隧道设计流程——岩土论坛

综合该讨论的各家建议：隧道设计流程各家观点：1、我们做设计的时候也是这样做的,先用同济曙光采用地层结构法模拟开挖过程,对喷锚支护及开挖方法进行分析,选择一个合适的开挖顺序,然后用荷载结构法计算初衬的变形,和二衬的承载能力和裂缝宽度。在予设计阶段也就计算这么多了，地层结构法计算时也是根据规范取的参数，由于地质勘察报告比较简略没法参考，荷栽结构法计算时依据规范的荷载计算方法，然后根据围岩类别初衬和二衬分别承担一部分计算。2、隧道的设计计算过程：首先根据地质报告和地质纵断面以及平面图，确定隧道的路线走向，拟定洞门桩号，其次根据具体地质情况划分围岩级别，长隧道还要考虑通风等情况，对于不良地质的特殊设计计算处理；隧道衬砌结构的类型和强度虽然大部分采用经验类比法确定，个人认为仅限于Ⅲ、Ⅳ级以上的围岩，对于隧道的Ⅴ、Ⅵ级别围岩，应根据具体情况计算确定设计支护参数是否合理，浅埋情况应采用荷载结构法计算，对于深埋情况，建议采用地层结构法计算，对于黄土隧道，由于大部分采用矿山法施工，因而其计算中应充分考虑开挖施工过程的顺序，两次衬砌的施作；对于荷载的释放情况（地层结构法），应与施工开挖设计方案配合进行，尤其是前后开挖面的距离等，主要涉及到开挖释放荷载的比例分配。3、（1地质专业提供进出口横断面图，主要用于确定隧道的进出口里程，是否浅埋偏压等；（2按照地质专业提供的隧道纵断面图划分的围岩级别，套用相应级别的衬砌类型；在特殊地质段落，根据不同的地质情况，考虑一些特殊的工程措施，如进出口一般采用一段大管棚，水量大的地段可以考虑注浆措施，断层破碎带考虑小导管超前支护等等；（3按照线路专业确定的线路纵曲线，确定一些关键点的内轨顶标高，再考虑一下隧道内综合洞室的布置等，对于铁路隧道，还要考虑四电、综合接地等（这些主要是附属设施，与隧道结构设计关系不大）。（4对于长大隧道，要做施工辅助通道的设计，如斜井、竖井、横洞、平导等。还需考虑施工运营通风，防火救灾救援等。这些就是设计隧道的主体了。4、对于做隧道设计的，我觉得有一点是要有比较清晰的认识的：围岩特性曲线（围岩荷载特性分析）分为：弹性区、屈服区、松动区就设计的经济性来讲：应将支护时间控制在围岩有屈服向松动开始的时间内，此时，支护围岩所需要的支撑力为维护开挖面稳定的最小压力。全断面开挖又比部分断面开挖对支护结构产生的荷载要大。5、我设想，隧道设计最开始肯定只能用工程类比法，你不可能假设衬砌厚度，通过有限元试算来确定衬砌厚度吧。光用工程类比法，当然不可靠，心里没底，要靠计算来校核。置于荷载结构法也好，有限元法也好，能否计算得到衬砌的真实的力学行为，当然要看计算条件模拟的够不够精确，本构模型简化到不到位。一个是荷载情况，一个围岩衬砌的材料情况，都是相当复杂的东西，不能轻易确定，只能是跟据工程经验，尽量将对结构影响最大的因素反应出来。有限元法虽然很先进，但就像前面提到的，参数的取值是个大问题，对于每个工程都用有限元计算是不现实的。只有在遇到特殊地质问题，工程技术问题，以前的工程中没有遇到的过的问题，可用有限元计算的结果进行参考。6、隧道的计算目前还没有十分系统的理论，这主要是指岩体和在无法准确获得目前的一些关于隧道设计的软件，包括什么曙光、3d西格玛，FLac3d、ANSYS等等，都是纯理论的东西，复杂岩体条件下时，其可信度不高7、对于地下工程，计算永远不可能与实际相符，因为计算工程本身就是一个虚拟的，首先对地层和结构做了很多理想假定条件，计算中很多参数的取值又大多是根据经验来确定，不同的人取值大都不一样，计算结果有很大的随机性。对于地下工程计算我的观点是对于重要的结构一定要进行计算，最好能用几种方法比较，虽然不能准确定量，但至少可以定性分析，做到心中有数。但也不能完全相信计算结果，还要结合实际类似工程类比，最终确定方案。8、关于隧道计算之所以会出现理论计算与工程实际有脱节的现象我认为，虽然根本原因是计算理论、计算方法、计算手段无法真实反映极为复杂的围岩稳定与开挖状态，但是长期出现以工程类比法为主，甚至将工程类比法退化为照搬照抄的设计手段，重要的我国现行的建设管理体制严重制约的新奥法设计、施工理论在工程实际中的推广！！请问各位从事设计的同行，贵单位是否只是重视施工图文件设计、审查，轻视施工现场配合与变更？请问在隧道工程施工过程中的，监控量测是否真正的反馈到设计人员手中？设计人员是否能够按照监控量测结果，对原计算模型、计算参数进行修正与反分析？过程控制才是新奥法设计与施工精髓，可是工程实际中我们经历的是勘察、设计、施工的相互脱节，这之中涉及到利益、责任、工作量的认可问题，我想在各个设计单位同样是，设计人员不愿意进行现场配合施工，因为配合施工没有做施工图见效益！风险高、任务繁琐、条件艰苦。所以，目前我国隧道设计的普遍状态是，设计以基于围岩分级的工程类比法为主，注重采用数值分析、施工过程模拟的设计文件审查，注重施组设计的文本厚度与详细，忽视工程实际根据具体围岩状态的优化与调整。这一切在一切顺利的情况下，相安无事，一旦出现工程事故，谁也跑不了，至少把你折腾一个够！9、地下结构按构造形式分为拱形结构、圆形和矩形管状结构、框架结构、薄壳结构、异形结构。地下结构所承受的荷载，按照作用特点及使用中可能出现的情况分为以下三类：即永久（主要）荷载、可变（附加）荷载和偶然（特殊）荷载。1、永久（主要）荷载包括结构自重、回填土重量、围岩压力、弹性抗力、静水压力、砼收缩和徐变影响力、预加应力和设备自重等。围岩压力和结构自重是衬砌承受的主要静荷载。围岩压力分为：围岩垂直压力，围岩水平压力和底部压力，它的确定方法有现场实测，理论计算，工程类比法。我国多采用工程类比法确定围岩压力，并采用现场实测和理论计算方法进行验算。由于围岩压力的计算有不同的模式，所以要确定围岩压力，首先要区分是深埋还是浅埋地下结构。（1）深埋地下结构围岩压力的计算用我国公（铁）路隧道推荐围岩压力计算方法竖向均布压力计算公式：q=0.45×z^6-srws—围岩类别w—宽度影响系数r—围岩容重水平均布压力则按设计规范（TB10003—2001，J117—2001）查得。（2）浅埋地下结构围岩压力的计算a、埋深小于或等于等效荷载高度（hq）时，垂直荷载视为均布压力。q=rHq—均布垂直力r—坑道上覆围岩容重H—坑道埋深水平侧向力e按均布考虑其值为e=r(H-1/2Ht)tan2(45°-φ/2)e—水平侧向均布压力r—隧道上覆围岩容重H—隧道埋深Ht—隧道高度Φ—围岩计算摩擦角b、埋深大于等效荷载高度（hq）小于深埋浅埋隧道分界深度（Hp）时q浅=rH(1-H/Btλtanθ)作用在支护结构两侧的水平侧压力在隧洞顶底处之值为：e1=rHλe2=rhλ当侧向力视为均布压力时e=1/2（e1+e2）（3）空间洞室围岩压力确定圆形或矩形的空间洞室的围岩压力，一般按平面洞室的围岩压力乘以考虑空间作用的降低系数来确定。其计算跨度取圆形直径或矩形短边。降低系数β一般对平面为正方形的拱顶或圆形穹顶β=0.828。对于矩形拱顶由β=1-2/3ξ其中ξ=宽度1-1/2ξ长度2、可变（附加）荷载包括吊车荷载、设备重量、地下储油库的油压力、车辆、人群的荷载。3、偶然(特殊)荷载包括地震作用和战时发生的武器爆炸冲击动荷载。当我们设计某一地下结构，上述几种荷载不一定同时存在。设计中应根据荷载实际可能出现的情况进行组合，取其最不利的组合作为设计荷载，以最危险截面中最大内力作为设计依据。地下结构设计模型1、荷载结构模型，它采用荷载结构法计算衬砌内力，并据以进行构件截面设计。2、地层结构模型，它的计算理论是地层结构法。3、经验类比模型，是完全依靠经验设计地下结构的设计模型。4、收敛限制模型，它的计算理论是地层结构法。地下结构的计算方法为两类：荷载结构法和地层结构法一般来说，地层岩性较差，洞室跨度较大宜采用荷载结构法。地层构造较完善，围岩的支承能力较好时宜采用地层结构法。目前，我国在地下工程的结构计算中，采用较多的仍是以散体压力理论为基础的荷载结构法。一、荷载结构法的计算方法地层对于地下结构作用只是产生作用在结构上的荷载（包括主动的地层土压力和被动弹性地层抗力）,一般可用结构力学的方法计算衬砌在荷载作用下产生内力和变形。下面就拱形、圆形、矩形结构在简单荷载作用下的内力和变形计算作如下介绍。（一）拱形结构1、曲墙拱结构—采用假定抗力图形法该结构被简化为主动荷载（垂直荷载大于侧向荷载）及弹性抗力共同作用下，支承在弹性地基上的无铰高拱。拱两侧弹性抗力按二次抛物线分布，最大抗力点为h点，值为σh。为了便于计算，可将基本结构分解为在主动外荷载和单位抗力（被动荷载）作用下的两个基本图式，分别计算出相应的截面内力和位移值，接着用迭加原理求出衬砌截面的总内力。具体步骤如下：（1）求出在主动荷载作用下衬砌截面的内力。（2）求在单位被动荷载（单位抗力）作用下截面i所产生的内力。（3）求最大抗力σh值。（4）求衬砌截面的总内力。2、直墙拱结构该方法将拱圈和边墙分开计算，将拱圈处理为弹性固定在边墙上的无铰平拱，边墙处理为搁置在弹性地基上的直梁，在拱脚和墙顶连接处应满足力的平衡条件和变形连续条件。拱圈的弹性抗力的分布按“假定抗力图形法”计算最大抗力点发生在墙顶。其值为σh。拱脚处抗力为σd，当Φ=75－90°时可把σd当作抗力最大值。边墙底部视为弹性地基上的刚性梁，侧面按其换算长度来确定为长梁（≥2.75），短梁（1—2.75），刚性梁（1）。然后按初参数方程来计算墙顶截面位移及边墙各截面的内力。拱圈衬砌截面的内力计算方法及步骤与曲墙式衬砌相同。（二）圆形结构1、当整体式圆管结构修建在松软的地层中，地层对结构的弹性抗力很小，故假定结构可自由变形。采用自由变形圆环法。首先是荷载计算。包括环自重，竖向地层（单位宽）压力，地层水平力（单位宽）,静水压，地基反力等。其次是内力计算，采用弹性中心法。由于结构及荷载对称，拱顶切口处剪力为零，根据力的平衡及变形协同条件采用力法方程，可得圆环中任意截面的内力。3、假定抗力法4、衬砌结构在竖向荷载作用下，产生向地层方向的变形，从而引起弹性力。先假定圆管结构弹性抗力分布，然后通过竖向均布地层力作用下，圆环自重作用下，内水压力作用下，外部静水压力作用下任意截面弯矩与轴力的计算公式。按查系数表法求得相应内力。（三）框架结构框架结构是平面变形问题，沿纵向取单位宽度，按闭合框架计算其结构内力。首先确定顶板上荷载，底板上荷载及侧壁的荷载。然后采用力矩分配法，迭代法或位移法求框架内力。二、地层结构法把地下结构与地层作为一个受力变形的整体，按照连续介质力学原理来计算地下结构以及周围地层的变形。不仅计算出衬砌结构的内力和变形，而且计算出周围地层的应力。充分体现了周围地层与地下结构的相互作用，但是由于周围地层以及地层与结构相互作用模拟的复杂性，地层结构法目前尚处于发展阶段。它包括如下内容：地层合理化模拟，结构模拟，施工过程模拟，以及施工过程中结构与周围地层的相互作用，地层与结构相互作用的模拟等。总之，地下结构的设计受到各种复杂因素的影响，经验往往占据一定的位置。即使内力分析采用了比较严密的理论，其计算结果往往需要用经验类比加以判断和补充。我们在设计地下结构时只有同时进行多种设计方法的比较，才能做出较经济合理的设计。10、隧道确实很难用数值模拟方法来准确计算，人们不断寻求多种方法来更好的解决这个问题，除有限元之外的其他方法，如离散元、ADD等等，但始终没有一套放之四海而皆准的计算理论，就像是隧道围岩分级一样，公说公有理、婆说婆有理，世界各国的方法均有差异，归根结底是由于岩体的不明确性决定的。因此我们不能只用一种方法来概括，建议学隧道的同志们多多学习，接触多种理论与计算方法。11、隧道设计首先主要的：1工程类比法2结构力学模型，它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承,即故又可称为荷载一结构模型。在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约