北京交通大学---隧道设计与施工---第5部分隧道预设计2741.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第五部分第五部分 隧道预设计隧道预设计3 3 隧道设计分为：预设计和修正设计二类。隧道设计分为：预设计和修正设计二类。预设计指：通过施工前的地质调查，按标准设计进行的设预设计指：通过施工前的地质调查，按标准设计进行的设计，正确与否或与实际的符合程度，需通过施工的检验。计，正确与否或与实际的符合程度，需通过施工的检验。修正设计指：通过施工中的调查和观察，包括量测的验证修正设计指：通过施工中的调查和观察，包括量测的验证等，而对预设计进行修正的设计，也可称为设计变更或

2、施工设等，而对预设计进行修正的设计，也可称为设计变更或施工设计。计。预设计以大致掌握安全性、施工性、对周边的影响等为主预设计以大致掌握安全性、施工性、对周边的影响等为主要目的，其设计项目以下表中的要目的，其设计项目以下表中的-为主要对象。修正设计为主要对象。修正设计则着重在表中的则着重在表中的以下的项目，并修正预设计决定的项目。以下的项目，并修正预设计决定的项目。一、一、概述概述4 4设计项目设计项目预设计预设计修正设计修正设计断面形状断面形状开挖方法开挖方法对策对策超前支护超前支护一次支护一次支护二次衬砌及仰拱二次衬砌及仰拱防排水防排水洞口部洞口部量测量测 ：详细研究：详细研究 ：以需要的精

3、度研究：以需要的精度研究：有必要时修正：有必要时修正 ：有必要时研究：有必要时研究 预设计、修正设计的设计项目预设计、修正设计的设计项目 5 56 6二、二、隧道净空断面的确定隧道净空断面的确定 在隧道标准设计中，隧道净空断面的标准化是关键。它直在隧道标准设计中，隧道净空断面的标准化是关键。它直接决定了隧道的开挖轮廓和形状。接决定了隧道的开挖轮廓和形状。从公路隧道的功能出发，隧道净空断面应确保以下必要的从公路隧道的功能出发，隧道净空断面应确保以下必要的空间，而且要考虑稳定性、施工性及车辆的走行性，确定合理空间，而且要考虑稳定性、施工性及车辆的走行性，确定合理的断面形状和尺寸。的断面形状和尺寸。

4、道路宽度及建筑限界；道路宽度及建筑限界；铺装、排水；铺装、排水；通风设备；通风设备；内装；内装；监视员通道；监视员通道；其他。其他。7 7 这里所指的隧道净空断面是隧道衬砌和基底围岩或仰拱所这里所指的隧道净空断面是隧道衬砌和基底围岩或仰拱所包围的内侧部分的大小和形状。包围的内侧部分的大小和形状。公路隧道不仅要提供汽车行驶的空间，还要满足舒适行驶、公路隧道不仅要提供汽车行驶的空间，还要满足舒适行驶、交通安全、防灾等服务的空间。交通安全、防灾等服务的空间。因此，隧道的净空断面不仅要满足要求的道路宽度及建筑因此，隧道的净空断面不仅要满足要求的道路宽度及建筑限界，还要有设置通风、照明、内装、排水、标志

5、等的设置空限界，还要有设置通风、照明、内装、排水、标志等的设置空间，也要确保维修检查的监视员通道的设置空间。间，也要确保维修检查的监视员通道的设置空间。隧道断面应具有合理适应应力流和变形的形状，同时要适隧道断面应具有合理适应应力流和变形的形状，同时要适应围岩条件、净空要求，一般都采用三心圆、五心圆等马蹄形应围岩条件、净空要求，一般都采用三心圆、五心圆等马蹄形形状。但从降低造价方面看，以采用简明、单纯的单心圆断面形状。但从降低造价方面看，以采用简明、单纯的单心圆断面为宜。为宜。8 8 日本标准净空断面日本标准净空断面设定的基本方法有明确规定，对我们编设定的基本方法有明确规定，对我们编制公路隧道的

6、标准设计有一定的参考价值。制公路隧道的标准设计有一定的参考价值。（1 1）适用隧道：双车道、自然通风或纵向式通风（并设）适用隧道：双车道、自然通风或纵向式通风（并设2 2台直径台直径1500mm1500mm射流风机）射流风机）（2 2）建筑限界等）建筑限界等 车道的建筑限界、空间的施工高度及监视员通道上方的步车道的建筑限界、空间的施工高度及监视员通道上方的步行空间的设置，以及隧道路肩构造示于图。行空间的设置，以及隧道路肩构造示于图。9 9 （3）横断坡度）横断坡度 一般取一般取-3.0+3.0%，来决定净空半径、下半断面高度。，来决定净空半径、下半断面高度。基底围岩和铺装路面，如图所示，要设置

7、基底围岩和铺装路面，如图所示，要设置2.0%以上的中以上的中央排水管。铺装构造为混凝土板央排水管。铺装构造为混凝土板25cm、铺装路面、铺装路面20cm，中央，中央排水管无有孔塑料管或高密度管（直径排水管无有孔塑料管或高密度管（直径300mm）。）。1010 （4）路侧部构造）路侧部构造 路侧的构造如图，路侧排水沟采用圆形水管（路侧的构造如图，路侧排水沟采用圆形水管（200mm）左右衬砌的基脚位置壁计划路面高度低左右衬砌的基脚位置壁计划路面高度低50cm。1111 （5）通风设备）通风设备 采用采用2台台1500的射流风机的射流风机。（6）内装）内装 设置在不影响净空断面的高度以下。监视员通道

8、设在隧道设置在不影响净空断面的高度以下。监视员通道设在隧道侧部、其上部步行空间示于图。侧部、其上部步行空间示于图。监视员通道等构造监视员通道等构造步行空间的标准尺寸步行空间的标准尺寸1212 （7）其他）其他 标志原则上设在残余空间，标志原则上设在残余空间，不专门考虑。各种标准净空断面不专门考虑。各种标准净空断面的典型例示于图。的典型例示于图。从建筑限界看，隧道的净空断面可以是直壁的，也可以从建筑限界看，隧道的净空断面可以是直壁的，也可以是曲壁的。但从结构受力角度看，多数国家，不管围岩好坏，是曲壁的。但从结构受力角度看，多数国家，不管围岩好坏，一律采用曲壁的净空断面。不仅如此，在底部与壁的连接

9、处，一律采用曲壁的净空断面。不仅如此，在底部与壁的连接处，也多采用圆顺的没有隅角的连接方式。隧道净空断面的形状，也多采用圆顺的没有隅角的连接方式。隧道净空断面的形状，直接影响隧道结构的形状。直接影响隧道结构的形状。1313三、三、支护结构的功能和作用机理支护结构的功能和作用机理1 1、对支护结构的基本要求、对支护结构的基本要求 支护结构的基本作用：保持坑道断面的使用净空；防止围支护结构的基本作用：保持坑道断面的使用净空；防止围岩质量的进一步恶化；承受可能出现的各种荷载；使坑道支护岩质量的进一步恶化；承受可能出现的各种荷载；使坑道支护体系有足够的安全度。因此，任何一种类型的支护结构都应具体系有足

10、够的安全度。因此，任何一种类型的支护结构都应具有与上述作用相适应的构造、力学特性和施工可能性。有与上述作用相适应的构造、力学特性和施工可能性。理想的支护结构应满足以下基本要求：理想的支护结构应满足以下基本要求：（1 1）必须能与周围围岩大面积地牢固接触）必须能与周围围岩大面积地牢固接触，即保证支护，即保证支护一围岩体系作为一个统一的整体工作。接触状态的好坏，不仅一围岩体系作为一个统一的整体工作。接触状态的好坏，不仅改变了荷载的分布图形，也改变了两者之间相互作用的性质。改变了荷载的分布图形，也改变了两者之间相互作用的性质。例如在通常矿山法中例如在通常矿山法中,早期临时支护多采用木支撑，它与早期临

11、时支护多采用木支撑，它与围岩形成点的、任意部位的接触，而钢支撑虽然也是点接触，围岩形成点的、任意部位的接触，而钢支撑虽然也是点接触，1414 但位置是固定的，因而支护效果比木支撑优越。在喷混凝但位置是固定的，因而支护效果比木支撑优越。在喷混凝土施工中，支护结构与围岩是全面而牢固地接触，这与模筑混土施工中，支护结构与围岩是全面而牢固地接触，这与模筑混凝土与围岩的接触状态是完全不同的，因而，支护效果也有显凝土与围岩的接触状态是完全不同的，因而，支护效果也有显著差异。著差异。围岩围岩支护结构的接触状态支护结构的接触状态 点接触点接触 面接触面接触 A.A.任意的任意的 B.B.确定的确定的 C.C.

12、松散的松散的 D.D.牢固的牢固的 模筑混凝土模筑混凝土 钢支撑、木支撑钢支撑、木支撑 土质隧道土质隧道 喷混凝土、喷混凝土、有有回填层回填层 泵送混凝土衬砌泵送混凝土衬砌接触状态的分类接触状态的分类1515 由于接触状态的不同，对围岩应力分布，对支护结构的受由于接触状态的不同，对围岩应力分布，对支护结构的受力状态等都有着重要的影响。力状态等都有着重要的影响。例如：例如：D D类接触，由于全面的牢固接触，不仅能传递径向应类接触，由于全面的牢固接触，不仅能传递径向应力也能传递切向应力，而且接触应力的分布比较均匀。同时也力也能传递切向应力，而且接触应力的分布比较均匀。同时也改善了结构的受力状态，支

13、护效果较佳。改善了结构的受力状态，支护效果较佳。A A类接触，由于接触点的不确定，围岩压力极不均匀。因此类接触，由于接触点的不确定，围岩压力极不均匀。因此经常出现衬砌受力异常，发生开裂甚至丧失使用功能。我们目经常出现衬砌受力异常，发生开裂甚至丧失使用功能。我们目前的衬砌设计，基本上是按前的衬砌设计，基本上是按D D类接触进行设计和计算的，即能全类接触进行设计和计算的，即能全面地传递径向及切向压力，但从实际施工情况看，是难于保证面地传递径向及切向压力，但从实际施工情况看，是难于保证这种状态的。最多是这种状态的。最多是C C类，有时甚至是类，有时甚至是A A类。设计条件与受力实类。设计条件与受力实

14、践是不符的。践是不符的。1616 四类接触状态的力学联系大致如图。四类接触状态的力学联系大致如图。接触不同，在支护接触不同，在支护围岩体系中发生的力学过程也是不同围岩体系中发生的力学过程也是不同的。这在建立某一种计算方法时是必须解决的。的。这在建立某一种计算方法时是必须解决的。现代支护理论的研究多数是以全面接触为出发点的。因此，现代支护理论的研究多数是以全面接触为出发点的。因此，在施工作业时必须尽量实现这一点。从现灌混凝土看，取消回在施工作业时必须尽量实现这一点。从现灌混凝土看，取消回填，采用混凝土泵填，采用混凝土泵或输送器或输送器的灌注方法可以基本上满足要的灌注方法可以基本上满足要求，喷射混

15、凝土则能更好地满足这个要求。求，喷射混凝土则能更好地满足这个要求。1717 （2 2）重视初期支护的作用，并使初期支护与永久支护相）重视初期支护的作用，并使初期支护与永久支护相互配合，协调一致地工作。互配合，协调一致地工作。过去在支护处理上，常分为临时支护和永久支护两种。临过去在支护处理上，常分为临时支护和永久支护两种。临时支护的主要目的是为了暂时地、迅速地控制坑道围岩的力学时支护的主要目的是为了暂时地、迅速地控制坑道围岩的力学过程，为永久支护创造有利条件。过去只把永久支护作为基本过程，为永久支护创造有利条件。过去只把永久支护作为基本的承载的支护结构，完全忽视了临时支护的作用。目前随着支的承载

16、的支护结构，完全忽视了临时支护的作用。目前随着支护技术的发展，逐步把临时支护与永久支护合并考虑，临时支护技术的发展，逐步把临时支护与永久支护合并考虑，临时支护亦作为永久支护的一个重要部分。喷射混凝土一锚杆支护就护亦作为永久支护的一个重要部分。喷射混凝土一锚杆支护就是一例。是一例。1818 临时支护实质上是初期支护，它是永久支护的第一步。目临时支护实质上是初期支护，它是永久支护的第一步。目前很少采用木支撑，木支撑在多数情况下是要拆除的。这种拆前很少采用木支撑，木支撑在多数情况下是要拆除的。这种拆除或顶替已承载支撑的作业，会造成围岩的过度松弛及应力的除或顶替已承载支撑的作业，会造成围岩的过度松弛及

17、应力的第二次分配。因此多采用钢支撑或格栅，它在架设后不再拆除，第二次分配。因此多采用钢支撑或格栅，它在架设后不再拆除，而成为永久支护的一部分。这样就大大减轻混凝土衬砌的负担。而成为永久支护的一部分。这样就大大减轻混凝土衬砌的负担。使整个支护结构变得经济、更为有效。喷射混凝土使整个支护结构变得经济、更为有效。喷射混凝土锚杆支护锚杆支护的这个特点更为突出。因此，消除支撑顶替是对支护的一个重的这个特点更为突出。因此，消除支撑顶替是对支护的一个重要要求。要要求。应该指出，坑道支护过程实质上就是控制坑道围岩内的应应该指出，坑道支护过程实质上就是控制坑道围岩内的应力力应变的变化过程。因此分阶段地、有预计地

18、进行支护作业应变的变化过程。因此分阶段地、有预计地进行支护作业是很重要的。例如围岩变形过大、过速，可以让它变缓等。这是很重要的。例如围岩变形过大、过速，可以让它变缓等。这就要求支护结构具有良好的适应性。就要求支护结构具有良好的适应性。1919 （3 3）要允许坑道）要允许坑道支护体系产生有限制的变形，以充分支护体系产生有限制的变形，以充分协调地发挥两者的共同作用。协调地发挥两者的共同作用。这就要求对支护结构的刚度、构这就要求对支护结构的刚度、构造给予充分地注意，即要求支护结构有一定的柔性或可缩性。造给予充分地注意，即要求支护结构有一定的柔性或可缩性。这样可以充分发挥围岩的承载作用而减小支护结构

19、的作用。这样可以充分发挥围岩的承载作用而减小支护结构的作用。目前的支护结构，其刚度相对地降低很多，即以采用柔性目前的支护结构，其刚度相对地降低很多，即以采用柔性支护结构为主，与过去的刚性支护结构支护结构为主，与过去的刚性支护结构现灌混凝土衬砌相比，现灌混凝土衬砌相比，厚度有了大幅度减小。柔性结构能产生一定的变形，使支护厚度有了大幅度减小。柔性结构能产生一定的变形，使支护围岩中的应力重新调整。例如，在有利的条件下，接触应力围岩中的应力重新调整。例如，在有利的条件下，接触应力(径向及切向的径向及切向的)变得均匀，而支护结构中的弯矩很小，基本上变得均匀，而支护结构中的弯矩很小，基本上是受压的。是受压

20、的。2020 已知已知p pa a与与u ua a的关系如图，不同刚度支护结构与围岩达成平的关系如图，不同刚度支护结构与围岩达成平衡位移的衡位移的p pa a是不同的，与支护结构是不同的，与支护结构1 1相应的位移为相应的位移为u uo o+u+up1p1，支护，支护阻力为阻力为p pa1a1，与支护结构，与支护结构2 2相应的位移为相应的位移为u uo o+u+up2p2,支护阻力为支护阻力为p pa2a2，如不考虑如不考虑u uo o的话，可以看出的话，可以看出u up2p2uup1p1，而，而p pa2a2pD1）；）；：确保锚杆锚固力的必要长度；：确保锚杆锚固力的必要长度；：围岩的单位

21、重量；围岩的单位重量；W：松弛荷载。：松弛荷载。这些经验式表明，从理论上决定锚杆的参数，目前还有这些经验式表明，从理论上决定锚杆的参数，目前还有一定困难，必须配合试验、经验综合判定。从理论上说，锚一定困难，必须配合试验、经验综合判定。从理论上说，锚杆长度应比周边围岩不稳定区域大。这里所谓的不稳定区域，杆长度应比周边围岩不稳定区域大。这里所谓的不稳定区域，实质上是指松弛区，而非塑性区，因为形成塑性区，并不意实质上是指松弛区，而非塑性区，因为形成塑性区，并不意味围岩不稳定。因此，锚杆长度一定要大于塑性区是一个误味围岩不稳定。因此，锚杆长度一定要大于塑性区是一个误解。解。7171 六、六、钢支撑和格

22、栅钢支撑和格栅1 1、钢支撑、钢支撑 钢钢支支撑撑很很少少单单独独使使用用，多多数数场场合合是是与与喷喷混混凝凝土土、锚锚杆杆等等组组合合使使用用的的。目目的的：(1)(1)是是作作为为喷喷混混凝凝土土支支护护功功能能发发现现前前的的支支持持物物；（2 2）是是对对喷喷混混凝凝土土进进行行补补强强；（3 3）是是作作为为超超前前支支护护的的支支点；（点；（4 4）是与喷混凝土、锚杆共同发挥初期支护的作用。）是与喷混凝土、锚杆共同发挥初期支护的作用。钢钢支支撑撑的的最最大大特特点点是是架架设设后后能能够够立立即即承承载载。因因此此，多多在在需需要要立立即即控控制制围围岩岩继继续续松松弛弛和和塑塑

23、性性区区继继续续扩扩大大，或或变变形形迅迅速速发发展展的的场场合合采采用用。钢钢支支撑撑的的设设计计，主主要要包包括括钢钢支支撑撑的的形形状状，断断面面、材质、间距、接头和联系构件等的设计。材质、间距、接头和联系构件等的设计。1 1）形状）形状 钢钢支支撑撑应应具具有有与与开开挖挖轮轮廓廓相相适适应应的的形形状状。根根据据目目前前实实际际采采用的形状看，大致有三种形状。用的形状看，大致有三种形状。7272图图1 1 钢支撑的基本形状钢支撑的基本形状 2 2）断面、材质）断面、材质 日日本本是是采采用用钢钢支支撑撑最最多多的的国国家家，要要求求其其材材质质能能够够承承受受很很大大荷荷载载，即即使

24、使产产生生很很大大变变形形也也不不会会发发生生脆脆性性破破坏坏的的钢钢材材，并并要求易于弯曲加工和焊接加工。要求易于弯曲加工和焊接加工。因此，多采用表列的因此，多采用表列的H H型钢和型钢和U U型钢。型钢。7373 表表1 1 钢支撑使用的标准形钢钢支撑使用的标准形钢 类别类别材质材质尺寸（尺寸（mmmm）断面积断面积（cmcm2 2）单位质量单位质量（kg/mkg/m）惯性矩惯性矩I Ix x（cmcm4 4）断面系数断面系数z zx x（cmcm3 3）最小曲率最小曲率半径半径(cm)(cm)H H型钢型钢SSSSH-10010068H-10010068H-H-1251256.59125

25、1256.59H-150150710H-150150710H-200200812H-20020081221.5921.5930.0030.0039.6539.6563.5363.5316.916.923.623.631.131.149.949.9378378839839162016204720472076.676.6134134216216472472120120150150200200420420U U型钢型钢SMASMAU-21U-21U-29U-2926.8026.8037.0037.0021.021.029.029.029629658158156.856.897.497.4135135

26、150150图图2 2 钢支撑与隧道断面积的关系钢支撑与隧道断面积的关系7474 3 3）钢支撑间距）钢支撑间距 为为了了确确保保钢钢支支撑撑的的支支护护作作用用和和避避免免作作业业过过程程中中的的危危险险，其间距不宜大于其间距不宜大于1.5m1.5m，与围岩级别关系可参照标准设计。，与围岩级别关系可参照标准设计。4 4）钢支撑的接头）钢支撑的接头 钢钢支支撑撑接接头头的的位位置置和和构构造造，应应根根据据开开挖挖断断面面形形状状、发发生生的的应应力力大大小小和和分分布布状状态态及及施施工工方方法法决决定定。一一般般，钢钢支支撑撑都都要要分分割割成成几几个个构构件件，而而后后用用接接头头将将各

27、各构构件件连连接接成成钢钢支支撑撑。在在设设计计上上，接接头头板板要要尽尽可可能能少少地地突突出出到到二二次次衬衬砌砌中中，这这是是造造成成二二次衬砌开裂的一个原因。次衬砌开裂的一个原因。图图3 3 接头构造示例接头构造示例图图4 4 底脚构造示例底脚构造示例7575 5 5）联系构件）联系构件 为为了了保保持持钢钢支支撑撑的的正正确确位位置置和和防防止止倾倾覆覆并并把把钢钢支支撑撑连连接接成成一一个个整整体体，应应设设置置联联系系构构件件。联联系系构构件件对对确确保保钢钢支支撑撑纵纵向向受力也是重要的。一般钢支撑的联系构件如图。受力也是重要的。一般钢支撑的联系构件如图。图图5 5 钢支撑联系

28、构件钢支撑联系构件7676 2 2、格栅格栅 我国是采用格栅最多的国家，积累了丰富的经验。我国是采用格栅最多的国家，积累了丰富的经验。格格栅栅是是由由普普通通建建筑筑用用钢钢筋筋(多多采采用用16Mn16Mn钢钢)经经冷冷弯弯成成形形后后焊焊接接而而成成，其其形形状状可可根根据据使使用用要要求求和和坑坑道道轮轮廓廓而而定定。下下图图是是格格栅栅最最基基本本的的、常常用用的的形形式式。有有圆圆形形、半半圆圆形形、马马蹄蹄形形、门门形形等等，可可根根据据坑坑道道轮轮廓廓进进行行设设计计。从从格格栅栅的的断断面面形形式式看看，有有各各种种形形式式，如三边形、四边形等。如三边形、四边形等。图图6 6

29、格栅断面形状示例格栅断面形状示例 7777 格格栅栅断断面面采采用用较较多多的的是是由由三三根根或或四四根根主主筋筋组组成成。其其中中4 4根根主主筋筋的的形形式式采采用用最最多多，四四主主筋筋型型的的每每根根钢钢筋筋相相同同，在在等等高高情情况况下下，其其抗抗弯弯和和抗抗扭扭惯惯性性矩矩大大于于三三主主筋筋型型，故故多多用用于于软软岩岩、土土砂砂地地层层的的双双线线隧隧道道。三三主主筋筋型型是是由由上上面面双双筋筋和和下下面面单单筋筋组组成成，上上主筋面积尽量与下主筋总面积相等，多用于单线隧道。主筋面积尽量与下主筋总面积相等，多用于单线隧道。主主筋筋直直径径不不宜宜小小于于22mm22mm，

30、并并宜宜采采用用20MnSi20MnSi或或A3A3钢钢筋筋。断断面面高高度度应应根根据据承承载载条条件件和和喷喷砼砼厚厚度度确确定定，一一般般为为160160200mm200mm。连连接方式较多，主要用图示形式，联系钢筋直径不宜小于接方式较多，主要用图示形式，联系钢筋直径不宜小于10mm10mm。图图7 7 格栅断面构成格栅断面构成 7878 格栅接头形式有：格栅接头形式有：螺螺栓栓连连接接板板接接头头。连连接接板板焊焊于于主主筋筋上上。通通过过螺螺栓栓将将两两段段钢架连接板紧密地连在一起。钢架连接板紧密地连在一起。套套管管螺螺栓栓接接头头。套套管管螺螺栓栓直直接接套套在在主主筋筋上上，将将

31、两两段段钢钢架架连接在一起。连接在一起。图图8 8 接头的各种形式接头的各种形式 7979 格格栅栅段段长长、节节间间距距在在满满足足隧隧道道分分部部开开挖挖、便便于于安安装装的的要要求求时时，宜宜加加大大格格栅栅分分段段长长度度以以减减少少接接头头。拱拱部部格格栅栅段段长长宜宜为为23m。为为了了保保证证主主筋筋和和加加强强筋筋的的局局部部稳稳定定，满满足足施施工工工工艺艺要要求，节间距不宜过长，一般可取两倍格栅高度求，节间距不宜过长，一般可取两倍格栅高度 格格栅栅与与钢钢支支撑撑一一样样也也是是分分段段加加工工，在在架架设设时时再再组组装装成成形形。格格栅栅支支护护的的接接头头是是整整个个

32、结结构构的的薄薄弱弱环环节节，必必须须加加强强。为为增增强强格栅钢架的整体性，在各格栅间应设置格栅钢架的整体性，在各格栅间应设置纵向连接构件纵向连接构件。格格栅栅与与钢钢支支撑撑比比较较一一个个最最突突出出特特点点是是：能能很很好好地地与与混混凝凝土土一一起起与与围围岩岩密密贴贴，支支护护效效果果好好。格格栅栅钢钢架架能能完完全全被被混混凝凝土土紧紧密密包包裹裹而而成成为为一一体体，形形成成类类似似的的钢钢筋筋混混凝凝土土结结构构。喷喷混混凝凝土土能能充充满满格格栅栅及及其其与与围围岩岩的的所所有有空空隙隙，而而钢钢支支撑撑的的背背面面常常常常不能完全充填密实，从而使支护不能很好地与围岩共同作

33、用。不能完全充填密实，从而使支护不能很好地与围岩共同作用。8080 格栅与钢支撑的适用条件是一致的，主要用于：格栅与钢支撑的适用条件是一致的，主要用于：（1)1)自自稳稳时时间间很很短短的的围围岩岩，在在锚锚杆杆或或喷喷混混凝凝土土支支扩扩发发挥挥作用前，可能发生围岩失稳或塌坍危险时；作用前，可能发生围岩失稳或塌坍危险时；（2 2）浅浅埋埋、偏偏压压隧隧道道，当当早早期期围围岩岩压压力力增增长长快快，需需要要提提高一次支护的早期强度和刚度时；高一次支护的早期强度和刚度时；（3)3)在在难难以以施施作作锚锚杆杆、喷喷射射混混凝凝土土的的砂砂卵卵石石、土土夹夹石石或或断断层层泥泥等等地地层层，大大

34、面面积积淋淋水水地地段段，以以及及为为了了抑抑制制围围岩岩大大的的变变形而增加支护抗力时；形而增加支护抗力时；（4 4）当当需需要要施施作作超超前前支支护护，设设置置格格栅栅作作为为超超前前锚锚扦扦(或或超前小钢管等超前小钢管等)的支承构件时的支承构件时;（5 5）自自稳稳时时间间短短，一一次次变变形形大大的的地地层层，对对地地面面下下沉沉量量有有严格限制的情况。严格限制的情况。8181 围岩级别围岩级别 单单 线线 隧隧 道道 双双 线线 隧隧 道道 必要时设置必要时设置 必要时设置必要时设置 拱部、边墙、仰拱拱部、边墙、仰拱 拱部、边墙、仰拱拱部、边墙、仰拱 通过试验确定通过试验确定 日日

35、本本规规定定，在在隧隧道道断断面面积积为为20100m2条条件件下下，格格栅栅的的采采用用条条件件是是：裂裂隙隙发发育育，岩岩体体破破碎碎的的硬硬岩岩；软软岩岩强强度度比比较较小小和和极小的情况；膨胀性围岩；土砂围岩极小的情况；膨胀性围岩；土砂围岩(埋深小的情况埋深小的情况)。根根据据铁铁路路隧隧道道构构筑筑法法技技术术规规则则(TBGl08(TBGl0892)92)规规定定，采用格栅钢架支护的适用条件见下表。采用格栅钢架支护的适用条件见下表。表表2 2 采用格栅的适用条件采用格栅的适用条件 8282 七、七、超前支护超前支护1 1、超前支护的分类和特征、超前支护的分类和特征 超超前前支支护护

36、是是在在掌掌子子面面前前方方构构筑筑的的薄薄壳壳结结构构，在在提提高高掌掌子子面面稳稳定定的的同同时时，也也可可以以作作为为支支护护结结构构的的一一部部分分加加以以利利用用，适适用于以控制地表下沉和相邻结构物影响为主要目的的场合。用于以控制地表下沉和相邻结构物影响为主要目的的场合。超超前前支支护护由由于于构构筑筑方方法法的的不不同同，有有的的是是以以横横向向刚刚性性大大的的拱拱形形构构造造为为主主，有有的的是是以以纵纵向向连连续续性性强强的的梁梁构构造造为为主主，也也有有具有两者功能的。其分类如下表。具有两者功能的。其分类如下表。表表1 1 超前支护方法分类超前支护方法分类超前支护的分类超前支

37、护的分类预计的功能预计的功能混凝土拱壳方式混凝土拱壳方式隧道横向刚性大（拱结构）隧道横向刚性大（拱结构）水平喷射注浆方式水平喷射注浆方式长钢管注浆方式长钢管注浆方式隧道纵向刚性大（梁结构）隧道纵向刚性大（梁结构）8383 （1）混凝土拱壳方式）混凝土拱壳方式 混混凝凝土土拱拱壳壳方方式式是是开开挖挖前前沿沿掌掌子子面面的的隧隧道道外外周周开开挖挖厚厚约约1550cm的的拱拱形形槽槽，开开挖挖后后立立即即用用混混凝凝土土或或砂砂浆浆充充填填，形形成成一一个个拱拱形形的的壳壳体体。此此方方式式因因在在隧隧道道横横断断方方向向形形成成连连续续的的刚刚性性大的拱形结构，故在下列制约条件严格的场合采用：

38、大的拱形结构，故在下列制约条件严格的场合采用：土土砂砂等等强强度度极极低低的的场场合合；埋埋深深浅浅，需需控控制制地地表表下下沉沉的的场场合；近接重要结构物会受到开挖影响的场合。合；近接重要结构物会受到开挖影响的场合。（2）水平喷射注浆方式）水平喷射注浆方式 此此方方式式是是在在开开挖挖前前于于掌掌子子面面前前方方的的隧隧道道外外周周形形成成长长约约10m左右的管状拱形结构体。左右的管状拱形结构体。结结构构体体的的形形成成，是是与与钻钻孔孔的的同同时时用用高高压压喷喷射射搅搅拌拌硬硬化化材材（水水泥泥砂砂浆浆）形形成成的的。可可以以形形成成一一个个沿沿隧隧道道横横向向的的拱拱形形连连续续的结构

39、。但与混凝土拱壳方式比，连续体差一些。的结构。但与混凝土拱壳方式比，连续体差一些。8484 （3）长钢管注浆方式）长钢管注浆方式 是是开开挖挖前前在在掌掌子子面面前前方方沿沿隧隧道道外外周周配配置置长长1015m的的钢钢管管，形形成成拱拱形形结结构构。为为使使钢钢管管和和围围岩岩间间形形成成一一体体，应应在在其其间间：充填水泥浆；压注水泥浆和其他压注材。充填水泥浆；压注水泥浆和其他压注材。采采用用超超前前支支护护时时，要要考考虑虑在在开开挖挖产产生生的的通通常常荷荷载载上上，加加上上约约束束掌掌子子面面前前方方的的荷荷载载。而而且且在在以以下下部部位位会会产产生生比比通通常常大大的荷载：的荷载

40、：超前支护的脚部；超前支护的脚部；钢支撑等的脚部。钢支撑等的脚部。如如果果没没有有足足够够的的承承载载力力，会会产产生生比比通通常常大大的的脚脚部部下下沉沉。如如脚脚部部下下沉沉继继续续发发展展，就就会会使使作作用用在在超超前前支支护护上上的的荷荷载载的的平平衡衡崩崩溃溃，从从而而损损伤伤隧隧道道的的稳稳定定性性。为为此此，要要充充分分注注意意确确保保脚脚部的承载力，必要时要进行加强。部的承载力，必要时要进行加强。8585 2 2、超前支护的设计方法超前支护的设计方法 超超前前支支护护的的设设计计应应根根据据围围岩岩条条件件（围围岩岩的的强强度度特特性性、掌掌子子面面自自稳稳性性、初初始始应应

41、力力状状态态等等）和和设设计计条条件件（隧隧道道周周边边的的地地形形条条件件、环环境境条条件件、隧隧道道断断面面形形状状、开开挖挖方方法法等等）选选择择适适宜宜的方法进行。的方法进行。初初期期支支护护和和二二次次衬衬砌砌的的设设计计，可可采采用用类类比比设设计计、标标准准设设计计和和解解析析设设计计中中的的方方法法进进行行，但但超超前前支支护护由由于于类类型型多多，且且事事例例少少还还没没有有确确立立标标准准的的支支护护模模式式，因因此此超超前前支支护护的的设设计计最最好好采用类比设计或解析设计方法进行。采用类比设计或解析设计方法进行。进行超前支护设计时，应根据以下顺序进行：进行超前支护设计时

42、，应根据以下顺序进行：首首先先明明确确超超前前支支护护的的目目的的和和必必要要性性；其其次次选选定定超超前前支支护护结结构构形形式式和和超超前前支支护护的的规规格格（长长度度、厚厚度度、强强度度、刚刚性性等等）；最后研究掌子面稳定性、结构的承载力及下沉量。最后研究掌子面稳定性、结构的承载力及下沉量。8686 掌掌子子面面开开挖挖后后隧隧道道纵纵向向围围岩岩的的应应力力重重新新分分配配，引引起起掌掌子子面面前前方方的的土土压压的的增增加加，但但采采用用超超前前支支护护后后可可以以缓缓和和其其增增加加并并提提高高了了掌掌子子面面的的自自稳稳性性。掌掌子子面面前前方方土土块块上上的的荷荷载载受受到到

43、超超前前支支护护的的支支持持，使使掌掌子子面面滑滑动动的的滑滑动动力力减减小小，即即使使没没有有正正面面补补强强或或简简易易的的正正面面补补强强，也也能能够够确确保保掌掌子子面面的的稳稳定定性性。研研究究时时要适当的反映此效果。要适当的反映此效果。掌子面稳定性研究的方法有也有两种方法：掌子面稳定性研究的方法有也有两种方法：（1 1）研究掌子面前方土块滑动平衡状态的方法）研究掌子面前方土块滑动平衡状态的方法 假假定定滑滑面面是是直直线线和和对对数数螺螺旋旋线线，采采用用极极限限平平衡衡方方法法。超超前前支支护护的的效效果果用用以以下下方方法法考考虑虑：计计算算作作用用在在掌掌子子面面土土块块上上

44、方方的的荷荷载载时时，反反映映超超前前支支护护的的效效果果；计计算算作作用用在在掌掌子子面面土土块块上上方方的的荷荷载载时时，考考虑虑3 3维维效效果果求求处处松松弛弛荷荷载载；考考虑虑纵纵向向应应力力的的再再分配。分配。8787 （2 2）研究掌子面围岩自稳性的方法）研究掌子面围岩自稳性的方法 采采用用弹弹性性或或弹弹塑塑性性有有限限元元法法评评价价掌掌子子面面前前方方围围岩岩的的应应力力状状态态（塑塑性性区区、应应力力集集中中等等）和和控控制制先先行行下下沉沉的的效效果果，研研究究掌子面的稳定性。掌子面的稳定性。图图1 1 掌子面纵向安全系数的比较例掌子面纵向安全系数的比较例 （3 3）超

45、前支护结构承载力的研究方法）超前支护结构承载力的研究方法 超超前前支支护护方方式式因因横横向向是是连连续续的的，主主要要研研究究隧隧道道横横向向的的承承载载力力;长长钢钢管管方方式式因因纵纵向向是是连连续续的的，主主要要研研究究隧隧道道纵纵向向的的承承载载力；在前力；在前2 2者之间，进行横向和纵向的研究。者之间，进行横向和纵向的研究。8888 图图3 3 纵向研究模式纵向研究模式3 3、适用范围、适用范围 最最近近山山岭岭隧隧道道的的施施工工领领域域逐逐渐渐扩扩大大，从从强强度度低低的的软软岩岩到到土土砂砂等等未未固固结结围围岩岩，采采用用通通常常的的施施工工方方法法很很难难适适应应。因因此

46、此，一一般般都都采采用用辅辅助助工工法法来来确确保保掌掌子子面面的的稳稳定定性性。过过去去是是开开挖挖后后常常常常采采用用正正面面喷喷混混凝凝土土、正正面面锚锚杆杆、小小导导管管等等施施工工，也也采采用用留留核核心心土土、断断面面分分部部等等方方法法。但但效效果果差差，作作业业也也繁繁杂杂，作作业业效率低。效率低。图图2 2 横向研究模式横向研究模式 8989 超超前前支支护护是是预预先先在在围围岩岩内内构构筑筑一一个个壳壳状状的的保保护护壳壳，可可以以大断面开挖，或大型机械施工，且能防止不能预测的崩塌。大断面开挖，或大型机械施工，且能防止不能预测的崩塌。下下图图是是由由施施工工实实际际编编制

47、制的的砂砂质质地地层层和和粘粘土土地地层层判判定定掌掌子子面面稳稳定定性性的的判判定定图图。此此图图能能够够按按准准弹弹性性系系数数和和埋埋深深的的比比值值推推定定隧隧道道掌掌子子面面的的稳稳定定性性，研研究究“稍稍稳稳定定”、“不不稳稳定定崩崩塌塌”的条件下应研究采用超前支护等任何辅助方法的必要性。的条件下应研究采用超前支护等任何辅助方法的必要性。超超前前支支护护法法中中，隧隧道道横横断断方方向向的的连连续续性性是是主主要要的的结结构构，对对约约束束相相当当超超前前长长度度的的前前方方围围岩岩的的位位移移的的效效果果是是很很大大的的。因因此此，需需提提高高掌掌子子面面稳稳定定性性的的场场合合

48、、极极力力控控制制地地表表下下沉沉的的场场合合、近接施工的场合都是有效的。近接施工的场合都是有效的。在在隧隧道道纵纵向向连连续续性性为为主主的的工工法法中中，拱拱效效果果很很小小，会会产产生生一一点点下下沉沉。但但因因可可能能施施工工的的长长度度较较大大，同同时时可可采采用用高高强强度度的的钢材，预计对防止掌子面崩塌是有效的。钢材，预计对防止掌子面崩塌是有效的。9090 图图4 4 山岭隧道掌子面稳定性的实态山岭隧道掌子面稳定性的实态9191 八、八、二次衬砌二次衬砌1、概述、概述 设置衬砌的目的如下：设置衬砌的目的如下：考虑围岩的不均匀性、支护材料质量的离散、锚杆的腐考虑围岩的不均匀性、支护

49、材料质量的离散、锚杆的腐蚀等不确定的因素，要增加作为结构物的安全系数；蚀等不确定的因素，要增加作为结构物的安全系数；考虑使用后的外力的变化和支护材料的劣化，需要提高考虑使用后的外力的变化和支护材料的劣化，需要提高作为结构物耐久性；作为结构物耐久性；衬砌施工后，因土压、水压、上覆荷载等外力发生时，衬砌施工后，因土压、水压、上覆荷载等外力发生时，需要加以支持；需要加以支持；在隧道变形没有收敛时修筑衬砌的场合，要给予隧道稳在隧道变形没有收敛时修筑衬砌的场合，要给予隧道稳定必要的约束力。定必要的约束力。9292 在一般场合，原则上都要设置衬砌。其中，仰拱原则上在一般场合，原则上都要设置衬砌。其中，仰拱

50、原则上在在级（铁路隧道）或级（铁路隧道）或类（公路隧道）设置。必要时，类（公路隧道）设置。必要时，铁路隧道在铁路隧道在级，公路隧道在级，公路隧道在类围岩地段也要设置。仰拱类围岩地段也要设置。仰拱设置时期最好在衬砌没有产生不利的应力之前设置，在地质设置时期最好在衬砌没有产生不利的应力之前设置，在地质条件差的围岩中，不管何种场合，都要及早地设置，使断面条件差的围岩中，不管何种场合，都要及早地设置，使断面及时闭合。及时闭合。在一般的山岭隧道中，由于围岩与支护的相互作用而获在一般的山岭隧道中，由于围岩与支护的相互作用而获得开挖后的稳定，二次衬砌的主要目的是：得开挖后的稳定，二次衬砌的主要目的是：隧道内