北京交通大学---隧道设计与施工---第4部分隧道设计方法

1、第四部分第四部分 隧道设计方法隧道设计方法一、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。隧道结构的实际工作状态相差很大。 例如例如 ：理论上已经证实，在无支护坑道中理论上已经证实，在无支护坑道中, , 坑道本身就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是

2、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。那样工作。设计方法设计方法 围岩条件围岩条件 设计条件设计条件标准设计标准设计 一般围岩一般围岩 特殊围岩特殊围岩 一般条件一般条件( (标准断面标准断面) )类比条件类比条件 特殊围岩特殊围岩 特殊条件特殊条件( (大断面、偏压地形、大断面、偏压地形、埋深极小或极大、地表面下沉有限埋深极小或极大、地表面下沉有限制等）制等）解析设计解析设计 一般围岩一般围岩( (符合符合右栏的特殊条件右栏的特殊条件) ) 特殊围岩特殊围岩表表1 1 设计方法的选择设计方法的选择采用标准设计围岩等级综合评价结束需要解析验证否？需要解析验证否？NO采用

3、解析方法Yes围岩等级NO一般采用类比设计围岩等级特殊 调查类比设计Yes 有无合适的 类比设计开始特殊围岩一般围岩设计条件表表1 1 研究类似性的项目研究类似性的项目项目项目注意点注意点围岩条件围岩条件围岩级别围岩级别特殊围岩特殊围岩 地形、埋深地形、埋深埋深、不稳定的偏压地形、其他特殊的围岩性质（冲积埋深、不稳定的偏压地形、其他特殊的围岩性质（冲积低地等不整合面、断层等）低地等不整合面、断层等）地质、土质的构成和性质地质、土质的构成和性质地层名称、地质年代、成层构造、层组、层相、固结程地层名称、地质年代、成层构造、层组、层相、固结程度、渗透性、地下水位等度、渗透性、地下水位等断面形状断面形

4、状单线、双线、新干线、车站单线、双线、新干线、车站水压水压防水型、排水型防水型、排水型对周边影响的限制对周边影响的限制限制值限制值完成后的接近施工完成后的接近施工种类、位置关系、规模等种类、位置关系、规模等抗震抗震研究条件（预定地震动等）研究条件（预定地震动等）项目项目注意点注意点妥当性研究的量测值妥当性研究的量测值开挖工法开挖工法分部尺寸、一次掘进长度分部尺寸、一次掘进长度掌子面稳定性、地表面下沉、接近结构物位掌子面稳定性、地表面下沉、接近结构物位移等移等掌子面稳定对策掌子面稳定对策设计方法、设计、影响预测方设计方法、设计、影响预测方法等法等地下水对策地下水对策周边影响对策周边影响对策超前支

5、护超前支护初期支护初期支护设计方法、设计、解析方法等设计方法、设计、解析方法等地表面下沉、净空位移、拱顶下沉、喷混凝地表面下沉、净空位移、拱顶下沉、喷混凝土应力、衬砌应力、使用开始后有无变异等土应力、衬砌应力、使用开始后有无变异等表表2 2 研究妥当性的项目研究妥当性的项目 表表3 3 作为参考的设计注意事项作为参考的设计注意事项注意事项注意事项研究内容研究内容围岩特性围岩特性围岩种类和净空位移值的关系围岩种类和净空位移值的关系开挖工法开挖工法分部的方法分部的方法 开挖方式开挖方式一次掘进长度、机械性能等一次掘进长度、机械性能等辅助工法辅助工法种类及效果种类及效果支护结构支护结构支护模式支护模

6、式支护材料支护材料使用材料的种类，使用材料的种类，喷混凝土配比、强度、施工喷混凝土配比、强度、施工二次衬砌二次衬砌设计方法、混凝土强度、是否采用钢纤设计方法、混凝土强度、是否采用钢纤维等维等表表4 4 隧洞和斜井的喷锚支护类型和参数隧洞和斜井的喷锚支护类型和参数毛洞跨毛洞跨度（度（m m）B5B5 5B10 5B1010B1510B1515B2015B2020B2520B25I I 不支护不支护50mm50mm厚喷射混凝厚喷射混凝土土(1)80(1)80100mm100mm厚喷射厚喷射混凝土混凝土(2)50mm(2)50mm厚喷射混凝厚喷射混凝土，设置土，设置2 22.5m2.5m长长的锚杆的

7、锚杆100100150mm150mm厚喷射厚喷射混凝土，设置混凝土，设置2.52.53m3m长的锚杆，长的锚杆，必要时配置钢筋网必要时配置钢筋网120120150mm150mm厚钢厚钢筋网喷射混凝土，筋网喷射混凝土，设置设置3 34m4m长的长的锚杆锚杆 50mm50mm厚喷射混厚喷射混凝土凝土(1)80(1)80100mm100mm厚厚喷射混凝土喷射混凝土(2)50mm(2)50mm厚喷射厚喷射混凝土，设置混凝土，设置1.51.52m2m长的锚长的锚杆杆(1)120(1)120150mm150mm厚喷厚喷射混凝土，必要时，射混凝土，必要时，配置钢筋网配置钢筋网(2)80(2)80120mm1

8、20mm厚喷射厚喷射混凝土，设置混凝土，设置2 23m3m长的锚杆，必要时配长的锚杆，必要时配置钢筋网置钢筋网 120 120150mm150mm厚钢厚钢筋网喷射混凝土，筋网喷射混凝土，设置设置3 34m4m长的锚长的锚杆杆150150200mm200mm厚钢厚钢筋网喷射混凝土，筋网喷射混凝土，设置设置5 56m6m长的长的锚杆，必要时设锚杆，必要时设置长度大于置长度大于6m6m的的预应力或非预应预应力或非预应力锚杆力锚杆 (1)80(1)80100mm100mm厚喷射混凝土厚喷射混凝土(2)50mm(2)50mm厚喷厚喷射混凝土，设射混凝土，设置置1.51.52m2m长长的锚杆的锚杆(1)1

9、20(1)120150mm150mm厚喷射混凝土，厚喷射混凝土，必要时配置钢筋必要时配置钢筋网网(2)80(2)80100mm100mm厚喷射混凝土，厚喷射混凝土，设置设置2 22.5m2.5m长长的锚杆，必要时的锚杆，必要时配置钢筋网配置钢筋网100100150mm150mm厚钢筋网厚钢筋网喷射混凝土，设置喷射混凝土，设置3 34m4m长的锚杆长的锚杆150150200mm200mm厚钢厚钢筋网喷射混凝土，筋网喷射混凝土，设置设置4 45m5m长的锚长的锚杆，必要时设置长杆，必要时设置长度大于度大于5m5m的预应力的预应力或非预应力锚杆或非预应力锚杆 8080lOOmmlOOmm厚厚喷射混凝

10、土，喷射混凝土，设置设置1.51.52m2m长的锚杆长的锚杆100100150mm150mm厚钢筋网厚钢筋网喷射混凝土，设置喷射混凝土，设置2 22.5m2.5m长的锚杆，必要长的锚杆，必要时采用仰拱时采用仰拱150150200mm200mm厚钢筋网喷厚钢筋网喷射混凝土，设置射混凝土，设置3 34m4m长的锚杆，必要时采用长的锚杆，必要时采用仰拱并设置长度大于仰拱并设置长度大于4m4m的锚杆的锚杆 V V120120150mm150mm厚厚钢筋网喷射混钢筋网喷射混凝土，设置凝土，设置1.51.52m2m长的长的锚杆，必要时锚杆，必要时采用仰拱采用仰拱150150200mm200mm厚钢筋网厚钢

11、筋网喷射混凝土，设置喷射混凝土，设置2 23m3m长的锚杆，采用仰长的锚杆，采用仰拱，必要时加设钢架拱，必要时加设钢架注：注：1 1 表中的支护类型和参数，是指隧洞和倾角小于表中的支护类型和参数，是指隧洞和倾角小于3030的斜井的永久支护，包括初期支护与后期支护的的斜井的永久支护，包括初期支护与后期支护的类型和参数。类型和参数。 2 2 服务年限小于服务年限小于1010年及洞跨小于年及洞跨小于3 35m5m的隧洞和斜井，表中的支护参数，可根据工程具体情况，适当的隧洞和斜井，表中的支护参数，可根据工程具体情况，适当减小。减小。 3 3 复合衬砌的隧洞和斜井，初期支护采用表中的参数时，应根据工程的

12、具体情况，予以减小。复合衬砌的隧洞和斜井，初期支护采用表中的参数时，应根据工程的具体情况，予以减小。 4 4 陡倾斜岩层中的隧洞或斜井易失稳的一侧边墙和缓倾斜岩层中的隧洞或斜井顶部，应采用表中第陡倾斜岩层中的隧洞或斜井易失稳的一侧边墙和缓倾斜岩层中的隧洞或斜井顶部，应采用表中第(2)(2)种支护类型和参数。其他情况下，两种支护类型和参数均可采用。种支护类型和参数。其他情况下，两种支护类型和参数均可采用。 5 5 对高度大于对高度大于15150m0m的侧边墙，应进行稳定性验算。并根据验算结果，确定锚喷支护参数。的侧边墙，应进行稳定性验算。并根据验算结果，确定锚喷支护参数。开始掌握基本条件、围岩条

13、件2、隧道断面积，断面形状3、环境条件4、隧道的使用目的，用途决定设计条件决定围岩级别一般围岩或 特殊围岩是否一般设计条件采用标准支护模式根据标准支护模式表和围岩级别选定标准支护模式围岩分级基准用其他方法设计支护模式、类比设计2、解析设计结束NoNoYesYes 图图1 1 初步设计中的标准支护模式设计的流程初步设计中的标准支护模式设计的流程 表表1 标准设计的适用范围标准设计的适用范围 一般围岩一般围岩 特殊围岩特殊围岩 土砂围岩土砂围岩 隧道埋深在隧道埋深在2500m范围埋深范围埋深超过超过500m时，对时，对围岩预计没有岩爆围岩预计没有岩爆等现象时也适用。等现象时也适用。 不发生显著的不

14、发生显著的膨胀性膨胀性地压，单线地压，单线净空位移在净空位移在15cm，双线、新干线净空双线、新干线净空位移在位移在30cm以下的以下的围岩。围岩。 新第三纪的砂质土、风化残新第三纪的砂质土、风化残积土等，采用超前支护和简积土等，采用超前支护和简便的排便的排水措施可使掌子面稳定的围岩。水措施可使掌子面稳定的围岩。 在硬岩、中硬岩、软岩中，在硬岩、中硬岩、软岩中，隧道埋深在隧道埋深在5D2D，采用辅助工法，采用辅助工法可使掌子面稳定的场合。可使掌子面稳定的场合。 硬岩、中硬岩、软岩中，有硬岩、中硬岩、软岩中，有断层破碎带，但采用辅助工法可使断层破碎带，但采用辅助工法可使掌子面稳定的情况。掌子面稳

15、定的情况。表表 2 标准设计应用上的注意事项标准设计应用上的注意事项 一般围岩一般围岩 特殊围岩特殊围岩 土砂围岩土砂围岩 采用辅助工法时，要修采用辅助工法时，要修正支护正支护构件的设计。构件的设计。 在硬岩的下半断面，根在硬岩的下半断面，根据裂隙状态，可能不能期待据裂隙状态，可能不能期待锚杆的内压效果，此时可省锚杆的内压效果，此时可省略锚杆。略锚杆。 在软岩中，弹性波速度在软岩中，弹性波速度大于大于2.6km/s，围岩强度比，围岩强度比小于小于2时，应格外注意。时，应格外注意。 硬岩中，根据裂隙状态硬岩中，根据裂隙状态，可，可 同时采用喷混凝土和同时采用喷混凝土和锚杆，或采用锚杆和金属网锚杆

16、，或采用锚杆和金属网而不采用喷混凝土，或采用而不采用喷混凝土，或采用无支护的。无支护的。 预计单线在预计单线在15cm、双线在双线在30cm以上的净以上的净空位移时，应立即修正空位移时，应立即修正设计。设计。 发生钢支撑局部屈发生钢支撑局部屈服和喷混凝土开裂的情服和喷混凝土开裂的情况，应增加喷混凝土的况，应增加喷混凝土的强度，增加金属网以提强度，增加金属网以提高其柔性。高其柔性。 应研究超前支护应研究超前支护、正面支护、环形开挖、正面支护、环形开挖、临时闭合等措施。、临时闭合等措施。 应考虑的辅助工法有：应考虑的辅助工法有：斜锚杆、斜锚杆、管棚等。管棚等。 采用排水钻孔、压浆采用排水钻孔、压浆

17、等情况，对等情况，对 级围岩要专级围岩要专门研究。门研究。 根据掌子面的自稳性根据掌子面的自稳性，可采用正面喷混凝土、，可采用正面喷混凝土、临时闭合等。临时闭合等。 根据锚杆的拉拔力，根据锚杆的拉拔力，研究锚杆的长度、孔径及研究锚杆的长度、孔径及锚固方法等。锚固方法等。 没有受拉力的锚杆可没有受拉力的锚杆可以取消。以取消。表表3 3 单线铁路隧道标准支护参数单线铁路隧道标准支护参数围围岩岩级级别别初期支护初期支护二次衬砌二次衬砌(cm)喷混凝土厚度喷混凝土厚度(cm)锚杆锚杆钢筋钢筋网网钢架钢架拱部、拱部、边墙边墙仰拱仰拱拱部、边拱部、边墙墙仰拱仰拱位置位置长度长度（m）间距间距（m）4-25

18、-6-局部设置局部设置2.01.21.5-25-1010拱、墙拱、墙2.02.51.01.2必必-要要时设时设置置-30301414拱、墙拱、墙2.53.00.81.0拱、拱、墙、墙、仰拱仰拱必要必要时设时设置置3535通过试验确定通过试验确定图图2 2 单线铁路隧道典型的单线铁路隧道典型的标准断面及支护模式标准断面及支护模式(cm) (cm) 表表4 4 双线铁路隧道的标准支护参数双线铁路隧道的标准支护参数围围岩岩级级别别初期支护初期支护二次衬砌二次衬砌(cm)喷混凝土厚度喷混凝土厚度(cm)锚杆锚杆钢筋钢筋网网钢架钢架拱部、拱部、边墙边墙仰拱仰拱拱部、拱部、边墙边墙仰拱仰拱位置位置长度长度

19、(m)间距间距(m)5-局部局部设置设置2.01.5-30-1010拱、拱、墙墙2.02.51.21.5必要必要时设时设置置-35351515拱、拱、墙墙2.53.01.01.2拱、拱、墙、墙、仰拱仰拱必要必要时设时设置置35352020拱、拱、墙墙3.03.50.81.0拱、拱、墙、墙、仰拱仰拱拱、拱、墙、墙、仰拱仰拱4040通过试验确定通过试验确定图图3 3 双线铁路隧道典型的双线铁路隧道典型的标准断面及支护模式标准断面及支护模式(cm)(cm)（2 2） 日本铁路隧道标准支护模式日本铁路隧道标准支护模式 表表5 5 单线单线铁路隧道的标准支护参数铁路隧道的标准支护参数支护构件支护构件锚杆

20、锚杆喷混凝土（喷混凝土（cm）钢支撑钢支撑标准支护标准支护模模式式配置配置长度长度(m)根数根数间间距距(m)拱部、边拱部、边墙墙 仰仰 拱拱种类种类NP5（平均）（平均）NP拱部拱部204（随意）（随意）10(平均平均)NP拱部拱部26l.510(平均平均)NP拱部、拱部、边墙边墙3101.010(最小最小)(100H)*SP拱部、拱部、边墙边墙312l.010(最小最小)10 (最小最小)100HLP拱部、拱部、边墙边墙38l.015(最小最小)100H图图4 4 单线铁路隧道典型的单线铁路隧道典型的标准断面及支护模式标准断面及支护模式(m)(m)表表6 6 双线铁路隧道标准支护参数双线铁

21、路隧道标准支护参数支护构件支护构件锚杆锚杆喷混凝土（喷混凝土（cm）钢支撑钢支撑标准支护标准支护模模式式配置配置长度长度(m)根数根数间间 距距 (m)拱部、边墙拱部、边墙 仰仰 拱拱 种类种类NP-5(平均平均)-NP拱部拱部205（随意）（随意）10（平均）（平均）-NP拱部拱部38l.510(平均平均)NP拱部、拱部、边墙边墙312l.015(最小最小)(125H)*SP拱部、拱部、边墙边墙384101.015(最小最小)15（最小（最小)150HLP拱部、拱部、边墙边墙3101.020(最小最小)125H图图5 5 双线铁路隧道典型双线铁路隧道典型的标准断面及支护模式的标准断面及支护模

22、式(m)(m)表表7 新干线隧道标准支护参数新干线隧道标准支护参数支扩构件支扩构件锚杆锚杆喷混凝土（喷混凝土（cm）钢支撑钢支撑标准支护标准支护模模式式配置配置长度长度(m)根数根数间间 距距 (m)拱部、边拱部、边墙墙 仰仰 拱拱 种类种类NP-5（平均）（平均）-NP拱部拱部206（随意）（随意）5(平均平均)-NP拱部拱部310l.510(平均平均)-NP拱部、拱部、边墙边墙3141.010(最小最小)-(100H)*SP拱部、拱部、边墙边墙38412l.010(最小最小)15（最小（最小)100HLP拱部、拱部、边墙边墙312l， 015(最小最小)-100H注：注： 1. 4m1.

23、4m长的锚杆，配置在拱脚附近。长的锚杆，配置在拱脚附近。 2. 2. 如采用钢支撑，以括号内种类为准。如采用钢支撑，以括号内种类为准。图图6 6 新干线隧道标准新干线隧道标准断面及支护模式（断面及支护模式（m m） （3） 日本公路隧道的标准设计日本公路隧道的标准设计 日本公路隧道的标准设计的程度是比较高的。不仅有双车日本公路隧道的标准设计的程度是比较高的。不仅有双车道隧道，三车道隧道的标准设计，还有双车道隧道紧急停车道隧道，三车道隧道的标准设计，还有双车道隧道紧急停车带的标准设计。带的标准设计。 表表8 8 双车道隧道标准支护模式双车道隧道标准支护模式围围岩岩级级别别支护支护模式模式标准标准

24、一次一次掘进掘进长度长度(cm)锚杆锚杆喷混喷混凝土凝土钢支撑钢支撑衬砌厚度衬砌厚度变变形形富富裕裕开挖开挖方法方法长度长度(cm)施工间隔施工间隔施工范施工范围围厚度厚度(cm)上半上半尺寸尺寸下半下半尺寸尺寸拱、拱、边墙边墙(cm)仰拱仰拱(cm)环向环向纵向纵向BB-a2.03.01.52.0上半上半1205_-3000辅助辅助台阶台阶的全的全断面断面法或法或上半上半断面断面台阶台阶法法CC-a1.53.01.51.5上半上半12010-30(40)0CC-a1.23.01.51.2上下半上下半10-30(40)0C-b1.23.01.51.210-30(40)0DD-a1.03.01.

25、21.0上下半上下半15H125-30450D-b1.04.01.21.015H125H12530450D-a1.04.01.21.0上下半上下半20H 150H150305010表表9 9 双车道隧道紧急停车带的标准支护模式双车道隧道紧急停车带的标准支护模式围岩围岩级别级别锚杆锚杆喷混凝土喷混凝土钢支撑钢支撑衬砌厚度衬砌厚度长度长度（m m）施工间隔（施工间隔（m m）厚度（厚度（cmcm）上半上半尺寸尺寸下半下半尺寸尺寸间隔间隔（m m）拱、墙拱、墙仰拱仰拱环向环向纵向纵向B B无无1.5(1.5(上半上半) )2.02.01010无无无无- -4040- -CC4.04.01.21.21

26、.51.51515无无无无- -4040（5050）CC4.04.01.21.21.21.21515H-150H-150无无1.21.240405050DD6.06.01.01.01.01.02020H-150H-150H-150H-1501.01.040405050DD个别设计个别设计表表10 三车道隧道的标准支护模式三车道隧道的标准支护模式围岩围岩级别级别锚杆锚杆喷混凝土喷混凝土钢支撑钢支撑衬砌厚度衬砌厚度长度长度（m）施工间隔施工间隔(m)厚度厚度(cm)上半尺上半尺寸寸下半尺下半尺寸寸间隔间隔（m）拱、墙拱、墙仰拱仰拱环向环向纵向纵向B3.01.51.510无无无无-40-C4.01.

27、21.215H-150无无1.2 4050C4.01.21.220H-150H-150 1.2 4050D6.01.01.020H-200H-2001.0 4050D个别设计个别设计表表11 11 三车道隧道紧急停车带支护模式的大致标准三车道隧道紧急停车带支护模式的大致标准围岩围岩级别级别锚杆锚杆喷混凝土喷混凝土钢支撑钢支撑衬砌厚度衬砌厚度长度长度（m m）施工间隔（施工间隔（m m）厚度（厚度（cmcm）上半上半尺寸尺寸下半尺下半尺寸寸间隔间隔（m m）拱、墙拱、墙仰拱仰拱环向环向纵向纵向B B6.06.01.21.21.21.21515无无无无1.21.250505050CC6.06.01

28、.01.01.01.02020H-299H-299无无1.01.050505050CC6.06.01.01.01.01.02525H-250H-250H-250H-2501.01.050505050 参考上述标准支护参数时要注意：日本的铁路隧道和参考上述标准支护参数时要注意：日本的铁路隧道和公路隧道是采用不同的围岩分级方法，表中所列的级别，公路隧道是采用不同的围岩分级方法，表中所列的级别，请参考日本的分级方法。请参考日本的分级方法。 一般说，根据围岩级别采用的标准支护模式，即使在一般说，根据围岩级别采用的标准支护模式，即使在同一的围岩级别条件下，因埋深大，支护构件稳定性有时同一的围岩级别条件下

29、，因埋深大，支护构件稳定性有时也会出现问题，应参考围岩的变形系数和埋深的关系以及也会出现问题，应参考围岩的变形系数和埋深的关系以及量测结果等，修正标准的支护结构模式。量测结果等，修正标准的支护结构模式。 图图7 7 砂质地层的双线断面形状例砂质地层的双线断面形状例图图8 8黏性土地层双线断面形状例黏性土地层双线断面形状例表表12 双线隧道的标准初期支护参数双线隧道的标准初期支护参数支护模式支护模式INPILCPILSP围岩级别围岩级别INILCILS喷混凝土喷混凝土上上下半断面下半断面200mm250mm250mm仰拱仰拱200mm250mm250mm钢支撑钢支撑间距间距1m1m1m上上下半断

30、面下半断面125H150H150H仰拱仰拱125H150H150H锚杆锚杆长度长度3m3m3m根数根数12根根12根根10根根短超前支护短超前支护长度长度2m3m3m间距（环向）间距（环向）0.6m0.6m0.6m表表13 单线隧道的标准初期支护参数单线隧道的标准初期支护参数支护模式支护模式INPILCPILSP围岩级别围岩级别INILCILS喷混凝土喷混凝土上上下半断面下半断面150mm200mm200mm仰拱仰拱150mm200mm200mm钢支撑钢支撑间距间距1m1m1m上上下半断面下半断面100H125H125H仰拱仰拱100H125H125H锚杆锚杆长度长度3m3m3m根数根数1根根

31、10根根10根根短超前支护短超前支护长度长度2m3m3m间距（环向）间距（环向）0.6m0.6m0.6m表表14 二次衬砌和仰拱的标准设计（双线）二次衬砌和仰拱的标准设计（双线）名名称称围围岩岩级级别别设计荷设计荷载（水载（水压）距压）距衬砌拱衬砌拱顶的高顶的高度（度（m m）标准设计断面标准设计断面记事记事二次衬砌二次衬砌仰拱仰拱近接施工的可能范近接施工的可能范围围防排水形防排水形式式厚度厚度（cmcm）配筋配筋厚度厚度（cmcm）配筋配筋加载加载maxmax KPa KPa卸载卸载h hminmin/H/HI INLNLI IN N无无3030无无4545无无排水型排水型I INL-NL-

32、无无5050D19250mmD19250mm5050D19250mmD19250mm40400.90.9排水型排水型I INL0NL00 05050D19250mmD19250mm5050D19250mmD19250mm95950.80.8防水型防水型I INL5NL55 55050D19250mmD19250mm5050D19D1925mm25mm1251250.70.7I INL10NL1010106060D19250mmD19250mm6060D19D1925mm25mm1501500.70.7I ILLLLI IL L无无3030无无4545无无排水型排水型I ILL-LL-无无505

33、0D19250mmD19250mm5050D19250mmD19250mm15150.90.9排水型排水型I ILL0LL00 05050D19250mmD19250mm5050D19250mmD19250mm60600.90.9防水型防水型I ILL5LL55 55050D19250mmD19250mm5050D19D1925mm25mm75750.90.9I ILL10LL1010106060D19250mmD19250mm6565D19D1925mm25mm55550.90.9 表表15 二次衬砌和仰拱的标准设计（单线）二次衬砌和仰拱的标准设计（单线）名称名称围围岩岩级级别别设计荷载设计

34、荷载（水压）（水压）距衬砌拱距衬砌拱顶的高度顶的高度（m m）标准设计断面标准设计断面记事记事二次衬砌二次衬砌仰拱仰拱近接施工的可能范围近接施工的可能范围防排水防排水形式形式厚度厚度（cmcm）配筋配筋厚度厚度（cmcm）配筋配筋加载加载maxmax KPa KPa卸载卸载h hminmin/H/HI INLNLI IN N无无4040无无4040无无排水型排水型I INL-NL-无无4040D19250mD19250mm m4040D19250mmD19250mm65650.80.8排水型排水型I INL0NL00 04040D19250mD19250mm m4040D19250mmD192

35、50mm1051050.80.8防水型防水型I INL5NL55 54040D19250mD19250mm m4040D1925D1925mmmm65650.90.9I INL10NL1010104040D19250mD19250mm m4040D1925D1925mmmm25250.90.9I ILLLLI IL L无无3030无无3030无无排水型排水型I ILL-LL-无无4040D19250mD19250mm m4040D19250mmD19250mm35350.80.8排水型排水型I ILL0LL00 04040D19250mD19250mm m4040D19250mmD19250m

36、m75750.90.9防水型防水型I ILL5LL55 54040D19250mD19250mm m4040D1925D1925mmmm55550.80.8a)a)主动荷载模式；主动荷载模式； b)b)主动荷载被动荷载主动荷载被动荷载 ；c)c)实际荷载（形变荷载）实际荷载（形变荷载）（2 2）结构与围岩松散接触的情况：）结构与围岩松散接触的情况：在接触面上只能传递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。的隧道都符合这种情况。图图2 2 形变压力的特征形变压力的特征表表1 松弛荷载的计算

37、公式松弛荷载的计算公式隧道类型隧道类型 计算公式计算公式 公式公式 符号意义符号意义铁路隧道铁路隧道q=0.043 e 0.64(6-s) (B+H)q:垂直均布压力垂直均布压力：围岩单位容重：围岩单位容重S：围岩级别：围岩级别B、H：坑道的宽度、高度：坑道的宽度、高度Kb:跨度影响系数跨度影响系数公路隧道公路隧道q=0.8Kb e 0.62 (6-s)水工隧洞水工隧洞q=(0.20.3)B注：公式来源于有关规范。注：公式来源于有关规范。 表表2 各级围岩的弹性抗力系数各级围岩的弹性抗力系数K的标准值的标准值围岩级别围岩级别K（MPa/m）180028001200180050012002005

38、00100200100 21410021DEKn弹性抗力与水平荷载之间有密切关系，在松散地层中因水弹性抗力与水平荷载之间有密切关系，在松散地层中因水平荷载大，弹性抗力很小，围岩约束衬砌变形的作用不大，一平荷载大，弹性抗力很小，围岩约束衬砌变形的作用不大，一般计算中可以忽略弹性抗力。但在岩质隧道中，弹性抗力的作般计算中可以忽略弹性抗力。但在岩质隧道中，弹性抗力的作用是非常显著的，它能够充分体现围岩约束变形的作用。用是非常显著的，它能够充分体现围岩约束变形的作用。 弹性抗力分布多数按径向分布，但也可按水平分布处理。弹性抗力分布多数按径向分布，但也可按水平分布处理。一般以弹簧表示一般以弹簧表示, ,

39、有全周弹簧模式和在围岩条件差的情况采用有全周弹簧模式和在围岩条件差的情况采用在隧道顶部在隧道顶部4545范围内不设置弹簧的模式。计算时弹簧出现拉范围内不设置弹簧的模式。计算时弹簧出现拉力的场合应取消弹簧。力的场合应取消弹簧。图图3 3 弹性抗力的分布图弹性抗力的分布图图图4 4 弹性抗力的弹簧设置弹性抗力的弹簧设置 图图5 5 近接施工种类和变形动态特征近接施工种类和变形动态特征a)a) 隧道上部填土；隧道上部填土；b)b) 隧道上部挖土；隧道上部挖土；c)c) 隧道并列；隧道并列；d)d) 隧道交叉隧道交叉图图6 6 地中应力分布地中应力分布图图7 7 地表面加载地表面加载1kgf/cm1k

40、gf/cm2 2时，隧道时，隧道 正上方的垂直应力分布正上方的垂直应力分布 随着深度的增加，隧道正上方的随着深度的增加，隧道正上方的应力逐渐减少，深度达应力逐渐减少，深度达20m20m时，仅为地时，仅为地表荷载的表荷载的1/151/15。一般说，超过某一深。一般说，超过某一深度后（隧道直径的度后（隧道直径的2 23 3倍），可认为倍），可认为隧道正上方的应力基本上与地表荷载隧道正上方的应力基本上与地表荷载无关，而仅收到松弛压力的作用。无关，而仅收到松弛压力的作用。有限单元法有限单元法应力分散公式法应力分散公式法表表3 开挖引起的地层承载力的变化开挖引起的地层承载力的变化情况情况Qu( kN/m

41、2)qu/Cqu/qu0a)2710.85.421.000b)1350.82.700.498c)2518.95.040.929d)505.61.010.187e)1728.03.460.637f)1101.42.200.406图图1 1 围岩的力学模式例围岩的力学模式例图图2 2 破坏接近度的非线性模式破坏接近度的非线性模式 a)a)三轴试验的应力应变曲线；三轴试验的应力应变曲线；b)b)破坏接近度；破坏接近度；c)c)破坏接近度和变破坏接近度和变形系数的关系；形系数的关系；d)d)破坏接近度和泊松比的关系破坏接近度和泊松比的关系图图3 3 松弛系数松弛系数 当当R 1，R Rmin时：时：

42、D=Do =o 当当Rmin R 1时：时：)()1 ()1 (02211021ffRRRRDD式中：式中：1、2、1、2表示非线性的参数，由实验确定；表示非线性的参数，由实验确定； R为松弛系数，为松弛系数， k为弹性极限参数，为弹性极限参数， 为弹性极限状态的为弹性极限状态的 值值 。mtkdRminmin/ )(mtkmin、mmin、m2、围岩和隧道的模式化、围岩和隧道的模式化 （1）解析区域）解析区域 伴随隧道开挖使围岩应力变化的范围大致在伴随隧道开挖使围岩应力变化的范围大致在2D左右，因此，左右，因此，作为解析区域要确保在隧道外侧最小作为解析区域要确保在隧道外侧最小2D的范围。一般

43、在水平的范围。一般在水平方向取方向取(45)D，垂直方向取，垂直方向取(23)D 。图图4 4 解析区域解析区域 表表 1 1 一般采用的边界条件一般采用的边界条件边界的种类边界的种类水平方向水平方向的位移的位移垂直方向垂直方向的位移的位移备注备注解析区域的解析区域的上面上面自由自由自由自由地表面的上覆荷载或解析区域上面的围地表面的上覆荷载或解析区域上面的围岩重量，可作为荷载作用在边界面上。岩重量，可作为荷载作用在边界面上。解析区域的解析区域的侧面侧面固定固定自由自由初始侧压系数大于初始侧压系数大于1 1时。在初始应力解时。在初始应力解析中，侧面的水平方向位移不要固定，析中，侧面的水平方向位移

44、不要固定，而把水平土压作为荷载作用之。而把水平土压作为荷载作用之。解析区域的解析区域的下面下面固定固定固定固定 表表2 2 围岩和支护构件的模式化围岩和支护构件的模式化模式化的构件模式化的构件单元种类单元种类围岩围岩平面单元平面单元喷混凝土喷混凝土棒单元棒单元钢支撑钢支撑梁单元梁单元锚杆锚杆棒单元和特殊结合单元棒单元和特殊结合单元二次衬砌二次衬砌格子单元或平面单元和棒单元格子单元或平面单元和棒单元图图5 5 锚杆和特殊结合单元锚杆和特殊结合单元 图图6 6 格子单元格子单元 图图7 7 平面单元与棒单元的结合平面单元与棒单元的结合 图图8 8 支护设置时期和隧道位移支护设置时期和隧道位移 （a

45、 a） 图图9 9 初始侧压系数和埋深的关系初始侧压系数和埋深的关系 （b b） （c c） 图图10 10 变形系数和净空位移的关系变形系数和净空位移的关系 图图11 11 围岩级别和围岩变形系数的关系围岩级别和围岩变形系数的关系 表表3 泊松比的标准值泊松比的标准值围岩围岩初始泊松比初始泊松比o破坏时泊松比破坏时泊松比f硬岩硬岩0.250.45中硬岩、软岩中硬岩、软岩0.300.45未固结围岩（土砂）未固结围岩（土砂）0.350.45 (c)(c)弹性极限弹性极限E EELEL、非线性参数、非线性参数n n 一般根据三轴试验的应力一般根据三轴试验的应力- -应变曲线求出，没有物性试应变曲线

46、求出，没有物性试验结果时，可根据围岩级别确定。验结果时，可根据围岩级别确定。表表4 喷混凝土的流变试验结果例喷混凝土的流变试验结果例材龄材龄2天天3天天7天天加载时的强度（加载时的强度（MPa）18.620.524.3加载应力（加载应力（MPa）3.115.666.79加载时应变（加载时应变（10）160490580加载后加载后28天的应变（天的应变（10）9101190130028天的干燥收缩应变（天的干燥收缩应变（10）600570470加载时的弹性系数（加载时的弹性系数（GPa）19.411.611.728天后的视弹性系数（天后的视弹性系数（GPa）2.913.373.61 图图12 1

47、2 隧道净空位移与掌子面的关系隧道净空位移与掌子面的关系 表表5 隧道设计的容许值例隧道设计的容许值例设计原则设计原则支护构件作为主体支护构件作为主体结构的一部分时结构的一部分时支护构件作为支护构件作为临时结构时临时结构时以支护构件强以支护构件强度使用的情况度使用的情况位移位移净空位移值净空位移值0.002D0.015D围岩稳定性围岩稳定性破坏接近度破坏接近度0.2塑性区塑性区0.2D支护构件的支护构件的应力应力喷混凝土应喷混凝土应力力kgf/cm20.85fck/cbt0.85fck/t0.85fck锚杆应力锚杆应力MPa180200295345主要对象的围岩主要对象的围岩n n nn n

48、LsD：隧道直径（：隧道直径（mm）fck：喷混凝土设计基准强度（：喷混凝土设计基准强度（MPa）c：喷混凝土的材料系数（：喷混凝土的材料系数（=1.3）b：喷混凝土的构件系数（：喷混凝土的构件系数（=1.15）t：喷混凝土的结构物系数（：喷混凝土的结构物系数（=1.1）图图2 2 隧道开挖前后岩层中隧道开挖前后岩层中 地下水流动概念图地下水流动概念图图图2 2 山地表层的水循环山地表层的水循环图图3 3 浅层地下水面和深部地下水的关系模式浅层地下水面和深部地下水的关系模式图图4 4 层状水和脉状水层状水和脉状水图图5 5 岩层中地下水的分布岩层中地下水的分布表表1 外水压力折减系数外水压力折

49、减系数级别级别地下水活动状态地下水活动状态地下水对围岩稳定的影响地下水对围岩稳定的影响值值1洞壁干燥或潮湿洞壁干燥或潮湿无影响无影响00.22沿结构面有渗水或滴水沿结构面有渗水或滴水风化结构面有充填物质，地下水降低风化结构面有充填物质，地下水降低结构面抗剪强度，对软弱岩体有软化结构面抗剪强度，对软弱岩体有软化作用。作用。0.10.43沿裂隙或软弱结构面有沿裂隙或软弱结构面有大量滴水、线状流水或大量滴水、线状流水或喷水喷水泥化软弱结构面有充填物质，地下水泥化软弱结构面有充填物质，地下水降低抗剪强度，对中硬岩体有软化作降低抗剪强度，对中硬岩体有软化作用。用。0.250.64严重滴水、沿软弱结构严重

50、滴水、沿软弱结构面有小量涌水面有小量涌水地下水冲刷结构面中的充填物质，加地下水冲刷结构面中的充填物质，加速岩体风化，对断层等软弱带软化泥速岩体风化，对断层等软弱带软化泥化，并使其膨胀崩解及产生机械管涌，化，并使其膨胀崩解及产生机械管涌，有渗透压力，能够鼓开较薄的软弱层。有渗透压力，能够鼓开较薄的软弱层。0.40.85严重股状流水、断层等严重股状流水、断层等软弱带有大量涌水软弱带有大量涌水地下水冲刷带出结构面中的充填物质，地下水冲刷带出结构面中的充填物质，分离岩体，有渗透压力，能够鼓开一分离岩体，有渗透压力，能够鼓开一定厚度的断层等软弱带，并导致围岩定厚度的断层等软弱带，并导致围岩坍方。坍方。0

51、.651.0表表2 2 外水应力折减系数外水应力折减系数地下水活动分级地下水活动分级地下水活动情况地下水活动情况折减系数折减系数1无无02微弱微弱00.253显著显著0.25 0.50 4强烈强烈0.500.755剧烈剧烈0.751.00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/s）图图6 6 压注围岩的渗透模式压注围岩的渗透模式图图7 7 渗透渗透系数系数比和比和充填充

52、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 图图9 9 解析模式解析模式hrhhhhb)ln()/ln()/ln(/ )(2bhhkQbe 松弛区域的水头松弛区域的水头h：（k 松弛区域渗透系数）松弛区域渗透系数） 边界条件：当边界条件：当r=a时，时，h=0；当；当r=时，时，h=hb 。 )/ln(/ )/ln(aarhh)/ln(/2ahkQb)()/ln(/ )/ln()(brubruuuwwbww)0()/ln(/ )/ln(raaruuww 弹性区域孔隙水压：弹性区域孔隙水压： 弹性区域孔隙水压：弹性区域孔隙水压： 松弛区域孔隙水

53、压：松弛区域孔隙水压： 因为两区域的流量应相等，故有下列关系：因为两区域的流量应相等，故有下列关系：ebwwkknabnuu/1)/ln()/ln(/1其中： 没有松弛区域、注浆区域而完全是弹性区域时，孔隙没有松弛区域、注浆区域而完全是弹性区域时，孔隙水压分布：水压分布：)/ln(/ )/ln(abaruubww图图10 10 松弛区和空隙水压的关系松弛区和空隙水压的关系 图图11 11 松弛区和渗透系数比的关系松弛区和渗透系数比的关系图图12 压注区外周压力和压注区外周压力和 初应力的关系初应力的关系图图13 13 涌水引起的水位、水压降低和地层压密、收缩模式涌水引起的水位、水压降低和地层压

54、密、收缩模式 a) a) 土层土层 b) b) 岩层岩层表表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

55、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图图14 14 水压分布水压分布(1)(1)水位：拱顶上水位：拱顶上+10m+10m(2) (2) 水位：拱顶上水位：拱顶上+11m+11m(3) (3)

56、水位：拱顶上水位：拱顶上+47m+47m隅角的钢筋屈服隅角的钢筋屈服仰拱中央的钢筋屈服仰拱中央的钢筋屈服隅角产生压缩损伤隅角产生压缩损伤表表5 5 钢筋的屈服发展钢筋的屈服发展图图16 16 解析模式图解析模式图图图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，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

57、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图图2 2 极极限限状状态态 和和现现象象表表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，发生混凝土块掉落表表3 3 设计应考虑的荷载组

58、合设计应考虑的荷载组合极限状态荷载极限状态荷载使用极限状态使用极限状态最终极限最终极限状态状态备注备注自重自重土压土压衬砌完成后可能增衬砌完成后可能增加的场合考虑加的场合考虑水压水压低水位低水位：可以考虑：可以考虑高水位高水位高水位高水位异常时异常时接近施接近施工影响工影响长期的长期的接近施工后还有影接近施工后还有影响时响时短期的短期的接近施工中产生的接近施工中产生的影响影响其他其他备考备考常时或长时间持续的荷常时或长时间持续的荷载载除地震外除地震外的荷载的荷载注：原则上考虑；注：原则上考虑； ：必要时考虑；必要时考虑； ：只在异常水位时考虑。只在异常水位时考虑。表表4 4 二次衬砌和仰拱的安

59、全系数二次衬砌和仰拱的安全系数极限状态极限状态使用极限状态使用极限状态最终极限状态最终极限状态材料系数材料系数混凝土混凝土1.01.01.31.3钢筋钢筋1.01.01.01.0荷载系数荷载系数1.01.01.01.0结构解析系数结构解析系数1.01.01.01.0构件系数构件系数1.01.01.151.15（1.31.3计算抗剪承载力时用）计算抗剪承载力时用）结构物系数结构物系数1.01.01.11.1地层调查系数地层调查系数1.01.01.01.0表表5 5 铁路隧道结构安全等级铁路隧道结构安全等级安全等级安全等级结结 构构 类类 型型一级一级大跨度及复杂结构，如三线以上大跨隧道、明洞和其

60、他大跨度及复杂结构，如三线以上大跨隧道、明洞和其他新型新型结构等结构等二级二级单、双线铁路隧道结构单、双线铁路隧道结构三级三级单、双线铁路明洞及棚洞等单、双线铁路明洞及棚洞等表表6 6 铁路隧道结构目标可靠指标铁路隧道结构目标可靠指标nomnom值值极限状态类型极限状态类型安安 全全 等等 级级一一二二三三正常使用极限状态正常使用极限状态1.02.5承载能力极限状态承载能力极限状态 脆性破坏脆性破坏 4.7 4.2 3.7 延性破坏延性破坏 4.2 3.7 3.2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