1、隧道結構設計與計算u隧道結構形式u荷載組合u明洞計算u洞門計算u襯砌計算隧道結構設計與計算結構形式u隧道結構形式一、洞門二、襯砌三、明洞隧道結構設計與計算結構形式一、洞門一、洞門n洞門是隧道兩端的外露部分，是隧道洞口用圬工砌筑并加以建筑裝飾的支擋結構物。它聯系襯砌和路塹，是整個隧道結構的主要組成部分，也是隧道進出口的標志。n洞門結構常由坡面穩定構造物、坡面截排水系統、碎落阻擋構件組成。n洞門的主要作用 保證洞口邊坡的安全和仰坡的穩定； 匯集在洞口附近的仰、邊坡上的地表水，并引離隧道，減少洞口土石方開挖量； 作為隧道的標志性建筑物，應與隧道的規模、使用特性以及周圍建筑物、地形條件等要相協調 。隧

2、道結構設計與計算結構形式n隧道常用的洞門分為有墻洞門和無墻洞門兩大類。可以細分為：1、環框式洞門（裝飾洞門）2、端墻式（一字墻式）洞門3、翼墻式（八字式墻）洞門4、柱墻式洞門5、臺階式洞門6、削竹式洞門7、遮光棚式洞門隧道結構設計與計算結構形式1、環框式洞門 將襯砌略伸出洞外,增大其厚度，形成洞口環框，適用于洞口石質堅硬、地形陡峻而無排水要求的場合。起到加固洞口和減少洞口雨后滴水的作用，可用混凝土整體灌筑。隧道結構設計與計算結構形式2、端墻式洞門 俗稱一字式洞門，適用于自然山坡陡峻，巖質穩定的類以上圍巖和地形開闊的地區，是最常使用的洞門形式。端墻式洞門由端墻和洞門頂排水溝組成。端墻的作用是抵抗

3、縱向推力及支持洞口正面上的仰坡，保持其穩定，洞門頂水溝用來將仰坡流下來的地表水匯集后，向兩側排走。洞頂排水溝用圬工砌筑或砂漿抹平，洞門拱圈與洞身拱圈應連成整體，以加強洞門穩定，墻背空隙用漿砌片石回填。隧道結構設計與計算結構形式3、翼墻式（八字式墻）洞門 是在端墻式洞門的兩側或一側加設翼墻（擋墻）而成。當洞口地質條件較差，山體縱向推力較大時，可以在端墻式洞門的單側或雙側設置翼墻，翼墻抵抗山體推力，增加洞門的抗滑及抗傾覆能力的作用。兩側面保護路塹邊坡起擋土墻作用。翼墻頂面與仰坡的延長面一致，其上設置水溝，將洞門頂水溝匯集的地表水引至路塹側溝內排走。隧道結構設計與計算結構形式隧道結構設計與計算結構形

4、式4、柱墻式洞門 當地形較陡，仰坡有下滑的可能性，又受地形或地質條件限制，不能設置翼墻時，可在端墻中部署2個（或4個）斷面較大的樁墩，以增加端墻的穩定性。柱式洞門比較美觀，適用于城市附近、風景區或長大隧道的洞口。隧道結構設計與計算結構形式隧道結構設計與計算結構形式隧道結構設計與計算結構形式5、臺階式洞門 傍山隧道洞口，地面橫坡較陡，為了適應地形，減少開挖，多采用臺階式洞門。 隧道結構設計與計算結構形式6、削竹式洞門 當洞口為松散的堆積層時，通常應避免大刷仰、邊坡。一般宜采用接長明洞，恢復原地形地貌的辦法。此時，可采用削竹式洞門。隧道結構設計與計算結構形式隧道結構設計與計算結構形式n7、遮光棚式

5、洞門 當洞外需要設置遮光棚時，其入口通常外伸很遠。遮光構造物有開放式和封閉式之分 隧道結構設計與計算結構形式二、洞身襯砌二、洞身襯砌1、防護襯砌（飾面襯砌） 防護襯砌的作用是防止坑道圍巖的風化。適用于I級圍巖，在圍巖極不容易風化及無局部掉塊的情況下，亦可不加防護，一般在圍巖表面噴射不大于5cm的砼層。隧道結構設計與計算結構形式2、直墻式襯砌 適用場合：適用場合：直墻式襯砌型式通常用于巖石地層，垂直圍巖壓力為主要計算荷載、水平圍巖壓力很小的情況。一殷適用于I，II級圍巖，有時也可用于IV級圍巖 拱部形狀：拱部形狀： 坦三心圓拱坦三心圓拱(R1 R2) 尖三心圓拱尖三心圓拱 (R2 R1) 割圓拱

6、（割圓拱（ R1 R2 ） 隧道結構設計與計算結構形式直墻式襯砌直墻式襯砌隧道結構設計與計算結構形式 圍巖完整性比較好的I、II級圍巖，邊墻可以 采用連拱或柱，稱為連拱邊墻或柱式邊墻 大拱腳薄邊墻襯砌大拱腳薄邊墻襯砌：適用于I、II級圍巖，邊墻可用噴射砼做成，亦可用砼整體澆灌。此類襯砌可使拱腳穩固的直接支承在兩側圍巖上，以改善拱圈的受力條件，減少邊墻的開挖及襯砌圬工數量，降低造價。大拱腳薄邊墻襯砌大拱腳薄邊墻襯砌隧道結構設計與計算結構形式3、曲墻式襯砌 適用范圍：適用范圍：適用于IV級以上圍巖，水平壓力大或除了垂直壓力外，還有底鼓壓力的情況。地質條件較差，為抵御底鼓壓力，配以仰拱使襯砌形成環狀

7、封閉結構；基礎地基較好，可采用無仰拱的曲墻式襯砌。 IV級以上圍巖，地基松軟，往往側壓力較大，故宜采用曲墻帶仰拱的襯砌。 嚴寒地區隧道，不管圍巖等級如何，只要有地下水存在，襯砌型式仍應采用曲墻式襯砌，并在施工中根據情況設置伸縮縫 為了避免圍巖和襯砌的應力集中，造成圍巖壓力增加和襯砌的局部破壞，應注意襯砌內外輪廓的圓順，避免急劇彎曲和棱角。設置設置仰拱仰拱作用作用使結構及時封閉，提高整體承載力和側墻抵抗使結構及時封閉，提高整體承載力和側墻抵抗側壓力的能力側壓力的能力抵御結構下沉變形，調整圍巖和襯砌的應力狀態抵御結構下沉變形，調整圍巖和襯砌的應力狀態隧道結構設計與計算結構形式曲墻式襯砌曲墻式襯砌仰

8、拱仰拱隧道結構設計與計算結構形式4、噴混凝土襯砌、噴錨襯砌及復合式襯砌 要求用光面爆破開挖，使洞室周邊平順光滑，成型準確，減少超欠挖。適當的時間噴混凝土，即為噴混凝土襯砌；噴混凝土襯砌； 根據實際情況，需要安裝錨桿的則先裝設錨桿，再噴混凝土，即為噴錨襯砌；噴錨襯砌； 如果以噴混凝土，錨桿或鋼拱支架的一種或幾種組合作為初次支護對圍巖進行加固，維護圍巖穩定防止有害松動。待初次支護的變形基本穩定后，進行現澆混凝土二次襯砌，即為復合式襯砌。復合式襯砌。隧道結構設計與計算結構形式噴錨襯砌與復合襯砌噴錨襯砌與復合襯砌 隧道結構設計與計算結構形式n噴錨襯砌噴錨襯砌 錨噴支護作為隧道的永久性襯砌，一般考慮是在

9、級及以上圍巖中采用；在級及以下圍巖中，采用錨噴支護經驗不足，可靠性差； 在層狀圍巖中，采用噴錨支護效果較好； 噴錨支護作為柔性支護，變形量較大，其外輪廓線宜預留稍大的空間（20cm）； 為了使開挖時外輪廓線圓順，盡可能減少圍巖中的應力集中錨噴襯砌的內輪廓線，宜采用曲墻式的斷面形式；隧道結構設計與計算結構形式 錨噴襯砌內表面不太平整順直，美觀性差，影響司機在行車中視覺感觀，應根據需要考慮內裝。 不宜采用錨噴支護作為永久襯砌的情況 在某些不良地質、大面積涌水涌水地段和特殊地段不宜采用錨噴襯砌作為永久襯砌； 對襯砌有特殊要求有特殊要求的隧道或地段隧道或地段，如洞口洞口地段，要求襯砌內輪廓很整齊、平整

10、； 有很高的防水要求防水要求的隧道； 寒冷和嚴寒地區有凍害凍害的地方(錨噴襯砌抗凍脹能力較差) 圍巖及覆蓋太薄覆蓋太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者 地下水有侵蝕性侵蝕性，可能造成噴射混凝土和錨桿材料的腐蝕隧道結構設計與計算結構形式n復合式襯砌復合式襯砌由初期支護和二次支護組成的，是目前隧道工程常采用的襯砌形式。初期支護：初期支護：是限制圍巖在施工期間的變形，達到圍巖的暫時穩定，初期支護應按主要承載結構設計承載結構設計；二次支護：二次支護：是提供結構的安全儲備安全儲備或承受后期圍巖壓力承受后期圍巖壓力，二次支護在級及以上級及以上圍巖時按安全儲備設計安全儲備設計；在級及以下級及以下圍巖時按

11、承載承載(后期圍壓后期圍壓)結構結構設計，并均應滿足構造要求。設計方法：設計方法：目前以工程類比為主，理論驗算為輔。結合施工，通過測量、監控取得數據，不斷修改和完善設計；級及以下圍巖或可能出現偏壓時，應設置仰拱。隧道結構設計與計算結構形式仰拱的重要性 解決基礎承載力不夠，減少下沉：防止底鼓的隆起變形，調整襯砌應力襯砌應力的作用； 封閉圍巖，制止圍巖過大的松弛變形，將圍巖塑性變形和形變壓力控制在允許范圍，提高結構的整體承載力整體承載力； 增加底部和墻部底部和墻部的支護抵抗力，防止內擠而產生剪切破壞。兩層襯砌之間宜采用緩沖、隔離的防水夾層，即隔離層隔離層。 當初支產生形變及形變壓力時，隔離層允許其

12、有少量的變形，可降低形變壓力降低形變壓力； 當初支支護力不夠時，可將少量形變壓力均勻的傳布到二襯上，依靠二襯制止其繼續變形，且不使初襯出現裂縫時，二襯也出現裂縫。 隧道結構設計與計算結構形式5、偏壓襯砌 當山體地面坡陡于1:2.5，線路外側山體覆蓋較薄，或由于地質構造造成的偏壓，襯砌為承受這種不對稱圍巖壓力而采用。 偏壓襯砌示意圖偏壓襯砌示意圖 隧道結構設計與計算結構形式三、明洞三、明洞n當隧道埋深較淺，上覆巖(土)體較薄，難以采用暗挖法時，則應采用明挖法來開挖隧道。用這種明挖法修筑的隧道結構，通常稱明洞。 n明洞具有地面、地下建筑物的雙重特點：作為地面建筑物用以抵御邊坡、仰坡的坍方、落石、滑

13、坡、泥石流等病害；作為地下建筑物用于深路塹、淺埋地段不適宜暗挖隧道時而取代隧道的作用；用于在與公路、灌溉渠立交處，以減少建筑物之間的干擾。n明洞的結構形式：拱形明洞、棚式明洞 、箱式明洞隧道結構設計與計算結構形式1、拱形明洞 n隧道進出口兩端的接長明洞或在路塹邊坡不穩定地段修建的獨立明洞等，多采用拱形明洞的形式 ，拱形明洞整體性好，能承受較大的垂直壓力和側壓力 n拱形明洞的邊墻，一般采用直墻。當半路塹型單壓明洞外墻尺寸較厚(可達35m)為節省圬工量，通常在漿砌片石的外墻上每隔34m開設孔洞一個n采用偏壓拱型明洞時，要特別注意處理好外墻基礎，以防止因外墻下沉而引起拱圈開裂。故外墻必須設置于穩固地

14、基上，如有困難，則可用樁基(或加深基礎)及加固地基等方法進行處理隧道結構設計與計算結構形式路塹對稱型路塹對稱型 ：適用于洞頂地面平緩，路塹兩側地質條件基本相同，原山坡有少量坍塌、落石以及隧道洞口巖層破碎，洞頂覆蓋較薄，難以暗挖法修建隧道的地段路塹偏壓型：路塹偏壓型：適用于兩側山坡高差較大的路塹，高側邊坡有坍塌，落石或泥石流；低側邊坡明洞墻頂以下部分為挖方，且能滿足外側邊墻嵌入基巖要求的地段半路塹偏壓型：半路塹偏壓型：適用于半路塹靠山側邊坡較高，有坍塌、落石或泥石流等不良地質現象，而外側地面較為寬敞和穩定，上部填土坡面線能與地面相交以平衡山側壓力的地段 半路塹單壓型半路塹單壓型 ：適用于靠山側邊

15、坡或原山坡有坍塌、落石等情況，外側地形陡峻無法填土地段 隧道結構設計與計算結構形式路塹對稱型明洞路塹對稱型明洞 路塹偏壓型明洞路塹偏壓型明洞 半路塹偏壓型明洞半路塹偏壓型明洞 半路塹單壓型明洞半路塹單壓型明洞 隧道結構設計與計算結構形式2、棚式明洞 n當山坡坍方，落石數量較少，山體側壓力不大，或因受地質、地形條件的限制，難以修建拱形明洞時，可采用棚式明洞n棚式明洞的類型主要取決于外側邊墻的結構形式。通常有墻式、剛架式，柱式和懸臂式(不修建外墻時)等墻式棚洞墻式棚洞(墻式棚式明洞墻式棚式明洞)：適用于邊坡存在坍塌、落石的地段，橫向斷面類似橋跨結構，內墻除起擋墻作用外，還承受頂板下傳垂直荷載；外墻

16、只承受頂板下傳垂直荷載 剛架式棚洞剛架式棚洞 適用于邊坡小量落石，或在連接兩座隧道間需建明洞時，為改善隧道通風條件下而被采用 ，外墻結構為連續框架；因此對地基承載力要求較高。隧道結構設計與計算結構形式墻式棚洞墻式棚洞隧道結構設計與計算結構形式柱式棚洞：柱式棚洞：適用于少量落石，地基承載力高，或基巖埋藏淺的地段。外墻采用獨立柱和縱梁方式，結構簡單，預制吊裝方便，但整體穩定性較差 懸臂式棚洞懸臂式棚洞:當山坡較陡，坡面有少量落石，且外側地基不良或不宜設基礎時，可采用懸臂式棚洞 柱式棚洞柱式棚洞 懸臂式棚洞懸臂式棚洞 隧道結構設計與計算結構形式n明洞填土明洞頂填土厚度明洞頂填土厚度：鐵路規范確定為l

17、.50m。公路隧道跨度一般比鐵路單線隧道跨度大，公路系統設計施工經驗少，養護力量弱，故規定不小于2. 0m； 明洞頂填土橫坡以能順暢排除坡面水為原則，不小于2%明洞拱背和墻背的回填明洞拱背和墻背的回填：拱腳用素砼或漿砌片石回填；邊墻背后超挖部分，宜用片石砼或漿砌片石密實回填；墻背回填料的內摩擦角應不低于圍巖的計算摩擦角或設計回填料的計算摩擦角。隧道結構設計與計算結構形式3、箱式明洞 在明洞凈高、建筑高度受到限制，地基軟弱的地方，可采用箱形明洞。圖為一方形剛構明洞，全部用鋼筋混凝土制成的方形整體明洞。若右側巖層順層滑動，利用上部回填土石的壓力及底層的彈性抗力，平衡側向巖層滑動的推力，并傳于左側巖

18、層上。回填土高度根據兩側巖層滑動力的大小決定。需要分段施工，兩側緊貼巖層，保持原巖層不致因施工開挖而產生滑動，超挖回填片石的強度不低于該處巖石的抗壓強度等。箱式明洞箱式明洞隧道結構設計與計算荷載編號荷載分類荷 載 名 稱1永久荷載圍巖壓力2土 壓 力3結構自重4結構附加荷載5混凝土收縮和徐變的影響力6水 壓 力7可變荷載基本可變荷載公路車輛荷載、人群荷載8立交公路車輛荷載及其產生的沖擊力、土壓力9立交鐵路列車荷載及其產生的沖擊力、土壓力10其它可變荷載立交渡槽流水壓力11溫度變化的影響力12凍 脹 力13施工荷載14偶然荷載落石沖擊力15地 震 力注：編號114為主要荷載；編號11、12、14

19、為附加荷載；編號13、15為特殊荷載。1、荷載分類及組合、荷載分類及組合隧道結構設計與計算荷載荷載組合： 結構自重圍巖壓力附加恒載（基本） 結構自重土壓力公路荷載附加恒載 結構自重土壓力附加恒載施工荷載 溫度作用力 結構自重土壓力附加恒載地震作用附加恒載：伴隨隧道運營的各種設備設施的荷載等。隧道結構設計與計算荷載2、被動荷載 作用在襯砌上的荷載，按其性質可以區分為主動荷載與被動荷載兩大類。 主動荷載是主動作用于結構、并引起結構變形的荷載； 被動荷載是因結構變形壓縮圍巖而引起的圍巖被動抵抗力，即彈性抗力，它對結構變形起限制作用。隧道結構設計與計算荷載彈性抗力的兩種計算方法（a）彈簧模型溫克爾模型

20、：圍巖簡化成彈簧，彈簧與彈簧之間不能傳遞剪力，用抗力系數 k 表征，即 p=k s p作用在圍巖上的壓力，MPa;；s沿壓力作用方向的壓縮量，m；k彈性抗力系數，MPa/m （b）彈性體模型：考慮質點之間變形的相互影響。它用彈性模量和泊松比表示地層特征，并考慮粘結力和內摩擦角的影響，如鄧肯-張模型。隧道結構設計與計算明洞計算隧道結構設計與計算明洞計算隧道結構設計與計算明洞計算隧道結構設計與計算明洞計算隧道結構設計與計算明洞計算隧道結構設計與計算明洞計算隧道結構設計與計算明洞計算隧道結構設計與計算明洞計算隧道結構設計與計算洞門計算隧道結構設計與計算洞門計算隧道結構設計與計算洞門計算隧道結構設計與

21、計算洞門計算隧道結構設計與計算洞門計算隧道結構設計與計算洞門計算隧道結構設計與計算襯砌計算一、荷載結構模型方法以支護結構為承載主體，圍巖作為荷載同時考慮其對支護結構的變形約束。適用于淺埋情況及圍巖塌落而出現松動壓力的情況。隧道結構設計與計算襯砌計算n荷載-結構模型還可按荷載不同細分成如下幾種模式： 1、主動荷載模型（假定抗力法） 2、主動荷載+被動荷載模型（彈性地基梁法） 3、量測壓力模型（實測壓力法）隧道結構設計與計算襯砌計算1、主動荷載模型（假定抗力法）（1）曲墻拱結構（朱拉波夫-布加耶娃法）：常用于級圍巖；拱圈和曲邊墻作為一個整體按無鉸拱計算 ；施工時仰拱是在無鉸拱業已受力之后修建的，不

22、考慮仰拱對襯砌內力的影響 ；計算假設如下：在主動荷載作用下，頂部襯砌向隧道內變形而形成脫離區，兩側襯砌向圍巖方向變形，引起圍巖對襯砌的被動彈性抗力上零點b（即脫離區與抗力區的分界點）與襯砌垂直對稱中線的夾角假定為 下零點a在墻腳最大抗力點h假定發生在最大跨度處附近，計算時一般取 為簡化計算可假定在分段的接縫上。抗力圖形的分布假定為二次拋物線忽略襯砌與圍巖之間的摩擦力墻腳支承在彈性巖體上，可發生轉動和垂直位移(無水平位移) o45babah32隧道結構設計與計算襯砌計算hhbibi2222coscoscoscosbhbh段段：haha段段：hhiiyy21隧道結構設計與計算襯砌計算用結構力學方法

23、算出 后，按下圖計算襯砌內力和變形h隧道結構設計與計算襯砌計算（2）直墻式襯砌計算原理拱圈按彈性無鉸拱計算，邊墻按彈性地基上的直梁計算，并考慮邊墻與拱圈之間的相互影響；邊墻支承拱圈并承受圍巖壓力；拱腳區段的彈性抗力假定為二次拋物線分布Winkler假定成立，即拱腳位移考慮邊墻頂變位的影響iik隧道結構設計與計算襯砌計算隧道結構設計與計算襯砌計算整體式圓形結構自由變形圓環法 當整體式圓管結構修建在松軟地層中，地層對結構的彈性抗力很小，故假定結構可以自由變形，地基反力沿環的水平投影為均勻分布，計算圖式如圖8.17所示。隧道結構設計與計算襯砌計算假定抗力圖法 襯砌機構在豎向荷載作用下，產生向地層方向

24、的變形，從而引起彈性抗力。對于圓管結構，彈性抗力的分布規律，可根據已有的實踐經驗假定給出。計算圖式如圖8.18所示。隧道結構設計與計算襯砌計算裝配式圓形結構 裝配式圓管結構，應根據管片或砌塊間連接構造以及所采用的施工方法，確定相應的計算方法。當組成圓管結構的管片或砌塊在環向采用如圖8.19所示的連接構造，而接頭能傳遞全部內力時（實際上是不可能傳遞全部內力的，而只能傳遞部分內力，故應把接頭當作傳遞一定內力的彈性鉸，按彈性鉸接圓環進行結構計算），可按整體均質圓環計算；而當管片或砌塊采用如圖8.20（砌塊端為圓柱形接頭）或圖8.21所示的連接構造時，應按多鉸圓環計算，其計算圖式如圖8.22所示。隧道

25、結構設計與計算襯砌計算隧道結構設計與計算襯砌計算隧道結構設計與計算襯砌計算 地下鐵道的通道、車站或地下廠房，承受地層的豎向壓力和水平壓力以及車輛等荷載，可視為平面變形問題，沿縱向取單位寬度，按閉合框架計算其結構內力。由于底板與地基之間有摩擦力，故可認為底板不能沿水平方向運動。地下鐵道通道的計算簡圖如圖8.27所示。隧道結構設計與計算襯砌計算2、主動荷載+被動荷載模型（彈性地基梁法）隧道結構設計與計算襯砌計算隧道結構設計與計算襯砌計算隧道結構設計與計算襯砌計算隧道結構設計與計算襯砌計算隧道結構設計與計算襯砌計算隧道結構設計與計算襯砌計算隧道結構設計與計算襯砌計算二、地層結構模型方法n主要用于由于圍巖變形而引起的壓力，壓力值必須通過支護結構與圍巖共同作用而求得，這是反映當前現代支護結構原理的一種計算方法，需采用巖石力學方法進行計算。隧道結構設計與計算襯砌計算n計算方法通常有解析解法和數值解法兩類。解析解法主要適用于一些簡單情況下，以及某些簡化情況下的近似計算。目前，國內外這類方法已經很多，一般可概括成如下幾種：（1）支護結構體系與圍巖共同作用的解析解法。利用圍巖與支護襯砌之間的位移協調條件，得到簡單洞形（如圓形）條件下圍巖與