隧道工程-隧道围岩压力理论及隧道设计理论

《隧道工程》课程报告

题目：隧道支护结构设计理论概述年级：2013级工程力学

姓名：顾鑫

学号：130810040001

时间：2014年5月6日

隧道支护结构设计理论概述

2013级工程力学130810040001 顾鑫

摘要：隧道工程是埋置于地层中的结构物，它的受力与变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为统一的受力体系相互约束、共同工作。对围岩压力的正确认识是进行隧道结构设计的基础，隧道支护结构设计理论是隧道工程安全的重要保障。本文总结了经典的隧道围岩压力理论和隧道支护结构设计理论，它们是隧道工程设计的基础，也是隧道工程理论研究完善的出发点。

关键词：隧道工程、围岩压力理论、支护结构设计理论

0.引言

隧道是构筑在离地面一定深度的岩层或土层中做通道的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。隧道工程[1]的泛指有两方面的含义：一方面是指从事研究和建造各种隧道工程的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术，是土木工程的一个分支；另一方面也指在岩体或土层中修建的通道和各种类型的地下建筑物。

由于人类生活、战备、采矿等的需求，引发了早期隧道的建设形成需求；现代隧道的建设形成主要采用钻爆法、TBM法、盾构法等。相比于地面工程，隧道工程所处的环境、施工条件、运营条件等较差；同时，在资源和环境问题日趋严重的情况下，现阶段世界各国都日益重视地下空间的开发利用，隧道及隧道工程因其在节能和环保方面的优势变得愈发重要，因而迫切需要提高隧道工程的理论和技术。因此，对已有隧道分析理论的梳理总结对发展新理论和方法很重要，本文总结了隧道围岩压力理论和隧道支护结构设计理论。

1.隧道围岩压力理论

由于地质体涉及地层、岩性、地质构造、风化程度、地下水等因素，因而形成了千奇百怪的地质体，具有复杂物理力学性质，要准确地认识地质体难度较大。然而，正确地认识隧道围岩压力是隧道结构设计的基础，多年来国内外许多学者进行了深入的研究和探讨，同时提出了不少理论：泰沙基理论、普氏理论、新奥法理论等，从定性和准定量的角度取得了一定的成就，但还有大量问题需要我们去探索研究。

1.1.早期围岩压力理论（浅埋）

早期围岩压力理论（浅埋）认为垂直压力是上覆土层的自重，即σV=γH；而对侧压系数ζ=σH/σV有不同认识:（1）Haim认为是1；（2）Rankine认为是tan2(45∘−φ2⁄)；（3）

金尼克认为是μ/(1−μ)。

1.2.散体压力理论

随着埋置深度增加，认为作用在支护结构上的压力不是上浮岩土层的重力，而只是围岩塌落拱内松动岩体重量—松动压力。但该理论并没有认识到塌落并非形成围岩压力的唯一来源，也没有认识到自行稳定的围岩具有自承能力。散体压力理论主要有泰沙基理论和普氏理论，太沙基认为塌落拱是矩形的，普氏认为塌落拱是抛物线型的。

1.2.1泰沙基理论

将隧道围岩视为散粒体，认为洞室开挖后，其上方围岩将形成承载拱；并认为岩体下沉形成两条垂直的破裂面，垂直压力σV分布是均匀的，与水平压力σH的比值为ζ。在距地表深度为h处，取厚度为dh的水平土层，按平衡条件得

2b×(σV+dσV)−2 b×σV+2ζ×σV×tanφ×dh−2bγ×dh=0

整理得

dσV

γ−ζ×σV ×

tan φb

−dh =0

式中：φ为围岩内摩擦角，b 为洞室松动宽度的1/2，γ为土的围岩重度。

求解以上微分方程，并引入边界条件：当h=0时，σV =0，得

σV =γ×b tan φ×ζ

×(1−e

−tan φ×ζ×h b ) 随着h 的增大，e

−tan φ×ζ×

h b

→0，则σV →γ×

b tan φ×ζ

泰沙基试验结果ζ=1.0~1.5

图1：泰沙基理论围岩压力

1.2.2 普氏理论

直到1975年，在全面学习苏联的时代，我国隧道专业的教材都采用前苏联纳乌莫夫的课本，采用普氏理论的支护设计理论。俄国M.M.普罗托亚诺夫采用砂子作为介质（模拟岩体），经过大量的模型试验和理论推导，提出了普氏理论。普氏理论要点是：

①在一定的埋深条件下隧道或其它地下洞室开挖后，将会出现一定范围的抛物线型的平衡拱（普氏拱）自身稳定，不会无限制的坍塌到洞顶地面。支撑结构只需要承受平衡拱内的岩土重量，即可保证洞室稳定。

②平衡拱的高度可用下式描述：

h =b f

式中：h —普氏拱高度(m)，b —普氏拱跨度的1/2(m)，f —普氏系数，对一般岩石f =R C /100（R C 为岩石的极限抗压强度），对于土层f =tan φ，同时可查普氏坚固系数分类表。

图2普氏理论围岩压力

b=B+2×H×tan(45∘−φ2⁄)

(m)

h=

b

f

(m)

q=h×γ (kN/m),γ为围岩重度kN/m3

e1=q×tan2(45∘−φ2⁄) (kN/m)

e2=(q+γ×H)×tan2(45∘−φ2⁄) (kN/m)

1.3.围岩分类法

上世纪70年代后通过大量的工程实践，采用普氏系数（f）值的确定比较困难，通过国内外400多个塌方的工程实例进行了统计分析，按围岩稳定状态讲围岩分成六类，以罗马数字标书，即Ⅰ类围岩、Ⅱ类围岩、Ⅲ类围岩、Ⅳ类围岩、Ⅴ类围岩、Ⅵ类围岩。Ⅰ类围岩稳定性最差，Ⅵ类围岩最好。提出了如下围岩压力的计算公式：

q=0.45×26−sγ×ω

式中：q—垂直压力（MPa），S—围岩类别，γ—围岩重度（kN/m3）， ω—洞室宽度影响系数，ω=1+i(B−5)，其中B为洞室宽度（m），i：当B<5时，i=0.2; B>5时，i=0.1。

1.4.围岩分级法

围岩分类法铁路隧道设计规范采用以后，多位专家对围岩分类法的提法不赞同，分类是指不同性质的问题，而“隧规”分类是指围岩稳定性而言，对于围岩稳定性无类可言，只能是围岩稳定性分级。国标采用的是围岩分级的提法，同时国标规定Ⅰ级围岩稳定性最好，Ⅵ围岩稳定性最差，与隧规相反。1998年制定隧道新规范时，采用了国标的提法和排序，围岩分级符号仍采用罗马数字表示。计算公式如下

q=0.41×1.79s×γ×ω

式中：q—垂直压力（MPa），S—围岩类别，γ—围岩重度（kN/m3）， ω—洞室宽度影响系数，ω=1+i(B−5)，其中B为洞室宽度（m），i：当B<5时，i=0.2; B>5时，i=0.1。