隧道设计方法课件.ppt

1,隧道设计方法,2,一、概 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。这种简化显然与隧道结构的实际工作状态相差很大。例如：理论上已经证实，在无支护坑（隧）道中,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那样工作。,地下结构的力学模式必须符合下述条件：（1）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；（2）荷载假定应与在修建洞室过程中荷载发生的情况一致；（3）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；（4）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：,（1）其他工程结构都是抵抗荷载的，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互作用给定的，不是事先能给定的参数。（2）地面结构有很大自由空间，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。,4,（3）在其他建筑中，设计者能够计算与荷载假定相适应的结构的性质，以及在可能的荷载组合下其中的应力和变形。在隧道工程中要想计算出材料（既是挖过的围岩也是支护的主体）中的应力和变形是很困难的，因为它与形成的结构的类型以及时间有很大关系。（4）其他建筑根据力学计算以及构造上、经济上的考虑来选择工程结构的材料，而隧道工程的重要构件（围岩），本身就是建筑材料，我们既不能选择，也不能极大地影响它的力学性质。（5）在施工中，其荷载、变形和安全度与其他结构相比都还远远没有确定，尤其是与最终状态的关系密切。因此，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。,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、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。根据隧道支护结构的特点，在预设计中采用以下方法:(1)标准支护模式的设计方法（简称标准设计）；(2)类似条件的设计方法（简称类比设计或经验设计）；(3)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。,6,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。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：（1）地质条件特别差的情况；（2）埋深大、初始地应力大的情况；（3）埋深小、地表面下沉有问题的情况；（4）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；,7,（5）断面比标准支护模式大得多的情况；（6）断面形状特殊的情况；（7）洞口段、斜坡面下隧道等地形条件可能产生偏压的情况；（8）有接近隧道的结构物的情况；（9）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。在解析方法中，有两种主要的方法，即：传统的结构力学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。后者是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，这是我们目前在隧道设计中力求采用的或正在发展中的方法。,8,三、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性，根据当地围岩的性质加以修正。所谓类似条件：围岩条件及断面形状等设计条件的类似。研究围岩条件类似时，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、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。设计条件的类似性主要是支护模式、地形条件、施工方法、辅助工法等的类似性。类比设计的类似性以及妥当性，一般应按表1和表2所列项目进行研究。,9,从这些实践中，大致上可以发现在进行支护结构“类比设计”时，需要注意的几点:（1）首先，对坑道围岩要有一个大致的分级。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。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：1）完整、稳定围岩；2）易破碎、剥离的块状围岩；3）有地压作用的破碎围岩；4）强烈挤压性围岩或有强大地压的围岩。其中某些类别还有些亚类。,10,（2）各类围岩的支护结构参数大体按下述原则选用。1）完整、稳定的围岩锚杆长1.5m，n=44.2根/m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，但因有局部裂隙或岩爆等，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防止顶部岩石剥离。二次衬砌采用能够施工的最小混凝土厚度，约30cm左右。2）易破碎、剥离的块状围岩锚杆长1.53.5m，n=10根/m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。,11,喷层厚0l0cm，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（1）同，特殊情况要采用可缩性支撑或轻型格栅钢支撑。二次衬砌厚度约3040cm，包括喷层在内约40cm。3）有地压作用的破碎围岩锚杆长3.04.0m，有时用6.0m的灌浆式，n=10根/m左右。这种围岩视围岩强度比，预计有塑性区发生时，从控制它的发展看，锚杆必须用喷混凝土等加强。喷层厚约1520cm，拱部和侧璧同厚，视情况正面也要喷5cm左右。开挖进度要注意，必要时控制在1.0m以下。二次衬砌厚度,包括喷层在内为4050cm,尽可能薄些。,12,4）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，限制分部的面积。锚杆长4.06.0m，n=15根/m左右。喷层厚2025cm，正面喷35cm。必须采用可缩性支撑，间距约75cm左右。二次衬砌厚度，按总厚度50cm决定。在30天以内断面要闭合，即要修好仰拱。（3）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。,13,（4）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,使之有充分的约束效应，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。（5）二次衬砌通常是现灌的，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。,14,（7）要制定一个详细周密的量测计划。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样的加强措施。（8）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。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的，甚至有的提出“在隧道力学中不可能进行计算，只能给以必要的假设”，并指出“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”。米勒更绝对地指出“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”。这些说法虽然有些绝对，但也说明计算的局限性。,15,四、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(地形、地质、埋深)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。标准设计流程如图1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，与解析方法同时应用也是必要的。,16,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。2、标准设计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设计的概况。（1）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3、表4。,17,3、城市条件采用矿山法修筑的隧道的标准设计最近，日本针对城市砂质土和粘性土的地质条件和埋深浅的设计条件，编制了城市采用矿山法修筑地下铁道区间隧道或铁路、道路隧道的设计标准，很有借鉴意义。该技术标准在决定断面形状时，考虑完成后和施工时的稳定。断面形状视使用目的，要确保建筑限界，同时要考虑变形富裕，尽可能地采用不产生应力集中的圆顺的隅角。同时原则上要设置仰拱，并采用钢筋混凝土结构。因在山岭隧道中开挖断面形状的自由度比较高，应根据施工中的量测掌握实际的围岩动态，来验证基本设计的安全性。下图是参考既有的事例，考虑各种条件的断面形状。以下各表是标准支护模式。,18,五、荷载结构模式解析方法中的几个问题,把隧道支护结构在力学上和构造上作为拱形结构来处理这个思想是从地面结构引申出来的。是否合适和合理到何种程度要根据现在的认识、经验去判断。把隧道作为拱形结构的概念,就是承认松弛土压的作用。松弛压力不是不可避免的荷载，多数场合是由于某些作业方法所诱发的，因而都在力图阻止它发生。如果这一点收到成效，就失去根据松弛压力决定尺寸的必要性。如果施工没有满足下述条件，隧道结构就只能是个拱,而按拱形结构进行设计计算：（1）制止松弛和由此产生的松弛压力；（2）结构和围岩之间有效的、长期的紧密接触。,19,1、荷载及荷载模式在沿用地面结构的设计方法进行隧道结构设计时，结构的作用效应基本上是由荷载产生的，而隧道结构的力学特性是：荷载、结构、材料三位一体，没有象地面结构那样明确的荷载概念。因此，不得不假定一个“虚拟”的荷载，认为它仅仅与围岩的特性有关，而与衬砌结构的特性无关，即“松弛荷载”。荷载结构模式的发展,主要表现在“荷载”处理上,它大致经历了下述三个阶段：（1）主动荷载模式；（2）主动荷载+被动荷载模式；（3）实际荷载模式。,20,多数情况都采取第二种模式，考虑了结构和围岩之间的相互作用，局部地体现了隧道作为地下结构的受力特点。为保证围岩约束抗力的存在，就必须保证结构与围岩之间紧密接触。第三种模式当前正在发展，也就是形变压力。实际上它与第一种模式是一致的，只不过荷裁是实地量测或计算的。实测荷载基本上反映了结构与围岩全面的相互作用的特征。因此,结构力学方法同样也可以反映结构支护体系相互作用的功能。,21,a)主动荷载模式；b)主动荷载被动荷载；c)实际荷载（形变荷载）,采用第三种模式时计算中有二种情况：（1）结构与围岩牢固接触的情况：在接触面上不仅有径向荷载，还有切向荷载存在，切向荷载的存在可以减小荷载分布的不均匀程度，从而大大减小结构中弯矩。例如，喷混凝土支护就属这种。,22,（2）结构与围岩松散接触的情况：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的隧道都符合这种情况。,2、弹性抗力的处理弹性抗力是相互作用产生的被动荷载，把隧道结构视为一个在荷载作用下的位于弹性地基上的结构，是现行计算方法的基本出发点。把围岩对结构变形的约束所产生的反作用视为线弹性的，即=Ky（K为弹抗力系数；y 为接触点径向位移）。,23,实际上，在荷载作用下地基的变形是一个弹塑性过程，在初始荷载作用下，一般地基向衬砌方向移动，因为围岩在开挖中会松弛或在衬砌回填中没有达到密贴的要求，而在卸载条件下，围岩变形只有一部分复原。因此，弹性抗力系数，不完全是围岩的特征值，它受到承载面大小和形状以及荷载大小的影响。,弹性抗力系数K，实质上与地基反力系数是一个概念，因此应尽可能地采用原位置试验的地基反力系数。在土砂围岩的情况，可采用下式确定：式中：Kn：法线方向的地基反力系数（N/cm3）；Eo：孔内水平加载的变形系数（N/cm2）；Do：衬砌外径（cm）；：衬砌的变形量（cm）。,24,25,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。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,有全周弹簧模式和在围岩条件差的情况采用在隧道顶部45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。,图3 弹性抗力的分布图,图4 弹性抗力的弹簧设置,3、近接施工的影响隧道完成后有接近隧道进行其他结构物施工的场合，隧道受到其影响会产生位移、变形。在这种场合，要切实掌握对二次衬砌及仰拱的影响，必要时要考虑近接施工所产生的荷载。（1）近接施工的种类和变形动态的特征,26,图5 近接施工种类和变形动态特征隧道上部填土；隧道上部挖土；隧道并列；隧道交叉,（2）设计方法 近接施工的影响程度与近接的程度（间隔距离）、近接施工的规模（荷载的大小、范围）、围岩条件、衬砌构造等是多种多样的。为此，影响程度不能一概而论。（3）近接荷载的计算方法 由于围岩的应力状态变化而出现各种各样的现象，但大体上可分为围岩应力向压缩侧变化（近接加载）和向拉伸侧变化（近接卸载）二种情况。a.近接加载 作用在地层上的荷载向土中的影响，随深度因应力分散而减小。说明荷载的作用范围是有限的，一般越深地层的刚性相对地变大。为此，对二次衬砌及仰拱的影响也是逐渐减小的。,27,七、结构计算中的水压力问题,从防排水角度设计隧道有两种类型，即防水型隧道和排水型隧道。水压力的处理是一个难题，特别在岩质隧道中。1、对地下水问题的基本认识（1）水是循环的。因降水、渗透、蒸发等现象，具有在大气圈、地表、地中循环的性质，并以地表水、地下水的系统在循环系统中存在。,28,（2）地下水是经常变动的。地下水由于降水、河流、湖泊等的补给，当超过其储存能力时，就向河流、涌泉等流出。（3）开挖工程是以排水为前提的，对水循环有一定影响。在山岭隧道中，通常是一边排水一边开挖的，使水处于动水状态，可以减轻作用在衬砌上的水压。这是能够修建海底隧道的理由之一。,29,（4）对地表水、地下水的影响。地表层的渗透能力非常强，降水的大部分向地下渗透以土壤水储存，其后从表层到数米的土壤层和风化层的蒸发和树木根系的吸收、蒸发，并向深部渗透。,（5）地下水的存在形态。隧道施工的涌水形态与地下水的存在系统关系密切，其形态从空隙的角度看，大体上可分为层状水和脉状水。,（6）山地地下水的流动规律。其规律是：在赋予地下水的山地中，水头一般因上部比下部高(pmupmb)，故向下流动；地下水在流出的河流部，则相反，因下部的水头比上部高(pruprb)故是向上流动的；山侧与河侧及其中间部的水头，是pmbphbprb，故地下水是从赋予部（山）向流出部（河流）流动的。,30,（7）地质条件与影响范围 中、古生层：埋深在150m以内几乎都受到影响，出现枯水现象，其范围在埋深50100m时是最大的，随着埋深的增加有逐渐减小的趋势。在破碎质围岩中，影响范围有的可达10002000m的情况。深成岩类：发生枯水现象大多在埋深200m以内，也有离开隧道1000m的情况。与中、古生层一样，影响范围在埋深50100m时最大(一侧可达1500m)，埋深越大，影响范围减少。变质岩类：数据比较少，看不出规律，但埋深在50m以内，多发生枯水现象。火山岩及火山破碎岩类：枯水现象在埋深250300m时，几乎都发生，范围在埋深100200m时最大。,31,砂砾层：数据比较少，看不出规律，但埋深在50m以内，多发生枯水现象。泥岩、砂岩类：枯水现象几乎在埋深100m以下、距隧道500m以内发生。埋深在20m30m时影响最大。火山泥流堆积物：埋深越大其范围也越大。2、山岭隧道的水压力问题（1）既有的一些研究成果 我国水工建筑物荷载设计规范规定：作用在混凝土衬砌的外水压强标准值，按下式确定。P=H式中：P：水压强标准值；：外水压力折减系数；：水的重度；H：作用水头，按设计采用的地下水位线与隧洞中心线之间的高差确定。,32,表说明：在不同的地质条件下，水压值可以有不同程度的折减，而折减的主要方法是根据开挖后暴露的渗漏水的状况决定的。这实质上，也是目前许多国家采用的办法。因此，利用平导进行超前的地质预报，根据岩面的水的活动状况，或透水试验确定折减系数是可行的。在锚杆喷射混凝土支护技术规范也建议外水压力可采用地下水位以下的水柱高乘以相应的折减系数的方法估算。,33,铁路隧道的一些研究指出：一般说，隧道地区地下水分为2种类型，即浅层风化裂隙水和下部构造裂隙水。前者主要循环在4050m 以上深度范围内，水交替作用强烈，后者大多数循环在500m以上的深度范围内，水交替作用缓慢。深埋隧道的涌水则大部分来自自身所在的含水介质的储存量（即下部构造裂隙水）。实践证实，在这种情况下，隧道开挖后对地下水活动影响的范围仅局限于一定的范围，而不是整个地下水都对隧道发生作用，实质上是深层循环水在起作用。这个结论说明：为什么那么多的山岭隧道，都没有考虑水压的作用，或仅仅考虑可以接受的水压值，即对水压值可以进行折减，而且折减系数随着埋深的增加（意味着渗透系数的减小）也随之减小。,34,一般说，在地质判断中，当渗透系数小于10-610-7cm/s时，就可认为是不透水的围岩。也就是说，当隧道所处的围岩介质的渗透系数小于此值时，折减系数就可以考虑采用0，即不考虑水压的作用。同时渗透系数有一个规律，就是随着埋深的增加而减小。例如秦岭隧道一些试验结果，就说明了这一点。,35,表 3 渗透系数与埋深的测试关系,（2）孔隙水压的计算问题基本观点：日本青函海底隧道是采用全断面围岩压注的一个典型的隧道，认为作用在隧道衬砌上的水压值与围岩的渗透系数有直接的关系。图a)表示颗粒状空隙中压注材料没有完全充填，但已固化的状况，水只在颗粒和压注材料间的间隙中流动。图c)表示压注材料充填围岩中裂隙的状况，水也是只在残留的裂隙中流动。,36,图6 压注围岩的渗透模式,在这样的围岩中，对充填率和透水系数做了如下假定：压注带内水只在间隙中流动；颗粒、岩石、固化的压注材料不透水；压注液容量Vt与压注材料的固化容量Vg之比：(Vg/Vt)=，取1。将图a)、c)的复杂模式简化为图b)、d)模式，即将围岩中的压注材料的容量置换为等效的粒子，或置换为等效的岩石部分，这样就可以只考虑压注后仅仅是空隙率的变化。假定围岩的初始空隙率为i，压注后的空隙率为sg，则有：i=1-Vs/V；sg=1-（Vs+Vg）/V式中 V：对象围岩的容量；Vs、Vg：分别是土和岩石的固体容量及压注材料的固体容量。,37,其次，压注材料的填充率：=Vg/V100%=Vi/V100%=Vg/V100%=(i-sg)式中 Vi：浆液的容量；：压注浆液的固化率，1。透水系数比k/k：k/k=f(sg/i)=f(i-)/f(i)如果知道压注后的空隙率sg，就可以求出压注后的透水系数k。当=时，也就是说空隙完全被浆液所填充，则k/k趋近于0；当=0时，也就是说浆液完全没有填充，k/k趋近于1。,38,作为参考，将一些研究成果示于图，可以看出：填充率越接近值，k/k则急剧减小。根据试验结果，压注材料的最终饱和率一般在0.80.9左右，k/k可减小到10-210-3左右，这是可能的。青函隧道的压注带内的k/k和的测定值的比较示于图。,39,图7 渗透系数比和充填率的理论和试验关系,图8 充填率和渗透系数比的关系,采用的方法：例：在海底隧道中，为了减少衬砌背后的水压，应容许水的流入，但从减小扬水费用出发，应向隧道周边围岩进行压注来减小透水系数，控制水的流入量。设定压注范围并减小透水系数后，必然地在压注范围外周有较高的水压作用，在其内部，则出现水压急剧降低的水压分布。下图是岩层压注模式，在外周承受水压，而衬砌则承受开挖引起的地压。,40,图9 解析模式,为使问题简化，视围岩为均质、各向同性的弹塑性体，其中作用的初始应力视为静水压力状态，因为孔隙水的流动很缓慢，故达西(Darcy)定律也成立。其次，隧道(半径a)周围有半径为b的注浆区域，其外围作用由有效应力p*和孔隙水压uwb之和形成的压力p0，一般与围岩的初始应力不同。在注浆区域很大的情况中，可近似地令其相等。此外，如图所示的注浆区域，假定是由松弛区域(r)和弹性区域(r)构成的。在分析中，考虑围岩内的孔隙水和固体部分的相互作用，但孔隙水的活动如认为与固体部分中变形动态无关，则可单独进行围岩内的渗透水的分析。,41,3、城市隧道的水压力问题在城市修筑隧道工程，如地下铁道、城市道路隧道等，地下水的问题是一个难题。它对周边环境的影响是不容忽视的。在外部环境保护中，地下水变动是的隧道施工中的共同的环境因素。在地层中，视深度和地质条件，土压、水压是处于平衡状态的，但修建隧道结构物后，这种平衡被破坏，使地层、地下水环境发生变化。下图是关于随涌水的地下水变动和地层变异的机理概念图。据此，隧道开挖会产生地下水位降低和地层的压密下沉，也会造成地下水的流场变化和地下水的变动。下表列出隧道开挖可能引起的地下水变动和地层变异的现象和原因。,42,43,表4 地下水变动和地层变异的现象和原因,日本在“城市矿山隧道设计标准”中对水压处理规定如下：（1）在地下水位以下的防水型隧道的二次衬砌及仰拱的设计应考虑水压力。（2）设计中考虑的水压力原则上是孔隙水压。考虑到实际上确实地掌握水压是有困难的，因此，要在实测中假定地下水位进行水压的计算。（3）水压一般按恢复后的水位进行计算。一般说，恢复后的水位较原水位低些，但也有高的情况，应进行分析研究。（4）一般说，在使用极限状态的研究中，水位最好采用高水位（丰水期的水位）或采用低水位（枯水期的水位）。但在以下的地形、地下水条件下，使用期间预计有可能出现显著变动的场合，应假定异常时的水位进行最终极限状态的研究。,44,类似谷地形，地下水和地表水易于暂时集中的场合；类似扇状地形存在丰富的地下水，隧道两侧出现显著的不均衡水压的场合。（5）在水位经常发生变动的情况，使用极限状态研究时，设计中最好考虑水位的变动。（6）在设定水压时，还要注意以下几点：地下水位不仅与季节的降雨量的变化有关，也会因近接施工引起的环境变化有关；因对地下水扬水的限制，地下水位也有逐年上升情况；因近接施工使垂直荷载作用在衬砌上的场合，设定高水位不一定是偏于安全的设计，因此，应进行高水位和低水位的研究；,45,谷形地和扇状地形等把地下水遮断的场合，会产生偏水压，此时即使水位低，也会出现弯矩作用，因此要按偏水压进行设计。（7）设计时，下图所示，在衬砌的各位置，水压都按作用在衬砌图心的半径方向进行计算。,46,图14 水压分布,八、极限状态设计方法,目前许多国家在隧道设计中都开始从过去的容许应力法转变为采用极限状态设计方法。1、日本采用的极限状态设计方法（1）极限状态的定义 采用极限状态设计方法首先要设定其极限状态。隧道衬砌是以轴力为主的并承受地层反力的拱形结构物，即使产生弯曲开裂和钢筋屈服而使构件刚性降低，弯矩也会向刚性没有降低的周围构件分配，一个构件破坏不会立即造成整个结构物的破坏。荷载P在一处发生弯曲开裂（A点），钢筋屈服（B点），接着即使达到混凝土的压缩极限应变（C点），作为结构仍然多会保持稳定的状态，到最大荷载（D点）前，位移、承载力仍然有足够的富裕。,47,按下表定义衬砌的极限状态，其对应的现象列于下图。,48,图1 荷载与位移的关系,表1 二次衬砌和仰拱的极限状态,容许开裂宽度达到图中的b点定义为使用极限状态，但仰拱可以缓和一些。最终极限状态用钢筋屈服定义，图中的c点，但衬砌是被围岩包围的拱形结构，衬砌一处即使达到最终状态，也不会造成结构的破坏，因此，可采用混凝土压缩极限应变，图中的d点定义。,49,图2 极限状态 和现象,铁路隧道的使用极限状态主要指：衬砌掉块，妨碍运行；发生对列车运行安全性有影响的轨道变异；产生妨碍建筑限界的变形。最终极限状态指：衬砌断面破坏，混凝土块体崩落；隧道结构体系丧失稳定性而崩塌；产生需要改建隧道的轨道变异；净空断面缩小，与列车接触。,50,表2 各极限状态和现象,（2）荷载 作用在隧道上的主要荷载，一般除自重外，有地下水位恢复后的水压、接近施工影响产生的荷载以及地震荷载等。一般在城市条件下采用矿山法修建的隧道，土压原则上由初期支护完成承受，二次衬砌可不考虑土压的作用。但二次衬砌要考虑水位恢复后的水压作用。（3）二次衬砌和仰拱的安全系数 二次衬砌和仰拱的设计安全系数采用各种分项系数表示。这些系数包括荷载系数、结构解析系数、材料系数、构件系数、结构物系数、地层调查系数等。,51,2、我国单线铁路隧道的可靠性设计方法 我国单线铁路隧道采用了以概率为基础的，以分项系数表达的极限状态的可靠度设计方法。工程结构可靠度是指结构在规定的时间、规定的条件下，完成其预定功能的概率。“规定的时间”一般是指设计中根据结构的有效使用期所规定的时间，称为设计基准期；“规定的条件”是指结构在正常施工、运营维护环境下承担外力和变形应能满足的条件；“预定功能”包括结构安全性、结构耐久性和结构适用性的要求。铁路隧道结构应根据结构的重要性和复杂程度划分为三个安全等级，设计采用的目标可靠指标nom值按结构不同安全等级取值。,52,结构设计基准期，是指工程结构均在正常维护和使用条件下能满足一定可靠的时间，考虑铁路隧道结构实际的使用寿命当于100年，因此设计基准期规定为100年。（1）结构设计应按两种极限状态设计 承载能力极限状态：当结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形的下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡；结构构件或连接因超过材料破坏而破坏；结构或结构构件丧失稳定。正常使用极限状态：当结构或结构构件达到正常使用或耐久性的某项规定限值的下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态。,53,影响正常使用或外观的变形；影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂缝)影响正常使用的其他特定状态。（2）隧道结构设计时，应根据在施工和使用中的环境条件和影响分为三种设计状况：(a)持久状况：在结构使用过程中一定出现且持续期很长的状况，持续期一般与使用期为同一数量级；(b)短暂状况：在结构施工和使用过程中出现概率较大，而持续期较短的状况；(c)偶然状况：在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况。结构均应对三种状况进行承载能力极限状态设计；对持久状况和短暂状况根据结构需要按正常使用极限状态设计。,54,（3）对偶然状况，承载能力状态设计，按下列原则：(a)按作用效应的偶然组合进行设计或采取防护措施，使主要承重结构不致因偶然事件而丧失承载能力。(b)允许主要承重结构因偶然事件而局部破坏，但结构的其余部分仍应具有在一段时间内不发生继发性破坏的可靠度。（4）正常使用极限状态计算 结构构件应分别按荷载作用的短期效应组合、长期效应组合、短期效应组合并考虑长期效应组合的影响进行验算，并应保证变形、裂缝、应力等计算值不超过相应的规定限值。结构构件设计时，应根据使用要求选用不同的裂缝控制等级，裂缝控制等级的划分应符合下列规定：一级：严格要求不出现裂缝的构件，按荷载短期效应组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生开裂。,55,二级：一般要求不出现裂缝的构件，按荷载长期效应组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生开裂，而按荷载短期效应组合进行计算时，构件受拉边缘混凝土允许产生拉应力，但拉应力不应超过设计值。三级：容许出现裂缝的构件，最大裂缝宽度按荷载的短期效应组合并考虑长期效应影响进行计算，其计算值不应超过允许值。,56,表7 裂缝控制等级及最大裂缝宽度允许值(mm),注：1、括号内数值为有侵蚀性的允许值；2、大跨度及特殊结构的要求视具体情况另行规定；3、对特殊地质条件下的结构应作相应调整。,（5）隧道结构设计应采用下列两种极限状态。承载能力极限状态：包括结构强度极限状态；结构整体稳定及构件局部稳定极限状态。设计表达式为：式中 0结构重要性系数；d计算模式不定性或其他分项系数中未考虑的因素引起的分项系数；S()作用效应函数；Fd作用设计值；d 几何参数设计值；R（）抗力函数；fd材料性能设计值。各设计值由相应的标准值配合适当的分项系数表达之。对铁路隧道衬砌抗压承载能力，实用设计式为：,57,式中：NK轴力标准值(MN)，由各种作用标准值计算得到；sc混凝土衬砌构件抗压检算时作用效应分项系数；k混凝土衬砌抗压检算时抗力分项系数；构件纵向弯曲系数；应根据其长细比选用；fck混凝土轴心抗压强度标准值(MPa)；按规范值选用；b截面宽变（m）；h截面高度（m）；轴向力偏心影响系数。正常使用极限状态：结均达到变形或裂缝限值的状态。设计表达式为:,58,式中：()约束值的函数；C结构极限约束值；Cd几何参数设计值。,对衬砌抗裂检算用的实用式为：式中：NK轴力标准值（MN）；st混凝土衬砌构件抗裂检算时作用效应分项系数；RT混凝土衬砌抗裂检算时抗力分项系数；eo检算截面偏心距(m)，与轴力标准值Nk同时求出；fctk混凝土轴心抗拉强度标准值(MPa)，规范选用。求出SC、RC、St、Rt四个分项系数，此二设计式就可使用，按下表取值。,59,结构构件应根据承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别按下列规定进行计算和验算：（a）承载力及稳定：所有结构构件均应进行承载力(包括压屈失稳)计算；在必要时尚应进行结构的倾复和滑移验算；处于地震区的结构，尚应进行结构构件抗震的承载力计算。（b）变形：对使用上需控制变形值的结构构件，应进行变形验算。（c）抗裂及裂缝宽度：对使用上要求不出现裂缝的构件，应进行混凝土拉应力验算；对使用上允许出现裂缝的构件，应进行裂缝宽度验算；对叠合式受弯构件，尚应进行钢筋拉应力验算。,60,九、特征曲线法,1、概述 1978年在法国巴黎,由法国隧协召开了一次专门讨论应用“收敛约束”法，即特征曲线法计算隧道支护体系的学术会议。这个方法的应用不仅引进了围岩力学的基本成果，也改变了过去一直沿用的传统的结构力学的计算模式。特征曲线法的基本原理是利用围岩特征曲线和支护结构特征曲线交会的办法来决定支护体系的最佳平衡条件。显然，图1中曲线是下述解析方程的图解表达：u=uo+up 式中：u架设支护结构经过长时间后达到平衡时的位移;uo 支护结构参与工作前坑道周边的初始位移；up 支护结构在平衡压力p作用下的位移。,61,方法的关键是合理地确定这两条曲线的基本性质及其随一些因素的变化以及由两者相互作用所决定的最佳平衡条件。概念是明确的，其内在含意是广泛的。以围岩特征曲线为例，其形态不仅受到围岩性质、围岩构造的影响,还受到施工技术等的影响，其形态可能是各式各样的（图2），曲线1代表弹性围岩，曲线2代表弹塑性围岩，曲线3代表弹塑刚塑性围岩。,62,图1 特征曲线法的图解概念 图2 围岩特征曲线示例 图3 喷锚的特征曲线,支护结构的特征曲线也一样，视其材科、构造也有不同的形态。如喷混凝土支护和锚杆的特征曲线就很不相同（图3)。2、围岩的破坏准则或塑性判据 围岩的破坏准则是由其本构方程决定的，在通常情况下都采用摩尔一库伦破坏准则。在一些著作中，也有采用三轴试验的统计方程的。3、围岩特征曲线的类型及其表达式 前面的分析中是假定围岩进入塑性状态后，围岩性质是不发生变化的，即按图4中a曲线计算，显然，这个假定是不完全符合实际的。在当前的计算中，多数假定围岩进入塑性状态后，性质立即变化到可能的极值，如图4中b曲线所示。实际上，岩性的恶化如图4中c曲线所示，是逐步发生的。,63,十、初期支护的力学评价,1、概述 支护结构的力学特性是比较复杂的,因为它不仅仅决定于支护结构本身的构造,而且与周围岩体的接触条件以及在施工中出现的各种变异有关。因此,目前在评价支护结构力学特性时,原则上都假定其他条件是相同的、不变的（如紧密接触、压力分布均匀、径向分布等）,只研究支护结构因结构不同而产生的力学效应。在一般情况下,支护结构的力学特性可表达为(10-1)式中：K支护结构刚度。,64,支护抗力p与其位移u的比值谓之刚度，即(10-2)刚度的倒数谓之柔性。可把各种支护结构的力学特性用所谓的支护结构特征曲线来表示。支护特征曲线，是指作用在支护上的荷载与支护变形的关系曲线，这和支护与围岩的接触状态有关。例如钢支撑本身抵抗变形能力很大，但当支撑上设有垫块时,其对岩体变形的约束则可能主要决定于垫块。支护结构的位移up，多数情况下可表达为：(10-3)式中：u1p 支护结构与岩体间的空隙等闭合；u2p 决定于支护结构刚度的位移。,65,从现有的资料看，目前满足结构物功能要求的混凝土的耐久性可能只有60年左右。喷混凝土就更低些，只能满足30年不维修的要求。而一般混凝土结构物的使用寿命，都应该在100年以上。这样，要求提高混凝土的耐久性，就成为当务之急了。因此，不管是新建还是既有结构物，都要消除“免维修或不能维修”的误解，而建立起“把劣化构件或构件的性能恢复到设计意图的使用水准以上的补修、补强”的概念。也就是说，要构筑一个把设计、施工、维修管理统合到一起的设计体系。这也是目前各国土建工程设计的重要发展趋势。耐久性设计能够较好地体现这个意图。,66,2、设计耐用期间 结构物的耐用期间一般分为13级，分别为100年，65年和30年。,67,表1 设计耐用期间的大致标准,设计耐用时间也要根据维修管理的水平确定，此维修管理水平根据是否进行定期检查，必要时是否进行加固等而定。如以维修加固为前提时，与使用期间比较，设计耐用时间可设定短一些。,68,例如，日本在“建筑工程标准规格钢筋混凝土结构”（1997年）规定，视结构物或构件的计划使用期间，如表2所示，同时规定了混凝土的耐久设计基准强度（表3）。基准强度是根据保护层厚度40mm、钢筋腐蚀概率3%的条件规定的。,工程结构一般都是可维修的，只不过有的易于维修，有的难于维修而已。隧道是属于难于维修的一类，它的可维修性是比较差的。因此，在隧道结构物中建立“少维修”的概念是非常重要的。结构物的寿命与维修管理的关系示意于图。,因此，在设计中必须把这种概念考虑进去。这种设计概念，就是结构物在设计基准期内，受到劣化外力作用（环境条件的变化等），而把劣化状态控制在容许水准以内为目标。同时，根据经济性，来设定材料规格、设计基准和施工工艺，并决定相应的维修管理基准。这种设计概念就是耐久性设计的概念。从本质上说，耐久性设计就是考虑环境影响和维修管理水平的设计。3、劣化外力 所谓劣化，就是材料初期具有的质量或性能，因物理的或化学的因素，即环境的因素随时间而逐渐降低的现象。,69,混凝土的劣化现象一般有：混凝土炭化、强度降低、物理的或化学的表面劣化、混凝土中的钢材或PC钢材的腐蚀、开裂、漏水、大挠度等。最近，碱性骨料反应和酸性雨引起的劣化现象也成为问题。劣化现象可以用劣化外力表示：活荷载、地震、风、气温、湿度、日射、炭化、冻融、盐害等等。这些都是造成混凝土结构劣化的原因。一般结构物的劣化状态可以按表4分为6级，我们指少维修的概念是指结构不能出现4级以上