隧道设计方面

隧道工程所处的环境条件与地面工程是全然不同的。是处在各种地质环境中的地下结构物，必将受到周围地质环境的强烈影响。地质环境包括：地质体的形成及其经历；初始地应力场（包括构造应力场在内）；各种地质体的物理、力学、构造和时间特性及其分类等等。 科学认识地质环境对地下结构体系的一项是正确进行结构设计和施工的前提。

2、结构体系及其形成

设计的基本目的是在各类地质体中修正为各种目的服务的、长期稳定的洞室结构体系。从结构角度看，这个结构体系是由周围地质体和各种支护结构构成，即：洞室结构体系=周围地质体+支护结构

它的形成则是通过一定的施工过程或者说是一定的力学过程来实现的。这个过程大体上可作如下表达：

开挖 支护 时间

原始围岩――→毛 洞―――→ 支护体系――→稳定洞室 与之相适应的力学过程如下所示：

开挖 支护 时间

初始应力状态坑道→挖后应力状态→支护应力状态→终极应力状态

（一次应力状态） （二次应力状态） （三次应力状态） （四次应力状态）

3、荷载、结构、材料的不可分割性

围岩既是承载结构的一部分，也是构成承载结构的基本建筑材料，

它既是承受一定荷载的结构体，又是造成荷载的主要来源。 设计要点五 钢支撑和格栅

钢支撑和格栅在初期支护中主要用于软弱破碎或土质围岩中，很少单独使用，大多与锚杆、喷射混凝土等共同使用。

钢支撑的作用：1、作为喷射混凝土支护功能出现前的支持物； 2、对喷射混凝土进行补强； 3、作为超前支护的支点；

4、与喷射混凝土、锚杆共同发挥初期支护的作用； 钢支撑的最大特点是架设后能立即承载。多用于需要立即控制围岩继续松弛和塑性区继续扩大，或变形迅速发展的场合。 格栅的适应范围与钢支撑的使用条件是一致的。主要用于： 1、 自稳时间很短的围岩，在锚杆或喷射混凝土支护发挥作用前，

可能发生围岩失稳或塌坍危险时。

2、 浅埋、偏压隧道，当早期围岩压力增长快，需要提高一次支护

的早期强度和刚度时。

3、 在难以布设锚杆、喷射混凝土的砂卵石、土夹石或断层泥等地

层，大面积淋水地段、以及为了抑制围岩大的变形而增加支护抗力时。

4、 当需要施作超前支护，设置格栅作为超前支护的支撑构件时。 5、 自稳时间短，一次变形大的地层，对地面下沉量有严格的

情况。

6、 根据«铁路隧道构筑法技术规则»（TBG 108—92）规定，采用

格栅钢架支护的使用条件见下表

采用格栅的适用条件

围岩级别 四级 五级 六级

日本规定，在隧道面积为20~100平米条件下，格栅的采用条件是:裂隙发育、岩体破碎的硬岩，软岩强度比较小和极小的情况，膨胀性围岩，土砂围岩（埋深小的情况）。

设计要点六 超前支护

超前支护即我们通常所谓的“先支后挖”的支护技术，是对开挖前预先构筑的支护体系而言。是以稳定掌子面和控制地层下沉为目的而施作的拱形薄壳结构体。它不仅沿隧道纵向具有纵梁结构，在横断面还具有拱形结构支护效果。

超前支护方法分类见下表 超前支护的分类 混凝土拱壳方式 水平喷射注浆方式 长钢管注浆方式

1、混凝土拱壳方式：开挖前沿掌子面的隧道外周开挖后约15~50cm

预计的功能

隧道横向刚性大（拱结构） 隧道纵性刚性大（梁结构）

单线隧道

必要时设置 拱部、边墙、仰拱

双线隧道 必要时设置 拱部、边墙、仰拱 通过试验确定

的拱形槽，开挖后立即用混凝土或砂浆充填，形成一个拱形的壳体。此方式因在隧道横断面方向形成连续的刚性大的拱形结构，故在下列制约条件严格的场合采用： ●土砂等强度极低的场合；

●埋深浅，需要控制地表下沉的场合； ●近接重要结构物会受到开挖影响的场合

2、水平喷射注浆方式：开挖前与掌子面前方的隧道外围形成约10m左右的管状拱形结构体。

结构体的形成，是在钻孔的同时用高压喷射搅拌硬化材料形成的，可以形成一个沿隧道横向的拱形连续的结构。与混凝土拱壳方式比，连续性较差。

3、长钢管注浆方式：开挖前在掌子面沿隧道外围配置长10~15m的钢管，以形成拱形结构。为使钢管与围岩连成一体，采用辅助措施有： ●充填水泥浆

●压注水泥浆和其他压注材料

采用超前支护时，要考虑在开挖产生的通常荷载上，加上约束掌子面前方的荷载，而且在以下部位会产生比通常大的荷载： ●超前支护的脚部； ●钢支撑等的脚部；

如果没有足够的承载力，会产生比通常大的脚部下沉。如脚部下沉继续发展，就会使作用在超前支护上的荷载平衡崩溃，从而损伤隧道的稳定性，为此要充分注意确保脚部的承载力，必要时进行加强。

日本根据工程实际，建议的模化式设计参数

设计要点八 洞口设计

设计要点十 膨胀性围岩设计

膨胀性围岩隧道，其围岩动态和土压作用显示出特异的状况，即隧道开挖后，可以看到周边的围岩与洞壁一起慢慢地向洞内挤入的现象开挖断面会显著缩小，对施工产生巨大影响。其位移不仅在拱顶、侧壁、在底部和掌子面也会发生。

用支护和衬砌抑制这样的围岩位移时，在支护和衬砌上就会作用很大的土压。这样的土压，开挖后即使很小，但随时间会慢慢地增加，数天或数十天后就会成为强大的土压。有时土压的增加要持续数年之久。

掌握这样的围岩动态和土压性质是十分困难的，因此施工中的观察、量测就变得更为重要。