、地表面下沉有问题的情况；）埋深小、地表面下沉有问题的情况； （4 4）采用施工方法、开挖顺序与标准的支护模式不同的）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；特殊工法的情况；7（5 5）断面比标准支护模式大得多的情况；）断面比标准支护模式大得多的情况；（6 6）断面形状特殊的情况；）断面形状特殊的情况；（7 7）洞口段、斜坡面下隧道等地形条件可能产生偏压的）洞口段、斜坡面下隧道等地形条件可能产

11、生偏压的情况；情况；（8 8）有接近隧道的结构物的情况；）有接近隧道的结构物的情况；（9 9）预计有与时间有关的流变荷载作用、二次衬砌存在）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。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，作为共同的承荷载模式。

12、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。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。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。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研究围岩条件类似时，最有参考价值的是附近既

13、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、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。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、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。辅助工法等的类似性。类比设计的类似性以及妥当性，一般应按表类比设计的类似性以及妥当性，一般应按表1 1和表和表2 2所列项所列项目进行研究。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从

14、这些实践中，大致上可以发现在进行支护结构“类比设类比设计计”时，需要注意的几点时，需要注意的几点: :（1 1）首先，对坑道围岩要有一个大致的分级。这些分级）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。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：型。即： 1 1）完整、稳定围岩；）完整、稳定围岩； 2 2）易破碎、剥离的块状围岩；）易破碎、剥离的块状围岩； 3 3）有地压作用的破碎围岩；）有地压作用的破碎围岩；

15、4 4）强烈挤压性围岩或有强大地压的围岩。）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。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。）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）完整、稳定的围岩锚杆长锚杆长ppmbmb) )，故向下流动；，故向下流动；地下水在流出的河流部，则相反，因下部的水头比上部高地下水在流出的河流部，则相反，因下部的水头比上部高(p(prurupprbrb) )故是向上流动的；山侧与河侧及其中间部的水头，是故是向上流动的；山侧与河侧及其中间部的水头，是p pmbmbpphbhbpprbrb，故地下水是从赋

16、予部（山）向流出部（河流）流，故地下水是从赋予部（山）向流出部（河流）流动的。动的。30 （7 7）地质条件与影响范围）地质条件与影响范围 中、古生层：埋深在中、古生层：埋深在150m150m以内几乎都受到影响，出现枯以内几乎都受到影响，出现枯水现象，其范围在埋深水现象，其范围在埋深5050100m100m时是最大的，随着埋深的增加时是最大的，随着埋深的增加有逐渐减小的趋势。在破碎质围岩中，影响范围有的可达有逐渐减小的趋势。在破碎质围岩中，影响范围有的可达100010002000m2000m的情况。的情况。 深成岩类：发生枯水现象大多在埋深深成岩类：发生枯水现象大多在埋深200m200m以内，

17、也有离以内，也有离开隧道开隧道1000m1000m的情况。与中、古生层一样，影响范围在埋深的情况。与中、古生层一样，影响范围在埋深5050100m100m时最大时最大( (一侧可达一侧可达1500m)1500m)，埋深越大，影响范围减少。，埋深越大，影响范围减少。 变质岩类：数据比较少，看不出规律，但埋深在变质岩类：数据比较少，看不出规律，但埋深在50m50m以内，以内，多发生枯水现象。多发生枯水现象。 火山岩及火山破碎岩类：枯水现象在埋深火山岩及火山破碎岩类：枯水现象在埋深250250300m300m时，时，几乎都发生，范围在埋深几乎都发生，范围在埋深100100200m200m时最大。时最

18、大。31 砂砾层：数据比较少，看不出规律，但埋深在砂砾层：数据比较少，看不出规律，但埋深在50m50m以内，以内，多发生枯水现象。多发生枯水现象。 泥岩、砂岩类：枯水现象几乎在埋深泥岩、砂岩类：枯水现象几乎在埋深100m100m以下、距隧道以下、距隧道500m500m以内发生。埋深在以内发生。埋深在20m20m30m30m时影响最大。时影响最大。 火山泥流堆积物：埋深越大其范围也越大。火山泥流堆积物：埋深越大其范围也越大。2 2、山岭隧道的水压力问题、山岭隧道的水压力问题 （1 1）既有的一些研究成果）既有的一些研究成果 我国水工建筑物荷载设计规范规定：作用在混凝土衬砌的我国水工建筑物荷载设计

19、规范规定：作用在混凝土衬砌的外水压强标准值，按下式确定。外水压强标准值，按下式确定。P=P=H H式中：式中：P P ：水压强标准值；：水压强标准值；：外水压力折减系数；：外水压力折减系数；：水的：水的重度；重度；H H：作用水头，按设计采用的地下水位线与隧洞中心线：作用水头，按设计采用的地下水位线与隧洞中心线之间的高差确定。之间的高差确定。32表说明：在不同的地质条件下，水压值可以有不同程度的表说明：在不同的地质条件下，水压值可以有不同程度的折减，而折减的主要方法是根据开挖后暴露的渗漏水的状况决折减，而折减的主要方法是根据开挖后暴露的渗漏水的状况决定的。这实质上，也是目前许多国家采用的办法。

20、因此，利用定的。这实质上，也是目前许多国家采用的办法。因此，利用平导进行超前的地质预报，根据岩面的水的活动状况，或透水平导进行超前的地质预报，根据岩面的水的活动状况，或透水试验确定折减系数是可行的。试验确定折减系数是可行的。在锚杆喷射混凝土支护技术规范也建议外水压力可采用地在锚杆喷射混凝土支护技术规范也建议外水压力可采用地下水位以下的水柱高乘以相应的折减系数的方法估算。下水位以下的水柱高乘以相应的折减系数的方法估算。33 铁路隧道的一些研究指出：铁路隧道的一些研究指出：一般说，隧道地区地下水分为一般说，隧道地区地下水分为2种类型，即浅层风化裂隙种类型，即浅层风化裂隙水和下部构造裂隙水。前者主要

21、循环在水和下部构造裂隙水。前者主要循环在4050m 以上深度范围以上深度范围内，水交替作用强烈，后者大多数循环在内，水交替作用强烈，后者大多数循环在500m以上的深度范以上的深度范围内，水交替作用缓慢。深埋隧道的涌水则大部分来自自身所围内，水交替作用缓慢。深埋隧道的涌水则大部分来自自身所在的含水介质的储存量（即下部构造裂隙水）。实践证实，在在的含水介质的储存量（即下部构造裂隙水）。实践证实，在这种情况下，隧道开挖后对地下水活动影响的范围仅局限于一这种情况下，隧道开挖后对地下水活动影响的范围仅局限于一定的范围，而不是整个地下水都对隧道发生作用，实质上是深定的范围，而不是整个地下水都对隧道发生作用

22、，实质上是深层循环水在起作用。这个结论说明：为什么那么多的山岭隧道，层循环水在起作用。这个结论说明：为什么那么多的山岭隧道，都没有考虑水压的作用，或仅仅考虑可以接受的水压值，即对都没有考虑水压的作用，或仅仅考虑可以接受的水压值，即对水压值可以进行折减，而且折减系数随着埋深的增加（意味着水压值可以进行折减，而且折减系数随着埋深的增加（意味着渗透系数的减小）也随之减小。渗透系数的减小）也随之减小。34一般说，在地质判断中，当渗透系数小于一般说，在地质判断中，当渗透系数小于10-610-7cm/s时，时，就可认为是不透水的围岩。也就是说，当隧道所处的围岩介质就可认为是不透水的围岩。也就是说，当隧道所

23、处的围岩介质的渗透系数小于此值时，折减系数就可以考虑采用的渗透系数小于此值时，折减系数就可以考虑采用0，即不考，即不考虑水压的作用。同时渗透系数有一个规律，就是随着埋深的增虑水压的作用。同时渗透系数有一个规律，就是随着埋深的增加而减小。例如秦岭隧道一些试验结果，就说明了这一点。加而减小。例如秦岭隧道一些试验结果，就说明了这一点。35表表 3 渗透系数与埋深的测试关系渗透系数与埋深的测试关系深度深度渗透系数（渗透系数（m/d）H=80.32m0.0049（0.01410-3cm/s）H=360.00m0.00199（5.7110-6cm/s）H=415.75m0.00096（2.7710-6cm

24、/s）（2 2）孔隙水压的计算问题）孔隙水压的计算问题基本观点：基本观点：日本青函海底隧道是采用全断面围岩压注的一日本青函海底隧道是采用全断面围岩压注的一个典型的隧道，认为作用在隧道衬砌上的水压值与围岩的渗透个典型的隧道，认为作用在隧道衬砌上的水压值与围岩的渗透系数有直接的关系。系数有直接的关系。 图图a)a)表示颗粒状空隙中压注材料没有完全充填，但已固化表示颗粒状空隙中压注材料没有完全充填，但已固化的状况，水只在颗粒和压注材料间的间隙中流动。图的状况，水只在颗粒和压注材料间的间隙中流动。图c)c)表示压表示压注材料充填围岩中裂隙的状况，水也是只在残留的裂隙中流动。注材料充填围岩中裂隙的状况，

25、水也是只在残留的裂隙中流动。 36图图6 6 压注围岩的渗透模式压注围岩的渗透模式 在这样的围岩中，对充填率和透水系数做了如下假定：在这样的围岩中，对充填率和透水系数做了如下假定： 压注带内水只在间隙中流动；压注带内水只在间隙中流动； 颗粒、岩石、固化的压注材料不透水；颗粒、岩石、固化的压注材料不透水； 压注液容量压注液容量V Vt t与压注材料的固化容量与压注材料的固化容量V Vg g之比：之比： (V(Vg g/V/Vt t)=)=，取，取11。 将图将图a)a)、c)c)的复杂模式简化为图的复杂模式简化为图b)b)、d)d)模式，即将围岩中模式，即将围岩中的压注材料的容量置换为等效的粒子

26、，或置换为等效的岩石部的压注材料的容量置换为等效的粒子，或置换为等效的岩石部分，这样就可以只考虑压注后仅仅是空隙率的变化。分，这样就可以只考虑压注后仅仅是空隙率的变化。 假定围岩的初始空隙率为假定围岩的初始空隙率为i i，压注后的空隙率为，压注后的空隙率为sgsg，则，则有：有： i i=1-V=1-Vs s/V /V ； sgsg=1-=1-（V Vs s+V+Vg g）/V/V式中式中 V V：对象围岩的容量；：对象围岩的容量；V Vs s、V Vg g：分别是土和岩石的固体容：分别是土和岩石的固体容量及压注材料的固体容量。量及压注材料的固体容量。37其次，压注材料的填充率：其次，压注材料

27、的填充率： = =V Vg g/ /V V100%=100%=VVi i/ /V V100% 100% = =V Vg g/ /V V100%=(100%=(i i- -sgsg) ) 式中式中 V Vi i：浆液的容量；：浆液的容量；：压注浆液的固化率，：压注浆液的固化率，11。透水系数比透水系数比k/kk/k： k k/k k= =f f( (sgsg/ /i i)=)=f f( (i i- -)/)/f f( (i i) ) 如果知道压注后的空隙率如果知道压注后的空隙率sgsg，就可以求出压注后的透水，就可以求出压注后的透水系数系数k k。 当当=时，也就是说空隙完全被浆液所填充，则时，

28、也就是说空隙完全被浆液所填充，则k/kk/k趋近趋近于于0；当；当=0时，也就是说浆液完全没有填充，时，也就是说浆液完全没有填充，k/kk/k趋近于趋近于1。38 作为参考，将一些研究成果示于图，可以看出：填充率越作为参考，将一些研究成果示于图，可以看出：填充率越接近接近值，值，k/kk/k则急剧减小。根据试验结果，压注材料的最终则急剧减小。根据试验结果，压注材料的最终饱和率一般在饱和率一般在0.80.9左右，左右，k/kk/k可减小到可减小到10-210-3左右，这是左右，这是可能的。青函隧道的压注带内的可能的。青函隧道的压注带内的k/kk/k和和的测定值的比较示于的测定值的比较示于图。图。

29、39图图7 7 渗透渗透系数系数比和比和充填充填率的率的理论理论和试和试验关验关系系图图8 充填率和渗透系数比的关系充填率和渗透系数比的关系 采用的方法：采用的方法： 例例 ：在海底隧道中，为了减少衬砌背后的水压，应容许：在海底隧道中，为了减少衬砌背后的水压，应容许水的流入，但从减小扬水费用出发，应向隧道周边围岩进行压水的流入，但从减小扬水费用出发，应向隧道周边围岩进行压注来减小透水系数，控制水的流入量。设定压注范围并减小透注来减小透水系数，控制水的流入量。设定压注范围并减小透水系数后，必然地在压注范围外周有较高的水压作用，在其内水系数后，必然地在压注范围外周有较高的水压作用，在其内部，则出现

30、水压急剧降低的水压分布。下图是岩层压注模式，部，则出现水压急剧降低的水压分布。下图是岩层压注模式，在外周承受水压，而衬砌则承受开挖引起的地压。在外周承受水压，而衬砌则承受开挖引起的地压。 40图图9 9 解析模式解析模式 为使问题简化，视围岩为均质、各向同性的弹塑性体，其为使问题简化，视围岩为均质、各向同性的弹塑性体，其中作用的初始应力视为静水压力状态，因为孔隙水的流动很缓中作用的初始应力视为静水压力状态，因为孔隙水的流动很缓慢，故达西慢，故达西(Darcy)(Darcy)定律也成立。定律也成立。 其次，隧道其次，隧道( (半径半径a)a)周围有半径为周围有半径为b b的注浆区域，其外围作的注

31、浆区域，其外围作用由有效应力用由有效应力p p* *和孔隙水压和孔隙水压u uw wb b之和形成的压力之和形成的压力p p0 0，一般与围岩，一般与围岩的初始应力不同。在注浆区域很大的情况中，可近似地令其相的初始应力不同。在注浆区域很大的情况中，可近似地令其相等。此外，如图所示的注浆区域，假定是由松弛区域等。此外，如图所示的注浆区域，假定是由松弛区域( (r) )和和弹性区域弹性区域( (r) )构成的。构成的。 在分析中，考虑围岩内的孔隙水和固体部分的相互作用，在分析中，考虑围岩内的孔隙水和固体部分的相互作用，但孔隙水的活动如认为与固体部分中变形动态无关，则可单独但孔隙水的活动如认为与固体

32、部分中变形动态无关，则可单独进行围岩内的渗透水的分析。进行围岩内的渗透水的分析。413 3、城市隧道的水压力问题、城市隧道的水压力问题在城市修筑隧道工程，如地下铁道、城市道路隧道等，地在城市修筑隧道工程，如地下铁道、城市道路隧道等，地下水的问题是一个难题。它对周边环境的影响是不容忽视的。下水的问题是一个难题。它对周边环境的影响是不容忽视的。在外部环境保护中，地下水变动是的隧道施工中的共同的在外部环境保护中，地下水变动是的隧道施工中的共同的环境因素。在地层中，视深度和地质条件，土压、水压是处于环境因素。在地层中，视深度和地质条件，土压、水压是处于平衡状态的，但修建隧道结构物后，这种平衡被破坏，使

33、地层、平衡状态的，但修建隧道结构物后，这种平衡被破坏，使地层、地下水环境发生变化。下图是关于随涌水的地下水变动和地层地下水环境发生变化。下图是关于随涌水的地下水变动和地层变异的机理概念图。据此，隧道开挖会产生地下水位降低和地变异的机理概念图。据此，隧道开挖会产生地下水位降低和地层的压密下沉，也会造成地下水的流场变化和地下水的变动。层的压密下沉，也会造成地下水的流场变化和地下水的变动。下表列出隧道开挖可能引起的地下水变动和地层变异的现象和下表列出隧道开挖可能引起的地下水变动和地层变异的现象和原因。原因。4243表表4 4 地下水变动和地层变异的现象和原因地下水变动和地层变异的现象和原因现象现象主

34、要影响主要影响主要原因主要原因地地下下水水变变动动地下水位（水压）降地下水位（水压）降低低井枯竭、井的水量减少、井枯竭、井的水量减少、盐水化、缺氧空气发生、盐水化、缺氧空气发生、植被生态系变化植被生态系变化施工时的抽水、漏水、施工时的抽水、漏水、运用中的漏水运用中的漏水地下水位（水压）上地下水位（水压）上升升湿地化、水田湿田化、结湿地化、水田湿田化、结构物上浮、植被生态系变构物上浮、植被生态系变化化结构物的存在、施工结构物的存在、施工时的复水时的复水地下水流动方向变化地下水流动方向变化流况变化流况变化同上同上漏水漏水与地下水位降低相同与地下水位降低相同结构物和遮水不足结构物和遮水不足地地层层变

35、变异异地层压密下沉地层压密下沉道路道路结构物下沉、配管类结构物下沉、配管类的功能障碍的功能障碍地下水位（水压）降地下水位（水压）降低低地面下沉地面下沉同上、动的地层特性变化同上、动的地层特性变化漏水、施工中漏水、施工中施工后施工后的结构物位移的结构物位移开挖时的侧方位移开挖时的侧方位移同上同上同上同上 日本在日本在“城市矿山隧道设计标准城市矿山隧道设计标准”中对水压处理规定如下：中对水压处理规定如下：（1 1）在地下水位以下的防水型隧道的二次衬砌及仰拱的）在地下水位以下的防水型隧道的二次衬砌及仰拱的设计应考虑水压力。设计应考虑水压力。（2 2）设计中考虑的水压力原则上是孔隙水压。考虑到实）设计

36、中考虑的水压力原则上是孔隙水压。考虑到实际上确实地掌握水压是有困难的，因此，要在实测中假定地下际上确实地掌握水压是有困难的，因此，要在实测中假定地下水位进行水压的计算。水位进行水压的计算。（3 3）水压一般按恢复后的水位进行计算。一般说，恢复）水压一般按恢复后的水位进行计算。一般说，恢复后的水位较原水位低些，但也有高的情况，应进行分析研究。后的水位较原水位低些，但也有高的情况，应进行分析研究。（4 4）一般说，在使用极限状态的研究中，水位最好采用）一般说，在使用极限状态的研究中，水位最好采用高水位（丰水期的水位）或采用低水位（枯水期的水位）。但高水位（丰水期的水位）或采用低水位（枯水期的水位）

37、。但在以下的地形、地下水条件下，使用期间预计有可能出现显著在以下的地形、地下水条件下，使用期间预计有可能出现显著变动的场合，应假定异常时的水位进行最终极限状态的研究。变动的场合，应假定异常时的水位进行最终极限状态的研究。44 类似谷地形，地下水和地表水易于暂时集中的场合；类似谷地形，地下水和地表水易于暂时集中的场合； 类似扇状地形存在丰富的地下水，隧道两侧出现显著的类似扇状地形存在丰富的地下水，隧道两侧出现显著的不均衡水压的场合。不均衡水压的场合。（5 5）在水位经常发生变动的情况，使用极限状态研究时，）在水位经常发生变动的情况，使用极限状态研究时，设计中最好考虑水位的变动。设计中最好考虑水位

38、的变动。（6 6）在设定水压时，还要注意以下几点：）在设定水压时，还要注意以下几点： 地下水位不仅与季节的降雨量的变化有关，也会因近接地下水位不仅与季节的降雨量的变化有关，也会因近接施工引起的环境变化有关；施工引起的环境变化有关； 因对地下水扬水的限制，地下水位也有逐年上升情况；因对地下水扬水的限制，地下水位也有逐年上升情况； 因近接施工使垂直荷载作用在衬砌上的场合，设定高水因近接施工使垂直荷载作用在衬砌上的场合，设定高水位不一定是偏于安全的设计，因此，应进行高水位和低水位的位不一定是偏于安全的设计，因此，应进行高水位和低水位的研究；研究；45 谷形地和扇状地形等把地下水遮断的场合，会产生偏水

39、压，谷形地和扇状地形等把地下水遮断的场合，会产生偏水压，此时即使水位低，也会出现弯矩作用，因此要按偏水压进行设计。此时即使水位低，也会出现弯矩作用，因此要按偏水压进行设计。（7 7）设计时，下图所示，在衬砌的各位置，水压都按作用在衬）设计时，下图所示，在衬砌的各位置，水压都按作用在衬砌图心的半径方向进行计算。砌图心的半径方向进行计算。46图图14 14 水压分布水压分布八、 极限状态设计方法 目前许多国家在隧道设计中都开始从过去的容许应力法转目前许多国家在隧道设计中都开始从过去的容许应力法转变为采用极限状态设计方法。变为采用极限状态设计方法。1 1、日本采用的极限状态设计方法、日本采用的极限状

40、态设计方法 （1 1）极限状态的定义）极限状态的定义 采用极限状态设计方法首先要设定其极限状态。隧道衬砌采用极限状态设计方法首先要设定其极限状态。隧道衬砌是以轴力为主的并承受地层反力的拱形结构物，即使产生弯曲是以轴力为主的并承受地层反力的拱形结构物，即使产生弯曲开裂和钢筋屈服而使构件刚性降低，弯矩也会向刚性没有降低开裂和钢筋屈服而使构件刚性降低，弯矩也会向刚性没有降低的周围构件分配，一个构件破坏不会立即造成整个结构物的破的周围构件分配，一个构件破坏不会立即造成整个结构物的破坏。荷载坏。荷载P P在一处发生弯曲开裂（在一处发生弯曲开裂（A A点），钢筋屈服（点），钢筋屈服（B B点），点），接着

41、即使达到混凝土的压缩极限应变（接着即使达到混凝土的压缩极限应变（C C点），作为结构仍然点），作为结构仍然多会保持稳定的状态，到最大荷载（多会保持稳定的状态，到最大荷载（D D点）前，位移、承载力点）前，位移、承载力仍然有足够的富裕。仍然有足够的富裕。47 按下表定义衬砌的极限状态，其对应的现象列于下图。按下表定义衬砌的极限状态，其对应的现象列于下图。48图图1 1 荷荷载载与与位位移移的的关关系系表表1 1 二次衬砌和仰拱的极限状态二次衬砌和仰拱的极限状态名称名称定义定义使用极限状态使用极限状态对水压、近接施工产生的荷载等，主要是长期持续对水压、近接施工产生的荷载等，主要是长期持续作用的荷载

42、，丧失使用性和耐久性的状态作用的荷载，丧失使用性和耐久性的状态最终极限状态最终极限状态对除地震以外作用的荷载（异常的水位上升等），对除地震以外作用的荷载（异常的水位上升等），丧失稳定和功能的状态丧失稳定和功能的状态 容许开裂宽度达到图中的容许开裂宽度达到图中的b b点定义为使用极限状态，但仰点定义为使用极限状态，但仰拱可以缓和一些。最终极限状态用钢筋屈服定义，图中的拱可以缓和一些。最终极限状态用钢筋屈服定义，图中的c c点，点，但衬砌是被围岩包围的拱形结构，衬砌一处即使达到最终状态，但衬砌是被围岩包围的拱形结构，衬砌一处即使达到最终状态，也不会造成结构的破坏，因此，可采用混凝土压缩极限应变，也

43、不会造成结构的破坏，因此，可采用混凝土压缩极限应变，图中的图中的d d点定义。点定义。49图图2 2 极极限限状状态态 和和现现象象 铁路隧道的使用极限状态主要指：衬砌掉块，妨碍运行；铁路隧道的使用极限状态主要指：衬砌掉块，妨碍运行；发生对列车运行安全性有影响的轨道变异；产生妨碍建筑限发生对列车运行安全性有影响的轨道变异；产生妨碍建筑限界的变形。界的变形。 最终极限状态指：衬砌断面破坏，混凝土块体崩落；隧最终极限状态指：衬砌断面破坏，混凝土块体崩落；隧道结构体系丧失稳定性而崩塌；产生需要改建隧道的轨道变道结构体系丧失稳定性而崩塌；产生需要改建隧道的轨道变异；净空断面缩小，与列车接触。异；净空断

44、面缩小，与列车接触。50表表2 2 各极限状态和现象各极限状态和现象名称名称现象现象备注备注使用极限状态使用极限状态二次衬砌二次衬砌开裂造成钢筋腐蚀和衬砌掉块开裂造成钢筋腐蚀和衬砌掉块以钢筋混凝土以钢筋混凝土结构为对象结构为对象仰拱仰拱拉伸钢筋屈服、耐久性降低拉伸钢筋屈服、耐久性降低最终极限状态最终极限状态达到极限状态（混凝土压缩应变达到最终应变达到极限状态（混凝土压缩应变达到最终应变(0.0035)(0.0035)，断面产生破坏，发生混凝土块掉落，断面产生破坏，发生混凝土块掉落 （2 2）荷载）荷载 作用在隧道上的主要荷载，一般除自重外，有地下水位恢作用在隧道上的主要荷载，一般除自重外，有地

45、下水位恢复后的水压、接近施工影响产生的荷载以及地震荷载等。一般复后的水压、接近施工影响产生的荷载以及地震荷载等。一般在城市条件下采用矿山法修建的隧道，土压原则上由初期支护在城市条件下采用矿山法修建的隧道，土压原则上由初期支护完成承受，二次衬砌可不考虑土压的作用。但二次衬砌要考虑完成承受，二次衬砌可不考虑土压的作用。但二次衬砌要考虑水位恢复后的水压作用。水位恢复后的水压作用。 （3 3）二次衬砌和仰拱的安全系数）二次衬砌和仰拱的安全系数 二次衬砌和仰拱的设计安全系数采用各种分项系数表示。二次衬砌和仰拱的设计安全系数采用各种分项系数表示。这些系数包括荷载系数、结构解析系数、材料系数、构件系数、这些

46、系数包括荷载系数、结构解析系数、材料系数、构件系数、结构物系数、地层调查系数等。结构物系数、地层调查系数等。 512 2、我国单线铁路隧道的可靠性设计方法、我国单线铁路隧道的可靠性设计方法 我国单线铁路隧道采用了以概率为基础的，以分项系数表我国单线铁路隧道采用了以概率为基础的，以分项系数表达的极限状态的可靠度设计方法。达的极限状态的可靠度设计方法。 工程结构可靠度是指结构在规定的时间、规定的条件下，工程结构可靠度是指结构在规定的时间、规定的条件下，完成其预定功能的概率。完成其预定功能的概率。“规定的时间规定的时间”一般是指设计中根据一般是指设计中根据结构的有效使用期所规定的时间，称为设计基准期

47、；结构的有效使用期所规定的时间，称为设计基准期；“规定的规定的条件条件”是指结构在正常施工、运营维护环境下承担外力和变形是指结构在正常施工、运营维护环境下承担外力和变形应能满足的条件；应能满足的条件；“预定功能预定功能”包括结构安全性、结构耐久性包括结构安全性、结构耐久性和结构适用性的要求。和结构适用性的要求。 铁路隧道结构应根据结构的重要性和复杂程度划分为三个铁路隧道结构应根据结构的重要性和复杂程度划分为三个安全等级，设计采用的目标可靠指标安全等级，设计采用的目标可靠指标nomnom值按结构不同安全等值按结构不同安全等级取值。级取值。52 结构设计基准期，是指工程结构均在正常维护和使用条件结

48、构设计基准期，是指工程结构均在正常维护和使用条件下能满足一定可靠的时间，考虑铁路隧道结构实际的使用寿命下能满足一定可靠的时间，考虑铁路隧道结构实际的使用寿命当于当于100100年，因此设计基准期规定为年，因此设计基准期规定为100100年。年。 （1 1）结构设计应按两种极限状态设计）结构设计应按两种极限状态设计 承载能力极限状态：承载能力极限状态： 当结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形的当结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形的下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态： 整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡；整个结构或结

49、构的一部分作为刚体失去平衡； 结构构件或连接因超过材料破坏而破坏；结构构件或连接因超过材料破坏而破坏； 结构或结构构件丧失稳定。结构或结构构件丧失稳定。 正常使用极限状态：正常使用极限状态： 当结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值当结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值的下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态。的下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态。 53 影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或外观的变形； 影响正常使用或耐久性能的局部损坏影响正常使用或耐久性能的局部损坏( (包括裂缝包括裂缝) ) 影响正常使用的其他特定状态。影响正常使用的其他特定状态。

50、 （2 2）隧道结构设计时，应根据在施工和使用中的环境条）隧道结构设计时，应根据在施工和使用中的环境条件和影响分为三种设计状况：件和影响分为三种设计状况： (a)(a)持久状况：在结构使用过程中一定出现且持续期很长持久状况：在结构使用过程中一定出现且持续期很长的状况，持续期一般与使用期为同一数量级；的状况，持续期一般与使用期为同一数量级； (b)(b)短暂状况：在结构施工和使用过程中出现概率较大，短暂状况：在结构施工和使用过程中出现概率较大，而持续期较短的状况；而持续期较短的状况； (c)(c)偶然状况：在结构使用过程中出现概率很小，且持续偶然状况：在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的

51、状况。期很短的状况。 结构均应对三种状况进行承载能力极限状态设计；对持久结构均应对三种状况进行承载能力极限状态设计；对持久状况和短暂状况根据结构需要按正常使用极限状态设计。状况和短暂状况根据结构需要按正常使用极限状态设计。 54 （3 3）对偶然状况，承载能力状态设计，按下列原则：）对偶然状况，承载能力状态设计，按下列原则： (a)(a)按作用效应的偶然组合进行设计或采取防护措施，使按作用效应的偶然组合进行设计或采取防护措施，使主要承重结构不致因偶然事件而丧失承载能力。主要承重结构不致因偶然事件而丧失承载能力。 (b)(b)允许主要承重结构因偶然事件而局部破坏，但结构的允许主要承重结构因偶然事

52、件而局部破坏，但结构的其余部分仍应具有在一段时间内不发生继发性破坏的可靠度。其余部分仍应具有在一段时间内不发生继发性破坏的可靠度。 （4 4）正常使用极限状态计算）正常使用极限状态计算 结构构件应分别按荷载作用的短期效应组合、长期效应组结构构件应分别按荷载作用的短期效应组合、长期效应组合、短期效应组合并考虑长期效应组合的影响进行验算，并应合、短期效应组合并考虑长期效应组合的影响进行验算，并应保证变形、裂缝、应力等计算值不超过相应的规定限值。保证变形、裂缝、应力等计算值不超过相应的规定限值。 结构构件设计时，应根据使用要求选用不同的裂缝控制等结构构件设计时，应根据使用要求选用不同的裂缝控制等级，

53、裂缝控制等级的划分应符合下列规定：级，裂缝控制等级的划分应符合下列规定： 一级：一级：严格要求不出现裂缝的构件，按荷载短期效应组合严格要求不出现裂缝的构件，按荷载短期效应组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生开裂。进行计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生开裂。 55 二级：一般要求不出现裂缝的构件，按荷载长期效应组合二级：一般要求不出现裂缝的构件，按荷载长期效应组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生开裂，而按荷载短进行计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生开裂，而按荷载短期效应组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土允许产生拉应力，期效应组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土允许产生拉应力，但拉应力不

54、应超过设计值。但拉应力不应超过设计值。 三级：容许出现裂缝的构件，最大裂缝宽度按荷载的短期三级：容许出现裂缝的构件，最大裂缝宽度按荷载的短期效应组合并考虑长期效应影响进行计算，其计算值不应超过允效应组合并考虑长期效应影响进行计算，其计算值不应超过允许值。许值。56表表7 7 裂缝控制等级及最大裂缝宽度允许值裂缝控制等级及最大裂缝宽度允许值(mm)(mm)结构、构件类别结构、构件类别其他结构其他结构 明洞结构明洞结构内燃牵引隧道内燃牵引隧道电力牵引隧道电力牵引隧道 般构件般构件 二级二级0.4(0.3) 三级三级 0.25(0.2) 二级二级 一级一级 仰仰 拱拱 三级三级 0.2(0.2) 二

55、级二级 二级二级 一级一级 边边 墙墙 三级三级 0.25(0.2) 二级二级 二级二级 一级一级 拱拱 圈圈 二级二级 二级二级 一级一级 一级一级注：注：1 1、括号内数值为有侵蚀性的允许值；、括号内数值为有侵蚀性的允许值；2 2、大跨度及特殊结构的要求视具体情况另行、大跨度及特殊结构的要求视具体情况另行规定；规定；3 3、对特殊地质条件下的结构应作相应调整。、对特殊地质条件下的结构应作相应调整。 （5）隧道结构设计应采用下列两种极限状态。）隧道结构设计应采用下列两种极限状态。 承载能力极限状态：包括结构强度极限状态；结构整体稳承载能力极限状态：包括结构强度极限状态；结构整体稳定及构件局部

56、稳定极限状态。设计表达式为：定及构件局部稳定极限状态。设计表达式为：式中式中 0结构重要性系数；结构重要性系数；d计算模式不定性或其他分项系计算模式不定性或其他分项系数中未考虑的因素引起的分项系数；数中未考虑的因素引起的分项系数；S()作用效应函数；作用效应函数；Fd作用设计值；作用设计值；d 几何参数设计值；几何参数设计值；R（）抗力函数；抗力函数； fd材料性能设计值。材料性能设计值。 各设计值由相应的标准值配合适当的分项系数表达之。各设计值由相应的标准值配合适当的分项系数表达之。 对铁路隧道衬砌抗压承载能力，实用设计式为：对铁路隧道衬砌抗压承载能力，实用设计式为：57),(),(0ddd

57、ddfRFS式中式中 ：NK轴力标准值轴力标准值(MN)，由各种作用标准值计算得到；，由各种作用标准值计算得到；sc混凝土衬砌构件抗压检算时作用效应分项系数；混凝土衬砌构件抗压检算时作用效应分项系数；k混凝混凝土衬砌抗压检算时抗力分项系数；土衬砌抗压检算时抗力分项系数；构件纵向弯曲系数；应构件纵向弯曲系数；应根据其长细比选用；根据其长细比选用； fck混凝土轴心抗压强度标准值混凝土轴心抗压强度标准值(MPa)；按规范值选用；按规范值选用； b截面宽变（截面宽变（m）；）； h截面高度（截面高度（m）；）； 轴向力偏心影响系数。轴向力偏心影响系数。 正常使用极限状态：结均达到变形或裂缝限值的状态

58、。设正常使用极限状态：结均达到变形或裂缝限值的状态。设计表达式为计表达式为:)/RCckkSCbhfN58式中：式中：()约束值的函数；约束值的函数；C结构极限约束值；结构极限约束值；Cd几几何参数设计值。何参数设计值。),(0CCfFdddd 对衬砌抗裂检算用的实用式为：对衬砌抗裂检算用的实用式为：式中：式中：N NK K轴力标准值（轴力标准值（MNMN）；）；stst混凝土衬砌构件抗裂检混凝土衬砌构件抗裂检算时作用效应分项系数；算时作用效应分项系数；RTRT混凝土衬砌抗裂检算时抗力混凝土衬砌抗裂检算时抗力分项系数；分项系数；e eo o检算截面偏心距检算截面偏心距(m)(m)，与轴力标准值

59、，与轴力标准值N Nk k同时求同时求出；出；f fctkctk混凝土轴心抗拉强度标准值混凝土轴心抗拉强度标准值(MPa)(MPa)，规范选用。，规范选用。 求出求出SCSC、RCRC、StSt、RtRt四个分项系数，此二设计式四个分项系数，此二设计式就可使用，按下表取值。就可使用，按下表取值。 )/75. 1)6(20RTctkkSTfbhheN59 结构构件应根据承载能力极限状态及正常使用极限状态结构构件应根据承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别按下列规定进行计算和验算：的要求，分别按下列规定进行计算和验算： （a a）承载力及稳定：所有结构构件均应进行承载力）承载力及稳定：所有

60、结构构件均应进行承载力( (包包括压屈失稳括压屈失稳) )计算；在必要时尚应进行结构的倾复和滑移验算；计算；在必要时尚应进行结构的倾复和滑移验算；处于地震区的结构，尚应进行结构构件抗震的承载力计算。处于地震区的结构，尚应进行结构构件抗震的承载力计算。 （b b）变形：对使用上需控制变形值的结构构件，应进行）变形：对使用上需控制变形值的结构构件，应进行变形验算。变形验算。 （c c）抗裂及裂缝宽度：对使用上要求不出现裂缝的构件，）抗裂及裂缝宽度：对使用上要求不出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算；对使用上允许出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算；对使用上允许出现裂缝的构件，应进行裂缝宽度验算