隧道設計流程-巖土論壇

1、綜合該討論的各家建議： E+Geac 隧道設計流程各家觀點： Ge d 1、我們做設計的時候也是這樣做的,先用同濟曙光采用地層結構法模擬開挖過程,對噴錨支護及開挖方法進行分析,選擇一個合適的開挖順序,然后用荷載結構法計算初襯的變形, 和二襯的承載能力和裂縫寬度。 在予設計階段也就計算這么多了，地層結構法計算時也是根據(jù)規(guī)范取的參數(shù)，由于地質勘察報告比較簡略沒法參考，荷栽結構法計算時依據(jù)規(guī)范的荷載計算方法，然后根據(jù)圍巖類別初襯和二襯分別承擔一部分計算。 PV3c3l= u$U|Cw-;T 2、隧道的設計計算過程：首先根據(jù)地質報告和地質縱斷面以及平面圖，確定隧道的路線走向，擬定洞門樁號，其次根據(jù)具體

2、地質情況劃分圍巖級別，長隧道還要考慮通風等情況，對于不良地質的特殊設計計算處理；隧道襯砌結構的類型和強度雖然大部分采用經(jīng)驗類比法確定，個人認為僅限于、級以上的圍巖，對于隧道的、級別圍巖，應根據(jù)具體情況計算確定設計支護參數(shù)是否合理，淺埋情況應采用荷載結構法計算，對于深埋情況，建議采用地層結構法計算，對于黃土隧道，由于大部分采用礦山法施工，因而其計算中應充分考慮開挖施工過程的順序，兩次襯砌的施作； 對于荷載的釋放情況（地層結構法），應與施工開挖設計方案配合進行，尤其是前后開挖面的距離等，主要涉及到開挖釋放荷載的比例分配。 J6Kf z% ZV xBQKg 3、（1 地質專業(yè)提供進出口橫斷面圖，主要

3、用于確定隧道的進出口里程，是否淺埋偏壓等； +wio:= （2 按照地質專業(yè)提供的隧道縱斷面圖劃分的圍巖級別，套用相應級別的襯砌類型；在特殊地質段落，根據(jù)不同的地質情況， 考慮一些特殊的工程措施，如進出口一般采用一段大管棚，水量大的地段可以考慮注漿措施，斷層破碎帶考慮小導管超前支護等等； %k2zsM （3 按照線路專業(yè)確定的線路縱曲線，確定一些關鍵點的內(nèi)軌頂標高，再考慮一下隧道內(nèi)綜合洞室的布置等，對于鐵路隧道，還要考慮四電、綜合接地等（這些主要是附屬設施，與隧道結構設計關系不大）。 DPoV （4 對于長大隧道，要做施工輔助通道的設計，如斜井、豎井、橫洞、平導等。還需考慮施工運營通風，防火救

4、災救援等。 這些就是設計隧道的主體了。 ckZ,AKL+ hv9 =v+ 4、對于做隧道設計的，我覺得有一點是要有比較清晰的認識的： 圍巖特性曲線（圍巖荷載特性分析） 分為：彈性區(qū)、屈服區(qū)、松動區(qū) 就設計的經(jīng)濟性來講：應將支護時間控制在圍巖有屈服向松動開始的時間內(nèi)， 此時，支護圍巖所需要的支撐力為維護開挖面穩(wěn)定的最小壓力。全斷面開挖又比部分斷面開挖對支護結構產(chǎn)生的荷載要大。 Dp/uCW) tC&y3!k2jR )45,+XX Oc8+an1m : 5、我設想，隧道設計最開始肯定只能用工程類比法，你不可能假設襯砌厚度，通過有限元試算來確定襯砌厚度吧。 光用工程類比法，當然不可靠，心里沒底，要靠

5、計算來校核。 置于荷載結構法也好，有限元法也好，能否計算得到襯砌的真實的力學行為，當然要看計算條件模擬的夠不夠精確，本構模型簡化到不到位。 一個是荷載情況，一個圍巖襯砌的材料情況，都是相當復雜的東西，不能輕易確定，只能是跟據(jù)工程經(jīng)驗，盡量將對結構影響最大的因素反應出來。 有限元法雖然很先進，但就像前面提到的，參數(shù)的取值是個大問題，對于每個工程都用有限元計算是不現(xiàn)實的。只有在遇到特殊地質問題，工程技術問題，以前的工程中沒有遇到的過的問題，可用有限元計算的結果進行參考。 GCYs|s FKzqJwT 6、隧道的計算目前還沒有十分系統(tǒng)的理論，這主要是指巖體和在無法準確獲得目前的一些關于隧道設計的軟件

6、，包括什么曙光、3d西格瑪，F(xiàn)Lac3d、ANSYS等等，都是純理論的東西，復雜巖體條件下時，其可信度不高 vdoqkC .3Ap+V8? 7、對于地下工程，計算永遠不可能與實際相符，因為計算工程本身就是一個虛擬的，首先對地層和結構做了很多理想假定條件，計算中很多參數(shù)的取值又大多是根據(jù)經(jīng)驗來確定，不同的人取值大都不一樣，計算結果有很大的隨機性。對于地下工程計算我的觀點是對于重要的結構一定要進行計算，最好能用幾種方法比較，雖然不能準確定量，但至少可以定性分析，做到心中有數(shù)。但也不能完全相信計算結果，還要結合實際類似工程類比，最終確定方案。 H11Wb(6Wu X31kHK5F_ 8、關于隧道計算

7、之所以會出現(xiàn)理論計算與工程實際有脫節(jié)的現(xiàn)象我認為，雖然根本原因是計算理論、計算方法、計算手段無法真實反映極為復雜的圍巖穩(wěn)定與開挖狀態(tài)，但是長期出現(xiàn)以工程類比法為主，甚至將工程類比法退化為照搬照抄的設計手段，重要的我國現(xiàn)行的建設管理體制嚴重制約的新奧法設計、施工理論在工程實際中的推廣！請問各位從事設計的同行，貴單位是否只是重視施工圖文件設計、審查，輕視施工現(xiàn)場配合與變更？請問在隧道工程施工過程中的，監(jiān)控量測是否真正的反饋到設計人員手中？設計人員是否能夠按照監(jiān)控量測結果，對原計算模型、計算參數(shù)進行修正與反分析？過程控制才是新奧法設計與施工精髓，可是工程實際中我們經(jīng)歷的是勘察、設計、施工的相互脫節(jié)，

8、這之中涉及到利益、責任、工作量的認可問題，我想在各個設計單位同樣是，設計人員不愿意進行現(xiàn)場配合施工，因為配合施工沒有做施工圖見效益！風險高、任務繁瑣、條件艱苦。所以，目前我國隧道設計的普遍狀態(tài)是，設計以基于圍巖分級的工程類比法為主，注重采用數(shù)值分析、施工過程模擬的設計文件審查，注重施組設計的文本厚度與詳細，忽視工程實際根據(jù)具體圍巖狀態(tài)的優(yōu)化與調整。這一切在一切順利的情況下，相安無事，一旦出現(xiàn)工程事故，誰也跑不了，至少把你折騰一個夠！ 1 用我國公（鐵）路隧道推薦圍巖壓力計算方法豎向均布壓力計算公式： I/(s p q=0.45z6-s rw 9Chkb|B s圍巖類別 n1LS*- w寬度影響

9、系數(shù) %1lLUgf3G/ r圍巖容重 8=e Q+ 水平均布壓力則按設計規(guī)范（TB100032001，J1172001）查得。 6yR7RF （2） 淺埋地下結構圍巖壓力的計算 VOiphw a、埋深小于或等于等效荷載高度（hq）時，垂直荷載視為均布壓力。 6ZMM7(V q=rH m:H )b q均布垂直力 jPe9 r坑道上覆圍巖容重 abK/!mq H坑道埋深 UOwj# 水平側向力e按均布考慮其值為 |GsLcUv6 e=r(H-1/2Ht)tan2(45-/2) 5yQgGd) e水平側向均布壓力 uo%zfi? r隧道上覆圍巖容重 3sL#_+yz H隧道埋深 9K&b1OAj

10、Ht隧道高度 g/g(RL 圍巖計算摩擦角 c1Hv*Y b、埋深大于等效荷載高度（hq）小于深埋淺埋隧道分界深度（Hp）時 eC3ZKoJ q淺=rH(1-H/Bttan) 1bti M 作用在支護結構兩側的水平側壓力在隧洞頂?shù)滋幹禐椋?rzex/ly e1=rHe2=rh KUp lN1Sy 當側向力視為均布壓力時 lKaBcd e=1/2（e1+e2） *AJW8tIP （3） 空間洞室圍巖壓力確定 ,6e o6 圓形或矩形的空間洞室的圍巖壓力，一般按平面洞室的圍巖壓力乘以考慮空間作用的降低系數(shù)來確定。其計算跨度取圓形直徑或矩形短邊。降低系數(shù)一般對平面為正方形的拱頂或圓形穹頂=0.82

11、8。對于矩形拱頂由 TN0d fba =1-2/3其中= 寬度 a(cuh. 1-1/2長度 !W6+ 2、可變（附加）荷載包括吊車荷載、設備重量、地下儲油庫的油壓力、車輛、人群的荷載。 d6Z;f7 3、偶然(特殊)荷載包括地震作用和戰(zhàn)時發(fā)生的武器爆炸沖擊動荷載。 !T5,Y 當我們設計某一地下結構，上述幾種荷載不一定同時存在。設計中應根據(jù)荷載實際可能出現(xiàn)的情況進行組合，取其最不利的組合作為設計荷載，以最危險截面中最大內(nèi)力作為設計依據(jù)。 :$Lm&J 地下結構設計模型 w+JDu_9+A 1、荷載結構模型，它采用荷載結構法計算襯砌內(nèi)力，并據(jù)以進行構件截面設計。 !dXA$ 地下結構的計算方法

12、為兩類：荷載結構法和地層結構法 3QEclZr 一般來說，地層巖性較差，洞室跨度較大宜采用荷載結構法。地層構造較完善，圍巖的支承能力較好時宜采用地層結構法。目前，我國在地下工程的結構計算中，采用較多的仍是以散體壓力理論為基礎的荷載結構法。 pV1REk$& 一、荷載結構法的計算方法 05w_/l+ 地層對于地下結構作用只是產(chǎn)生作用在結構上的荷載（包括主動的地層土壓力和被動彈性地層抗力）,一般可用結構力學的方法計算襯砌在荷載作用下產(chǎn)生內(nèi)力和變形。下面就拱形、圓形、矩形結構在簡單荷載作用下的內(nèi)力和變形計算作如下介紹。 +.zriiFi （一） 拱形結構 uv Z!3UH. 1、 曲墻拱結構采用假定

13、抗力圖形法 )WDQ x& 該結構被簡化為主動荷載（垂直荷載大于側向荷載）及彈性抗力共同作用下，支承在彈性地基上的無鉸高拱。拱兩側彈性抗力按二次拋物線分布，最大抗力點為h 點，值為h。為了便于計算，可將基本結構分解為在主動外荷載和單位抗力（被動荷載）作用下的兩個基本圖式，分別計算出相應的截面內(nèi)力和位移值，接著用迭加原理求出襯砌截面的總內(nèi)力。具體步驟如下： 4Sw)IUK( （1） 求出在主動荷載作用下襯砌截面的內(nèi)力。 8?ZK+y （2） 求在單位被動荷載（單位抗力）作用下截面i所產(chǎn)生的內(nèi)力。 0dXWyMn （3） 求最大抗力h值。 uNLA/hL+n （4） 求襯砌截面的總內(nèi)力。 -MeG

14、JX:I 2、 直墻拱結構 /auk 該方法將拱圈和邊墻分開計算，將拱圈處理為彈性固定在邊墻上的無鉸平拱，邊墻處理為擱置在彈性地基上的直梁，在拱腳和墻頂連接處應滿足力的平衡條件和變形連續(xù)條件。拱圈的彈性抗力的分布按“假定抗力圖形法”計算最大抗力點發(fā)生在墻頂。其值為h。拱腳處抗力為d，當=7590時可把d當作抗力最大值。邊墻底部視為彈性地基上的剛性梁，側面按其換算長度來確定為長梁（2.75），短梁（12.75），剛性梁（.0B% （三） 框架結構 tpUKR- 框架結構是平面變形問題，沿縱向取單位寬度，按閉合框架計算其結構內(nèi)力。首先確定頂板上荷載，底板上荷載及側壁的荷載。然后采用力矩分配法，迭代

15、法或位移法求框架內(nèi)力。 R9Vk*gFU 二、地層結構法把地下結構與地層作為一個受力變形的整體，按照連續(xù)介質力學原理來計算地下結構以及周圍地層的變形。不僅計算出襯砌結構的內(nèi)力和變形，而且計算出周圍地層的應力。充分體現(xiàn)了周圍地層與地下結構的相互作用，但是由于周圍地層以及地層與結構相互作用模擬的復雜性，地層結構法目前尚處于發(fā)展階段。它包括如下內(nèi)容：地層合理化模擬，結構模擬，施工過程模擬，以及施工過程中結構與周圍地層的相互作用，地層與結構相互作用的模擬等。 #T&a 總之，地下結構的設計受到各種復雜因素的影響，經(jīng)驗往往占據(jù)一定的位置。即使內(nèi)力分析采用了比較嚴密的理論，其計算結果往往需要用經(jīng)驗類比加以

16、判斷和補充。我們在設計地下結構時只有同時進行多種設計方法的比較，才能做出較經(jīng)濟合理的設計。 )tI8 /n&w|b% 10、隧道確實很難用數(shù)值模擬方法來準確計算，人們不斷尋求多種方法來更好的解決這個問題，除有限元之外的其他方法，如離散元、ADD等等，但始終沒有一套放之四海而皆準的計算理論，就像是隧道圍巖分級一樣，公說公有理、婆說婆有理，世界各國的方法均有差異，歸根結底是由于巖體的不明確性決定的。因此我們不能只用一種方法來概括，建議學隧道的同志們多多學習，接觸多種理論與計算方法。 j0Q:hn xZwG+U=X 11、隧道設計首先主要的： 1 工程類比法 !T!Ue=u 2 結構力學模型，它將支

17、護結構和圍巖分開來考慮，支護結構是承載主體，圍巖作為荷載的來源和支護結構的彈性支承, 即故又可稱為荷載一結構模型。在這類模型中隧道支護結構與圍巖的相互作用是通過彈性支承對支護結構施加約束來體現(xiàn)的，而圍巖的承載能力則在確定圍巖壓力和彈性支承的約束能力時間接地考慮。圍巖的承載能力越高，它給予支護結構的壓力越小，彈性支承約束支護結構變形的抗力越大，相對來說，支護結構所起的作用就變小了。這一類計算模型主要適用于圍巖因過分變形而發(fā)生松弛和崩塌，支護結構主動承擔圍巖“松動”壓力的情況。屬于這一類模型的計算方法有：彈性連續(xù)框架（含拱形）法、假定抗力法和彈性地基梁（含曲梁和圓環(huán)）法等都可歸屬于荷載結構法。 s

18、dzm% 3 巖體力學模型。它是將支護結構與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結構體系，故又稱為圍巖結構模型或復合整體模型。在這個模型中圍巖是直接的承載單元，支護結構只是用來約束和限制圍巖的變形，這一點正好和上述模型相反。復合整體模型是目前隧道結構體系設計中力求采用的并正在發(fā)展的模型，因為它符合當前的施工技術水平。在圍巖結構模型中可以考慮各種幾何形狀，圍巖和支護材料的非線性特性，開挖面空間效應所形成的三維狀態(tài)，以及地質中不連續(xù)面等等。在這個模型中有些問題是可以用解析法求解，或用收斂約束法圖解，但絕大部分問題，因數(shù)學上的困難必須依賴數(shù)值方法，尤其是有限單元法。利用這個模型進行隧道結構體系設計的關鍵

19、問題，是如何確定圍巖的初始應力場，以及表示材料非線性特性的各種參數(shù)及其變化情況。一旦這些問題解決了，原則上任何場合都可用有限單元法圍巖和支護結構應力和位移狀態(tài)。 +co VE/w krFuEaO 各國參考用法 iP)yB5 盾構開挖的 噴錨鋼支撐的 中硬石質深埋隧道 V9mqJRFJ: jKpwf#a %R 彈性地基圓環(huán)有限元法驗法一約束法、經(jīng)驗法 $/p0DY *Ri7CqU6 f4 k WwUhwY1o!L 日本 局部支承彈性地基圓環(huán) 局部支承彈性地基圓環(huán)、經(jīng)驗加 彈性地基框架、有限 (1IYOlG4 *jR4OY|DXH 測試有限元法元法、特性曲線法 YuXCRw9p; 8NnGN(a*

20、D ZWmS6?L. !),eEy 初期支護：有限元法、初期支護：經(jīng)驗法 22OfbwCb 9JtZO 中國自由變形或彈性地基圓環(huán)收斂一約束法永久支護：作用和反 GI| t _lG|t6y 二期支護；彈性地基圓環(huán)作用模型 lfw|Q ,B5;/ | 大型洞室：有限元法 HxHkqan &HQ_e$1 I?N.v O llS 瑞士作用一反作用模型有限元法，有時用 D; ($lm 4Ss$* 收斂-約束法 tr 6jo7 qRSoF04!R ;E_Go&Vd wz. 英國彈性地基圓環(huán)繆爾伍德法 收斂約束法、有限元法、收斂-約束 sYhHh$mwA Ay7PU 經(jīng)驗法 法、 經(jīng)驗法 U!L$S s3

21、Wjhw/ ;Fo7 -kK -9$Ll+2h 美國彈性地基圓環(huán) 彈性地基圓環(huán)、 彈性地基圓環(huán)、 O7rIy OMW9E 作用一反作用模型有限元法、錨桿經(jīng)驗法 1Ys)b: x4|5 Y 但是如何界定初始條件，比如說一條破碎帶，縱向，橫向，斜向對整個結構影響差別是非常大的， 既然是地下結構，那么首先，我們應該對巖土要有一定的認識，巖石的成因，巖漿巖、沉積巖、變質巖 的成因，以及各種下面的巖石類型，我們都應該了解，然后再針對各種巖石的特性，選用合理的工法。 監(jiān)控量測，給了我們一些現(xiàn)場數(shù)據(jù)，我們可以通過此結合一些計算來檢驗。 現(xiàn)場施工的水平也直接影響到最后的工程質量，各種巖石狀況下放炮時藥量的控制

22、等， 系統(tǒng)錨桿其實也不一定要按切線打，我們都應該結合實際情況，各種工法的主要作用，再結合理論分析， 控制我們材料的用量是否合理。 最后就是材料，材料的質量，比如說普通錨桿，一般，8-15年左右基本就失效了，這些都是必須考慮的因數(shù)。 總之，個人淺見，隧道就是多看，多了解，多分析，多實踐，多總結。 最后一點，技術都是交流出來的，閉門造車是很難出好成果的。 .820b0 =;GmLi3A 13、現(xiàn)在還是半經(jīng)驗半理論的計算方法關鍵是對圍巖進行分級，這個確定以后就基本是套公式，進行驗算，并不斷調整襯砌的尺寸，使計算結果滿足要求最后還得現(xiàn)場量測，對變形進行監(jiān)測，確定設計符合要求 所以，圍巖分級最重要，還是

23、經(jīng)驗為主，監(jiān)測輔助 fWC(L s 14、（1.計算隧道的時候，應先判斷隧道是淺埋還是深埋，這可以通過鐵路隧道規(guī)范和公路隧道規(guī)范確定，不過我就喜歡用重慶大學編的小程序計算。當定好隧道類型，之后就是選擇荷載組合。 YecdwBW? （2.現(xiàn)在我們搞的隧道計算主要是地鐵隧道那方面的，技術內(nèi)力一般都是用ansys分析的！ansys可以模擬那些鉸。但是初步設計一般都是用excel表來初步計算。等到施工設計時候可以采用ansys比較精確分析。我想在這里指出，用理正巖土軟件都可以分析隧道的，但是它分析的模型跟我們實際有些差別，同樣做圓形隧道，理正分析的是整個隧道斷面是一個整體的，無鉸的！分析出的的結果是沒

24、有怎么考慮到鉸的位置的應力集中情況的！ |)xWQ KzA （3.我們計算襯砌的時候可以考日本隧道的設計規(guī)范！ 5VpqDLd YxM&% 15、地鐵車站的計算一般用MIDIAS計算，區(qū)間一般是工程類比和以往經(jīng)驗+ANSYS 模擬參考。 H Io!aKU Qn|8Ic * 16、隧道設計要根據(jù)實際情況確定設計參數(shù)，無論是計算或是工程類比 TV0sxod6 以現(xiàn)在最常見的復合式襯砌為例 其一：二次襯砌設計現(xiàn)階段已有明確的設計依據(jù)-鐵規(guī)或是公路隧道規(guī)范，但是深淺埋界定？采用建規(guī)荷載組合或是極限狀態(tài)、容許應力法等等，均應有統(tǒng)一考慮。 其二：對于巖質隧道初期支護，采用荷載結構模型計算初期支護過于保守，

25、但是由于有限元模型的不確定性（其計算值要遠小于實際值，即使選取巖土參數(shù)時進行大幅折減），因此其計算結果僅作為參考，初期支護厚度一般采用工程類比法，亦或是按鐵規(guī)選定，并考慮配套的輔助措施的要求。 重點是應根據(jù)地質條件的不同，采取不同的輔助措施，比如分部開挖，小導管，自近式錨桿，中空注漿錨桿，管棚，鋼拱架，鋼格柵等等，而這些措施除了分部開挖外采用有限元是無法模擬的。 其三：對于土質隧道初期支護，由于其自穩(wěn)能力差，因此基本采用荷載結構模型計算（容許應力法或是極限狀態(tài)法，建規(guī)過于保守不易算過所以放棄），并配以密排鋼格柵及小導管等輔助措施。 auB 931| $IS!GS&: 17、目前隧道工程設計計算

26、主要分為兩個大類： N p*TJ （1）市政隧道、地鐵隧道等，這類隧道埋深一般較淺，且很多采用明挖法施工，故多采用荷載結構法計算，且用混凝土設計規(guī)范（極限狀態(tài)理論）進行配筋計算。 *DvX| & （2）鐵路隧道、公路隧道中的山嶺隧道，這類隧道多根據(jù)圍巖分級參照規(guī)范確定支護及襯砌參數(shù)，一般不需要計算。特殊情況下計算一下，但只要以經(jīng)驗類比為主，且結構配筋也不按照混規(guī)計算，而是按照隧道設計規(guī)范配筋。 =f H5 r_n $UdBZT- 18、正好最近在做兩座公路隧道，談點個人的看法，歡迎大家批評指正。 個人認為隧道設計過程中初支和二襯的設計側重點應有所不同。初支因其自身組成結構的復雜性（錨桿、噴砼、

27、預加固巖體等共同組成的復合結構），若采用有限元進行地層結構法計算，一方面難以模擬實際的巖體材料，另一方面也難以準確模擬錨桿與巖體之間的相互作用（目前主要采用節(jié)點耦合算法），最終計算出來的結果只能來進行定性分析，正如前面幾位朋友提到的，可以用作為隧道的開挖方法提供一定的參考。因此個人認為初支的設計還是要以工程類比為主，最好多與有經(jīng)驗的專家溝通，合理確定初支參數(shù)。二襯為模筑結構，其受力相對比較明確，可采用荷載結構法來計算結構的受力和配筋。 j/Y3RSMp 1Z 82) 19、隧道的設計計算過程：首先根據(jù)地質報告和地質縱斷面以及平面圖，確定隧道的路線走向，擬定洞門樁號，其次根據(jù)具體地質情況劃分圍巖級別，長隧道還要考慮通風等情況，對于不良地質的特殊設計計算處理；隧道襯砌結構的類型和強度雖然大部分采用經(jīng)驗類比法確定，個人認為僅限于、級以上的圍巖，對于隧道的、級別圍巖，應根據(jù)具體情況計算確定設計支護參數(shù)是否合理，淺埋情況應采用荷載結構法計算，對于深埋情況，建議采用地層結構法計算，對于黃土隧道，由于大部分采用礦山法施工，因而其計算中應充分考慮開挖施工過程的順序，兩次襯砌的施作； 對于荷載的釋放情況（地層結構法），應與施工開挖設計方案配合進行，尤其是前后開挖面的距離等，主要涉及到開挖釋放荷載的比例分配。 pouXt-%2X u,nnY 20、本人從事國內(nèi)公路隧道和鐵路隧道的研究與設計6年，