隧道工程-隧道围岩压力理论及隧道设计理论

隧道工程课程报告,学习总结

《隧道工程》课程报告

题目：隧道支护结构设计理论概述 年级：2013级工程力学 姓名：顾鑫 学号：130810040001 时间：2014年5月6日

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隧道支护结构设计理论概述

2013级工程力学 130810040001 顾鑫

摘要：隧道工程是埋置于地层中的结构物，它的受力与变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为统一的受力体系相互约束、共同工作。对围岩压力的正确认识是进行隧道结构设计的基础，隧道支护结构设计理论是隧道工程安全的重要保障。本文总结了经典的隧道围岩压力理论和隧道支护结构设计理论，它们是隧道工程设计的基础，也是隧道工程理论研究完善的出发点。

关键词：隧道工程、围岩压力理论、支护结构设计理论

0. 引言

隧道是构筑在离地面一定深度的岩层或土层中做通道的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。隧道工程[1]的泛指有两方面的含义：一方面是指从事研究和建造各种隧道工程的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术，是土木工程的一个分支；另一方面也指在岩体或土层中修建的通道和各种类型的地下建筑物。

由于人类生活、战备、采矿等的需求，引发了早期隧道的建设形成需求；现代隧道的建设形成主要采用钻爆法、TBM法、盾构法等。相比于地面工程，隧道工程所处的环境、施工条件、运营条件等较差；同时，在资源和环境问题日趋严重的情况下，现阶段世界各国都日益重视地下空间的开发利用，隧道及隧道工程因其在节能和环保方面的优势变得愈发重要，因而迫切需要提高隧道工程的理论和技术。因此，对已有隧道分析理论的梳理总结对发展新理论和方法很重要，本文总结了隧道围岩压力理论和隧道支护结构设计理论。

1. 隧道围岩压力理论

由于地质体涉及地层、岩性、地质构造、风化程度、地下水等因素，因而形成了千奇百怪的地质体，具有复杂物理力学性质，要准确地认识地质体难度较大。然而，正确地认识隧道围岩压力是隧道结构设计的基础，多年来国内外许多学者进行了深入的研究和探讨，同时提出了不少理论：泰沙基理论、普氏理论、新奥法理论等，从定性和准定量的角度取得了一定的成就，但还有大量问题需要我们去探索研究。 1.1. 早期围岩压力理论（浅埋）

早期围岩压力理论（浅埋）认为垂直压力是上覆土层的自重，即 =γH；而对侧压系数ζ= / 有不同认识:（1）Haim认为是1；（2）Rankine认为是tan2(45° 2)；（3）金尼克认为是μ/(1 μ)。 1.2. 散体压力理论

随着埋置深度增加，认为作用在支护结构上的压力不是上浮岩土层的重力，而只是围岩塌落拱内松动岩体重量—松动压力。但该理论并没有认识到塌落并非形成围岩压力的唯一来源，也没有认识到自行稳定的围岩具有自承能力。散体压力理论主要有泰沙基理论和普氏理论，太沙基认为塌落拱是矩形的，普氏认为塌落拱是抛物线型的。 1.2.1 泰沙基理论

将隧道围岩视为散粒体，认为洞室开挖后，其上方围岩将形成承载拱；并认为岩体下沉形成两条垂直的破裂面，垂直压力 分布是均匀的，与水平压力 的比值为ζ。在距地表深度为h处，取厚度为dh的水平土层，按平衡条件得

2b×( + ) 2 b× +2ζ× ×tan ×dh 2bγ×dh=0

整理得

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dh=0

γ ζ× ×

式中： 为围岩内摩擦角，b为洞室松动宽度的1/2，γ为土的围岩重度。

求解以上微分方程，并引入边界条件：当h=0时， =0，得

hb tan ×ζ×) =γ××(1

随着h的增大，

tan ×ζ×

hb

→0，则 →γ×

btan ×ζ

泰沙基试验结果ζ=1.0~1.5

图1：泰沙基理论围岩压力

1.2.2 普氏理论

直到1975年，在全面学习苏联的时代，我国隧道专业的教材都采用前苏联纳乌莫夫的课本，采用普氏理论的支护设计理论。俄国M.M.普罗托亚诺夫采用砂子作为介质（模拟岩体），经过大量的模型试验和理论推导，提出了普氏理论。普氏理论要点是：

①在一定的埋深条件下隧道或其它地下洞室开挖后，将会出现一定范围的抛物线型的平衡拱（普氏拱）自身稳定，不会无限制的坍塌到洞顶地面。支撑结构只需要承受平衡拱内的岩土重量，即可保证洞室稳定。

②平衡拱的高度可用下式描述：

bh= 式中：h—普氏拱高度(m)，b—普氏拱跨度的1/2(m)，f—普氏系数，对一般岩石f= /100（ 为岩石的极限抗压强度），对于土层f=tan ，同时可查普氏坚固系数分类表。

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图2普氏理论围岩压力

B+2×H×tan(45° 2)b= (m)

b

h= ( )

q=h×γ (kN/m),γ为围岩重度kN/m3 e1=q×tan2(45° 2) (kN/m)

e2=(q+γ×H)×tan2(45° 2) (kN/m)

1.3. 围岩分类法

上世纪70年代后通过大量的工程实践，采用普氏系数（f）值的确定比较困难，通过国内外400多个塌方的工程实例进行了统计分析，按围岩稳定状态讲围岩分成六类，以罗马数字标书，即Ⅰ类围岩、Ⅱ类围岩、Ⅲ类围岩、Ⅳ类围岩、Ⅴ类围岩、Ⅵ类围岩。Ⅰ类围岩稳定性最差，Ⅵ类围岩最好。提出了如下围岩压力的计算公式：

q=0.45×26 × 式中：q—垂直压力（MPa），S—围岩类别， —围岩重度（kN/m3）， —洞室宽度影响系数， =1+i(B 5)，其中B为洞室宽度（m），i：当B<5时，i=0.2; B>5时，i=0.1。

1.4. 围岩分级法

围岩分类法铁路隧道设计规范采用以后，多位专家对围岩分类法的提法不赞同，分类是指不同性质的问题，而“隧规”分类是指围岩稳定性而言，对于围岩稳定性无类可言，只能是围岩稳定性分级。国标采用的是围岩分级的提法，同时国标规定Ⅰ级围岩稳定性最好，Ⅵ围岩稳定性最差，与隧规相反。1998年制定隧道新规范时，采用了国标的提法和排序，围岩分级符号仍采用罗马数字表示。计算公式如下

q=0.41×1.79 × × 式中：q—垂直压力（MPa），S—围岩类别， —围岩重度（kN/m3）， —洞室宽度影响系数， =1+i(B 5)，其中B为洞室宽度（m），i：当B<5时，i=0.2; B>5时，i=0.1。

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水军均布压力e按下表选用：

1.5. 小结

无论普氏理论、泰沙基理还是围岩分类、围岩分级理论，其主要原理是一致的，当进行地下洞室开挖时，在一定的埋深条件下，由于洞室的开挖，洞室上方围岩形成平衡拱（坍落拱），围岩的松弛和坍落是有一定的限度的。各种理论用不同的角度分别对坍落拱的高度进行描述。普氏和泰沙基理论分别从力学平衡角度退求坍落拱的高度，而围岩分类、围岩分级理论分别从工程实践（400组坍方高度）经数理统计推求坍落拱高度的计算公式。以承受坍落拱的重量来进行地下洞室支护衬砌系统设计。换言之，传统的地下工程设计，是将围岩单纯作为荷载，支护衬砌被动承受围岩压力。

经过大量的研究，对于围岩压力计算，学者们陆续发展了支护与围岩共同作用理论（新奥法施工、支护结构的减少），考虑围岩缺陷的计算理论（节理裂隙、软弱夹层、软土隧道与海底隧道），考虑环境影响的计算理论（地下水渗流、化学侵蚀、抗震等）等。为准确认识地质体、围岩压力做出了重要贡献。

2. 隧道支护结构设计理论

对隧道结构理论认识过程与人类实践和科技进步密切相关。采矿业、战备、民用地下工程、交通、水电等工程发展提高了人们对于隧道结构的认识；弹塑性力学、土力学、岩石力学、流变理论、有限元、计算机技术等理论和方法的发展促进对隧道结构理论的认识。地下工程支护结构理论的发展至今已有百余年的历史，支护结构设计理论的发展大致可分为三个阶段。

2.1. 刚性结构阶段

19世纪的地下建筑物大都是以砖石材料砌筑的拱形圬工结构，这类建筑材料的抗拉强度很低，且结构物中存在较多的接触缝，容易产生断裂。为了维护结构稳定，当时的地下结构截面都拟定的很大，结构受力后产生的弹性变形较小，因为出现将地下结构视为刚性结构的压力线理论。

压力线理论认为：地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构，所受的主动荷载是地层压力，当地下结构处于极限平衡状态时，它是由绝对刚体组成的三铰拱静定体系，铰的位置分别假设在墙底和拱顶，作用在支护结构上的应力是其上覆岩层的重力，其内力可按静力学原理进行计算。

压力线理论没有考虑围岩自身的承载能力，计算方法缺乏理论依据，一般情况下偏于保守，所涉及的衬砌厚度偏大很多。 2.2. 弹性结构阶段

19世纪后期，地下结构开始按弹性连续拱形框架用超静定结构力学方法计算结构内力。作用在结构上的荷载是主动的地层压力，并考虑地层对结构产生的弹性反力约束。至今在设计地下结构时仍在采用。

弹性结构理论认为，当地下结构埋深较大时，作用在结构上的压力不是上覆岩层的重力，只是围岩塌落体积内松动围岩的重力—松动压力，松动压力理论是基于支护技术发展起来的。对于围岩自身承载能力的认识可分为两个阶段。 2.2.1 假定弹性反力阶段

地下结构衬砌与周围岩体相互接触，在承受岩体所给的主动压力作用并产生弹性变形的同时，将受到地层对其变形的约束作用。地层对衬砌变形的约束作用力称为弹性反力，弹性反力的分布于衬砌的变形相对应。20世纪初，康姆列尔.约翰逊等人提出弹性反力的分布图形为直线（三角形或梯形）。1934年，朱拉夫和布加耶娃对拱形结构按变形曲线假定月牙形

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弹性反力分布，并按局部变形理论认为弹性反力与结构周围地层的沉陷成正比。 2.2.2 弹性地基梁阶段

由于假定弹性反力法对其分布图形的假定有较大的任意性，人们开始研究将变强视为弹性地基梁的计算理论，将隧道边墙视为支撑在侧面和基底地层上的双向弹性地基梁，即可计算在主动荷载作用下拱圈和边墙的内力。应用弹性地基梁思想的理论有局部变形理论和共同变形弹性地基梁理论。按共同变形理论计算地下结构的优点在于它以地层的物理力学特性为依据，并考虑部分地层沉降的相互影响，在理论上比局部变形理论有所进步。 2.3. 连续介质阶段

由于人们认识到地下结构与地层是一个受力整体，20世纪中期以来，随着岩体力学的发展，用连续介质力学理论计算地下结构内力的方法也逐渐发展，围岩的弹性、弹塑性及粘弹性解答逐渐出现。连续介质力学理论计算方法以岩体力学原理为基础，认为隧道开挖后向洞室内变形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护阻力，从而引起应力重分布；另一方面，由于支护结构阻止围岩变形，它必然受到围岩基于的反作用力而发生变形，这种反作用力和围岩的松动压力不同，它是支护结构与围岩共同变形过程中对支护结构施加的作用力，称为形变压力。

连续介质力学理论计算方法的重要特征是把支护结构与岩体作为一个统一的力学体系考虑。两者之间的相互作用于岩体的初始应力状态、岩体的特性、支护结构的特性、支护结构与围岩的接触条件及参与工作的时间、施工技术等一系列因素有关。

由连续介质力学建立地下结构的解析计算方法十分困难，目前仅对圆形衬砌有了较多的研究成果。20世纪60年代以来，随着计算机技术的推广和岩土介质本构关系的研究进步，地下结构的数值计算方法有了很大的发展，有限元法、边界元法、体积元等数值技术迅速发展，在隧道结构模拟分析中发挥了重要作用。然而，人们对于岩土材料的本构模型与围岩的失效破坏准则还认识不足，模型中计算参数难以准确获得（如原岩应力、岩体力学参数及施工因素等），因此，目前根据共同作用所得的计算结果，一般只能作为设计参考依据。 2.3.1 新奥法理论

锚杆与喷射混凝土一类新型支护结构的出现和与此相应的一整套新奥地利隧道设计施工方法的兴起，形成了以岩体力学原理为基础的、考虑支护与围岩共同作用的地下工程现代支护理论，发展出一种适应地下工程特点和施工技术水平的新设计方法—现场监控设计方法，即信息化设计方法。

图3新奥法围岩应力

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自上世纪50~60年代以来，以奥地利岩土专家拉布斯维兹和纽勒教授所创建的“新奥法”对传统的支护理论是一次突破。提出了围岩与支护系统共同作用理论。其要点是通过控制爆破和锚喷支护等人为手段尽量保护围岩，限制围岩变形，以现场监测数据为围岩稳定的判据，对地下工程进行设计和施工的新理念。传统的支护理论认为围岩仅仅是荷载，而新奥法认为，围岩在与锚喷支护的共同作用下，不仅是荷载而且也是支护结构的一部分。新奥法是充分利用围岩自承能力，调动围岩自承能力，在松软地层进行地下洞室设计、施工的新理念。

新奥法三要素：光面爆破（控制爆破）、喷射混凝土锚杆联合支护、监控量测等称为新奥法三大要素。喷锚支护所受到的是形变压力，形变压力是随着围岩变形而逐渐减小，也就是说刚度大的支护结构因变形较小反而受到较大的形变压力，反而刚度较小的支护结构（较薄的喷混凝土层）受到较小的形变压力。当变形发展到一定程度时导致岩体破坏，由形变压力突变为松散压力，也就是前面所论述的围岩压力。新奥法的核心是通过施做不同的支护结构一方面允许岩体产生一定的变形，同时还要有效的控制岩体变形，使之达到合理的切合点。

从上世纪70年代推广“新奥法”以来，我国隧道和地下工程施工技术起了巨大的变革。传统的小导坑木支撑在也不见了。全断面、半断面大型机械施工，控制爆破和锚杆喷射混凝土、钢架等先进的技术，全面取代了传统的施工方法。但从地下工程设计方面进展不大，目前各设计院仍以岩土压力作为荷载，只不过在计算二次衬砌时进行了荷载折减。由于地下工程所面对的是岩体，岩体本身是既不均匀又不连续，各向异性的地质体，又受到地质构造（断层、褶皱、局部断裂、节理、岩性、岩石风化程度等等）不确定因素的组合作用，同时还收到影响围岩稳定的地下水的作用，对这样千奇百怪的地质体，目前不可能，将来也见得可能对这样复杂的地质体建立符合实际的数学模型，像对地面结构那样进行理论计算。当前所提出的“信息化设计”既“动态设计”是进行“新奥法”设计的有效方法。“信息化设计” 或“动态设计”是目前地下工程设计的新的方向。

“信息化设计” 或“动态设计”的流程：

① 预设计阶段：根据地质条件、工程条件采用经验方法工程对比法（围岩分级）或必要的有限元计算进行支护系统的与设计；

② 根据预设计进行施工；

③ 对围岩稳定性和支护系统的效果进行现场监测；

④ 对现场监测监测结果进行判释，判释可通过两个方面：其一（主要方面）通过围岩稳定判别标准的经验方法进行判释；其二通过对监测数据进行反分析的理论方法进行判释；

⑤ 根据判释结果对围岩稳定性和支护系统的支护效果进行评价，若安全可继续施工，若过于安全可降低支护系统，若出现险情可暂停施工，并加强支护系统的强度和刚度。 2.4. 非连续介质阶段

目前很多理论（泰沙基、普氏、有限元分析等）均建立在连续介质力学的基础上，实际上的岩体是非常复杂的，在某种情况下很多岩体可以近似为连续介质（似连续介质）用连续介质力学的方法可以求解。但是，也有很多的岩体的破坏形态不符合连续介质力学的规律，如被多条节理和结构面切割的块状岩体。这种岩体的破坏形态属于刚体破坏，一般应用工程地质和力学计算相结合的分析方法，即岩石块体极限平衡分析法（块体平衡理论）。

著名的学者石更华通过大量的研究，得出了块状岩体失稳的三种形态，创造了用赤平投影方法求解块体稳定的几何方法，铁科院西南分院王建宇院长在石更华块体研究的基础上推导了遍有节理块体稳定的解析解法。块体稳定分析方法基本要点：

（1）在地下洞室或边坡的岩体，凡是有三组及以上的结构面连同洞室的临空面，就会将岩体切割成大小不等，位置各异的锥体；

（2）块体失稳三种状态：

① 直接坠落：在重力作用下直接坠落；

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② 单面滑动：锥体沿某一结构面滑动；

③ 双面滑动：锥体沿两个结构面交线方向滑动。 （3）单面滑动的稳定系数：Kd =cot ×tan 双面滑动的稳定系数：

=[( pq )tan +( pq )tan ]/√ 2.5. 工程类比设计法（经验方法）

由于隧道工程所面对的是复杂的岩体，目前特别是初期支护的设计目前还没有很可靠的理论分析方法，现在无论是铁路和公路隧道均采用经验方法-工程类比法进行支护系统设计。目前，工程中主要使用的工程类比设计法，也正向着定量化、精确化和科学化发展。主要设计参数如下表：

隧道（跨径10m）初期支护和二次衬砌设计参数表（供参考）

2.6. 小结

地下结构计算理论的上述几个发展阶段在时间上并没有截然的先后之分，后期提出的计算方法一般也不否定前期的研究成果，鉴于岩土介质的复杂多变，这些计算方法都有其比较适用的一面，但又各自带有一定的局限性。各种新方法的不断出现，意味着地下结构的计算理论将日益完善。

3. 总结

对围岩压力的正确认识是进行隧道结构设计的基础，隧道支护结构设计理论是隧道工程安全的重要保障。隧道工程理论经历了几百年的发展完善过程，取得大量的理论和实践成果，但仍有大量问题需要研究解决。对经典的隧道围岩压力理论和隧道支护结构设计理论的总结，是隧道工程设计的基础，也是隧道工程理论进一步研究完善的出发点。 参考文献

[1] 隧道工程[M]. 北京: 机械工业出版社,2012.7 [2] 隧道力学概论[M]. 西南交通大学出版社, 1993.

[3]

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rloj.html