第2部分-隧道設(shè)計方法

1隧道設(shè)計方法2一、概述

長期以來，隧道結(jié)構(gòu)的計算僅僅是針對支護結(jié)構(gòu)中的二次襯砌的，在計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)的實際工作狀態(tài)相差很大。[例如]：理論上已經(jīng)證實，在無支護坑（隧）道中,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：（1）與實際工作狀態(tài)一致，能反映圍巖的實際狀態(tài)以及圍巖與支護結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài)；（2）荷載假定應(yīng)與在修建洞室過程中荷載發(fā)生的情況一致；（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)生的事故和破壞情況一致；（4）材料性質(zhì)和數(shù)學(xué)表達要等價。

只要符合上述條件，任何設(shè)計和計算方法都會獲得合理的結(jié)果。不管采取何種設(shè)計方法，都必須清楚地認識隧道結(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：（1）其他工程結(jié)構(gòu)都是抵抗荷載的，而隧道結(jié)構(gòu)，按目前的認識水平來說，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、襯砌組成的一個整體。該系統(tǒng)的荷載是由支護結(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)。

（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)標準荷載決定的，并用大家公認的方法進行計算、驗證。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)力場是很難準確決定的。4（3）在其他建筑中，設(shè)計者能夠計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。在隧道工程中要想計算出材料（既是挖過的圍巖也是支護的主體）中的應(yīng)力和變形是很困難的，因為它與形成的結(jié)構(gòu)的類型以及時間有很大關(guān)系。（4）其他建筑根據(jù)力學(xué)計算以及構(gòu)造上、經(jīng)濟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)。（5）在施工中，其荷載、變形和安全度與其他結(jié)構(gòu)相比都還遠遠沒有確定，尤其是與最終狀態(tài)的關(guān)系密切。因此，在隧道結(jié)構(gòu)中最后狀態(tài)的安全度檢算和力學(xué)計算是存在問題的。二、設(shè)計方法的選擇和適用條件

隧道支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)根據(jù)圍巖條件（圍巖的強度特性、初始應(yīng)地力場等）和設(shè)計條件（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)計方法。根據(jù)隧道支護結(jié)構(gòu)的特點，在預(yù)設(shè)計中采用以下方法:

(1)標準支護模式的設(shè)計方法（簡稱標準設(shè)計）；

(2)類似條件的設(shè)計方法（簡稱類比設(shè)計或經(jīng)驗設(shè)計）；

(3)解析的設(shè)計方法（簡稱解析設(shè)計）。

隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，在有標準支護模式時以標準設(shè)計為主要的設(shè)計方法。在沒有標準支護模式時，則要根據(jù)圍巖條件、結(jié)構(gòu)特點等選擇類比設(shè)計或解析設(shè)計的方法進行設(shè)計。6標準設(shè)計是用于一般圍巖條件下的標準隧道斷面的設(shè)計，在圍巖條件特殊或設(shè)計條件特殊時，采用已經(jīng)實施過的、經(jīng)過工程實際證實是安全和經(jīng)濟的支護結(jié)構(gòu)模式的設(shè)計方法。不僅研究隧道結(jié)構(gòu)物本身的安全性，而且要保護周邊環(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)解析的計算結(jié)果，進行定量的判斷：（1）地質(zhì)條件特別差的情況；（2）埋深大、初始地應(yīng)力大的情況；（3）埋深小、地表面下沉有問題的情況；（4）采用施工方法、開挖順序與標準的支護模式不同的特殊工法的情況；7（5）斷面比標準支護模式大得多的情況；（6）斷面形狀特殊的情況；（7）洞口段、斜坡面下隧道等地形條件可能產(chǎn)生偏壓的情況；（8）有接近隧道的結(jié)構(gòu)物的情況；（9）預(yù)計有與時間有關(guān)的流變荷載作用、二次襯砌存在長期荷載的情況。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。前者是把支護結(jié)構(gòu)和周圍圍巖分割開來，把圍巖作為給定荷載，支護結(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)計中力求采用的或正在發(fā)展中的方法。8三、類比設(shè)計采用類比設(shè)計方法，應(yīng)充分研究其設(shè)計條件及設(shè)計的妥當(dāng)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實際情況，如在圍巖分類時，應(yīng)著重在彈性波速度、裂隙系數(shù)、圍巖強度比、相對密度、細顆粒含量等類似性上；其次，也要研究地下水條件的類似性。

設(shè)計條件的類似性主要是支護模式、地形條件、施工方法、輔助工法等的類似性。類比設(shè)計的類似性以及妥當(dāng)性，一般應(yīng)按表1和表2所列項目進行研究。9從這些實踐中，大致上可以發(fā)現(xiàn)在進行支護結(jié)構(gòu)“類比設(shè)計”時，需要注意的幾點:（1）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型。即：

1）完整、穩(wěn)定圍巖；

2）易破碎、剝離的塊狀圍巖；

3）有地壓作用的破碎圍巖；

4）強烈擠壓性圍巖或有強大地壓的圍巖。其中某些類別還有些亞類。10（2）各各類類圍圍巖巖的的支支護護結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)參參數(shù)數(shù)大大體體按按下下述述原原則則選選用用。。1）完完整整、、穩(wěn)穩(wěn)定定的的圍圍巖巖錨桿桿長長<1.5m，n=4~4.2根/m左右右，，從從力力學(xué)學(xué)上上看看是是不不期期待待錨錨桿桿的的支支護護作作用用的的，，圍圍巖巖本本身身強強度度就就可可以以支支護護坑坑道道，，但但因因有有局局部部裂裂隙隙或或巖巖爆爆等等，，用用其其加加以以控控制制而而已已。。噴混混凝凝土土用用于于填填平平補補齊齊，，為為確確保保洞洞內(nèi)內(nèi)安安全全作作業(yè)業(yè)應(yīng)應(yīng)設(shè)設(shè)金金屬屬網(wǎng)網(wǎng)防防止止頂頂部部巖巖石石剝剝離離。。二次次襯襯砌砌采采用用能能夠夠施施工工的的最最小小混混凝凝土土厚厚度度，，約約30cm左右右。。2）易易破破碎碎、、剝剝離離的的塊塊狀狀圍圍巖巖錨桿桿長長1.5~3.5m，n=10根/m左右右，，多多數(shù)數(shù)情情況況是是長長、、短短錨錨桿桿配配合合使使用用，，短短錨錨桿桿用用脹脹殼殼式式，，長長錨錨桿桿用用灌灌漿漿式式。。11噴層層厚厚0~l0cm，穩(wěn)穩(wěn)定定性性好好些些的的用用來來填填平平補補齊齊，，也也可可只只在在拱拱部部噴噴射射，，此此時時開開挖挖正正面面無無需需噴噴射射。。金金屬屬網(wǎng)網(wǎng)與與（（1）同同，，特特殊殊情情況況要要采采用用可可縮縮性性支支撐撐或或輕輕型型格格柵柵鋼鋼支支撐撐。。二次次襯襯砌砌厚厚度度約約30~40cm，包包括括噴噴層層在在內(nèi)內(nèi)約約40cm。3）有有地地壓壓作作用用的的破破碎碎圍圍巖巖錨桿桿長長3.0~4.0m，有有時時用用6.0m的灌灌漿漿式式，，n=10根/m左右右。。這這種種圍圍巖巖視視圍圍巖巖強強度度比比，，預(yù)預(yù)計計有有塑塑性性區(qū)區(qū)發(fā)發(fā)生生時時，，從從控控制制它它的的發(fā)發(fā)展展看看，，錨錨桿桿必必須須用用噴噴混混凝凝土土等等加加強強。。噴層層厚厚約約15~20cm，拱拱部部和和側(cè)側(cè)璧璧同同厚厚，，視視情情況況正正面面也也要要噴噴5cm左右右。。開挖挖進進度度要要注注意意，，必必要要時時控控制制在在1.0m以下下。。二次次襯襯砌砌厚厚度度,包括括噴噴層層在在內(nèi)內(nèi)為為40~~50cm,盡可可能能薄薄些些。。124）強強烈烈擠擠壓壓性性圍圍巖巖或或有有強強大大地地壓壓的的圍圍巖巖在這這種種圍圍巖巖中中施施工工是是很很困困難難的的，，要要分分臺臺階階施施工工，，限限制制分分部部的的面面積積。。錨桿桿長長4.0~6.0m，n=15根/m左右右。。噴層層厚厚20~25cm，正正面面噴噴3~5cm。必須須采采用用可可縮縮性性支支撐撐，，間間距距約約75cm左右。二次襯砌厚度度，按總厚度度50cm決定。在30天以內(nèi)斷面要要閉合，即要要修好仰拱。。（3）在施工中應(yīng)應(yīng)盡量少損害害圍巖，使其其盡量保持原原有圍巖的強強度，因此，，應(yīng)采用控制制爆破技術(shù)。。13（4）預(yù)計有大變變形和松弛的的情況下，開開挖面要全面面防護〈包括正面〉,使之有充分的的約束效應(yīng)，，在分臺階開開挖時，上半半斷面進深不不宜過長，以以免影響整個個斷面的閉合合時間。（5）二次襯砌通通常是現(xiàn)灌的的，在修二次次襯砌之前要要修防水層，，形成具有防防水性能的組組合式襯砌。。應(yīng)使襯砌成成為薄殼，這這樣可減少彎彎矩而使彎曲曲破壞的發(fā)生生為最小。因因此，不僅初初期支護，二二次襯砌都要要薄些。（6）允許甚至希希望圍巖出現(xiàn)現(xiàn)一定的變形形，以減少為為完成支護作作用所需的防防護措施。這這些防護措施施包括襯砌，，必要時要修修仰拱以及直直接深入到不不穩(wěn)定巖層內(nèi)內(nèi)部的錨固系系統(tǒng)，或其他他結(jié)構(gòu)構(gòu)件。。14（7）要制定一個個詳細周密的的量測計劃。?？刂谱冃闻c與應(yīng)力，確定定所建立的支支護阻力是否否和圍巖類型型相適應(yīng)以及及還需要什么么樣的加強措措施。（8）支護結(jié)構(gòu)的的施工順序與與正確的掌握握圍巖的時間間效應(yīng)很有關(guān)關(guān)系。因此，，施工要嚴格格按著預(yù)定的的施工程序施施工。從當(dāng)前地下工工程設(shè)計現(xiàn)狀狀來看，多數(shù)數(shù)情況是依靠靠類比設(shè)計的的，甚至有的的提出“在隧道力學(xué)中中不可能進行行計算，只能能給以必要的的假設(shè)”，并指出“首先是提出一一個大致簡化化的力學(xué)模型型，然后根據(jù)據(jù)某些經(jīng)驗和和工程師的直直觀來判斷”。米勒更絕對對地指出“通過大量的虛虛擬的計算，，說明我們的的無知，這些些雖然能夠使使發(fā)包者得到到安慰，也只只是自欺欺人人”。這些說法雖雖然有些絕對對，但也說明明計算的局限限性。15四、標準設(shè)設(shè)計在一般的圍巖巖條件下的預(yù)預(yù)設(shè)計中，有有標準支護模模式時，原則則上都要采用用標準設(shè)計。。這也是當(dāng)前前隧道設(shè)計方方法的主流。。標準設(shè)計適合合于圍巖條件件(地形、地質(zhì)、、埋深)和斷面積、斷斷面形狀、周周邊環(huán)境的影影響等條件均均屬一般的情情況。標準設(shè)設(shè)計流程如圖圖1所示。采用標準設(shè)計計時，根據(jù)施施工中掌子面面觀察和量測測結(jié)果進行設(shè)設(shè)計修正是很很重要的。位位移量有問題題的情況，或或在城市的土土砂圍巖及接接近結(jié)構(gòu)物施施工對地表面面下沉有限制制等情況，與與解析方法同同時應(yīng)用也是是必要的。16采用標準設(shè)計計時，要確實實地進行圍巖巖分級，充分分考慮應(yīng)用條條件。標準支支護模式的主主要支護構(gòu)件件是噴混凝土土、錨桿、鋼鋼支撐等，同同時要考慮開開挖、仰拱、、二次襯砌等等。在附近有有類似條件的的工程時，也也應(yīng)參考。2、標準設(shè)計計的標準支護護模式為了提高設(shè)計計效率和質(zhì)量量，提高隧道道設(shè)計的標準準化程度是非非常重要的。。這也是目前前許多國家大大力提倡的。。標準設(shè)計的的中心內(nèi)容是是支護模式的的標準化。下下面列舉我國國及國外的一一些標準設(shè)計計的概況。（1）我國鐵路隧隧道的標準設(shè)設(shè)計單線鐵路隧道道標準支護參參數(shù)列于表3、表4。173、城市條件采采用礦山法修修筑的隧道的的標準設(shè)計最近，日本針針對城市砂質(zhì)質(zhì)土和粘性土土的地質(zhì)條件件和埋深淺的的設(shè)計條件，，編制了城市市采用礦山法法修筑地下鐵鐵道區(qū)間隧道道或鐵路、道道路隧道的設(shè)設(shè)計標準，很很有借鑒意義義。該技術(shù)標標準在決定斷斷面形狀時，，考慮完成后后和施工時的的穩(wěn)定。斷面面形狀視使用用目的，要確確保建筑限界界，同時要考考慮變形富裕裕，盡可能地地采用不產(chǎn)生生應(yīng)力集中的的圓順的隅角角。同時原則則上要設(shè)置仰仰拱，并采用用鋼筋混凝土土結(jié)構(gòu)。因在在山嶺隧道中中開挖斷面形形狀的自由度度比較高，應(yīng)應(yīng)根據(jù)施工中中的量測掌握握實際的圍巖巖動態(tài)，來驗驗證基本設(shè)計計的安全性。。下圖是參考既既有的事例，，考慮各種條條件的斷面形形狀。以下各各表是標準支支護模式。18五、荷載—結(jié)構(gòu)模式解析析方法中的幾幾個問題把隧道支護結(jié)結(jié)構(gòu)在力學(xué)上上和構(gòu)造上作作為拱形結(jié)構(gòu)構(gòu)來處理這個個思想是從地地面結(jié)構(gòu)引申申出來的。是是否合適和合合理到何種程程度要根據(jù)現(xiàn)現(xiàn)在的認識、、經(jīng)驗去判斷斷。把隧道作為拱拱形結(jié)構(gòu)的概概念,就是承認松弛弛土壓的作用用。松弛壓力力不是不可避避免的荷載，，多數(shù)場合是是由于某些作作業(yè)方法所誘誘發(fā)的，因而而都在力圖阻阻止它發(fā)生。。如果這一點點收到成效，，就失去根據(jù)據(jù)松弛壓力決決定尺寸的必必要性。如果施工沒有有滿足下述條條件，隧道結(jié)結(jié)構(gòu)就只能是是個拱,而按拱形結(jié)構(gòu)構(gòu)進行設(shè)計計計算：（1）制止松弛和和由此產(chǎn)生的的松弛壓力；；（2）結(jié)構(gòu)和圍巖巖之間有效的的、長期的緊緊密接觸。191、荷載及荷載載模式在沿用地面結(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方方法進行隧道道結(jié)構(gòu)設(shè)計時時，結(jié)構(gòu)的作作用效應(yīng)基本本上是由荷載載產(chǎn)生的，而而隧道結(jié)構(gòu)的的力學(xué)特性是是：荷載、結(jié)結(jié)構(gòu)、材料三三位一體，沒沒有象地面結(jié)結(jié)構(gòu)那樣明確確的荷載概念念。因此，不不得不假定一一個“虛擬”的荷載，認為為它僅僅與圍圍巖的特性有有關(guān)，而與襯襯砌結(jié)構(gòu)的特特性無關(guān)，即即“松弛荷載”。荷載－結(jié)構(gòu)模模式的發(fā)展,主要表現(xiàn)在“荷載”處理上,它大致經(jīng)歷了了下述三個階階段：（1）主動荷載模模式；（2）主動荷載+被動荷載模式式；（3）實際荷載模模式。20多數(shù)情況都采采取第二種模模式，考慮了了結(jié)構(gòu)和圍巖巖之間的相互互作用，局部部地體現(xiàn)了隧隧道作為地下下結(jié)構(gòu)的受力力特點。為保保證圍巖約束束抗力的存在在，就必須保保證結(jié)構(gòu)與圍圍巖之間緊密密接觸。第三種模式當(dāng)當(dāng)前正在發(fā)展展，也就是形形變壓力。實實際上它與第第一種模式是是一致的，只只不過荷裁是是實地量測或或計算的。實實測荷載基本本上反映了結(jié)結(jié)構(gòu)與圍巖全全面的相互作作用的特征。。因此,結(jié)構(gòu)力學(xué)方法法同樣也可以以反映結(jié)構(gòu)支支護體系相互互作用的功能能。21a)主動荷載模式式；b)主動荷載＋被被動荷載；；c)實際荷載（形形變荷載）采用第三種模模式時計算中中有二種情況況：（1）結(jié)構(gòu)與圍巖巖牢固接觸的的情況：在接接觸面上不僅僅有徑向荷載載，還有切向向荷載存在，，切向荷載的的存在可以減減小荷載分布布的不均勻程程度，從而大大大減小結(jié)構(gòu)構(gòu)中彎矩。例例如，噴混凝凝土支護就屬屬這種。22（2）結(jié)構(gòu)與圍巖巖松散接觸的的情況：在接接觸面上只能能傳遞徑向荷荷載，一般具具有回填層的的現(xiàn)灌混凝土土襯砌或用盾盾構(gòu)法修筑的的隧道都符合合這種情況。。2、彈性抗力的的處理彈性抗力是相相互作用產(chǎn)生生的被動荷載載，把隧道結(jié)結(jié)構(gòu)視為一個個在荷載作用用下的位于彈彈性地基上的的結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)現(xiàn)行計算方法法的基本出發(fā)發(fā)點。把圍巖巖對結(jié)構(gòu)變形形的約束所產(chǎn)產(chǎn)生的反作用用視為線彈性性的，即σ=Ky（K為彈抗力系數(shù)數(shù)；y為接觸點徑向向位移）。23實際上，在荷荷載作用下地地基的變形是是一個彈塑性性過程，在初初始荷載作用用下，一般地地基向襯砌方方向移動，因因為圍巖在開開挖中會松弛弛或在襯砌回回填中沒有達達到密貼的要要求，而在卸卸載條件下，，圍巖變形只只有一部分復(fù)復(fù)原。因此，，彈性抗力系系數(shù)，不完全全是圍巖的特特征值，它受受到承載面大大小和形狀以以及荷載大小小的影響。彈性抗力系數(shù)數(shù)K，實質(zhì)上與地地基反力系數(shù)數(shù)是一個概念念，因此應(yīng)盡盡可能地采用用原位置試驗驗的地基反力力系數(shù)。在土土砂圍巖的情情況，可采用用下式確定：：式中：Kn：法線方向的的地基反力系系數(shù)（N/cm3）；Eo：孔內(nèi)水平加加載的變形系系數(shù)（N/cm2）；Do：襯砌外徑（（cm）；δ：襯砌的變形形量（cm）。2425彈性抗力與水水平荷載之間間有密切關(guān)系系，在松散地地層中因水平平荷載大，彈彈性抗力很小小，圍巖約束束襯砌變形的的作用不大，，一般計算中中可以忽略彈彈性抗力。但但在巖質(zhì)隧道道中，彈性抗抗力的作用是是非常顯著的的，它能夠充充分體現(xiàn)圍巖巖約束變形的的作用。彈性抗力分布布多數(shù)按徑向向分布，但也也可按水平分分布處理。一一般以彈簧表表示,有全周彈簧模模式和在圍巖巖條件差的情情況采用在隧隧道頂部45o范圍內(nèi)不設(shè)置置彈簧的模式式。計算時彈彈簧出現(xiàn)拉力力的場合應(yīng)取取消彈簧。圖3彈性抗力的分分布圖圖4彈性抗力的彈彈簧設(shè)置3、近接施工的的影響隧道完成后有有接近隧道進進行其他結(jié)構(gòu)構(gòu)物施工的場場合，隧道受受到其影響會會產(chǎn)生位移、、變形。在這這種場合，要要切實掌握對對二次襯砌及及仰拱的影響響，必要時要要考慮近接施施工所產(chǎn)生的的荷載。（1）近接施工的的種類和變形形動態(tài)的特征征26圖5近接施工種類類和變形動態(tài)態(tài)特征隧道上部填土土；隧道上部挖土土；隧道并列；隧道交叉（2）設(shè)計方法近接施工的影影響程度與近近接的程度（（間隔距離））、近接施工工的規(guī)模（荷荷載的大小、、范圍）、圍圍巖條件、襯襯砌構(gòu)造等是是多種多樣的的。為此，影影響程度不能能一概而論。。（3）近接荷載的的計算方法由于圍巖的應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)變化化而出現(xiàn)各種種各樣的現(xiàn)象象，但大體上上可分為圍巖巖應(yīng)力向壓縮縮側(cè)變化（近近接加載）和和向拉伸側(cè)變變化（近接卸卸載）二種情情況。a.近接加載作用在地層上上的荷載向土土中的影響，，隨深度因應(yīng)應(yīng)力分散而減減小。說明荷荷載的作用范范圍是有限的的，一般越深深地層的剛性性相對地變大大。為此，對對二次襯砌及及仰拱的影響響也是逐漸減減小的。27七、結(jié)構(gòu)計計算中的水壓壓力問題從防排水角度度設(shè)計隧道有有兩種類型，，即防水型隧隧道和排水型型隧道。水壓壓力的處理是是一個難題，，特別在巖質(zhì)質(zhì)隧道中。1、對地下水問問題的基本認認識（1）水是循環(huán)的的。因降水、、滲透、蒸發(fā)發(fā)等現(xiàn)象，具具有在大氣圈圈、地表、地地中循環(huán)的性性質(zhì)，并以地地表水、地下下水的系統(tǒng)在在循環(huán)系統(tǒng)中中存在。28（2）地下水是經(jīng)經(jīng)常變動的。。地下水由于于降水、河流流、湖泊等的的補給，當(dāng)超超過其儲存能能力時，就向向河流、涌泉泉等流出。（3）開挖工程是是以排水為前前提的，對水水循環(huán)有一定定影響。在山山嶺隧道中，，通常是一邊邊排水一邊開開挖的，使水水處于動水狀狀態(tài)，可以減減輕作用在襯襯砌上的水壓壓。這是能夠夠修建海底隧隧道的理由之之一。29（4）對地表水、、地下水的影影響。地表層層的滲透能力力非常強，降降水的大部分分向地下滲透透以土壤水儲儲存，其后從從表層到數(shù)米米的土壤層和和風(fēng)化層的蒸蒸發(fā)和樹木根根系的吸收、、蒸發(fā)，并向向深部滲透。。（5）地下水的存存在形態(tài)。隧隧道施工的涌涌水形態(tài)與地地下水的存在在系統(tǒng)關(guān)系密密切，其形態(tài)態(tài)從空隙的角角度看，大體體上可分為層層狀水和脈狀狀水。（6）山地地下水水的流動規(guī)律律。其規(guī)律是是：在賦予地地下水的山地地中，水頭一一般因上部比比下部高(pmu>pmb)，故向向下流流動；；地地下下水在在流出出的河河流部部，則則相反反，因因下部部的水水頭比比上部部高(pru>prb)故是向向上流流動的的；山山側(cè)與與河側(cè)側(cè)及其其中間間部的的水頭頭，是是pmb>phb>prb，故地地下水水是從從賦予予部（（山））向流流出部部（河河流））流動動的。。30（7）地質(zhì)質(zhì)條件件與影影響范范圍·中、古古生層層：埋埋深在在150m以內(nèi)幾幾乎都都受到到影響響，出出現(xiàn)枯枯水現(xiàn)現(xiàn)象，，其范范圍在在埋深深50～100m時是最最大的的，隨隨著埋埋深的的增加加有逐逐漸減減小的的趨勢勢。在在破碎碎質(zhì)圍圍巖中中，影影響范范圍有有的可可達1000～2000m的情況況。·深成巖巖類：：發(fā)生生枯水水現(xiàn)象象大多多在埋埋深200m以內(nèi)，，也有有離開開隧道道1000m的情況況。與與中、、古生生層一一樣，，影響響范圍圍在埋埋深50～100m時最大大(一側(cè)可可達1500m)，埋深深越大大，影影響范范圍減減少。?！ぷ冑|(zhì)巖巖類：：數(shù)據(jù)據(jù)比較較少，，看不不出規(guī)規(guī)律，，但埋埋深在在50m以內(nèi)，，多發(fā)發(fā)生枯枯水現(xiàn)現(xiàn)象。?！せ鹕綆r巖及火火山破破碎巖巖類：：枯水水現(xiàn)象象在埋埋深250～300m時，幾幾乎都都發(fā)生生，范范圍在在埋深深100～200m時最大大。31·砂礫層層：數(shù)數(shù)據(jù)比比較少少，看看不出出規(guī)律律，但但埋深深在50m以內(nèi)，，多發(fā)發(fā)生枯枯水現(xiàn)現(xiàn)象。。·泥巖、、砂巖巖類：：枯水水現(xiàn)象象幾乎乎在埋埋深100m以下、、距隧隧道500m以內(nèi)發(fā)發(fā)生。。埋深深在20m～30m時影響響最大大。·火山泥泥流堆堆積物物：埋埋深越越大其其范圍圍也越越大。。2、山嶺嶺隧道道的水水壓力力問題題（1）既有有的一一些研研究成成果我國水水工建建筑物物荷載載設(shè)計計規(guī)范范規(guī)定定：作作用在在混凝凝土襯襯砌的的外水水壓強強標準準值，，按下下式確確定。。P=ββ·γ·H式中：：P：水壓壓強標標準值值；β：外水水壓力力折減減系數(shù)數(shù)；γ：水的的重度度；H：作用用水頭頭，按按設(shè)計計采用用的地地下水水位線線與隧隧洞中中心線線之間間的高高差確確定。。32表說明明：在在不同同的地地質(zhì)條條件下下，水水壓值值可以以有不不同程程度的的折減減，而而折減減的主主要方方法是是根據(jù)據(jù)開挖挖后暴暴露的的滲漏漏水的的狀況況決定定的。。這實實質(zhì)上上，也也是目目前許許多國國家采采用的的辦法法。因因此，，利用用平導(dǎo)導(dǎo)進行行超前前的地地質(zhì)預(yù)預(yù)報，，根據(jù)據(jù)巖面面的水水的活活動狀狀況，，或透透水試試驗確確定折折減系系數(shù)是是可行行的。。在錨桿桿噴射射混凝凝土支支護技技術(shù)規(guī)規(guī)范也也建議議外水水壓力力可采采用地地下水水位以以下的的水柱柱高乘乘以相相應(yīng)的的折減減系數(shù)數(shù)的方方法估估算。。33鐵路隧隧道的的一些些研究究指出出：一般說說，隧隧道地地區(qū)地地下水水分為為2種類型型，即即淺層層風(fēng)化化裂隙隙水和和下部部構(gòu)造造裂隙隙水。。前者者主要要循環(huán)環(huán)在40~50m以上深深度范范圍內(nèi)內(nèi)，水水交替替作用用強烈烈，后后者大大多數(shù)數(shù)循環(huán)環(huán)在500m以上的的深度度范圍圍內(nèi)，，水交交替作作用緩緩慢。。深埋埋隧道道的涌涌水則則大部部分來來自自自身所所在的的含水水介質(zhì)質(zhì)的儲儲存量量（即即下部部構(gòu)造造裂隙隙水））。實實踐證證實，，在這這種情情況下下，隧隧道開開挖后后對地地下水水活動動影響響的范范圍僅僅局限限于一一定的的范圍圍，而而不是是整個個地下下水都都對隧隧道發(fā)發(fā)生作作用，，實質(zhì)質(zhì)上是是深層層循環(huán)環(huán)水在在起作作用。。這個個結(jié)論論說明明：為為什么么那么么多的的山嶺嶺隧道道，都都沒有有考慮慮水壓壓的作作用，，或僅僅僅考考慮可可以接接受的的水壓壓值，，即對對水壓壓值可可以進進行折折減，，而且且折減減系數(shù)數(shù)隨著著埋深深的增增加（（意味味著滲滲透系系數(shù)的的減小小）也也隨之之減小小。34一般說說，在在地質(zhì)質(zhì)判斷斷中，，當(dāng)滲滲透系系數(shù)小小于10-6~10-7cm/s時，就就可認認為是是不透透水的的圍巖巖。也也就是是說，，當(dāng)隧隧道所所處的的圍巖巖介質(zhì)質(zhì)的滲滲透系系數(shù)小小于此此值時時，折折減系系數(shù)就就可以以考慮慮采用用0，即不不考慮慮水壓壓的作作用。。同時時滲透透系數(shù)數(shù)有一一個規(guī)規(guī)律，，就是是隨著著埋深深的增增加而而減小小。例例如秦秦嶺隧隧道一一些試試驗結(jié)結(jié)果，，就說說明了了這一一點。。35表3滲透系系數(shù)與與埋深深的測測試關(guān)關(guān)系深度滲透系數(shù)（m/d）H=80.32m0.0049（0.014×10-3cm/s）H=360.00m0.00199（5.71×10-6cm/s）H=415.75m0.00096（2.77×10-6cm/s）（2）孔隙隙水壓壓的計計算問問題基本觀觀點：：日本青青函海海底隧隧道是是采用用全斷斷面圍圍巖壓壓注的的一個個典型型的隧隧道，，認為為作用用在隧隧道襯襯砌上上的水水壓值值與圍圍巖的的滲透透系數(shù)數(shù)有直直接的的關(guān)系系。圖a)表示顆顆粒狀狀空隙隙中壓壓注材材料沒沒有完完全充充填，，但已已固化化的狀狀況，，水只只在顆顆粒和和壓注注材料料間的的間隙隙中流流動。。圖c)表示壓壓注材材料充充填圍圍巖中中裂隙隙的狀狀況，，水也也是只只在殘殘留的的裂隙隙中流流動。。36圖6壓注圍巖的的滲透模式式在這樣的圍圍巖中，對對充填率和和透水系數(shù)數(shù)做了如下下假定：·壓注帶內(nèi)水水只在間隙隙中流動；；·顆粒、巖石石、固化的的壓注材料料不透水；；·壓注液容量量Vt與壓注材料料的固化容容量Vg之比：(Vg/Vt)=β，取β≤1。將圖a)、c)的復(fù)雜模式式簡化為圖圖b)、d)模式，即將將圍巖中的的壓注材料料的容量置置換為等效效的粒子，，或置換為為等效的巖巖石部分，，這樣就可可以只考慮慮壓注后僅僅僅是空隙隙率的變化化。假定圍巖的的初始空隙隙率為λi，壓注后的的空隙率為為λsg，則有：λi=1-Vs/V；λsg=1-（Vs+Vg）/V式中V：對象圍巖巖的容量；；Vs、Vg：分別是土土和巖石的的固體容量量及壓注材材料的固體體容量。37其次，壓注注材料的填填充率：α=Vg/V×100%=βVi/V×100%α=Vg/V×100%=(λi-λsg)式中Vi：漿液的容容量；β：壓注漿液液的固化率率，β≦1。透水系數(shù)比比k'/k：k'/k=f(λsg/λi)=f(λi-α)/f(λi)如果知道壓壓注后的空空隙率λsg，就可以求求出壓注后后的透水系系數(shù)k。當(dāng)α=λ時，也就是是說空隙完完全被漿液液所填充，，則k'/k趨近于0；當(dāng)α=0時，也就是是說漿液完完全沒有填填充，k'/k趨近于1。38作為參考，，將一些研研究成果示示于圖，可可以看出：：填充率越越接近λ值，k'/k則急劇減小小。根據(jù)試試驗結(jié)果，，壓注材料料的最終飽飽和率一般般在0.8~0.9左右，k'/k可減小到10-2~10-3左右，這是是可能的。。青函隧道道的壓注帶帶內(nèi)的k'/k和α的測定值的的比較示于于圖。39圖7滲透系數(shù)比比和充填率率的理論和和試驗關(guān)系系圖8充填率和滲滲透系數(shù)比比的關(guān)系采用的方法法：[例]：在海底隧隧道中，為為了減少襯襯砌背后的的水壓，應(yīng)應(yīng)容許水的的流入，但但從減小揚揚水費用出出發(fā)，應(yīng)向向隧道周邊邊圍巖進行行壓注來減減小透水系系數(shù)，控制制水的流入入量。設(shè)定定壓注范圍圍并減小透透水系數(shù)后后，必然地地在壓注范范圍外周有有較高的水水壓作用，，在其內(nèi)部部，則出現(xiàn)現(xiàn)水壓急劇劇降低的水水壓分布。。下圖是巖巖層壓注模模式，在外外周承受水水壓，而襯襯砌則承受受開挖引起起的地壓。。40圖9解析模式式為使問題題簡化，，視圍巖巖為均質(zhì)質(zhì)、各向向同性的的彈塑性性體，其其中作用用的初始始應(yīng)力視視為靜水水壓力狀狀態(tài)，因因為孔隙隙水的流流動很緩緩慢，故故達西(Darcy)定律也成成立。其次，隧隧道(半徑a)周圍有半半徑為b的注漿區(qū)區(qū)域，其其外圍作作用由有有效應(yīng)力力p*和孔隙水水壓uwb之和形成成的壓力力p0，一般與與圍巖的的初始應(yīng)應(yīng)力不同同。在注注漿區(qū)域域很大的的情況中中，可近近似地令令其相等等。此外外，如圖圖所示的的注漿區(qū)區(qū)域，假假定是由由松弛區(qū)區(qū)域(r≤ρ)和彈性區(qū)區(qū)域(r>ρ)構(gòu)成的。。在分析中中，考慮慮圍巖內(nèi)內(nèi)的孔隙隙水和固固體部分分的相互互作用，，但孔隙隙水的活活動如認認為與固固體部分分中變形形動態(tài)無無關(guān)，則則可單獨獨進行圍圍巖內(nèi)的的滲透水水的分析析。413、城市隧隧道的水水壓力問問題在城市修修筑隧道道工程，，如地下下鐵道、、城市道道路隧道道等，地地下水的的問題是是一個難難題。它它對周邊邊環(huán)境的的影響是是不容忽忽視的。。在外部環(huán)環(huán)境保護護中，地地下水變變動是的的隧道施施工中的的共同的的環(huán)境因因素。在在地層中中，視深深度和地地質(zhì)條件件，土壓壓、水壓壓是處于于平衡狀狀態(tài)的，，但修建建隧道結(jié)結(jié)構(gòu)物后后，這種種平衡被被破壞，，使地層層、地下下水環(huán)境境發(fā)生變變化。下下圖是關(guān)關(guān)于隨涌涌水的地地下水變變動和地地層變異異的機理理概念圖圖。據(jù)此此，隧道道開挖會會產(chǎn)生地地下水位位降低和和地層的的壓密下下沉，也也會造成成地下水水的流場場變化和和地下水水的變動動。下表表列出隧隧道開挖挖可能引引起的地地下水變變動和地地層變異異的現(xiàn)象象和原因因。4243表4地下水變變動和地地層變異異的現(xiàn)象象和原因因現(xiàn)象主要影響主要原因地下水變動地下水位（水壓）降低井枯竭、井的水量減少、鹽水化、缺氧空氣發(fā)生、植被生態(tài)系變化施工時的抽水、漏水、運用中的漏水地下水位（水壓）上升濕地化、水田濕田化、結(jié)構(gòu)物上浮、植被生態(tài)系變化結(jié)構(gòu)物的存在、施工時的復(fù)水地下水流動方向變化流況變化同上漏水與地下水位降低相同結(jié)構(gòu)物和遮水不足地層變異地層壓密下沉道路·結(jié)構(gòu)物下沉、配管類的功能障礙地下水位（水壓）降低地面下沉同上、動的地層特性變化漏水、施工中·施工后的結(jié)構(gòu)物位移開挖時的側(cè)方位移同上同上日本在“城市礦山山隧道設(shè)設(shè)計標準準”中對水壓壓處理規(guī)規(guī)定如下下：（1）在地下下水位以以下的防防水型隧隧道的二二次襯砌砌及仰拱拱的設(shè)計計應(yīng)考慮慮水壓力力。（2）設(shè)設(shè)計計中中考考慮慮的的水水壓壓力力原原則則上上是是孔孔隙隙水水壓壓。。考考慮慮到到實實際際上上確確實實地地掌掌握握水水壓壓是是有有困困難難的的，，因因此此，，要要在在實實測測中中假假定定地地下下水水位位進進行行水水壓壓的的計計算算。。（3）水水壓壓一一般般按按恢恢復(fù)復(fù)后后的的水水位位進進行行計計算算。。一一般般說說，，恢恢復(fù)復(fù)后后的的水水位位較較原原水水位位低低些些，，但但也也有有高高的的情情況況，，應(yīng)應(yīng)進進行行分分析析研研究究。。（4）一一般般說說，，在在使使用用極極限限狀狀態(tài)態(tài)的的研研究究中中，，水水位位最最好好采采用用高高水水位位（（豐豐水水期期的的水水位位））或或采采用用低低水水位位（（枯枯水水期期的的水水位位））。。但但在在以以下下的的地地形形、、地地下下水水條條件件下下，，使使用用期期間間預(yù)預(yù)計計有有可可能能出出現(xiàn)現(xiàn)顯顯著著變變動動的的場場合合，，應(yīng)應(yīng)假假定定異異常常時時的的水水位位進進行行最最終終極極限限狀狀態(tài)態(tài)的的研研究究。。44·類似似谷谷地地形形，，地地下下水水和和地地表表水水易易于于暫暫時時集集中中的的場場合合；；·類似似扇扇狀狀地地形形存存在在豐豐富富的的地地下下水水，，隧隧道道兩兩側(cè)側(cè)出出現(xiàn)現(xiàn)顯顯著著的的不不均均衡衡水水壓壓的的場場合合。。（5）在在水水位位經(jīng)經(jīng)常常發(fā)發(fā)生生變變動動的的情情況況，，使使用用極極限限狀狀態(tài)態(tài)研研究究時時，，設(shè)設(shè)計計中中最最好好考考慮慮水水位位的的變變動動。。（6）在在設(shè)設(shè)定定水水壓壓時時，，還還要要注注意意以以下下幾幾點點：：·地下下水水位位不不僅僅與與季季節(jié)節(jié)的的降降雨雨量量的的變變化化有有關(guān)關(guān)，，也也會會因因近近接接施施工工引引起起的的環(huán)環(huán)境境變變化化有有關(guān)關(guān)；；·因?qū)Φ氐叵孪滤畵P揚水水的的限限制制，，地地下下水水位位也也有有逐逐年年上上升升情情況況；；·因近接施施工使垂垂直荷載載作用在在襯砌上上的場合合，設(shè)定定高水位位不一定定是偏于于安全的的設(shè)計，，因此，，應(yīng)進行行高水位位和低水水位的研研究；45·谷形地和和扇狀地地形等把把地下水水遮斷的的場合，，會產(chǎn)生生偏水壓壓，此時時即使水水位低，，也會出出現(xiàn)彎矩矩作用，，因此要要按偏水水壓進行行設(shè)計。。（7）設(shè)計時時，下圖圖所示，，在襯砌砌的各位位置，水水壓都按按作用在在襯砌圖圖心的半半徑方向向進行計計算。46圖14水壓分布布八、極極限狀態(tài)態(tài)設(shè)計方方法目前許多多國家在在隧道設(shè)設(shè)計中都都開始從從過去的的容許應(yīng)應(yīng)力法轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)椴刹捎脴O限限狀態(tài)設(shè)設(shè)計方法法。1、日本采采用的極極限狀態(tài)態(tài)設(shè)計方方法（1）極限狀狀態(tài)的定定義采用極限限狀態(tài)設(shè)設(shè)計方法法首先要要設(shè)定其其極限狀狀態(tài)。隧隧道襯砌砌是以軸軸力為主主的并承承受地層層反力的的拱形結(jié)結(jié)構(gòu)物，，即使產(chǎn)產(chǎn)生彎曲曲開裂和和鋼筋屈屈服而使使構(gòu)件剛剛性降低低，彎矩矩也會向向剛性沒沒有降低低的周圍圍構(gòu)件分分配，一一個構(gòu)件件破壞不不會立即即造成整整個結(jié)構(gòu)構(gòu)物的破破壞。荷荷載P在一處發(fā)發(fā)生彎曲曲開裂（（A點），鋼鋼筋屈服服（B點），接接著即使使達到混混凝土的的壓縮極極限應(yīng)變變（C點），作作為結(jié)構(gòu)構(gòu)仍然多多會保持持穩(wěn)定的的狀態(tài)，，到最大大荷載（（D點）前，，位移、、承載力力仍然有有足夠的的富裕。。47按下表定定義襯砌砌的極限限狀態(tài)，，其對應(yīng)應(yīng)的現(xiàn)象象列于下下圖。48圖1荷載與位位移的關(guān)關(guān)系表1二次襯砌砌和仰拱拱的極限限狀態(tài)名稱定義使用極限狀態(tài)對水壓、近接施工產(chǎn)生的荷載等，主要是長期持續(xù)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)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)容許開裂裂寬度達達到圖中中的b點定義為為使用極極限狀態(tài)態(tài)，但仰仰拱可以以緩和一一些。最最終極限限狀態(tài)用用鋼筋屈屈服定義義，圖中中的c點，但襯襯砌是被被圍巖包包圍的拱拱形結(jié)構(gòu)構(gòu)，襯砌砌一處即即使達到到最終狀狀態(tài)，也也不會造造成結(jié)構(gòu)構(gòu)的破壞壞，因此此，可采采用混凝凝土壓縮縮極限應(yīng)應(yīng)變，圖圖中的d點定義。。49圖2極限狀態(tài)態(tài)和和現(xiàn)現(xiàn)象鐵路隧道道的使用用極限狀狀態(tài)主要要指：襯襯砌掉塊塊，妨礙礙運行；；發(fā)生對對列車運運行安全全性有影影響的軌軌道變異異；產(chǎn)生生妨礙建建筑限界界的變形形。最終極限限狀態(tài)指指：襯砌砌斷面破破壞，混混凝土塊塊體崩落落；隧道道結(jié)構(gòu)體體系喪失失穩(wěn)定性性而崩塌塌；產(chǎn)生生需要改改建隧道道的軌道道變異；；凈空斷斷面縮小小，與列列車接觸觸。50表2各極限狀狀態(tài)和現(xiàn)現(xiàn)象名稱現(xiàn)象備注使用極限狀態(tài)二次襯砌開裂造成鋼筋腐蝕和襯砌掉塊以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為對象仰拱拉伸鋼筋屈服、耐久性降低最終極限狀態(tài)達到極限狀態(tài)（混凝土壓縮應(yīng)變達到最終應(yīng)變(0.0035)，斷面產(chǎn)生破壞，發(fā)生混凝土塊掉落（2）荷載作用在隧隧道上的的主要荷荷載，一一般除自自重外，，有地下下水位恢恢復(fù)后的的水壓、、接近施施工影響響產(chǎn)生的的荷載以以及地震震荷載等等。一般般在城市市條件下下采用礦礦山法修修建的隧隧道，土土壓原則則上由初初期支護護完成承承受，二二次襯砌砌可不考考慮土壓壓的作用用。但二二次襯砌砌要考慮慮水位恢恢復(fù)后的的水壓作作用。（3）二次襯砌和和仰拱的安全全系數(shù)二次襯砌和仰仰拱的設(shè)計安安全系數(shù)采用用各種分項系系數(shù)表示。這這些系數(shù)包括括荷載系數(shù)、、結(jié)構(gòu)解析系系數(shù)、材料系系數(shù)、構(gòu)件系系數(shù)、結(jié)構(gòu)物物系數(shù)、地層層調(diào)查系數(shù)等等。512、我國單線鐵鐵路隧道的可可靠性設(shè)計方方法我國單線鐵路路隧道采用了了以概率為基基礎(chǔ)的，以分分項系數(shù)表達達的極限狀態(tài)態(tài)的可靠度設(shè)設(shè)計方法。工程結(jié)構(gòu)可靠靠度是指結(jié)構(gòu)構(gòu)在規(guī)定的時時間、規(guī)定的的條件下，完完成其預(yù)定功功能的概率。?！耙?guī)定的時間”一般是指設(shè)計計中根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)的有效使用用期所規(guī)定的的時間，稱為為設(shè)計基準期期；“規(guī)定的條件”是指結(jié)構(gòu)在正正常施工、運運營維護環(huán)境境下承擔(dān)外力力和變形應(yīng)能能滿足的條件件；“預(yù)定功能”包括結(jié)構(gòu)安全全性、結(jié)構(gòu)耐耐久性和結(jié)構(gòu)構(gòu)適用性的要要求。鐵路隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)的重要性和和復(fù)雜程度劃劃分為三個安安全等級，設(shè)設(shè)計采用的目目標可靠指標標βnom值按結(jié)構(gòu)不同同安全等級取取值。52結(jié)構(gòu)設(shè)計基準準期，是指工工程結(jié)構(gòu)均在在正常維護和和使用條件下下能滿足一定定可靠的時間間，考慮鐵路路隧道結(jié)構(gòu)實實際的使用壽壽命當(dāng)于100年，因此設(shè)計計基準期規(guī)定定為100年。（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)應(yīng)按兩種極限限狀態(tài)設(shè)計承載能力極限限狀態(tài)：當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件達達到最大承載載能力或不適適于繼續(xù)承載載的變形的下下列狀態(tài)之一一時，應(yīng)認為為超過了承載載能力極限狀狀態(tài)：·整個結(jié)構(gòu)或結(jié)結(jié)構(gòu)的一部分分作為剛體失失去平衡；·結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連連接因超過材材料破壞而破破壞；·結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定定。正常使用極限限狀態(tài)：當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件達到正正常使用或耐耐久性的某項項規(guī)定限值的的下列狀態(tài)之之一時，應(yīng)認認為超過了正正常使用極限限狀態(tài)。53·影響正常使用用或外觀的變變形；·影響正常使用用或耐久性能能的局部損壞壞(包括裂縫)·影響正常使用用的其他特定定狀態(tài)。（2）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計時，應(yīng)根根據(jù)在施工和和使用中的環(huán)環(huán)境條件和影影響分為三種種設(shè)計狀況：：(a)持久狀況：在在結(jié)構(gòu)使用過過程中一定出出現(xiàn)且持續(xù)期期很長的狀況況，持續(xù)期一一般與使用期期為同一數(shù)量量級；(b)短暫狀況：在在結(jié)構(gòu)施工和和使用過程中中出現(xiàn)概率較較大，而持續(xù)續(xù)期較短的狀狀況；(c)偶然狀況：在在結(jié)構(gòu)使用過過程中出現(xiàn)概概率很小，且且持續(xù)期很短短的狀況。結(jié)構(gòu)均應(yīng)對三三種狀況進行行承載能力極極限狀態(tài)設(shè)計計；對持久狀狀況和短暫狀狀況根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)需要按正常常使用極限狀狀態(tài)設(shè)計。54（3）對偶然狀況況，承載能力力狀態(tài)設(shè)計，，按下列原則則：(a)按作用效應(yīng)的的偶然組合進進行設(shè)計或采采取防護措施施，使主要承承重結(jié)構(gòu)不致致因偶然事件件而喪失承載載能力。(b)允許主要承重重結(jié)構(gòu)因偶然然事件而局部部破壞，但結(jié)結(jié)構(gòu)的其余部部分仍應(yīng)具有有在一段時間間內(nèi)不發(fā)生繼繼發(fā)性破壞的的可靠度。（4）正常使用極極限狀態(tài)計算算結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)分分別按荷載作作用的短期效效應(yīng)組合、長長期效應(yīng)組合合、短期效應(yīng)應(yīng)組合并考慮慮長期效應(yīng)組組合的影響進進行驗算，并并應(yīng)保證變形形、裂縫、應(yīng)應(yīng)力等計算值值不超過相應(yīng)應(yīng)的規(guī)定限值值。結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計計時，應(yīng)根據(jù)據(jù)使用要求選選用不同的裂裂縫控制等級級，裂縫控制制等級的劃分分應(yīng)符合下列列規(guī)定：一級：嚴格要求不出出現(xiàn)裂縫的構(gòu)構(gòu)件，按荷載載短期效應(yīng)組組合進行計算算時，構(gòu)件受受拉邊緣混凝凝土不應(yīng)產(chǎn)生生開裂。55二級：一般要要求不出現(xiàn)裂裂縫的構(gòu)件，，按荷載長期期效應(yīng)組合進進行計算時，，構(gòu)件受拉邊邊緣混凝土不不應(yīng)產(chǎn)生開裂裂，而按荷載載短期效應(yīng)組組合進行計算算時，構(gòu)件受受拉邊緣混凝凝土允許產(chǎn)生生拉應(yīng)力，但但拉應(yīng)力不應(yīng)應(yīng)超過設(shè)計值值。三級：容許出出現(xiàn)裂縫的構(gòu)構(gòu)件，最大裂裂縫寬度按荷荷載的短期效效應(yīng)組合并考考慮長期效應(yīng)應(yīng)影響進行計計算，其計算算值不應(yīng)超過過允許值。56表7裂縫控制等級級及最大裂縫縫寬度允許值值(mm)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件類別其他結(jié)構(gòu)

明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)燃牽引隧道電力牽引隧道—般構(gòu)件

二級0.4(0.3)

三級0.25(0.2)

二級

一級

仰拱

三級0.2(0.2)

二級

二級

一級

邊墻

三級0.25(0.2)

二級

二級

一級

拱圈

二級

二級

一級

一級注：1、括號內(nèi)數(shù)值值為有侵蝕性性的允許值；；2、大跨度及特特殊結(jié)構(gòu)的要要求視具體情情況另行規(guī)定定；3、對特殊地質(zhì)質(zhì)條件下的結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)作相應(yīng)應(yīng)調(diào)整。（5）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計應(yīng)采用下下列兩種極限限狀態(tài)。承載能力極限限狀態(tài)：包括括結(jié)構(gòu)強度極極限狀態(tài)；結(jié)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定定及構(gòu)件局部部穩(wěn)定極限狀狀態(tài)。設(shè)計表表達式為：式中γ0—結(jié)構(gòu)重要性系系數(shù)；γd—計算模式不定定性或其他分分項系數(shù)中未未考慮的因素素引起的分項項系數(shù)；S(·)—作用效應(yīng)函數(shù)數(shù)；Fd—作用設(shè)計值；；αd—幾何參數(shù)設(shè)計計值；R（·）—抗力函數(shù)；fd—材料性能設(shè)計計值。各設(shè)計值由相相應(yīng)的標準值值配合適當(dāng)?shù)牡姆猪椣禂?shù)表表達之。對鐵路隧道襯襯砌抗壓承載載能力，實用用設(shè)計式為：：57式中：NK—軸力標準值(MN)，由各種作用用標準值計算算得到；γsc—混凝土襯砌構(gòu)構(gòu)件抗壓檢算算時作用效應(yīng)應(yīng)分項系數(shù)；；γk—混凝土襯砌抗抗壓檢算時抗抗力分項系數(shù)數(shù)；φ—構(gòu)件縱向彎曲曲系數(shù)；應(yīng)根根據(jù)其長細比比選用；fck—混凝土軸心抗抗壓強度標準準值(MPa)；按規(guī)范值選選用；b——截面寬變（m）；h—截面高度（m）；α—軸向力偏心影影響系數(shù)。正常使用極限限狀態(tài)：結(jié)均均達到變形或或裂縫限值的的狀態(tài)。設(shè)計計表達式為:58式中：δ(·)—約束值的函數(shù)數(shù)；[C]—結(jié)構(gòu)極限約束束值；Cd—幾何參數(shù)設(shè)計計值。對襯砌抗裂檢檢算用的實用用式為：式中：NK—軸力標準值（（MN）；γst—混凝土襯砌構(gòu)構(gòu)件抗裂檢算算時作用效應(yīng)應(yīng)分項系數(shù)；；γRT—混凝土襯砌抗抗裂檢算時抗抗力分項系數(shù)數(shù)；eo—檢算截面偏心心距(m)，與軸力標準準值Nk同時求出；fctk—混凝土軸心抗抗拉強度標準準值(MPa)，規(guī)范選用。。求出γSC、γRC、γSt、γRt四個分項系數(shù)數(shù)，此二設(shè)計計式就可使用用，按下表取取值。59結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根根據(jù)承載能力力極限狀態(tài)及及正常使用極極限狀態(tài)的要要求，分別按按下列規(guī)定進進行計算和驗驗算：（a）承載力及穩(wěn)穩(wěn)定：所有結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件均應(yīng)應(yīng)進行承載力力(包括壓屈失穩(wěn)穩(wěn))計算；在必要要時尚應(yīng)進行行結(jié)構(gòu)的傾復(fù)復(fù)和滑移驗算算；處于地震震區(qū)的結(jié)構(gòu)，，尚應(yīng)進行結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震震的承載力計計算。（b）變形：對使使用上需控制制變形值的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)應(yīng)進行變形驗驗算。（c）抗裂及裂縫縫寬度：對使使用上要求不不出現(xiàn)裂縫的的構(gòu)件，應(yīng)進進行混凝土拉拉應(yīng)力驗算；；對使用上允允許出現(xiàn)裂縫縫的構(gòu)件，應(yīng)應(yīng)進行裂縫寬寬度驗算；對對疊合式受彎彎構(gòu)件，尚應(yīng)應(yīng)進行鋼筋拉拉應(yīng)力驗算。。60九、特征曲曲線法1、概述1978年在法國巴黎黎,由法國隧協(xié)召召開了一次專專門討論應(yīng)用用“收斂－約約束”法，即即特征曲線法法計算隧道支支護體系的學(xué)學(xué)術(shù)會議。這這個方法的應(yīng)應(yīng)用不僅引進進了圍巖力學(xué)學(xué)的基本成果果，也改變了了過去一直沿沿用的傳統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)力學(xué)的的計算模式。。特征曲線法的的基本原理是是利用圍巖特特征曲線和支支護結(jié)構(gòu)特征征曲線交會的的辦法來決定定支護體系的的最佳平衡條條件。顯然，圖1中曲線是下述述解析方程的的圖解表達：：u∞=uo+up式中：：u∞—架設(shè)支支護結(jié)結(jié)構(gòu)經(jīng)經(jīng)過長長時間間后達達到平平衡時時的位位移;uo—支護結(jié)結(jié)構(gòu)參參與工工作前前坑道道周邊邊的初初始位位移；；up—支護結(jié)結(jié)構(gòu)在在平衡衡壓力力p作用下下的位位移。。61方法的的關(guān)鍵鍵是合合理地地確定定這兩兩條曲曲線的的基本本性質(zhì)質(zhì)及其其隨一一些因因素的的變化化以及及由兩兩者相相互作作用所所決定定的最最佳平平衡條條件。。概念念是明明確的的，其其內(nèi)在在含意意是廣廣泛的的。以以圍巖巖特征征曲線線為例例，其其形態(tài)態(tài)不僅僅受到到圍巖巖性質(zhì)質(zhì)、圍圍巖構(gòu)構(gòu)造的的影響響,還受到到施工工技術(shù)術(shù)等的的影響響，其其形態(tài)態(tài)可能能是各各式各各樣的的（圖圖2），曲曲線1代表彈彈性圍圍巖，，曲線線2代表彈彈塑性性圍巖巖，曲曲線3代表彈彈塑－－剛塑塑性圍圍巖。。62圖1特征曲曲線法法的圖圖解概概念圖圖2圍巖特特征曲曲線示示例圖圖3噴錨的的特征征曲線線支護結(jié)結(jié)構(gòu)的的特征征曲線線也一一樣，，視其其材科科、構(gòu)構(gòu)造也也有不不同的的形態(tài)態(tài)。如如噴混混凝土土支護護和錨錨桿的的特征征曲線線就很很不相相同（（圖3)。2、圍巖巖的破破壞準準則或或塑性性判據(jù)據(jù)圍巖的的破壞壞準則則是由由其本本構(gòu)方方程決決定的的，在在通常常情況況下都都采用用摩爾爾一庫庫倫破破壞準準則。。在一一些著著作中中，也也有采采用三三軸試試驗的的統(tǒng)計計方程程的。。3、圍巖巖特征征曲線線的類類型及及其表表達式式前面的的分析析中是是假定定圍巖巖進入入塑性性狀態(tài)態(tài)后，，圍巖巖性質(zhì)質(zhì)是不不發(fā)生生變化化的，，即按按圖4中a曲線計計算，，顯然然，這這個假假定是是不完完全符符合實實際的的。在在當(dāng)前前的計計算中中，多多數(shù)假假定圍圍巖進進入塑塑性狀狀態(tài)后后，性性質(zhì)立立即變變化到到可能能的極極值，，如圖圖4中b曲線所所示。。實際際上，，巖性性的惡惡化如如圖4中c曲線所所示，，是逐逐步發(fā)發(fā)生的的。63十、初初期支支護的的力學(xué)學(xué)評價價1、概述述支護結(jié)結(jié)構(gòu)的的力學(xué)學(xué)特性性是比比較復(fù)復(fù)雜的的,因為它它不僅僅僅決決定于于支護護結(jié)構(gòu)構(gòu)本身身的構(gòu)構(gòu)造,而且與與周圍圍巖體體的接接觸條條件以以及在在施工工中出出現(xiàn)的的各種種變異異有關(guān)關(guān)。因因此,目前在在評價價支護護結(jié)構(gòu)構(gòu)力學(xué)學(xué)特性性時,原則上上都假假定其其他條條件是是相同同的、、不變變的（（如緊緊密接接觸、、壓力力分布布均勻勻、徑徑向分分布等等）,只研究究支護護結(jié)構(gòu)構(gòu)因結(jié)結(jié)構(gòu)不不同而而產(chǎn)生生的力力學(xué)效效應(yīng)。。在一般般情況況下,支護結(jié)結(jié)構(gòu)的的力學(xué)學(xué)特性性可表表達為為(10-1)式中：：K—支護結(jié)結(jié)構(gòu)剛剛度。。64支護抗抗力p與其位位移u的比值值謂之之剛度度，即即(10-2)剛度的的倒數(shù)數(shù)謂之之柔性性?？煽砂迅鞲鞣N支支護結(jié)結(jié)構(gòu)的的力學(xué)學(xué)特性性用所所謂的的支護護結(jié)構(gòu)構(gòu)特征征曲線線來表表示。。支護特特征曲曲線，，是指指作用用在支支護上上的荷荷載與與支護護變形形的關(guān)關(guān)系曲曲線，，這和和支護護與圍圍巖的的接觸觸狀態(tài)態(tài)有關(guān)關(guān)。例如鋼鋼支撐撐本身身抵抗抗變形形能力力很大大，但但當(dāng)支支撐上上設(shè)有有墊塊塊時,其對巖巖體變變形的的約束束則可可能主主要決決定于于墊塊塊。支護結(jié)結(jié)構(gòu)的的位移移up，多數(shù)數(shù)情況況下可可表達達為：：(10-3)式中：：u1p—支護結(jié)結(jié)構(gòu)與與巖體體間的的空隙隙等閉閉合；；u2p—決定于于支護護結(jié)構(gòu)構(gòu)剛度度的位位移。。65從現(xiàn)有有的資資料看看，目目前滿滿足結(jié)結(jié)構(gòu)物物功能能要求求的混混凝土土的耐耐久性性可能能只有有60年左右右。噴噴混凝凝土就就更低低些，，只能