第2部分 隧道設(shè)計(jì)方法

1、1隧道設(shè)計(jì)方法隧道設(shè)計(jì)方法2一、概一、概 述述 長期以來，隧道結(jié)構(gòu)的計(jì)算僅僅是針對支護(hù)結(jié)構(gòu)中的二次襯砌長期以來，隧道結(jié)構(gòu)的計(jì)算僅僅是針對支護(hù)結(jié)構(gòu)中的二次襯砌的，在計(jì)算中一直采取拱涵力學(xué)模式，即把襯砌視為拱形推力的，在計(jì)算中一直采取拱涵力學(xué)模式，即把襯砌視為拱形推力結(jié)構(gòu)，承受來自圍巖的主動和被動荷載。這種簡化顯然與隧道結(jié)構(gòu)，承受來自圍巖的主動和被動荷載。這種簡化顯然與隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)相差很大。結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)相差很大。 例如例如 ：理論上已經(jīng)證實(shí)，在無支護(hù)坑（隧）道中：理論上已經(jīng)證實(shí)，在無支護(hù)坑（隧）道中, , 坑道本身坑道本身就是承載結(jié)構(gòu)，其工作狀態(tài)更接近于半無限或無限介質(zhì)中的孔就是承

2、載結(jié)構(gòu)，其工作狀態(tài)更接近于半無限或無限介質(zhì)中的孔洞那樣工作。洞那樣工作。地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)模式必須符合下述條件：地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)模式必須符合下述條件：（1 1）與實(shí)際工作狀態(tài)一致，能反映圍巖的實(shí)際狀態(tài)以及）與實(shí)際工作狀態(tài)一致，能反映圍巖的實(shí)際狀態(tài)以及圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)；圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)；（2 2）荷載假定應(yīng)與在修建洞室過程中荷載發(fā)生的情況一）荷載假定應(yīng)與在修建洞室過程中荷載發(fā)生的情況一致；致；（3 3）所確定的應(yīng)力狀態(tài)要與經(jīng)過長時間使用的結(jié)構(gòu)所發(fā)）所確定的應(yīng)力狀態(tài)要與經(jīng)過長時間使用的結(jié)構(gòu)所發(fā)生的事故和破壞情況一致；生的事故和破壞情況一致；（4 4）材料性質(zhì)和數(shù)學(xué)表達(dá)要等價。）材料性質(zhì)和

3、數(shù)學(xué)表達(dá)要等價。只要符合上述條件，任何設(shè)計(jì)和計(jì)算方法都會獲得合理的結(jié)果。只要符合上述條件，任何設(shè)計(jì)和計(jì)算方法都會獲得合理的結(jié)果。不管采取何種設(shè)計(jì)方法，都必須清楚地認(rèn)識隧道結(jié)構(gòu)物與其他不管采取何種設(shè)計(jì)方法，都必須清楚地認(rèn)識隧道結(jié)構(gòu)物與其他工程結(jié)構(gòu)物在本質(zhì)上的差異，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：工程結(jié)構(gòu)物在本質(zhì)上的差異，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1 1）其他工程結(jié)構(gòu)都是抵抗荷載的，而隧道結(jié)構(gòu)，按目前的）其他工程結(jié)構(gòu)都是抵抗荷載的，而隧道結(jié)構(gòu)，按目前的認(rèn)識水平來說，圍巖同時是工程材料、承載結(jié)構(gòu)和荷載。隧道認(rèn)識水平來說，圍巖同時是工程材料、承載結(jié)構(gòu)和荷載。隧道結(jié)構(gòu)的主體是圍巖，其承載結(jié)構(gòu)是由圍巖和初期支護(hù)、襯砌組結(jié)

4、構(gòu)的主體是圍巖，其承載結(jié)構(gòu)是由圍巖和初期支護(hù)、襯砌組成的一個整體。該系統(tǒng)的荷載是由支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖之間的相互成的一個整體。該系統(tǒng)的荷載是由支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖之間的相互作用給定的，不是事先能給定的參數(shù)。作用給定的，不是事先能給定的參數(shù)。（2 2）地面結(jié)構(gòu)有很大自由空間，其中每個構(gòu)件都是事先根據(jù)）地面結(jié)構(gòu)有很大自由空間，其中每個構(gòu)件都是事先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)荷載決定的，并用大家公認(rèn)的方法進(jìn)行計(jì)算、驗(yàn)證。相反標(biāo)準(zhǔn)荷載決定的，并用大家公認(rèn)的方法進(jìn)行計(jì)算、驗(yàn)證。相反地，隧道全部是開挖出來的，是在初始地應(yīng)力場作用下的工程地，隧道全部是開挖出來的，是在初始地應(yīng)力場作用下的工程材料中開挖出來的，也就是說是在具有一定應(yīng)力場的圍

5、巖中修材料中開挖出來的，也就是說是在具有一定應(yīng)力場的圍巖中修筑的。結(jié)構(gòu)很早就逐步地參與工作，其中的初始地應(yīng)力場是很筑的。結(jié)構(gòu)很早就逐步地參與工作，其中的初始地應(yīng)力場是很難準(zhǔn)確決定的。難準(zhǔn)確決定的。4（3 3）在其他建筑中，設(shè)計(jì)者能夠計(jì)算與荷載假定相適應(yīng)的結(jié)）在其他建筑中，設(shè)計(jì)者能夠計(jì)算與荷載假定相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，以及在可能的荷載組合下其中的應(yīng)力和變形。在隧構(gòu)的性質(zhì)，以及在可能的荷載組合下其中的應(yīng)力和變形。在隧道工程中要想計(jì)算出材料（既是挖過的圍巖也是支護(hù)的主體）道工程中要想計(jì)算出材料（既是挖過的圍巖也是支護(hù)的主體）中的應(yīng)力和變形是很困難的，因?yàn)樗c形成的結(jié)構(gòu)的類型以及中的應(yīng)力和變形是很困難的

6、，因?yàn)樗c形成的結(jié)構(gòu)的類型以及時間有很大關(guān)系。時間有很大關(guān)系。（4 4）其他建筑根據(jù)力學(xué)計(jì)算以及構(gòu)造上、經(jīng)濟(jì)上的考慮來選）其他建筑根據(jù)力學(xué)計(jì)算以及構(gòu)造上、經(jīng)濟(jì)上的考慮來選擇工程結(jié)構(gòu)的材料，而隧道工程的重要構(gòu)件（圍巖），本身就擇工程結(jié)構(gòu)的材料，而隧道工程的重要構(gòu)件（圍巖），本身就是建筑材料，我們既不能選擇，也不能極大地影響它的力學(xué)性是建筑材料，我們既不能選擇，也不能極大地影響它的力學(xué)性質(zhì)。質(zhì)。（5 5）在施工中，其荷載、變形和安全度與其他結(jié)構(gòu)相比都還）在施工中，其荷載、變形和安全度與其他結(jié)構(gòu)相比都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有確定，尤其是與最終狀態(tài)的關(guān)系密切。因此，在隧道遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有確定，尤其是與最終狀態(tài)的關(guān)系密切。因

7、此，在隧道結(jié)構(gòu)中最后狀態(tài)的安全度檢算和力學(xué)計(jì)算是存在問題的。結(jié)構(gòu)中最后狀態(tài)的安全度檢算和力學(xué)計(jì)算是存在問題的。二、設(shè)計(jì)方法的選擇和適用條件 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)圍巖條件（圍巖的強(qiáng)度特性、初始隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)圍巖條件（圍巖的強(qiáng)度特性、初始應(yīng)地力場等）和設(shè)計(jì)條件（隧道斷面形狀、隧道周邊地形條件、應(yīng)地力場等）和設(shè)計(jì)條件（隧道斷面形狀、隧道周邊地形條件、環(huán)境條件等）選擇合適的設(shè)計(jì)方法。環(huán)境條件等）選擇合適的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在預(yù)設(shè)計(jì)中采用以下方法根據(jù)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在預(yù)設(shè)計(jì)中采用以下方法: :(1) (1) 標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)模式的設(shè)計(jì)方法（簡稱標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)）；標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)模式的設(shè)計(jì)方法

8、（簡稱標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)）；(2) (2) 類似條件的設(shè)計(jì)方法（簡稱類比設(shè)計(jì)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)）；類似條件的設(shè)計(jì)方法（簡稱類比設(shè)計(jì)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)）；(3) (3) 解析的設(shè)計(jì)方法（簡稱解析設(shè)計(jì)）。解析的設(shè)計(jì)方法（簡稱解析設(shè)計(jì)）。 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在有標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)模式時以標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為主要的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在有標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)模式時以標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為主要的設(shè)計(jì)方法。在沒有標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)模式時，則要根據(jù)圍巖條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。在沒有標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)模式時，則要根據(jù)圍巖條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等選擇類比設(shè)計(jì)或解析設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。特點(diǎn)等選擇類比設(shè)計(jì)或解析設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。6標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)是用于一般圍巖條件下的標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面的設(shè)計(jì)，在圍標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)是用于一般圍巖條件下的標(biāo)

9、準(zhǔn)隧道斷面的設(shè)計(jì)，在圍巖條件特殊或設(shè)計(jì)條件特殊時，采用已經(jīng)實(shí)施過的、經(jīng)過工程巖條件特殊或設(shè)計(jì)條件特殊時，采用已經(jīng)實(shí)施過的、經(jīng)過工程實(shí)際證實(shí)是安全和經(jīng)濟(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)模式的設(shè)計(jì)方法。實(shí)際證實(shí)是安全和經(jīng)濟(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)模式的設(shè)計(jì)方法。不僅研究隧道結(jié)構(gòu)物本身的安全性，而且要保護(hù)周邊環(huán)境或接不僅研究隧道結(jié)構(gòu)物本身的安全性，而且要保護(hù)周邊環(huán)境或接近居民區(qū)的情況也越來越多。在這種情況下，有必要采用解析近居民區(qū)的情況也越來越多。在這種情況下，有必要采用解析方法分析地表面下沉等地層的動態(tài)。方法分析地表面下沉等地層的動態(tài)。在下面所示的特殊條件的情況下，宜根據(jù)解析的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)在下面所示的特殊條件的情況下，宜根據(jù)解析的計(jì)

10、算結(jié)果，進(jìn)行定量的判斷：行定量的判斷： （1 1）地質(zhì)條件特別差的情況；）地質(zhì)條件特別差的情況； （2 2）埋深大、初始地應(yīng)力大的情況；）埋深大、初始地應(yīng)力大的情況； （3 3）埋深小、地表面下沉有問題的情況；）埋深小、地表面下沉有問題的情況； （4 4）采用施工方法、開挖順序與標(biāo)準(zhǔn)的支護(hù)模式不同的）采用施工方法、開挖順序與標(biāo)準(zhǔn)的支護(hù)模式不同的特殊工法的情況；特殊工法的情況；7（5 5）斷面比標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)模式大得多的情況；）斷面比標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)模式大得多的情況；（6 6）斷面形狀特殊的情況；）斷面形狀特殊的情況；（7 7）洞口段、斜坡面下隧道等地形條件可能產(chǎn)生偏壓的）洞口段、斜坡面下隧道等地形條件可能產(chǎn)

11、生偏壓的情況；情況；（8 8）有接近隧道的結(jié)構(gòu)物的情況；）有接近隧道的結(jié)構(gòu)物的情況；（9 9）預(yù)計(jì)有與時間有關(guān)的流變荷載作用、二次襯砌存在）預(yù)計(jì)有與時間有關(guān)的流變荷載作用、二次襯砌存在長期荷載的情況。長期荷載的情況。在解析方法中，有兩種主要的方法，即：傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法在解析方法中，有兩種主要的方法，即：傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法及近代的巖體力學(xué)方法。前者是把支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍圍巖分割開及近代的巖體力學(xué)方法。前者是把支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍圍巖分割開來，把圍巖作為給定荷載，支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)來，把圍巖作為給定荷載，支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)荷載模式。后者是把結(jié)構(gòu)和周圍巖體視為一體，作為共同的承荷載模式。

12、后者是把結(jié)構(gòu)和周圍巖體視為一體，作為共同的承載體系，即相互作用模式或圍巖結(jié)構(gòu)模式，這是我們目前在載體系，即相互作用模式或圍巖結(jié)構(gòu)模式，這是我們目前在隧道設(shè)計(jì)中力求采用的或正在發(fā)展中的方法。隧道設(shè)計(jì)中力求采用的或正在發(fā)展中的方法。8三、類比設(shè)計(jì)采用類比設(shè)計(jì)方法，應(yīng)充分研究其設(shè)計(jì)條件及設(shè)計(jì)的妥當(dāng)采用類比設(shè)計(jì)方法，應(yīng)充分研究其設(shè)計(jì)條件及設(shè)計(jì)的妥當(dāng)性，根據(jù)當(dāng)?shù)貒鷰r的性質(zhì)加以修正。性，根據(jù)當(dāng)?shù)貒鷰r的性質(zhì)加以修正。 所謂類似條件：圍巖條件及斷面形狀等設(shè)計(jì)條件的類似。所謂類似條件：圍巖條件及斷面形狀等設(shè)計(jì)條件的類似。研究圍巖條件類似時，最有參考價值的是附近既有工程的研究圍巖條件類似時，最有參考價值的是附近既

13、有工程的實(shí)際情況，如在圍巖分類時，應(yīng)著重在彈性波速度、裂隙系數(shù)、實(shí)際情況，如在圍巖分類時，應(yīng)著重在彈性波速度、裂隙系數(shù)、圍巖強(qiáng)度比、相對密度、細(xì)顆粒含量等類似性上；其次，也要圍巖強(qiáng)度比、相對密度、細(xì)顆粒含量等類似性上；其次，也要研究地下水條件的類似性。研究地下水條件的類似性。設(shè)計(jì)條件的類似性主要是支護(hù)模式、地形條件、施工方法、設(shè)計(jì)條件的類似性主要是支護(hù)模式、地形條件、施工方法、輔助工法等的類似性。輔助工法等的類似性。類比設(shè)計(jì)的類似性以及妥當(dāng)性，一般應(yīng)按表類比設(shè)計(jì)的類似性以及妥當(dāng)性，一般應(yīng)按表1 1和表和表2 2所列項(xiàng)所列項(xiàng)目進(jìn)行研究。目進(jìn)行研究。 9從這些實(shí)踐中，大致上可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)從

14、這些實(shí)踐中，大致上可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)“類比設(shè)類比設(shè)計(jì)計(jì)”時，需要注意的幾點(diǎn)時，需要注意的幾點(diǎn): :（1 1）首先，對坑道圍巖要有一個大致的分級。這些分級）首先，對坑道圍巖要有一個大致的分級。這些分級大都是根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，為一座隧道或一條線路單獨(dú)編制的。大都是根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，為一座隧道或一條線路單獨(dú)編制的。但不管采用何種分級，大體上都是把坑道圍巖分為四個基本類但不管采用何種分級，大體上都是把坑道圍巖分為四個基本類型。即：型。即： 1 1）完整、穩(wěn)定圍巖；）完整、穩(wěn)定圍巖； 2 2）易破碎、剝離的塊狀圍巖；）易破碎、剝離的塊狀圍巖； 3 3）有地壓作用的破碎圍巖；）有地壓作用的破碎圍巖；

15、4 4）強(qiáng)烈擠壓性圍巖或有強(qiáng)大地壓的圍巖。）強(qiáng)烈擠壓性圍巖或有強(qiáng)大地壓的圍巖。 其中某些類別還有些亞類。其中某些類別還有些亞類。10（2）各類圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)大體按下述原則選用。）各類圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)大體按下述原則選用。1）完整、穩(wěn)定的圍巖）完整、穩(wěn)定的圍巖錨桿長錨桿長ppmbmb) )，故向下流動；，故向下流動；地下水在流出的河流部，則相反，因下部的水頭比上部高地下水在流出的河流部，則相反，因下部的水頭比上部高(p(prurupprbrb) )故是向上流動的；山側(cè)與河側(cè)及其中間部的水頭，是故是向上流動的；山側(cè)與河側(cè)及其中間部的水頭，是p pmbmbpphbhbpprbrb，故地下水是從賦

16、予部（山）向流出部（河流）流，故地下水是從賦予部（山）向流出部（河流）流動的。動的。30 （7 7）地質(zhì)條件與影響范圍）地質(zhì)條件與影響范圍 中、古生層：埋深在中、古生層：埋深在150m150m以內(nèi)幾乎都受到影響，出現(xiàn)枯以內(nèi)幾乎都受到影響，出現(xiàn)枯水現(xiàn)象，其范圍在埋深水現(xiàn)象，其范圍在埋深5050100m100m時是最大的，隨著埋深的增加時是最大的，隨著埋深的增加有逐漸減小的趨勢。在破碎質(zhì)圍巖中，影響范圍有的可達(dá)有逐漸減小的趨勢。在破碎質(zhì)圍巖中，影響范圍有的可達(dá)100010002000m2000m的情況。的情況。 深成巖類：發(fā)生枯水現(xiàn)象大多在埋深深成巖類：發(fā)生枯水現(xiàn)象大多在埋深200m200m以內(nèi)，

17、也有離以內(nèi)，也有離開隧道開隧道1000m1000m的情況。與中、古生層一樣，影響范圍在埋深的情況。與中、古生層一樣，影響范圍在埋深5050100m100m時最大時最大( (一側(cè)可達(dá)一側(cè)可達(dá)1500m)1500m)，埋深越大，影響范圍減少。，埋深越大，影響范圍減少。 變質(zhì)巖類：數(shù)據(jù)比較少，看不出規(guī)律，但埋深在變質(zhì)巖類：數(shù)據(jù)比較少，看不出規(guī)律，但埋深在50m50m以內(nèi)，以內(nèi)，多發(fā)生枯水現(xiàn)象。多發(fā)生枯水現(xiàn)象。 火山巖及火山破碎巖類：枯水現(xiàn)象在埋深火山巖及火山破碎巖類：枯水現(xiàn)象在埋深250250300m300m時，時，幾乎都發(fā)生，范圍在埋深幾乎都發(fā)生，范圍在埋深100100200m200m時最大。時最

18、大。31 砂礫層：數(shù)據(jù)比較少，看不出規(guī)律，但埋深在砂礫層：數(shù)據(jù)比較少，看不出規(guī)律，但埋深在50m50m以內(nèi)，以內(nèi)，多發(fā)生枯水現(xiàn)象。多發(fā)生枯水現(xiàn)象。 泥巖、砂巖類：枯水現(xiàn)象幾乎在埋深泥巖、砂巖類：枯水現(xiàn)象幾乎在埋深100m100m以下、距隧道以下、距隧道500m500m以內(nèi)發(fā)生。埋深在以內(nèi)發(fā)生。埋深在20m20m30m30m時影響最大。時影響最大。 火山泥流堆積物：埋深越大其范圍也越大?；鹕侥嗔鞫逊e物：埋深越大其范圍也越大。2 2、山嶺隧道的水壓力問題、山嶺隧道的水壓力問題 （1 1）既有的一些研究成果）既有的一些研究成果 我國水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：作用在混凝土襯砌的我國水工建筑物荷載設(shè)計(jì)

19、規(guī)范規(guī)定：作用在混凝土襯砌的外水壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值，按下式確定。外水壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值，按下式確定。P=P=H H式中：式中：P P ：水壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值；：水壓強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)值；：外水壓力折減系數(shù)；：外水壓力折減系數(shù)；：水的：水的重度；重度；H H：作用水頭，按設(shè)計(jì)采用的地下水位線與隧洞中心線：作用水頭，按設(shè)計(jì)采用的地下水位線與隧洞中心線之間的高差確定。之間的高差確定。32表說明：在不同的地質(zhì)條件下，水壓值可以有不同程度的表說明：在不同的地質(zhì)條件下，水壓值可以有不同程度的折減，而折減的主要方法是根據(jù)開挖后暴露的滲漏水的狀況決折減，而折減的主要方法是根據(jù)開挖后暴露的滲漏水的狀況決定的。這實(shí)質(zhì)上，也是目前許多國家采用的辦法。

20、因此，利用定的。這實(shí)質(zhì)上，也是目前許多國家采用的辦法。因此，利用平導(dǎo)進(jìn)行超前的地質(zhì)預(yù)報，根據(jù)巖面的水的活動狀況，或透水平導(dǎo)進(jìn)行超前的地質(zhì)預(yù)報，根據(jù)巖面的水的活動狀況，或透水試驗(yàn)確定折減系數(shù)是可行的。試驗(yàn)確定折減系數(shù)是可行的。在錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范也建議外水壓力可采用地在錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范也建議外水壓力可采用地下水位以下的水柱高乘以相應(yīng)的折減系數(shù)的方法估算。下水位以下的水柱高乘以相應(yīng)的折減系數(shù)的方法估算。33 鐵路隧道的一些研究指出：鐵路隧道的一些研究指出：一般說，隧道地區(qū)地下水分為一般說，隧道地區(qū)地下水分為2種類型，即淺層風(fēng)化裂隙種類型，即淺層風(fēng)化裂隙水和下部構(gòu)造裂隙水。前者主要

21、循環(huán)在水和下部構(gòu)造裂隙水。前者主要循環(huán)在4050m 以上深度范圍以上深度范圍內(nèi)，水交替作用強(qiáng)烈，后者大多數(shù)循環(huán)在內(nèi)，水交替作用強(qiáng)烈，后者大多數(shù)循環(huán)在500m以上的深度范以上的深度范圍內(nèi)，水交替作用緩慢。深埋隧道的涌水則大部分來自自身所圍內(nèi)，水交替作用緩慢。深埋隧道的涌水則大部分來自自身所在的含水介質(zhì)的儲存量（即下部構(gòu)造裂隙水）。實(shí)踐證實(shí)，在在的含水介質(zhì)的儲存量（即下部構(gòu)造裂隙水）。實(shí)踐證實(shí)，在這種情況下，隧道開挖后對地下水活動影響的范圍僅局限于一這種情況下，隧道開挖后對地下水活動影響的范圍僅局限于一定的范圍，而不是整個地下水都對隧道發(fā)生作用，實(shí)質(zhì)上是深定的范圍，而不是整個地下水都對隧道發(fā)生作用

22、，實(shí)質(zhì)上是深層循環(huán)水在起作用。這個結(jié)論說明：為什么那么多的山嶺隧道，層循環(huán)水在起作用。這個結(jié)論說明：為什么那么多的山嶺隧道，都沒有考慮水壓的作用，或僅僅考慮可以接受的水壓值，即對都沒有考慮水壓的作用，或僅僅考慮可以接受的水壓值，即對水壓值可以進(jìn)行折減，而且折減系數(shù)隨著埋深的增加（意味著水壓值可以進(jìn)行折減，而且折減系數(shù)隨著埋深的增加（意味著滲透系數(shù)的減?。┮搽S之減小。滲透系數(shù)的減?。┮搽S之減小。34一般說，在地質(zhì)判斷中，當(dāng)滲透系數(shù)小于一般說，在地質(zhì)判斷中，當(dāng)滲透系數(shù)小于10-610-7cm/s時，時，就可認(rèn)為是不透水的圍巖。也就是說，當(dāng)隧道所處的圍巖介質(zhì)就可認(rèn)為是不透水的圍巖。也就是說，當(dāng)隧道所

23、處的圍巖介質(zhì)的滲透系數(shù)小于此值時，折減系數(shù)就可以考慮采用的滲透系數(shù)小于此值時，折減系數(shù)就可以考慮采用0，即不考，即不考慮水壓的作用。同時滲透系數(shù)有一個規(guī)律，就是隨著埋深的增慮水壓的作用。同時滲透系數(shù)有一個規(guī)律，就是隨著埋深的增加而減小。例如秦嶺隧道一些試驗(yàn)結(jié)果，就說明了這一點(diǎn)。加而減小。例如秦嶺隧道一些試驗(yàn)結(jié)果，就說明了這一點(diǎn)。35表表 3 滲透系數(shù)與埋深的測試關(guān)系滲透系數(shù)與埋深的測試關(guān)系深度深度滲透系數(shù)（滲透系數(shù)（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）孔隙水壓的計(jì)算問題）孔隙水壓的計(jì)算問題基本觀點(diǎn)：基本觀點(diǎn)：日本青函海底隧道是采用全斷面圍巖壓注的一日本青函海底隧道是采用全斷面圍巖壓注的一個典型的隧道，認(rèn)為作用在隧道襯砌上的水壓值與圍巖的滲透個典型的隧道，認(rèn)為作用在隧道襯砌上的水壓值與圍巖的滲透系數(shù)有直接的關(guān)系。系數(shù)有直接的關(guān)系。 圖圖a)a)表示顆粒狀空隙中壓注材料沒有完全充填，但已固化表示顆粒狀空隙中壓注材料沒有完全充填，但已固化的狀況，水只在顆粒和壓注材料間的間隙中流動。圖的狀況，水只在顆粒和壓注材料間的間隙中流動。圖c)c)表示壓表示壓注材料充填圍巖中裂隙的狀況，水也是只在殘留的裂隙中流動。注材料充填圍巖中裂隙的狀況，

25、水也是只在殘留的裂隙中流動。 36圖圖6 6 壓注圍巖的滲透模式壓注圍巖的滲透模式 在這樣的圍巖中，對充填率和透水系數(shù)做了如下假定：在這樣的圍巖中，對充填率和透水系數(shù)做了如下假定： 壓注帶內(nèi)水只在間隙中流動；壓注帶內(nèi)水只在間隙中流動； 顆粒、巖石、固化的壓注材料不透水；顆粒、巖石、固化的壓注材料不透水； 壓注液容量壓注液容量V Vt t與壓注材料的固化容量與壓注材料的固化容量V Vg g之比：之比： (V(Vg g/V/Vt t)=)=，取，取11。 將圖將圖a)a)、c)c)的復(fù)雜模式簡化為圖的復(fù)雜模式簡化為圖b)b)、d)d)模式，即將圍巖中模式，即將圍巖中的壓注材料的容量置換為等效的粒子

26、，或置換為等效的巖石部的壓注材料的容量置換為等效的粒子，或置換為等效的巖石部分，這樣就可以只考慮壓注后僅僅是空隙率的變化。分，這樣就可以只考慮壓注后僅僅是空隙率的變化。 假定圍巖的初始空隙率為假定圍巖的初始空隙率為i i，壓注后的空隙率為，壓注后的空隙率為sgsg，則，則有：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：對象圍巖的容量；：對象圍巖的容量；V Vs s、V Vg g：分別是土和巖石的固體容：分別是土和巖石的固體容量及壓注材料的固體容量。量及壓注材料的固體容量。37其次，壓注材料的填充率：其次，壓注材料

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：漿液的容量；：漿液的容量；：壓注漿液的固化率，：壓注漿液的固化率，11。透水系數(shù)比透水系數(shù)比k/kk/k： k k/k k= =f f( (sgsg/ /i i)=)=f f( (i i- -)/)/f f( (i i) ) 如果知道壓注后的空隙率如果知道壓注后的空隙率sgsg，就可以求出壓注后的透水，就可以求出壓注后的透水系數(shù)系數(shù)k k。 當(dāng)當(dāng)=時，也就是說空隙完全被漿液所填充，則時，

28、也就是說空隙完全被漿液所填充，則k/kk/k趨近趨近于于0；當(dāng)；當(dāng)=0時，也就是說漿液完全沒有填充，時，也就是說漿液完全沒有填充，k/kk/k趨近于趨近于1。38 作為參考，將一些研究成果示于圖，可以看出：填充率越作為參考，將一些研究成果示于圖，可以看出：填充率越接近接近值，值，k/kk/k則急劇減小。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，壓注材料的最終則急劇減小。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，壓注材料的最終飽和率一般在飽和率一般在0.80.9左右，左右，k/kk/k可減小到可減小到10-210-3左右，這是左右，這是可能的。青函隧道的壓注帶內(nèi)的可能的。青函隧道的壓注帶內(nèi)的k/kk/k和和的測定值的比較示于的測定值的比較示于圖。圖。

29、39圖圖7 7 滲透滲透系數(shù)系數(shù)比和比和充填充填率的率的理論理論和試和試驗(yàn)關(guān)驗(yàn)關(guān)系系圖圖8 充填率和滲透系數(shù)比的關(guān)系充填率和滲透系數(shù)比的關(guān)系 采用的方法：采用的方法： 例例 ：在海底隧道中，為了減少襯砌背后的水壓，應(yīng)容許：在海底隧道中，為了減少襯砌背后的水壓，應(yīng)容許水的流入，但從減小揚(yáng)水費(fèi)用出發(fā)，應(yīng)向隧道周邊圍巖進(jìn)行壓水的流入，但從減小揚(yáng)水費(fèi)用出發(fā)，應(yīng)向隧道周邊圍巖進(jìn)行壓注來減小透水系數(shù)，控制水的流入量。設(shè)定壓注范圍并減小透注來減小透水系數(shù)，控制水的流入量。設(shè)定壓注范圍并減小透水系數(shù)后，必然地在壓注范圍外周有較高的水壓作用，在其內(nèi)水系數(shù)后，必然地在壓注范圍外周有較高的水壓作用，在其內(nèi)部，則出現(xiàn)

30、水壓急劇降低的水壓分布。下圖是巖層壓注模式，部，則出現(xiàn)水壓急劇降低的水壓分布。下圖是巖層壓注模式，在外周承受水壓，而襯砌則承受開挖引起的地壓。在外周承受水壓，而襯砌則承受開挖引起的地壓。 40圖圖9 9 解析模式解析模式 為使問題簡化，視圍巖為均質(zhì)、各向同性的彈塑性體，其為使問題簡化，視圍巖為均質(zhì)、各向同性的彈塑性體，其中作用的初始應(yīng)力視為靜水壓力狀態(tài)，因?yàn)榭紫端牧鲃雍芫徶凶饔玫某跏紤?yīng)力視為靜水壓力狀態(tài)，因?yàn)榭紫端牧鲃雍芫徛蔬_(dá)西慢，故達(dá)西(Darcy)(Darcy)定律也成立。定律也成立。 其次，隧道其次，隧道( (半徑半徑a)a)周圍有半徑為周圍有半徑為b b的注漿區(qū)域，其外圍作的注

31、漿區(qū)域，其外圍作用由有效應(yīng)力用由有效應(yīng)力p p* *和孔隙水壓和孔隙水壓u uw wb b之和形成的壓力之和形成的壓力p p0 0，一般與圍巖，一般與圍巖的初始應(yīng)力不同。在注漿區(qū)域很大的情況中，可近似地令其相的初始應(yīng)力不同。在注漿區(qū)域很大的情況中，可近似地令其相等。此外，如圖所示的注漿區(qū)域，假定是由松弛區(qū)域等。此外，如圖所示的注漿區(qū)域，假定是由松弛區(qū)域( (r) )和和彈性區(qū)域彈性區(qū)域( (r) )構(gòu)成的。構(gòu)成的。 在分析中，考慮圍巖內(nèi)的孔隙水和固體部分的相互作用，在分析中，考慮圍巖內(nèi)的孔隙水和固體部分的相互作用，但孔隙水的活動如認(rèn)為與固體部分中變形動態(tài)無關(guān)，則可單獨(dú)但孔隙水的活動如認(rèn)為與固體

32、部分中變形動態(tài)無關(guān)，則可單獨(dú)進(jìn)行圍巖內(nèi)的滲透水的分析。進(jìn)行圍巖內(nèi)的滲透水的分析。413 3、城市隧道的水壓力問題、城市隧道的水壓力問題在城市修筑隧道工程，如地下鐵道、城市道路隧道等，地在城市修筑隧道工程，如地下鐵道、城市道路隧道等，地下水的問題是一個難題。它對周邊環(huán)境的影響是不容忽視的。下水的問題是一個難題。它對周邊環(huán)境的影響是不容忽視的。在外部環(huán)境保護(hù)中，地下水變動是的隧道施工中的共同的在外部環(huán)境保護(hù)中，地下水變動是的隧道施工中的共同的環(huán)境因素。在地層中，視深度和地質(zhì)條件，土壓、水壓是處于環(huán)境因素。在地層中，視深度和地質(zhì)條件，土壓、水壓是處于平衡狀態(tài)的，但修建隧道結(jié)構(gòu)物后，這種平衡被破壞，使

33、地層、平衡狀態(tài)的，但修建隧道結(jié)構(gòu)物后，這種平衡被破壞，使地層、地下水環(huán)境發(fā)生變化。下圖是關(guān)于隨涌水的地下水變動和地層地下水環(huán)境發(fā)生變化。下圖是關(guān)于隨涌水的地下水變動和地層變異的機(jī)理概念圖。據(jù)此，隧道開挖會產(chǎn)生地下水位降低和地變異的機(jī)理概念圖。據(jù)此，隧道開挖會產(chǎn)生地下水位降低和地層的壓密下沉，也會造成地下水的流場變化和地下水的變動。層的壓密下沉，也會造成地下水的流場變化和地下水的變動。下表列出隧道開挖可能引起的地下水變動和地層變異的現(xiàn)象和下表列出隧道開挖可能引起的地下水變動和地層變異的現(xiàn)象和原因。原因。4243表表4 4 地下水變動和地層變異的現(xiàn)象和原因地下水變動和地層變異的現(xiàn)象和原因現(xiàn)象現(xiàn)象主

34、要影響主要影響主要原因主要原因地地下下水水變變動動地下水位（水壓）降地下水位（水壓）降低低井枯竭、井的水量減少、井枯竭、井的水量減少、鹽水化、缺氧空氣發(fā)生、鹽水化、缺氧空氣發(fā)生、植被生態(tài)系變化植被生態(tài)系變化施工時的抽水、漏水、施工時的抽水、漏水、運(yùn)用中的漏水運(yùn)用中的漏水地下水位（水壓）上地下水位（水壓）上升升濕地化、水田濕田化、結(jié)濕地化、水田濕田化、結(jié)構(gòu)物上浮、植被生態(tài)系變構(gòu)物上浮、植被生態(tài)系變化化結(jié)構(gòu)物的存在、施工結(jié)構(gòu)物的存在、施工時的復(fù)水時的復(fù)水地下水流動方向變化地下水流動方向變化流況變化流況變化同上同上漏水漏水與地下水位降低相同與地下水位降低相同結(jié)構(gòu)物和遮水不足結(jié)構(gòu)物和遮水不足地地層層變

35、變異異地層壓密下沉地層壓密下沉道路道路結(jié)構(gòu)物下沉、配管類結(jié)構(gòu)物下沉、配管類的功能障礙的功能障礙地下水位（水壓）降地下水位（水壓）降低低地面下沉地面下沉同上、動的地層特性變化同上、動的地層特性變化漏水、施工中漏水、施工中施工后施工后的結(jié)構(gòu)物位移的結(jié)構(gòu)物位移開挖時的側(cè)方位移開挖時的側(cè)方位移同上同上同上同上 日本在日本在“城市礦山隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)城市礦山隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”中對水壓處理規(guī)定如下：中對水壓處理規(guī)定如下：（1 1）在地下水位以下的防水型隧道的二次襯砌及仰拱的）在地下水位以下的防水型隧道的二次襯砌及仰拱的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮水壓力。設(shè)計(jì)應(yīng)考慮水壓力。（2 2）設(shè)計(jì)中考慮的水壓力原則上是孔隙水壓?？紤]到實(shí)）設(shè)計(jì)

36、中考慮的水壓力原則上是孔隙水壓?？紤]到實(shí)際上確實(shí)地掌握水壓是有困難的，因此，要在實(shí)測中假定地下際上確實(shí)地掌握水壓是有困難的，因此，要在實(shí)測中假定地下水位進(jìn)行水壓的計(jì)算。水位進(jìn)行水壓的計(jì)算。（3 3）水壓一般按恢復(fù)后的水位進(jìn)行計(jì)算。一般說，恢復(fù)）水壓一般按恢復(fù)后的水位進(jìn)行計(jì)算。一般說，恢復(fù)后的水位較原水位低些，但也有高的情況，應(yīng)進(jìn)行分析研究。后的水位較原水位低些，但也有高的情況，應(yīng)進(jìn)行分析研究。（4 4）一般說，在使用極限狀態(tài)的研究中，水位最好采用）一般說，在使用極限狀態(tài)的研究中，水位最好采用高水位（豐水期的水位）或采用低水位（枯水期的水位）。但高水位（豐水期的水位）或采用低水位（枯水期的水位）

37、。但在以下的地形、地下水條件下，使用期間預(yù)計(jì)有可能出現(xiàn)顯著在以下的地形、地下水條件下，使用期間預(yù)計(jì)有可能出現(xiàn)顯著變動的場合，應(yīng)假定異常時的水位進(jìn)行最終極限狀態(tài)的研究。變動的場合，應(yīng)假定異常時的水位進(jìn)行最終極限狀態(tài)的研究。44 類似谷地形，地下水和地表水易于暫時集中的場合；類似谷地形，地下水和地表水易于暫時集中的場合； 類似扇狀地形存在豐富的地下水，隧道兩側(cè)出現(xiàn)顯著的類似扇狀地形存在豐富的地下水，隧道兩側(cè)出現(xiàn)顯著的不均衡水壓的場合。不均衡水壓的場合。（5 5）在水位經(jīng)常發(fā)生變動的情況，使用極限狀態(tài)研究時，）在水位經(jīng)常發(fā)生變動的情況，使用極限狀態(tài)研究時，設(shè)計(jì)中最好考慮水位的變動。設(shè)計(jì)中最好考慮水位

38、的變動。（6 6）在設(shè)定水壓時，還要注意以下幾點(diǎn)：）在設(shè)定水壓時，還要注意以下幾點(diǎn)： 地下水位不僅與季節(jié)的降雨量的變化有關(guān)，也會因近接地下水位不僅與季節(jié)的降雨量的變化有關(guān)，也會因近接施工引起的環(huán)境變化有關(guān)；施工引起的環(huán)境變化有關(guān)； 因?qū)Φ叵滤畵P(yáng)水的限制，地下水位也有逐年上升情況；因?qū)Φ叵滤畵P(yáng)水的限制，地下水位也有逐年上升情況； 因近接施工使垂直荷載作用在襯砌上的場合，設(shè)定高水因近接施工使垂直荷載作用在襯砌上的場合，設(shè)定高水位不一定是偏于安全的設(shè)計(jì)，因此，應(yīng)進(jìn)行高水位和低水位的位不一定是偏于安全的設(shè)計(jì)，因此，應(yīng)進(jìn)行高水位和低水位的研究；研究；45 谷形地和扇狀地形等把地下水遮斷的場合，會產(chǎn)生偏水

39、壓，谷形地和扇狀地形等把地下水遮斷的場合，會產(chǎn)生偏水壓，此時即使水位低，也會出現(xiàn)彎矩作用，因此要按偏水壓進(jìn)行設(shè)計(jì)。此時即使水位低，也會出現(xiàn)彎矩作用，因此要按偏水壓進(jìn)行設(shè)計(jì)。（7 7）設(shè)計(jì)時，下圖所示，在襯砌的各位置，水壓都按作用在襯）設(shè)計(jì)時，下圖所示，在襯砌的各位置，水壓都按作用在襯砌圖心的半徑方向進(jìn)行計(jì)算。砌圖心的半徑方向進(jìn)行計(jì)算。46圖圖14 14 水壓分布水壓分布八、 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法 目前許多國家在隧道設(shè)計(jì)中都開始從過去的容許應(yīng)力法轉(zhuǎn)目前許多國家在隧道設(shè)計(jì)中都開始從過去的容許應(yīng)力法轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎脴O限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。變?yōu)椴捎脴O限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。1 1、日本采用的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法、日本采用的極限狀

40、態(tài)設(shè)計(jì)方法 （1 1）極限狀態(tài)的定義）極限狀態(tài)的定義 采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法首先要設(shè)定其極限狀態(tài)。隧道襯砌采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法首先要設(shè)定其極限狀態(tài)。隧道襯砌是以軸力為主的并承受地層反力的拱形結(jié)構(gòu)物，即使產(chǎn)生彎曲是以軸力為主的并承受地層反力的拱形結(jié)構(gòu)物，即使產(chǎn)生彎曲開裂和鋼筋屈服而使構(gòu)件剛性降低，彎矩也會向剛性沒有降低開裂和鋼筋屈服而使構(gòu)件剛性降低，彎矩也會向剛性沒有降低的周圍構(gòu)件分配，一個構(gòu)件破壞不會立即造成整個結(jié)構(gòu)物的破的周圍構(gòu)件分配，一個構(gòu)件破壞不會立即造成整個結(jié)構(gòu)物的破壞。荷載壞。荷載P P在一處發(fā)生彎曲開裂（在一處發(fā)生彎曲開裂（A A點(diǎn)），鋼筋屈服（點(diǎn)），鋼筋屈服（B B點(diǎn)），點(diǎn)），接著

41、即使達(dá)到混凝土的壓縮極限應(yīng)變（接著即使達(dá)到混凝土的壓縮極限應(yīng)變（C C點(diǎn)），作為結(jié)構(gòu)仍然點(diǎn)），作為結(jié)構(gòu)仍然多會保持穩(wěn)定的狀態(tài)，到最大荷載（多會保持穩(wěn)定的狀態(tài)，到最大荷載（D D點(diǎn)）前，位移、承載力點(diǎn)）前，位移、承載力仍然有足夠的富裕。仍然有足夠的富裕。47 按下表定義襯砌的極限狀態(tài)，其對應(yīng)的現(xiàn)象列于下圖。按下表定義襯砌的極限狀態(tài)，其對應(yīng)的現(xiàn)象列于下圖。48圖圖1 1 荷荷載載與與位位移移的的關(guān)關(guān)系系表表1 1 二次襯砌和仰拱的極限狀態(tài)二次襯砌和仰拱的極限狀態(tài)名稱名稱定義定義使用極限狀態(tài)使用極限狀態(tài)對水壓、近接施工產(chǎn)生的荷載等，主要是長期持續(xù)對水壓、近接施工產(chǎn)生的荷載等，主要是長期持續(xù)作用的荷載

42、，喪失使用性和耐久性的狀態(tài)作用的荷載，喪失使用性和耐久性的狀態(tài)最終極限狀態(tài)最終極限狀態(tài)對除地震以外作用的荷載（異常的水位上升等），對除地震以外作用的荷載（異常的水位上升等），喪失穩(wěn)定和功能的狀態(tài)喪失穩(wěn)定和功能的狀態(tài) 容許開裂寬度達(dá)到圖中的容許開裂寬度達(dá)到圖中的b b點(diǎn)定義為使用極限狀態(tài)，但仰點(diǎn)定義為使用極限狀態(tài)，但仰拱可以緩和一些。最終極限狀態(tài)用鋼筋屈服定義，圖中的拱可以緩和一些。最終極限狀態(tài)用鋼筋屈服定義，圖中的c c點(diǎn)，點(diǎn)，但襯砌是被圍巖包圍的拱形結(jié)構(gòu)，襯砌一處即使達(dá)到最終狀態(tài)，但襯砌是被圍巖包圍的拱形結(jié)構(gòu)，襯砌一處即使達(dá)到最終狀態(tài)，也不會造成結(jié)構(gòu)的破壞，因此，可采用混凝土壓縮極限應(yīng)變，也

43、不會造成結(jié)構(gòu)的破壞，因此，可采用混凝土壓縮極限應(yīng)變，圖中的圖中的d d點(diǎn)定義。點(diǎn)定義。49圖圖2 2 極極限限狀狀態(tài)態(tài) 和和現(xiàn)現(xiàn)象象 鐵路隧道的使用極限狀態(tài)主要指：襯砌掉塊，妨礙運(yùn)行；鐵路隧道的使用極限狀態(tài)主要指：襯砌掉塊，妨礙運(yùn)行；發(fā)生對列車運(yùn)行安全性有影響的軌道變異；產(chǎn)生妨礙建筑限發(fā)生對列車運(yùn)行安全性有影響的軌道變異；產(chǎn)生妨礙建筑限界的變形。界的變形。 最終極限狀態(tài)指：襯砌斷面破壞，混凝土塊體崩落；隧最終極限狀態(tài)指：襯砌斷面破壞，混凝土塊體崩落；隧道結(jié)構(gòu)體系喪失穩(wěn)定性而崩塌；產(chǎn)生需要改建隧道的軌道變道結(jié)構(gòu)體系喪失穩(wěn)定性而崩塌；產(chǎn)生需要改建隧道的軌道變異；凈空斷面縮小，與列車接觸。異；凈空斷

44、面縮小，與列車接觸。50表表2 2 各極限狀態(tài)和現(xiàn)象各極限狀態(tài)和現(xiàn)象名稱名稱現(xiàn)象現(xiàn)象備注備注使用極限狀態(tài)使用極限狀態(tài)二次襯砌二次襯砌開裂造成鋼筋腐蝕和襯砌掉塊開裂造成鋼筋腐蝕和襯砌掉塊以鋼筋混凝土以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為對象結(jié)構(gòu)為對象仰拱仰拱拉伸鋼筋屈服、耐久性降低拉伸鋼筋屈服、耐久性降低最終極限狀態(tài)最終極限狀態(tài)達(dá)到極限狀態(tài)（混凝土壓縮應(yīng)變達(dá)到最終應(yīng)變達(dá)到極限狀態(tài)（混凝土壓縮應(yīng)變達(dá)到最終應(yīng)變(0.0035)(0.0035)，斷面產(chǎn)生破壞，發(fā)生混凝土塊掉落，斷面產(chǎn)生破壞，發(fā)生混凝土塊掉落 （2 2）荷載）荷載 作用在隧道上的主要荷載，一般除自重外，有地下水位恢作用在隧道上的主要荷載，一般除自重外，有地

45、下水位恢復(fù)后的水壓、接近施工影響產(chǎn)生的荷載以及地震荷載等。一般復(fù)后的水壓、接近施工影響產(chǎn)生的荷載以及地震荷載等。一般在城市條件下采用礦山法修建的隧道，土壓原則上由初期支護(hù)在城市條件下采用礦山法修建的隧道，土壓原則上由初期支護(hù)完成承受，二次襯砌可不考慮土壓的作用。但二次襯砌要考慮完成承受，二次襯砌可不考慮土壓的作用。但二次襯砌要考慮水位恢復(fù)后的水壓作用。水位恢復(fù)后的水壓作用。 （3 3）二次襯砌和仰拱的安全系數(shù)）二次襯砌和仰拱的安全系數(shù) 二次襯砌和仰拱的設(shè)計(jì)安全系數(shù)采用各種分項(xiàng)系數(shù)表示。二次襯砌和仰拱的設(shè)計(jì)安全系數(shù)采用各種分項(xiàng)系數(shù)表示。這些系數(shù)包括荷載系數(shù)、結(jié)構(gòu)解析系數(shù)、材料系數(shù)、構(gòu)件系數(shù)、這些

46、系數(shù)包括荷載系數(shù)、結(jié)構(gòu)解析系數(shù)、材料系數(shù)、構(gòu)件系數(shù)、結(jié)構(gòu)物系數(shù)、地層調(diào)查系數(shù)等。結(jié)構(gòu)物系數(shù)、地層調(diào)查系數(shù)等。 512 2、我國單線鐵路隧道的可靠性設(shè)計(jì)方法、我國單線鐵路隧道的可靠性設(shè)計(jì)方法 我國單線鐵路隧道采用了以概率為基礎(chǔ)的，以分項(xiàng)系數(shù)表我國單線鐵路隧道采用了以概率為基礎(chǔ)的，以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)的可靠度設(shè)計(jì)方法。達(dá)的極限狀態(tài)的可靠度設(shè)計(jì)方法。 工程結(jié)構(gòu)可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間、規(guī)定的條件下，工程結(jié)構(gòu)可靠度是指結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間、規(guī)定的條件下，完成其預(yù)定功能的概率。完成其預(yù)定功能的概率?！耙?guī)定的時間規(guī)定的時間”一般是指設(shè)計(jì)中根據(jù)一般是指設(shè)計(jì)中根據(jù)結(jié)構(gòu)的有效使用期所規(guī)定的時間，稱為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期

47、；結(jié)構(gòu)的有效使用期所規(guī)定的時間，稱為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期；“規(guī)定的規(guī)定的條件條件”是指結(jié)構(gòu)在正常施工、運(yùn)營維護(hù)環(huán)境下承擔(dān)外力和變形是指結(jié)構(gòu)在正常施工、運(yùn)營維護(hù)環(huán)境下承擔(dān)外力和變形應(yīng)能滿足的條件；應(yīng)能滿足的條件；“預(yù)定功能預(yù)定功能”包括結(jié)構(gòu)安全性、結(jié)構(gòu)耐久性包括結(jié)構(gòu)安全性、結(jié)構(gòu)耐久性和結(jié)構(gòu)適用性的要求。和結(jié)構(gòu)適用性的要求。 鐵路隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性和復(fù)雜程度劃分為三個鐵路隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性和復(fù)雜程度劃分為三個安全等級，設(shè)計(jì)采用的目標(biāo)可靠指標(biāo)安全等級，設(shè)計(jì)采用的目標(biāo)可靠指標(biāo)nomnom值按結(jié)構(gòu)不同安全等值按結(jié)構(gòu)不同安全等級取值。級取值。52 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，是指工程結(jié)構(gòu)均在正常維護(hù)和使用條件結(jié)

48、構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，是指工程結(jié)構(gòu)均在正常維護(hù)和使用條件下能滿足一定可靠的時間，考慮鐵路隧道結(jié)構(gòu)實(shí)際的使用壽命下能滿足一定可靠的時間，考慮鐵路隧道結(jié)構(gòu)實(shí)際的使用壽命當(dāng)于當(dāng)于100100年，因此設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期規(guī)定為年，因此設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期規(guī)定為100100年。年。 （1 1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)按兩種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)按兩種極限狀態(tài)設(shè)計(jì) 承載能力極限狀態(tài)：承載能力極限狀態(tài)： 當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形的當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形的下列狀態(tài)之一時，應(yīng)認(rèn)為超過了承載能力極限狀態(tài)：下列狀態(tài)之一時，應(yīng)認(rèn)為超過了承載能力極限狀態(tài)： 整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡；整個結(jié)構(gòu)或結(jié)

49、構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡； 結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料破壞而破壞；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料破壞而破壞； 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定。 正常使用極限狀態(tài)：正常使用極限狀態(tài)： 當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性的某項(xiàng)規(guī)定限值當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性的某項(xiàng)規(guī)定限值的下列狀態(tài)之一時，應(yīng)認(rèn)為超過了正常使用極限狀態(tài)。的下列狀態(tài)之一時，應(yīng)認(rèn)為超過了正常使用極限狀態(tài)。 53 影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或外觀的變形； 影響正常使用或耐久性能的局部損壞影響正常使用或耐久性能的局部損壞( (包括裂縫包括裂縫) ) 影響正常使用的其他特定狀態(tài)。影響正常使用的其他特定狀態(tài)。

50、 （2 2）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)在施工和使用中的環(huán)境條）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)在施工和使用中的環(huán)境條件和影響分為三種設(shè)計(jì)狀況：件和影響分為三種設(shè)計(jì)狀況： (a)(a)持久狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)且持續(xù)期很長持久狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中一定出現(xiàn)且持續(xù)期很長的狀況，持續(xù)期一般與使用期為同一數(shù)量級；的狀況，持續(xù)期一般與使用期為同一數(shù)量級； (b)(b)短暫狀況：在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，短暫狀況：在結(jié)構(gòu)施工和使用過程中出現(xiàn)概率較大，而持續(xù)期較短的狀況；而持續(xù)期較短的狀況； (c)(c)偶然狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)偶然狀況：在結(jié)構(gòu)使用過程中出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)期很短的

51、狀況。期很短的狀況。 結(jié)構(gòu)均應(yīng)對三種狀況進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)；對持久結(jié)構(gòu)均應(yīng)對三種狀況進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)；對持久狀況和短暫狀況根據(jù)結(jié)構(gòu)需要按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。狀況和短暫狀況根據(jù)結(jié)構(gòu)需要按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。 54 （3 3）對偶然狀況，承載能力狀態(tài)設(shè)計(jì)，按下列原則：）對偶然狀況，承載能力狀態(tài)設(shè)計(jì)，按下列原則： (a)(a)按作用效應(yīng)的偶然組合進(jìn)行設(shè)計(jì)或采取防護(hù)措施，使按作用效應(yīng)的偶然組合進(jìn)行設(shè)計(jì)或采取防護(hù)措施，使主要承重結(jié)構(gòu)不致因偶然事件而喪失承載能力。主要承重結(jié)構(gòu)不致因偶然事件而喪失承載能力。 (b)(b)允許主要承重結(jié)構(gòu)因偶然事件而局部破壞，但結(jié)構(gòu)的允許主要承重結(jié)構(gòu)因偶然事

52、件而局部破壞，但結(jié)構(gòu)的其余部分仍應(yīng)具有在一段時間內(nèi)不發(fā)生繼發(fā)性破壞的可靠度。其余部分仍應(yīng)具有在一段時間內(nèi)不發(fā)生繼發(fā)性破壞的可靠度。 （4 4）正常使用極限狀態(tài)計(jì)算）正常使用極限狀態(tài)計(jì)算 結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)分別按荷載作用的短期效應(yīng)組合、長期效應(yīng)組結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)分別按荷載作用的短期效應(yīng)組合、長期效應(yīng)組合、短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)組合的影響進(jìn)行驗(yàn)算，并應(yīng)合、短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)組合的影響進(jìn)行驗(yàn)算，并應(yīng)保證變形、裂縫、應(yīng)力等計(jì)算值不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。保證變形、裂縫、應(yīng)力等計(jì)算值不超過相應(yīng)的規(guī)定限值。 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)使用要求選用不同的裂縫控制等結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)使用要求選用不同的裂縫控制等級，

53、裂縫控制等級的劃分應(yīng)符合下列規(guī)定：級，裂縫控制等級的劃分應(yīng)符合下列規(guī)定： 一級：一級：嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，按荷載短期效應(yīng)組合嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，按荷載短期效應(yīng)組合進(jìn)行計(jì)算時，構(gòu)件受拉邊緣混凝土不應(yīng)產(chǎn)生開裂。進(jìn)行計(jì)算時，構(gòu)件受拉邊緣混凝土不應(yīng)產(chǎn)生開裂。 55 二級：一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，按荷載長期效應(yīng)組合二級：一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，按荷載長期效應(yīng)組合進(jìn)行計(jì)算時，構(gòu)件受拉邊緣混凝土不應(yīng)產(chǎn)生開裂，而按荷載短進(jìn)行計(jì)算時，構(gòu)件受拉邊緣混凝土不應(yīng)產(chǎn)生開裂，而按荷載短期效應(yīng)組合進(jìn)行計(jì)算時，構(gòu)件受拉邊緣混凝土允許產(chǎn)生拉應(yīng)力，期效應(yīng)組合進(jìn)行計(jì)算時，構(gòu)件受拉邊緣混凝土允許產(chǎn)生拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力不

54、應(yīng)超過設(shè)計(jì)值。但拉應(yīng)力不應(yīng)超過設(shè)計(jì)值。 三級：容許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，最大裂縫寬度按荷載的短期三級：容許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，最大裂縫寬度按荷載的短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算值不應(yīng)超過允效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算值不應(yīng)超過允許值。許值。56表表7 7 裂縫控制等級及最大裂縫寬度允許值裂縫控制等級及最大裂縫寬度允許值(mm)(mm)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件類別結(jié)構(gòu)、構(gòu)件類別其他結(jié)構(gòu)其他結(jié)構(gòu) 明洞結(jié)構(gòu)明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)燃牽引隧道內(nèi)燃牽引隧道電力牽引隧道電力牽引隧道 般構(gòu)件般構(gòu)件 二級二級0.4(0.3) 三級三級 0.25(0.2) 二級二級 一級一級 仰仰 拱拱 三級三級 0.2(0.2) 二

55、級二級 二級二級 一級一級 邊邊 墻墻 三級三級 0.25(0.2) 二級二級 二級二級 一級一級 拱拱 圈圈 二級二級 二級二級 一級一級 一級一級注：注：1 1、括號內(nèi)數(shù)值為有侵蝕性的允許值；、括號內(nèi)數(shù)值為有侵蝕性的允許值；2 2、大跨度及特殊結(jié)構(gòu)的要求視具體情況另行、大跨度及特殊結(jié)構(gòu)的要求視具體情況另行規(guī)定；規(guī)定；3 3、對特殊地質(zhì)條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)作相應(yīng)調(diào)整。、對特殊地質(zhì)條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)作相應(yīng)調(diào)整。 （5）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采用下列兩種極限狀態(tài)。）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采用下列兩種極限狀態(tài)。 承載能力極限狀態(tài)：包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限狀態(tài)；結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)承載能力極限狀態(tài)：包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極限狀態(tài)；結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及構(gòu)件局部

56、穩(wěn)定極限狀態(tài)。設(shè)計(jì)表達(dá)式為：定及構(gòu)件局部穩(wěn)定極限狀態(tài)。設(shè)計(jì)表達(dá)式為：式中式中 0結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；d計(jì)算模式不定性或其他分項(xiàng)系計(jì)算模式不定性或其他分項(xiàng)系數(shù)中未考慮的因素引起的分項(xiàng)系數(shù)；數(shù)中未考慮的因素引起的分項(xiàng)系數(shù)；S()作用效應(yīng)函數(shù)；作用效應(yīng)函數(shù)；Fd作用設(shè)計(jì)值；作用設(shè)計(jì)值；d 幾何參數(shù)設(shè)計(jì)值；幾何參數(shù)設(shè)計(jì)值；R（）抗力函數(shù)；抗力函數(shù)； fd材料性能設(shè)計(jì)值。材料性能設(shè)計(jì)值。 各設(shè)計(jì)值由相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值配合適當(dāng)?shù)姆猪?xiàng)系數(shù)表達(dá)之。各設(shè)計(jì)值由相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值配合適當(dāng)?shù)姆猪?xiàng)系數(shù)表達(dá)之。 對鐵路隧道襯砌抗壓承載能力，實(shí)用設(shè)計(jì)式為：對鐵路隧道襯砌抗壓承載能力，實(shí)用設(shè)計(jì)式為：57),(),(0ddd

57、ddfRFS式中式中 ：NK軸力標(biāo)準(zhǔn)值軸力標(biāo)準(zhǔn)值(MN)，由各種作用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算得到；，由各種作用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算得到；sc混凝土襯砌構(gòu)件抗壓檢算時作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)；混凝土襯砌構(gòu)件抗壓檢算時作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)；k混凝混凝土襯砌抗壓檢算時抗力分項(xiàng)系數(shù)；土襯砌抗壓檢算時抗力分項(xiàng)系數(shù)；構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)；應(yīng)構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)；應(yīng)根據(jù)其長細(xì)比選用；根據(jù)其長細(xì)比選用； fck混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)；按規(guī)范值選用；按規(guī)范值選用； b截面寬變（截面寬變（m）；）； h截面高度（截面高度（m）；）； 軸向力偏心影響系數(shù)。軸向力偏心影響系數(shù)。 正常使用極限狀態(tài)：結(jié)均達(dá)到變形或裂縫限值的狀態(tài)

58、。設(shè)正常使用極限狀態(tài)：結(jié)均達(dá)到變形或裂縫限值的狀態(tài)。設(shè)計(jì)表達(dá)式為計(jì)表達(dá)式為:)/RCckkSCbhfN58式中：式中：()約束值的函數(shù)；約束值的函數(shù)；C結(jié)構(gòu)極限約束值；結(jié)構(gòu)極限約束值；Cd幾幾何參數(shù)設(shè)計(jì)值。何參數(shù)設(shè)計(jì)值。),(0CCfFdddd 對襯砌抗裂檢算用的實(shí)用式為：對襯砌抗裂檢算用的實(shí)用式為：式中：式中：N NK K軸力標(biāo)準(zhǔn)值（軸力標(biāo)準(zhǔn)值（MNMN）；）；stst混凝土襯砌構(gòu)件抗裂檢混凝土襯砌構(gòu)件抗裂檢算時作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)；算時作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)；RTRT混凝土襯砌抗裂檢算時抗力混凝土襯砌抗裂檢算時抗力分項(xiàng)系數(shù)；分項(xiàng)系數(shù)；e eo o檢算截面偏心距檢算截面偏心距(m)(m)，與軸力標(biāo)準(zhǔn)值

59、，與軸力標(biāo)準(zhǔn)值N Nk k同時求同時求出；出；f fctkctk混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)(MPa)，規(guī)范選用。，規(guī)范選用。 求出求出SCSC、RCRC、StSt、RtRt四個分項(xiàng)系數(shù)，此二設(shè)計(jì)式四個分項(xiàng)系數(shù)，此二設(shè)計(jì)式就可使用，按下表取值。就可使用，按下表取值。 )/75. 1)6(20RTctkkSTfbhheN59 結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求，分別按下列規(guī)定進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算：的要求，分別按下列規(guī)定進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算： （a a）承載力及穩(wěn)定：所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均應(yīng)進(jìn)行承載力）承載力及穩(wěn)定：所有

60、結(jié)構(gòu)構(gòu)件均應(yīng)進(jìn)行承載力( (包包括壓屈失穩(wěn)括壓屈失穩(wěn)) )計(jì)算；在必要時尚應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的傾復(fù)和滑移驗(yàn)算；計(jì)算；在必要時尚應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的傾復(fù)和滑移驗(yàn)算；處于地震區(qū)的結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震的承載力計(jì)算。處于地震區(qū)的結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震的承載力計(jì)算。 （b b）變形：對使用上需控制變形值的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行）變形：對使用上需控制變形值的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行變形驗(yàn)算。變形驗(yàn)算。 （c c）抗裂及裂縫寬度：對使用上要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，）抗裂及裂縫寬度：對使用上要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行混凝土拉應(yīng)力驗(yàn)算；對使用上允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行混凝土拉應(yīng)力驗(yàn)算；對使用上允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件，應(yīng)進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算