北京交通大学---隧道设计与施工---第4部分隧道设计方法.ppt

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1、1 1主讲主讲:谭忠盛谭忠盛隧道工程设计与施工隧道工程设计与施工隧道工程设计与施工隧道工程设计与施工北京交大隧道系北京交大隧道系2 2第四部分第四部分 隧道设计方法隧道设计方法3 3一、概一、概 述述长长期期以以来来，隧隧道道结结构构的的计计算算仅仅仅仅是是针针对对支支护护结结构构中中的的二二次次衬衬砌砌的的，在在计计算算中中一一直直采采取取拱拱涵涵力力学学模模式式，即即把把衬衬砌砌视视为为拱拱形形推推力力结结构构，承承受受来来自自围围岩岩的的主主动动和和被被动动荷荷载载。这这种种简简化化显显然然与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。例例如如：理理论论上上已已经经

2、证证实实，在在无无支支护护坑坑道道中中,坑坑道道本本身身就就是是承承载载结结构构，其其工工作作状状态态更更接接近近于于半半无无限限或或无无限限介介质质中中的的孔孔洞洞那样工作。那样工作。4 4 例例如如:明明挖挖施施工工隧隧道道（如如浅浅埋埋地地下下铁铁道道、明明洞洞等等），多多采采用用拱拱涵涵力力学学模模式式。因因为为这这种种承承受受回回填填材材料料重重量量的的结结构构与与拱拱涵涵的的工工作作状状态态是是一一致致的的。在在其其他他情情况况下下，则则与与圆圆管管静静力力学学模模式式或或与与半无限及无限介质中带加强环框的孔洞力学模式更为接近。半无限及无限介质中带加强环框的孔洞力学模式更为接近。5

3、 5 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

4、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工程结构物在本质上的差异，主要表现在以下几点：与其他工程结构物在本质上的差异，主要表现在以下几点：6 6（1 1）其他工程结构都是抵抗荷载的，）其他工程结构都是抵抗荷载的，而隧道结构，按目前而隧道结构，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。隧道结构的主体是围岩，其承载结构是由围岩和初期支护、衬砌道结构的主体是围岩，其承载结构是由围岩和初期支护、衬砌组成的一个整

5、体。该系统的荷载是由支护结构和围岩之间的相组成的一个整体。该系统的荷载是由支护结构和围岩之间的相互作用给定的，不是事先能给定的参数。互作用给定的，不是事先能给定的参数。（2 2）地面结构有很大自由空间）地面结构有很大自由空间，其中每个构件都是事先根，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。相反地，隧道全部是开挖出来的，是在初始地应力场作用下的工反地，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程材料中开挖出来的，也就是说是在具有一定应力场的围岩中修筑

6、的。结构很早就逐步地参与工作，其中的初始地应力场是修筑的。结构很早就逐步地参与工作，其中的初始地应力场是很难准确决定的。很难准确决定的。7 7（3 3）在在其其他他建建筑筑中中，设设计计者者能能够够计计算算与与荷荷载载假假定定相相适适应应的的结结构构的的性性质质，以以及及在在可可能能的的荷荷载载组组合合下下其其中中的的应应力力和和变变形形。在在隧隧道道工工程程中中要要想想计计算算出出材材料料（既既是是挖挖过过的的围围岩岩也也是是支支护护的的主主体体）中中的的应应力力和和变变形形是是很很困困难难的的，因因为为它它与与形形成成的的结结构构的的类类型型以及时间有很大关系。以及时间有很大关系。（4 4

7、）其其他他建建筑筑根根据据力力学学计计算算以以及及构构造造上上、经经济济上上的的考考虑虑来来选选择择工工程程结结构构的的材材料料，而而隧隧道道工工程程的的重重要要构构件件（围围岩岩），本本身身就就是是建建筑筑材材料料，我我们们既既不不能能选选择择，也也不不能能极极大大地地影影响响它它的的力力学性质。学性质。（5 5）在在施施工工中中，其其荷荷载载、变变形形和和安安全全度度与与其其他他结结构构相相比比都都还还远远远远没没有有确确定定，尤尤其其是是与与最最终终状状态态的的关关系系密密切切。因因此此，在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。隧道结构中最后状态的安全度检算和力学计算是

8、存在问题的。8 8二、设计方法的选择和适用条件二、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、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、环境条件等）选择合适的设计方法。条件、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（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

9、）；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、要的设计方法。在没有标准支护模式时，则要根据围岩条件、结构特点等选择类比设计或解析设计的方法进行设计。结构特点等选择类比设计或解析设计的方法进行设计。9 9目前，我国铁路隧道主要是采用标准设计方法进行设计的，目前，我国铁路隧道主要是采用标准设计方法进行设计的，而公路隧道还处在类比设计的阶段，但有的设计单位也逐渐向而公路

10、隧道还处在类比设计的阶段，但有的设计单位也逐渐向采用标准设计的方向演变。国外在绝大多数场合，公路隧道是采用标准设计的方向演变。国外在绝大多数场合，公路隧道是采用标准设计模式的。采用标准设计模式的。设计方法选择与围岩条件和设计条件有关，选择时可参考设计方法选择与围岩条件和设计条件有关，选择时可参考下表及下图。下表及下图。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

11、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1010图图1 1 设计方法的选择流程图设计方法的选择流程图 1111标准设计是用于一般围岩条件下的标准隧道断面的设计，标准设计是用于一般围岩条件下的标准隧道断面的设计，在围岩条件特殊或设计条件特殊时，采用已经实施过的、经过在围岩条件特殊或设计条件特殊时，采用已经实施过的、经过工程实际证实是安全和经济的支护结构模式的设计方法。工程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不仅研究隧道结构物

12、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，有必要采用解析方法分析地表面下沉等地层的动态。解析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，在下面所示的特殊条件的情况下，宜根据解析的计算结果，进行定量的判断：进行定量的判断：（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

13、的特）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；殊工法的情况；1212（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：在解析方法中，有两种主要的方法，即：传统

14、的结构力学传统的结构力学方法及近代的岩体力学方法。前者是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，即结构荷载模式。构荷载模式。后者是后者是把结构和周围岩体视为一体，作为共同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，这是我们目前在隧道设计中力求采用的或正在发展中的方法。前在隧道设计中力求采用的或正在发展中的方法。1313 数值解析方法主要有：有限元法、有限差分法、刚体单元数值

15、解析方法主要有：有限元法、有限差分法、刚体单元法、边界单元法、离散极限解析法、块体理论方法等。法、边界单元法、离散极限解析法、块体理论方法等。有限元数值解析方法的特征如下：有限元数值解析方法的特征如下：1 1）即使在解析对象区域的围岩和隧道几何形状复杂的情即使在解析对象区域的围岩和隧道几何形状复杂的情况，也能够采用各种单元的组合模式，不仅对初期支护，对二况，也能够采用各种单元的组合模式，不仅对初期支护，对二次衬砌都能够按实际形状进行解析；次衬砌都能够按实际形状进行解析；2 2）即使材料力学性质不同的各种单元也能够进行解析。为）即使材料力学性质不同的各种单元也能够进行解析。为此，可以把具有复杂地

16、质条件的围岩力学特性和初期支护（混此，可以把具有复杂地质条件的围岩力学特性和初期支护（混凝土材料、钢材等）等的力学特性等按实际情况模式化；凝土材料、钢材等）等的力学特性等按实际情况模式化；3 3）研究埋深小、对地表面有影响的情况时，能够推定伴随）研究埋深小、对地表面有影响的情况时，能够推定伴随开挖的下沉量。因此，也能判断压浆等改善围岩的效果；开挖的下沉量。因此，也能判断压浆等改善围岩的效果；4 4）因基础方程式的定式化比较容易，所以，可以考虑围岩）因基础方程式的定式化比较容易，所以，可以考虑围岩的非线性特性。的非线性特性。1414考虑上述性质，采用节理单元模拟不连续的裂隙围岩的方考虑上述性质，

17、采用节理单元模拟不连续的裂隙围岩的方法得到了应用，同时考虑粘弹塑性模式的研究也取得了一定的法得到了应用，同时考虑粘弹塑性模式的研究也取得了一定的进展。这样，使具有复杂支护模式的隧道和特殊围岩条件下的进展。这样，使具有复杂支护模式的隧道和特殊围岩条件下的隧道动态的解析也成为可能。隧道动态的解析也成为可能。为提高有限元解析方法的可靠性，采用数值解析的前提是为提高有限元解析方法的可靠性，采用数值解析的前提是仔细的地质调查和如何将其利用在设计中的评价技术。仔细的地质调查和如何将其利用在设计中的评价技术。结构力学解析方法，主要用于研究二次衬砌。把二次衬砌结构力学解析方法，主要用于研究二次衬砌。把二次衬砌

18、分割模拟成为近似小段的直线构件，取各结点为刚性连接的骨分割模拟成为近似小段的直线构件，取各结点为刚性连接的骨架结构。同时，对衬砌的变形采用地层弹簧支持的弹性体来计架结构。同时，对衬砌的变形采用地层弹簧支持的弹性体来计算衬砌断面内力的方法。算衬砌断面内力的方法。地层弹簧因按各节点设定，故对复杂地质条件的情况也能地层弹簧因按各节点设定，故对复杂地质条件的情况也能进行解析，并计算出衬砌断面的内力。但是，不能计算随掌子进行解析，并计算出衬砌断面的内力。但是，不能计算随掌子面进展和地表面下沉等情况。面进展和地表面下沉等情况。1515三、类比设计三、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

19、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。所谓类似条件所谓类似条件：围岩条件及断面形状等设计条件的类似。：围岩条件及断面形状等设计条件的类似。研究研究围岩条件类似围岩条件类似时，最有参考价值的是附近既有工程的时，最有参考价值的是附近既有工程的实际情况，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。设计条件的类似设

20、计条件的类似性主要是支护模式、地形条件、施工方法、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。1616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、

21、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、接近结构物位移掌子面稳定性、地表面下沉、接近结构物位

22、移等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、喷混凝土地表面下沉、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1717下面进一步说明围岩条件和设计条件的类似性。下面进一步说明围岩条件和设计条件的类似性。硬岩硬岩在硬岩中的类似围岩指：分级表中的地层名、岩石名中属在硬岩中的类似围岩指：分级表中的

23、地层名、岩石名中属于硬质围岩的。例如，地层名、岩石名同属于一类的，就可以于硬质围岩的。例如，地层名、岩石名同属于一类的，就可以判断有一定的类似性。因此，在类比设计时，可参考其弹性波判断有一定的类似性。因此，在类比设计时，可参考其弹性波速度、裂隙系数的类似性进行设计。速度、裂隙系数的类似性进行设计。中硬岩、软岩中硬岩、软岩在中硬岩、软岩中，岩石的物性值因岩石的种类及互层状在中硬岩、软岩中，岩石的物性值因岩石的种类及互层状态等而异，因此，即使岩石名相同，还要考虑生成年代、强度、态等而异，因此，即使岩石名相同，还要考虑生成年代、强度、或围岩强度比类似的围岩条件。在这种情况时，砂质岩中的砂或围岩强度比

24、类似的围岩条件。在这种情况时，砂质岩中的砂的固结状态的固结状态(强度强度)及是否形成透水层是很重要的。所以，在进及是否形成透水层是很重要的。所以，在进行类比设计时，最好参考其弹性波速度、裂隙系数、围岩强度行类比设计时，最好参考其弹性波速度、裂隙系数、围岩强度比的类似条件。在泥质岩、凝灰质软岩中，有无膨胀性、断层比的类似条件。在泥质岩、凝灰质软岩中，有无膨胀性、断层等的程度的类似性也十分重要。等的程度的类似性也十分重要。1818 土砂围岩土砂围岩 未固结或土砂围岩，应研究其生成年代、形成过程、紧密未固结或土砂围岩，应研究其生成年代、形成过程、紧密程度、透水性、地下水位等的类似性。对粘性土要研究其

25、围岩程度、透水性、地下水位等的类似性。对粘性土要研究其围岩强度比，对砂质土要研究相对密度、细颗粒含量、含水比等的强度比，对砂质土要研究相对密度、细颗粒含量、含水比等的类似性。类似性。设计条件设计条件 在类似围岩中应着重收集其设计条件、施工方法、辅助工在类似围岩中应着重收集其设计条件、施工方法、辅助工法的内容、净空位移值等的量测结果，并加以分析、评价，而法的内容、净空位移值等的量测结果，并加以分析、评价，而后编制经过修正的支护模式。后编制经过修正的支护模式。研究设计条件类似性的注意事项列于表研究设计条件类似性的注意事项列于表3 3。1919 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

26、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在大多数情况下，隧道支护体系设计还是依赖在大多数情况下，隧道支护体系设计还是依赖“类比设计类比设计”的。表的。表4 4是锚杆喷混凝土支护技术

27、规范建议的喷锚支护设计参是锚杆喷混凝土支护技术规范建议的喷锚支护设计参数。数。2020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，必

28、要长的锚杆，必要时配置钢筋网时配置钢筋网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厚喷射混厚喷射混凝土，设置凝土，设置1.51.52m2m长的锚杆长的锚杆(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)80120mm120mm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

29、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)120(1)120150mm150mm厚厚喷射混凝土，必喷射混凝土，必要时配置钢筋网要时配置钢筋网(2)8

30、0(2)80100mm100mm厚喷射混凝土，厚喷射混凝土，设置设置2 22.5m2.5m长的长的锚杆，必要时配锚杆，必要时配置钢筋网置钢筋网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长的锚杆，长的锚杆，必要时设置长度大必要时设置长度大于于5m5m的预应力或非的预应力或非预应力锚杆预应力锚杆2121 8080lOOmmlOOmm厚厚喷射混凝土，喷射混凝土，设置设置1.51.52m2m长的锚杆长的锚杆100100150mm150mm厚钢

31、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

32、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类的斜井的永久支护，包括初期支护与后期支护的类型和参数。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。

33、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。2222从这些实践中，大致上可以发现在进行支护结构从这些实践中，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

34、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。）首先，对坑道围岩要有一个大致的分级。这些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；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

35、别还有些亚类。其中某些类别还有些亚类。2323（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1.5m，n=44.2根根/m左右，从力学上看是不期待锚左右，从力学上看是不期待锚杆的支护作用的，围岩本身强度就可以支护坑道，但因有局部杆的支护作用的，围岩本身强度就可以支护坑道，但因有局部裂隙或岩爆等裂隙或岩爆等,用其加以控制而已。用其加以控制而已。喷混凝土用于填平补齐，为确保洞内安全作业应设金属网喷混凝土用于填平补齐，为确保洞内安全作业应设金属网防止顶部岩石剥离。防止顶部岩石剥离。二次衬砌采用能够施工的最

36、小混凝土厚度，约二次衬砌采用能够施工的最小混凝土厚度，约30cm左右。左右。2）易破碎、剥离的块状围岩）易破碎、剥离的块状围岩锚杆长锚杆长1.53.5m，n=10根根/m左右，多数情况是长、短锚杆左右，多数情况是长、短锚杆配合使用，短锚杆用胀壳式，长锚杆用灌浆式。配合使用，短锚杆用胀壳式，长锚杆用灌浆式。2424喷层厚喷层厚0l0cm，稳定性好些的用来填平补齐，也可只在拱，稳定性好些的用来填平补齐，也可只在拱部喷射，此时开挖正面无需喷射。金属网与（部喷射，此时开挖正面无需喷射。金属网与（1）同，特殊情况）同，特殊情况要采用可缩性支撑或轻型格栅钢支撑。要采用可缩性支撑或轻型格栅钢支撑。二次衬砌厚

37、度约二次衬砌厚度约3040cm，包括喷层在内约，包括喷层在内约40cm。3）有地压作用的破碎围岩）有地压作用的破碎围岩锚杆长锚杆长3.04.0m，有时用，有时用6.0m的灌浆式，的灌浆式，n=10根根/m左右。左右。这种围岩视围岩强度比，预计有塑性区发生时，从控制它的发这种围岩视围岩强度比，预计有塑性区发生时，从控制它的发展看，锚杆必须用喷混凝土等加强。展看，锚杆必须用喷混凝土等加强。喷层厚约喷层厚约1520cm，拱部和侧璧同厚，视情况正面也要喷，拱部和侧璧同厚，视情况正面也要喷5cm左右。左右。开挖进度要注意，必要时控制在开挖进度要注意，必要时控制在1.0m以下。以下。二次衬砌厚度二次衬砌厚

38、度,包括喷层在内为包括喷层在内为4050cm,尽可能薄些。尽可能薄些。25254）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在这种围岩中施工是很困难的，要分台阶施工，限制分在这种围岩中施工是很困难的，要分台阶施工，限制分部的面积。部的面积。锚杆长锚杆长4.06.0m，n=15根根/m左右。左右。喷层厚喷层厚2025cm，正面喷，正面喷35cm。必须采用可缩性支撑，间距约必须采用可缩性支撑，间距约75cm左右。左右。二次衬砌厚度，按总厚度二次衬砌厚度，按总厚度50cm决定。决定。在在30天以内断面要闭合，即要修好仰拱。天以内断面要闭合，即要修好仰拱。（3 3）在施工中应尽

39、量少损害围岩，使其尽量保持原有围）在施工中应尽量少损害围岩，使其尽量保持原有围岩的强度，因此，应采用控制爆破技术。岩的强度，因此，应采用控制爆破技术。2626（4 4）预计有大变形和松弛的情况下，开挖面要全面防护）预计有大变形和松弛的情况下，开挖面要全面防护包括正面包括正面,使之有充分的约束效应，使之有充分的约束效应，在分台阶开挖时，上半在分台阶开挖时，上半断面进深不宜过长，以免影响整个断面的闭合时间。断面进深不宜过长，以免影响整个断面的闭合时间。（5 5）二次衬砌通常是现灌的）二次衬砌通常是现灌的，在修二次衬砌之前要修防水，在修二次衬砌之前要修防水层，形成具有防水性能的组合式衬砌。应使衬砌成

40、为薄壳，这层，形成具有防水性能的组合式衬砌。应使衬砌成为薄壳，这样可减少弯矩而使弯曲破坏的发生为最小。因此，不仅初期支样可减少弯矩而使弯曲破坏的发生为最小。因此，不仅初期支护，二次衬砌都要薄些。护，二次衬砌都要薄些。（6）允许甚至希望围岩出现一定的变形，以减少为完成支）允许甚至希望围岩出现一定的变形，以减少为完成支护作用所需的防护措施。护作用所需的防护措施。这些防护措施包括衬砌，必要时要修这些防护措施包括衬砌，必要时要修仰拱以及直接深入到不稳定岩层内部的锚固系统，或其他结构仰拱以及直接深入到不稳定岩层内部的锚固系统，或其他结构构件。构件。2727（7）要制定一个详细周密的量测计划。）要制定一个

41、详细周密的量测计划。控制变形与应力，控制变形与应力，确定所建立的支护阻力是否和围岩类型相适应以及还需要什么确定所建立的支护阻力是否和围岩类型相适应以及还需要什么样的加强措施。样的加强措施。（8 8）支护结构的施工顺序与正确的掌握围岩的时间效应很）支护结构的施工顺序与正确的掌握围岩的时间效应很有关系。有关系。因此，施工要严格按着预定的施工程序施工。因此，施工要严格按着预定的施工程序施工。从当前地下工程设计现状来看，多数情况是依靠类比设计从当前地下工程设计现状来看，多数情况是依靠类比设计的，甚至有的提出的，甚至有的提出“在隧道力学中不可能进行计算，只能给以在隧道力学中不可能进行计算，只能给以必要的

42、假设必要的假设”，并指出，并指出“首先是提出一个大致简化的力学模型，首先是提出一个大致简化的力学模型，然后根据某些经验和工程师的直观来判断然后根据某些经验和工程师的直观来判断”。米勒更绝对地指。米勒更绝对地指出出“通过大量的虚拟的计算，说明我们的无知，这些虽然能够通过大量的虚拟的计算，说明我们的无知，这些虽然能够使发包者得到安慰，也只是自欺欺人使发包者得到安慰，也只是自欺欺人”。这些说法虽然有些绝。这些说法虽然有些绝对，但也说明计算的局限性。对，但也说明计算的局限性。2828四、四、标准设计标准设计在一般的围岩条件下的预设计中，有标准支护模式时，原在一般的围岩条件下的预设计中，有标准支护模式时

43、，原则上都要采用标准设计。这也是当前隧道设计方法的主流。则上都要采用标准设计。这也是当前隧道设计方法的主流。标准设计适合于围岩条件标准设计适合于围岩条件(地形、地质、埋深地形、地质、埋深)和断面积、和断面积、断面形状、周边环境的影响等条件均属一般的情况。标准设计断面形状、周边环境的影响等条件均属一般的情况。标准设计流程如图流程如图1 1所示。所示。采用标准设计时，根据施工中掌子面观察和量测结果进行采用标准设计时，根据施工中掌子面观察和量测结果进行采用标准设计时，根据施工中掌子面观察和量测结果进行采用标准设计时，根据施工中掌子面观察和量测结果进行设计修正是很重要的。位移量有问题的情况，或在城市的

44、土砂设计修正是很重要的。位移量有问题的情况，或在城市的土砂设计修正是很重要的。位移量有问题的情况，或在城市的土砂设计修正是很重要的。位移量有问题的情况，或在城市的土砂围岩及接近结构物施工对地表面下沉有限制等情况，与解析方围岩及接近结构物施工对地表面下沉有限制等情况，与解析方围岩及接近结构物施工对地表面下沉有限制等情况，与解析方围岩及接近结构物施工对地表面下沉有限制等情况，与解析方法同时应用也是必要的。法同时应用也是必要的。法同时应用也是必要的。法同时应用也是必要的。2929 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 30301 1、标准设计的实用范围及注

45、意事项、标准设计的实用范围及注意事项标准设计在一般的设计条件下，适用于所有围岩级别。表标准设计在一般的设计条件下，适用于所有围岩级别。表1 1、表、表2 2分别是标准设计的适用范围及采用标准设计时应注意的分别是标准设计的适用范围及采用标准设计时应注意的事项。事项。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、

46、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。掌子面稳定的情况。3131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

47、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锚同时采用喷混凝土和锚杆，或采用锚杆和金属网而杆，或采用锚杆和金属网而不采用喷混凝土，或采用无不采用喷混凝土，或采用无支护的。支护的。预计单线在预计单线在15

48、cm、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、压浆等情况，对等情况，对级围岩要专门级围岩要专门研究。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、临可采

49、用正面喷混凝土、临时闭合等。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。3232采用标准设计时，要确实地进行围岩分级，充分考虑应用采用标准设计时，要确实地进行围岩分级，充分考虑应用条件。标准支护模式的主要支护构件是喷混凝土、锚杆、钢支条件。标准支护模式的主要支护构件是喷混凝土、锚杆、钢支撑等，同时要考虑开挖、仰拱、二次衬砌等。在附近有类似条撑等，同时要考虑开挖、仰拱、二次衬砌等。在附近有类似条件的工程时，也应参考。件的工程时，也应参考。2 2、标准设计的标准支护模式标准设计

50、的标准支护模式为了提高设计效率和质量，提高隧道设计的标准化程度是为了提高设计效率和质量，提高隧道设计的标准化程度是非常重要的。这也是目前许多国家大力提倡的。标准设计的中非常重要的。这也是目前许多国家大力提倡的。标准设计的中心内容是支护模式的标准化。下面列举我国及国外的一些标准心内容是支护模式的标准化。下面列举我国及国外的一些标准设计的概况。设计的概况。（1 1）我国铁路隧道的标准设计）我国铁路隧道的标准设计 单线铁路隧道标准支护参数列于表单线铁路隧道标准支护参数列于表3 3、表、表4 4。3333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