北京交通大学---隧道设计与施工---第4部分隧道设计方法2740.pptx

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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 例例例例如如如如:明明明明挖挖挖挖施施施施工工工工隧隧隧隧道道道道（如如如如浅浅浅浅埋埋埋埋地地地地下下下下铁铁铁铁道道道道、明明明明洞洞洞洞等等等等），多多多多采采采采用用用用拱拱拱拱涵涵涵涵力力力力学学学学模模模模式式式式。因因因因为为为为这这这这种种种种承承承承受受受受回回回回填填填填材材材材料料料料重重重重量量量量的的的的结结结结构构构构与与与与拱拱拱拱涵涵涵涵的的的的工工工工作作作作状状状状态

3、态态态是是是是一一一一致致致致的的的的。在在在在其其其其他他他他情情情情况况况况下下下下，则则则则与与与与圆圆圆圆管管管管静静静静力力力力学学学学模模模模式式式式或或或或与与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。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 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：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 1 1）与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态以及

4、）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）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；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 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）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；致；致；（3 3 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）所确定的应力状态要与经过长时间使

5、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；生的事故和破坏情况一致；生的事故和破坏情况一致；（4 4 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。）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只要符合上述条件，任何设计和计算方法都会获得合理的只要符合上述条件，任何设计和计算方法都会获得合理的只要符合上述条件，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结果。不管

6、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：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 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，）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

7、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

8、数。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。互作用给定的，不是事先能给定的参数。（2 2 2 2）地面结构有很大自由空间）地面结构有很大自由空间）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，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

9、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。

10、很难准确决定的。很难准确决定的。很难准确决定的。7 7（3 3 3 3）在在在在其其其其他他他他建建建建筑筑筑筑中中中中，设设设设计计计计者者者者能能能能够够够够计计计计算算算算与与与与荷荷荷荷载载载载假假假假定定定定相相相相适适适适应应应应的的的的结结结结构构构构的的的的性性性性质质质质，以以以以及及及及在在在在可可可可能能能能的的的的荷荷荷荷载载载载组组组组合合合合下下下下其其其其中中中中的的的的应应应应力力力力和和和和变变变变形形形形。在在在在隧隧隧隧道道道道工工工工程程程程中中中中要要要要想想想想计计计计算算算算出出出出材材材材料料料料（既既既既是是是是挖挖挖挖过过过过的的的的围围围围

11、岩岩岩岩也也也也是是是是支支支支护护护护的的的的主主主主体体体体）中中中中的的的的应应应应力力力力和和和和变变变变形形形形是是是是很很很很困困困困难难难难的的的的，因因因因为为为为它它它它与与与与形形形形成成成成的的的的结结结结构构构构的的的的类类类类型型型型以及时间有很大关系。以及时间有很大关系。以及时间有很大关系。以及时间有很大关系。（4 4 4 4）其其其其他他他他建建建建筑筑筑筑根根根根据据据据力力力力学学学学计计计计算算算算以以以以及及及及构构构构造造造造上上上上、经经经经济济济济上上上上的的的的考考考考虑虑虑虑来来来来选选选选择择择择工工工工程程程程结结结结构构构构的的的的材材材材

12、料料料料，而而而而隧隧隧隧道道道道工工工工程程程程的的的的重重重重要要要要构构构构件件件件（围围围围岩岩岩岩），本本本本身身身身就就就就是是是是建建建建筑筑筑筑材材材材料料料料，我我我我们们们们既既既既不不不不能能能能选选选选择择择择，也也也也不不不不能能能能极极极极大大大大地地地地影影影影响响响响它它它它的的的的力力力力学性质。学性质。学性质。学性质。（5 5 5 5）在在在在施施施施工工工工中中中中，其其其其荷荷荷荷载载载载、变变变变形形形形和和和和安安安安全全全全度度度度与与与与其其其其他他他他结结结结构构构构相相相相比比比比都都都都还还还还远远远远远远远远没没没没有有有有确确确确定定定

13、定，尤尤尤尤其其其其是是是是与与与与最最最最终终终终状状状状态态态态的的的的关关关关系系系系密密密密切切切切。因因因因此此此此，在在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、隧道支护结构的设计应根据围岩

14、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。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

15、，在预设计中采用以下方法:(1)(1)(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）；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)(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）；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)(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）。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

16、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、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。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

17、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，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

18、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。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。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、

19、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1010图图图图1 1 1 1 设计方法的选择流程图设计方法的选择流程图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，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

20、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。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本身的安全性，而且要保护周边环境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

21、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。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，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：进行定量的判断：进行定量的判断：（1 1 1 1）地质条件特别差的情况；）地

22、质条件特别差的情况；）地质条件特别差的情况；）地质条件特别差的情况；（2 2 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；）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 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；）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 4 4）采用施工方法、开挖顺序与标准的支护模式不同的特）采用施工方法、开挖顺序与标准的支护模式不同的特）采用施工方法、开挖顺序与标准的支护模式不同的特）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；殊工法的

23、情况；殊工法的情况；1212（5 5 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；）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 6 6）断面形状特殊的情况；）断面形状特殊的情况；）断面形状特殊的情况；）断面形状特殊的情况；（7 7 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）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；情况；情况；（8 8 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；）有接近隧道的结构物

24、的情况；）有接近隧道的结构物的情况；（9 9 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）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。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：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：传统的结构力学传统的结构力学传统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。前者是方法及近代的岩体力学方法。前者是方法

25、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。构荷载模式。构荷载模式。后者是后者是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

26、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。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、刚体单元数值解析方法主要有：有限元法、有限差分法、刚体单元数值解析方法主要有：有限元法、有限差分法、刚体单元数值解析方法主要有：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

27、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。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：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 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，对二况，也能够采用各种单元的组合模式，不仅对初期支

28、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；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 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）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（混此，可以把具有复杂地质条件的围岩力

29、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；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 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）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；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

30、此，也能判断压浆等改善围岩的效果；4 4 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）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。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，采用节理单元模拟不连续的裂隙围岩的方考虑上述性质，采用节理单元模拟不连续的裂隙围岩的方考虑上述性质，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

31、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。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

32、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。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

33、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。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，

34、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。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。

35、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。：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。研究研究研究研究围岩条件类似围岩条件类似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、实际情况，如在围岩分类时

36、，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。研究地下水条件的类似性。研究地下水条件的类似性。设计条件的类似设计条件的类似设计条件的类似设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、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

37、工方法、辅助工法等的类似性。辅助工法等的类似性。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 1 1和表和表和表和表2 2 2 2所列项所列项所列项所列项目进行研究。目进行研究。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

38、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

39、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

40、似性。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：分级表中的地层名、岩石名中属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

41、，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。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

42、，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、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的固结状态的固结状态(强度强度强度强度)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

43、、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。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、

44、紧密未固结或土砂围岩，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程度、透水性、地下水位等的类似性。对粘性土要研究其围岩程度、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

45、。类似性。类似性。设计条件设计条件设计条件设计条件 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。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

46、列于表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研究设计条件类似性的注意事项列于表3 3 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，喷混凝土配比、强度、施工使用材料的种类，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

47、用钢纤维等设计方法、混凝土强度、是否采用钢纤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“类比设计类比设计类比设计类比设计”的。表的。表的。表的。表4 4 4 4是锚杆喷混凝土支护技术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是锚杆喷混凝土支护技术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。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

48、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

49、)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

50、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)80(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