秋第5章隧道结构设计原理1.0
隧道工程结构设计资料
1 支护结构类型
1.1 外部支护 ◆ 整体式混凝土衬砌 ◆ 砌石衬砌 ◆ 拼装式衬砌 ◆ 喷射混凝土支护
1.2 内部支护 ◆ 锚杆 ◆ 注浆
1.3 混合支护 ◆ 喷锚支护 ◆ 复合式衬砌
2 整体式混凝土衬砌
工艺流程：立模－灌筑－养生－拆模
优点： ◆ 对地质条件和施工条件的适应性较强 ◆ 易于按需要成型 ◆ 整体性好 ◆ 抗渗性强
arctg E 150
故可近似取 d内2＝2.7E (cm)
4.2.3 车辆两端向曲线外侧的偏移
d外
L2 l 2 8R
L — 标准车辆长度，我国为26m，则
d外
262 182 8R
100＝4400 R
(cm)
则总加宽值：
d总
d内1＋d内2＋d
外＝
4050 R
2.7E
4400 R
简化边墙
h1 (h2)
拱圈
边墙
喷混凝土
内轨顶面
连拱式边墙衬砌(单位：cm)
适用于：
在地质条件尚好，侧压力不大， 但又不宜采用半衬砌时。
2.2 曲墙式衬砌
拱圈 曲边墙
内轨顶面
适用于：
地质较差，岩体松散 破碎，强度不高； 有地下水； 侧向水平压力也相当 大。
仰拱
曲墙式衬砌
3 装配式混凝土衬砌
因隧道施工工业化和机械化发展而出现了装配式隧道衬砌，目前多在使用盾 构法施工的城市地下铁道中应用。
线路中线 隧道中线
4.7 公路隧道平曲线加宽取值
半径(m)
加宽值(m)
70 50 30 25 20
汽车轴距加 250 200 150 100 ~ ~ ~ ~ ~
岩土工程中的隧道设计原理
岩土工程中的隧道设计原理隧道是一种在山岭、河流、城市地下等地方开凿出来的地下道路，是现代交通基础设施的重要组成部分。
在岩土工程中，隧道的设计原理是非常重要的，它涉及到地质环境、地质力学、结构力学和施工技术等多个领域。
本文将从地下岩土环境、隧道设计要素和设计方法三个方面，介绍岩土工程中隧道设计的原理。
一、地下岩土环境地下岩土环境是指隧道所处的地质构造、地层特征以及地下水位等自然条件。
在隧道设计中，需要对地下岩土环境进行详细调查和分析，以了解隧道所需穿越的地质情况。
常见的地下岩土环境包括岩层类型、岩性、断层、褶皱、节理等。
隧道设计中需要考虑地下岩土环境的稳定性和不均匀性。
地质稳定性是指地层的稳定特性，包括地下水位、地下水压力、岩石围压和地应力等。
设计时要合理确定隧道的埋深和断面形状，以确保隧道在地质环境中的稳定性。
地质不均匀性是指地下岩土的变异性，影响隧道的承载力和变形性。
设计时要考虑地下岩土的变异性，并采取相应的加固措施，以确保隧道的安全性。
二、隧道设计要素1. 断面形状：隧道断面形状决定了隧道的通行能力和结构强度。
常见的隧道断面形状有圆形、马蹄形、矩形等。
设计时要根据工程需要和地质条件，选择合适的隧道断面形状。
2. 地下水处理：地下水是隧道设计中的重要考虑因素。
设计时需要采取措施，以确保隧道在地下水环境中的稳定性。
常用的地下水处理方法有排水井、隔水帷幕和防水屏障等。
3. 支护结构：隧道设计中的支护结构主要包括初期支护和永久支护两部分。
初期支护主要是为了防止地下岩土的塌方和冒顶，并为施工提供安全工作环境。
永久支护主要是为了保护和加固隧道的结构，确保隧道的使用寿命和安全性。
三、隧道设计方法1. 综合研究法：综合研究法是在详细调查和分析地下岩土环境的基础上，综合运用工程地质、地质力学、结构力学等多个学科的理论和方法，对隧道进行设计。
通过综合研究法可以全面考虑地下岩土环境的特点和影响因素，制定合理的设计方案。
140-演示文稿-剪切滑移破坏法、复合式衬砌结构耐久性设计
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
•提出确保混凝土耐久性的施工质量关键控制要求与 措施；
•确定钢筋混凝土保护层厚度； •提出对结构应采取的防腐蚀附加措施； •明确结构使用过程中的检测、养护、维修或局部更 换的要求。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
( 一 ) 初期支护的耐久性
1. 喷混凝土 在腐蚀性严重的场合，喷混凝土的强度等级应不低 于二次衬砌混凝土的强度等级； 喷混凝土的强度要满足长期强度（ 28d ）的要求， 且 1d 的抗压强度不宜小于 10MPa 。 2. 锚杆 锚杆宜采用全长灌浆式锚杆，并应设置垫板。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
化学侵蚀环境
化学侵蚀类型
硫酸盐 侵蚀
盐类结 晶侵蚀 酸性侵
蚀 二氧化 碳侵蚀 镁盐侵
蚀
环境水中 SO42-含量 (mg/L)
强透水性环境土中 SO42-含量(mg/kg) 弱透水性环境土中 SO42-含量(mg/kg) 环境土中 SO42-含量
(mg/kg)
管理等级 Ⅲ Ⅱ Ⅰ
变形管理等级
管理位移 U＜U0/3 U0/3≤U≤2U0/3 U＞2U0/3
施工状态 可正常施工 应加强支护 应采取特殊措施
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
4. 隧道失稳的经验先兆： •局部块石坍塌或层状劈裂，喷层的大量开裂； •累计位移量已达极限位移的 2/3 ，且仍未出现收敛 减缓的迹象； •每日的位移量超过极限位移的 10 ％； •洞室变形有异常加速，即在无施工干扰时的变形速 率加大。
•在施工阶段可利用位移反分析求得的围岩力学指标 和荷载分布状况，通过计算模拟取出极限位移。
第五章 隧道支护结构设计计算方法的基本原理
《隧道总体设计》课件
隧道线路设计应结合地形地貌，合理选择线路走向和埋深，减少对 自然景观的破坏。
考虑施工方法
隧道线路设计应考虑施工方法，为施工创造有利条件，降低施工难 度和风险。
隧道线路的平面设计
线形设计
隧道平面设计应根据路线走向、 地形地貌、施工方法等因素进行 线形设计，包括直线、曲线、坡
度等要素的合理组合。
隧道位置应考虑建设成本和运营成本 ，尽量缩短隧道长度，降低工程造价 ，提高运营效益。
环境保护
隧道应尽量减少对周边环境的破坏， 避开自然保护区、水源地等敏感区域 ，确保施工过程和运营过程中的环境 保护。
隧道线路设计的基本要求
满足行车安全和舒适性
隧道线路设计应满足行车安全和舒适性的要求，保证车辆在隧道 内行驶的稳定性、视距和通风等条件。
横断面设计
横断面设计应根据隧道长度、埋深 、地质条件等因素进行合理布置， 包括车道宽度、路肩宽度、侧向净 空等要素的合理配置。
纵断面设计
纵断面设计应根据地形地貌、埋深 、排水要求等因素进行合理布置， 包括坡度、坡长、竖曲线半径等要 素的合理配置。
03 隧道结构设计
隧道结构的形式与特点
隧道结构形式
根据隧道的功能、地形、地质等 因素，隧道结构形式可分为圆形 、矩形、马蹄形、椭圆形等。
隧道结构特点
隧道结构需具备承受一定荷载、 适应地质变化、防止渗漏水等功 能，同时要满足安全、经济、环 保等要求。
隧道结构的荷载分析
01
02
03
静荷载
包括隧道顶部的土重、侧 壁土压力、地下水压力等 。
动荷载
包括列车、汽车等交通工 具行驶时产生的振动和冲 击力。
隧道通风与照明的实施要点
合理选择通风设备
《隧道结构构造》课件
隧道结构组成
01
02
03
洞身
隧道的主体部分，包括衬 砌和仰拱。
洞门
隧道的进出口部分，通常 采用端墙式洞门结构。
排水系统
用于排出隧道内的积水， 通常包括排水沟和集水坑 。
隧道结构设计原则
安全可靠
隧道结构设计应满足强 度、稳定性和耐久性的 要求，确保运营安全。
经济合理
结构设计应充分考虑施 工难度、工程造价等因
二次衬砌应在隧道施工完成后 进行，以确保隧道结构的稳定 性和安全性。
仰拱设计
仰拱是隧道底部结构的重要组成部分，主要作用是承受 围岩压力和外部荷载，同时控制底部的变形。
仰拱材料可选用混凝土或钢筋混凝土等，应具备足够的 强度和耐久性。
设计时应根据隧道跨度、围岩压力、外部荷载等因素进 行计算和分析，确定合适的仰拱厚度和材料。
支护结构
根据围岩等级和地质条件，选 择合适的初期支护和二次衬砌 结构。
施工监控
采用自动化监测系统，实时监 测隧道施工过程中的位移、应 力等数据。
防水排水
设计完善的防水排水系统，确 保隧道在使用过程中不渗漏。
某山区公路隧道防排水技术研究
防水材料
选用高分子防水材料，提高隧道的防水性能 。
排水系统
设计合理的排水系统，将隧道内的水引至集 水井，再通过水泵排出洞外。
初期支护应尽早施做，以控制 围岩变形，减少对隧道结构的
影响。
二次衬砌设计
二次衬砌是隧道永久结构的重 要组成部分，主要作用是承受
围岩压力和外部荷载。
设计时应根据隧道跨度、围岩 压力、外部荷载等因素进行计 算和分析，确定合适的衬砌厚
度和材料。
衬砌材料可选用混凝土、钢筋 混凝土或复合材料等，应具备 足够的强度和耐久性。
隧道结构设计隧道工程结构构造设计课件PPT(共43页)
※ Ⅳ级及以下围岩或可能出现偏压时，应设置仰拱。
※ 仰拱的重要性
① 解决基础承载力不够，减少下沉：防止底鼓的隆起变形，调 整衬砌应力的作用；
② 封闭围岩，制止围岩过大的松弛变形，将围岩塑性变形和形 变压力控制在允许范围，提高结构的整体承载力；
偏压衬砌示意图
6、喇叭口隧道衬砌
在山区双线隧道， 可将一条双幅公路隧道 分建为二个单线隧道或 二条单线并建为一条双 幅的情况，衬砌产生了 一个过渡区段，这部分 隧道衬砌的断面及线间 距均有变化，相应成了 一个喇叭型，称为喇叭 口隧道衬砌。
嗽叭口隧道衬砌示意图
二、支护结构
初期支护 (一次支护)
支护 结构 永久支护(二
※ 采用就地整体模注现浇砼，适用较广，截面可以是等截面或 是变截面。
※ IV级以上围岩，地基松软，往往侧压力较大，故宜采用 曲墙带仰拱的衬砌。
设置 作用 仰拱
使结构及时封闭，提高整体承载力和侧墙抵抗侧 压力的能力
抵御结构下沉变形，调整围岩和衬砌的应力状态
※ 严寒地区隧道，不管围岩等级如何，只要有地下水存在， 衬砌型式仍应采用曲墙式衬砌，并在施工中根据情况设置伸 缩缝
※ 在层状围岩中，采用喷锚支护效果较好；
※ 喷锚支护作为柔性支护，变形量较大，其外轮廓线宜预留稍 大的空间（20cm）；
※ 为了使开挖时外轮廓线圆顺，尽可能减少围岩中的应力集中 锚喷衬砌的内轮廓线，宜采用曲墙式的断面形式；
※ 锚喷衬砌内表面不太平整顺直，美观性差，影响司机在行车 中视觉感观，应根据需要考虑内装。
③ 具有防水效果，且可减少二次衬砌混凝土的收缩裂缝。
第五章隧道结构体系设计(原理与方法)
图5-13 支护特性曲线
对于几种支护结构型式，其支护特性曲线如图5-13所示。
五、围岩与支护结构准静力平衡状态的建立(三次应力场)
如果支护结构有足够的强度和刚度，则围岩的支护需求曲线和支护结构的支护补给曲线会相交一点，而达到平衡，这个交点都应在 或 之前。随着时间的推移，地下水位逐渐恢复，围岩物性指标恶化，锚杆锈蚀等等，这个平衡状态还将调整。
要进行支护结构设计，就必须充分认识和了解以下五方面的问题： 围岩的初始应力状态，或称一次应力状态 , 这部分内容已在第四章中作了介绍； 开挖隧道后围岩的二次应力状态 和位移场 ； 判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件即围岩稳定性准则。一般可表示为： (5-1) 式中的 、 是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标。
隧道开挖前岩体处于初始应力状态，谓之一次应力状态；开挖隧道后引起了围岩应力的重分布，同时围岩将产生向隧道内的位移，形成了新的应力场，称之为围岩的二次应力状态，这种状态受到开挖方式(爆破、非爆破)和方法(全断面开挖、分部开挖等)的强烈影响。如果隧道围岩不能保持长期稳定，就必须设置支护结构，从隧道内部对围岩施加约束，控制围岩变形，改善围岩的应力状态，促使其稳定，这就是三次应力状态。显然这种状态与支护结构类型、方法以及施设时间等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构，这样，这个力学过程才告结束。
3. 膨胀压力 当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。 4. 冲击压力 冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能之后，由于隧道的开挖，围岩约束被解除，能量突然释放所产生的压力。
二、围岩松动压力的形成和确定的方法
作用在支护结构上的围岩松动压力总是远远小于其上覆盖地层自重所造成的压力。这可以用围岩的“成拱作用”来解释。
隧道设计理论ppt课件
锚杆长总度L：
LL1L2L3
式中：L1是锚固深度；L2为不稳 定岩层厚度；L3是外露长度（约小于 喷射混凝土厚度）；
③ 锚杆直径的确定 以抗拉为例，锚杆直径可用下式计算
d 2 kN
Rg
式中：K是安全系数，可取2；Rg 是锚杆抗拉强度；N是锚杆所受拉力；
d是锚杆直径。
④ 锚杆间距的确定
若等间距布置，每根锚杆所负担的 岩体重量即为所受荷载。
组成“组合结构”或“整体结构物” 。
（4） 喷射砼设计
➢设计参数有哪些
厚度和强度
➢ 厚度设计
抗冲切计算
kG
喷层厚度必须满足： d
RLu
是什么物理意义？
抗撕裂计算
喷层厚度必须满足： d kG R Lu u
厚度确定
✓ 按照抗冲切和抗撕裂分别计算，取其 最大值；
✓ 还必须满足构造要求：不小于5cm， 不大于20cm（思考为什么呢？）
《隧道设计理论》
1、锚杆支护结构 2、喷射混凝土结构
1、锚杆支护结构
⑴ 锚杆类型 ⑵ 锚杆的力学作用 ⑶ 锚杆的设计与计算 ⑷ 支护块状围岩 ⑸ 加固裂隙围岩
⑴ 锚杆类型 ① 全长粘结型
⑴ 锚杆类型 ② 端头锚固型
⑴ 锚杆类型 ② 端头锚固型
⑴ 锚杆类型 ② 端头锚固型
⑴ 锚杆类型 ③ 摩察型
④ 整体加固作用：锚杆群锚入围岩后， 其两端附近岩体形成圆锥形压缩区，按照 一定间距排列的锚杆在锚固力作用下构成 一个均匀的压缩带，即承载环。
⑶ 锚杆的设计与计算
① 锚杆承载力计算 ② 锚杆锚固长度确定 ③ 锚杆直径的确定 ④ 锚杆间距的确定
① 锚杆承载力计算
裂隙面
锚杆
锚杆
5 隧道结构构造
31
复合式衬砌
（一）初期支护 4、钢筋网 钢筋网喷射混凝土是在喷射混凝土之前，在岩面上
挂设钢筋网，然后再喷射混凝土。目前，我国在各类隧 道工程中应用钢筋网喷射混凝土支护的比较多，主要用 于软弱破碎围岩，而更多的是与锚杆或者钢拱架构成联 合支护。
山岭隧道
32
复合式衬砌
（一）初期支护 4、钢筋网 钢筋网通常作环向和纵向布置。环向筋一般为受力
时速350 km双线铁路隧道代表性衬砌结构断面(V级围岩)
51
复合式衬砌
（三）山岭隧道复合式衬砌典型断面及部分参数 5）高速铁路隧道复合式衬砌断面
山岭隧道
时速350 km双线铁路隧道代表性衬砌结构断面(II级围岩)
52
单层衬砌
（一）整体式混凝土衬砌 隧道开挖后，以较大厚度和刚度的整体模筑混凝
土作为隧道的结构。 整体式衬砌按照工程类比、不同围岩级别采用不
山岭隧道
18
复合式衬砌
（一）初期支护 2、喷射混凝土 喷混凝土的设计项目主要是喷混凝土的强度、厚度。 我国铁路隧道设计规范和公路隧道设计规范以及锚
杆喷射混凝土支护技术规范规定的喷混凝土为C20。
山岭隧道
19
复合式衬砌
（一）初期支护 2、喷射混凝土
对喷混凝土厚度的认识 ： 从饰面的角度出发，喷混凝土厚度多采用5cm，喷砂 浆的厚度可以采用3cm； 从发挥支护构件作用，厚度不宜小于8cm； 喷混凝土的最大厚度，除特殊场合外不宜大于20cm， 在特殊场合可以采用25cm。
筋，由设计确定，直径12mm左右；纵向筋一般为构造 筋，直径6~10mm；网格尺寸一般为20cmx20cm, 20cmx25cm,25cmx25cm,25cmx30cm或30cmx30cm。
隧道设计原理：地质条件、结构选型与施工方法
06
隧道设计实例分析与讨论
典型隧道设计案例分析
分析典型隧道设计案例，了解隧道设计 过程中的关键技术和管理经验
从结构设计、施工方法和安全环保等方 面进行案例讨论
隧道设计中的经验教训与启示
01 总结隧道设计中的经验教训，为提高隧道设计水平提供参考 02 探讨隧道设计的发展趋势，为未来隧道设计提供启示
隧道施工质量 的检测
01
• 严格施工管理，确保施工过 程符合设计要求 • 采用监测技术，实时了解隧 道结构的施工状态
02
• 进行材料检测，确保材料质 量合格 • 进行结构检测，评估隧道结 构的安全性和耐久性
隧05道设计与施工中的安全
与环保问题
隧道设计与施工中的安全风险评估
• 隧道设计与施工中的安全风险评估 • 分析地质条件、结构设计和施工方法等方面的安全风险 • 制定应急预案，提高隧道安全应急能力
隧道设计原理：地质条件、结构选型与施 工方法
01
隧道设计原理概述
隧道设计的基本原则与方法
隧道设计的基本原则
• 确保隧道结构安全，满足使 用要求 • 遵循经济合理原则，降低成 本 • 注重环境保护，减少对周边 环境的影响
隧道设计的方法
• 采用数值模拟和现场试验相 结合的方法 • 运用地质勘探和监测技术了 解隧道地质条件 • 结合结构设计和施工技术进 行方案优化
隧道设计的未来发展趋势与展望
隧道设计的未来发展趋势
• 智能化：运用信息技术、物联网等先进技术，提高隧道设计、施工和管理的智能化水平 • 绿色化：注重环保、可持续发展，降低隧道建设对环境的影响 • 个性化：根据地域特点、交通需求等，设计具有特色的隧道结构
隧道工程考点答案
隧道⼯程考点答案第⼀章绪论1.隧道的概念：隧道是埋置于地层中的⼯程建筑物，是⼈类利⽤地下空间的⼀种形式。
是“以某种⽤途，在地⾯下⽤任何⽅法按规定形状和尺⼨修筑的断⾯积⼤于2平⽅⽶的洞室。
”2.隧道按位置分类：⼭岭隧道、⽔底隧道和城市隧道。
3.隧道按⽤途分类：交通隧道、⽔⼯隧道和市政隧道和矿⼭隧道。
第⼆章隧道⼯程地质环境及围岩分级1.⼯程地质调查测绘主要内容：隧道通过地段的地质调查测绘是隧道⼯程地质勘测的核⼼⼯作。
①铁路⼯程地质技术规范的总要求②地形地貌调查③地层、岩性调查④地质构造调查⑤⽔⽂地质调查⑥滑坡、落⽯、岩堆、泥⽯流和岩溶地质调查⑦地温测定2.如何引起岩体的初始应⼒：由于岩体的⾃重和地质构造作⽤和地质地温作⽤引起3.RQD法的定义及公式：所谓岩⽯质量指标RQD是指钻探时岩芯复原率，或称岩芯采取率。
岩芯复原率即单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的⽐例,可写为4.围岩分级的基本因素：①岩⽯坚硬程度②岩体的完整程度5.围岩的基本分级：P25表格6.隧道级别的修正：①地下⽔影响的修正②围岩初始地应⼒状态修正③风化作⽤的影响第三章隧道线路及断⾯设计1.越岭线上隧道位置选择考虑因素：主要以选择垭⼝和确定隧道⾼程两⼤因素为依据。
2.隧道洞⼝位置选择（“早进晚出”+9原则）：①“早进晚出”的原则②洞⼝不宜设在垭⼝沟⾕的中⼼或沟底低洼处③洞⼝应避开不良地质地段④当隧道线路通过岩壁陡⽴，基岩裸露处时，最好不刷动或少刷动原⽣地表，以保持⼭体的天然平衡。
⑤减少洞⼝路埑段长度，延长隧道，提前进洞。
⑥洞⼝线路宜与等⾼线正交。
⑦当线路位于有可能被⽔淹没的河滩或⽔库回⽔影响范围以内时，隧道洞⼝标⾼应⾼出洪⽔位加波浪⾼度，以防洪⽔灌⼊隧道。
⑧为了确保洞⼝的稳定和安全，边坡及仰坡均不宜开挖过⾼。
⑨当洞⼝附近遇有⽔沟或⽔渠横跨线路时，可设置拉槽开沟的桥梁或涵洞，以排泄⽔流。
⑩当洞⼝地势开阔，有利于施⼯场地地布置时，可利⽤弃渣有计划、有⽬的地改造洞⼝场地，以便布置运输便道、材料堆放场、⽣产设施⽤地及⽣产、⽣活⽤房等。
隧道结构体系设计(原理与方法)
隧道支护结构
防水排水设计
采用复合式衬砌结构，包括初期支护和二 次衬砌。初期支护采用喷射混凝土和钢拱 架，二次衬砌采用钢筋混凝土。
采用全包防水设计，设置中心深埋水沟和 侧沟，配备专业的排水系统。
某铁路隧道结构设计
隧道长度与规模
该隧道全长8公里，为双线铁路 隧道。
结构设计原则
确保隧道结构的强度、刚度和 稳定性，满足高速铁路的行车 要求。
力。
智能材料
如形状记忆合金、压电陶瓷等， 能够感知外界刺激并作出响应， 可用于监测隧道结构的健康状况，
实现结构的自适应调节。
智能化技术在隧道结构体系中的应用
1 2 3
智能传感器技术
通过安装智能传感器，实时监测隧道结构的应力、 应变、位移等参数，为结构安全性评估提供数据 支持。
数值模拟与优化设计
利用数值模拟软件对隧道结构进行精细化建模和 分析，优化设计方案，提高结构的经济性和安全 性。
自动化施工与监控
通过自动化施工设备和智能监控系统，实现隧道 施工过程的实时监测和自动控制，提高施工效率 和安全性。
绿色环保理念在隧道结构体系中的应用
节能设计
优化隧道照明、通风等系统设计，采用节能设备和技术，降低能耗 和碳排放。
资源循环利用
对隧道施工过程中的废旧材料进行回收和再利用，减少资源浪费和 环境污染。
结构的耐久性。
03
隧道结构体系设计方法
隧道结构的断设计
根据隧道的功能和用途，确定隧道的断面形状和 尺寸，以满足行车、行人的安全和舒适性要求。
考虑地质条件、施工方法等因素，优化隧道断面 设计，降低施工难度和成本。
考虑环保和景观要求，将隧道断面设计与周围环 境相协调，提高隧道的美观性和舒适性。
5隧道结构范文
5隧道结构范文隧道是一种人工建造的地下通道，用于连接两个地点，通常是为了车辆或人员的快速交通或其他目的。
隧道的结构设计是非常重要的，它必须能够承受地下水压、地质变形、自然灾害以及使用压力等。
在这篇文章中，我们将讨论隧道结构的设计要素和常用的材料。
隧道结构的设计要素包括地质条件、水文地质条件、设计载荷、预期使用寿命、维护和修复考虑等。
其中，地质条件是决定隧道结构设计的最重要因素之一、地质条件包括地层的岩石类型、强度、稳定性以及地下水的状况等。
设计师必须对这些地质条件充分了解，并据此选择合适的结构材料和施工方法。
隧道结构常用的材料包括钢筋混凝土、预应力混凝土、钢材和高性能聚合物材料等。
钢筋混凝土是最常用的隧道结构材料之一，它具有较高的强度和耐久性。
预应力混凝土则通过在混凝土浇筑前施加预应力，提高了结构的抗弯能力和整体性能。
钢材在隧道结构中主要用于增强和加固结构，保证其稳定性。
高性能聚合物材料在隧道衬砌和防水层等方面具有优异的性能。
隧道结构的施工方法包括盖挖法、掘进法、隧道爆破法等。
盖挖法是指先在地表开挖出一个坑，然后从上往下逐层建造隧道结构。
掘进法是指使用掘进机在地下逐步挖掘隧道，并同时进行结构的施工。
隧道爆破法是指通过爆破方法进行隧道的开挖，然后再进行结构的建设。
隧道结构的设计还要考虑到安全性和紧急情况下的疏散。
设计师必须根据隧道的用途和货物种类确定紧急出口和避难所的数量和位置。
同时，应设计合适的通风系统和消防设施，确保在事故发生时能够及时疏散人员并进行救援工作。
隧道的维护和修复是隧道结构设计中的重要环节。
隧道经常受到水压、地质变形、冻融等因素的影响，导致结构的损坏。
因此，定期检查和维护是必不可少的。
在发现结构损坏或安全问题时，必须及时采取修复措施，以防止进一步损害。
总之，隧道结构的设计要素和材料选择是确保隧道结构安全稳定的关键。
设计师必须根据地质条件、设计要求和预期使用寿命等因素综合考虑，选择合适的结构材料和施工方法。
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但当时并没有认识到这种塌落并不是形成围岩压力的唯一来源， 也不是所有的情况都会发生塌落，更没有认识到通过稳定围岩， 可以发挥围岩的自身承载能力。
对于围岩自身承载能力的认识有又分为两个阶段：
（1）假定弹性反力阶段
20世纪初期，假定弹性反力的分布图形位置线为三角形或梯形
•
1934年，按结构的变形曲线假定地层弹性反力的分布图形为月牙形 局部变形弹性地基梁理论
二、隧道支护结构计算理论的发展
1.刚性结构阶段 2.弹性结构阶段 3.连续介质阶段
1.刚性结构阶段
19世纪的地下建筑物大都是以砖石材料砌筑的拱形圬工结构。
最先出现的计算理论是将地下结构视为刚性结构的压力线理论。
压力线理论认为，地下结构是由一些刚性块组成的拱形结 构，所受的主动荷载是地层压力，当地下结构处于极限平 衡状态时，它是由绝对刚体组成的三铰拱静定体系，铰的 位置分别假设在墙底和拱顶，其内力可按静力学原理进行 计算。
随机有限元（包括摄动法、纽曼法、最大熵法和响应面法等）、 Monte-Carlo模拟论分析方法近年来都有了较大的发展。
三、计算模型
（一）计算模型种类 （二）常用计算模型 （三）隧道工程的两大理论比较
（一）计算模型种类
理想的隧道工程的数学力学模型应能反映这些因素：
护结构施加的压力，称为形变压力。
这种计算方法的重要特征是把支护结构与岩体作为一个统一的 力学体系来考虑。两者之间的相互作用则与岩体的初始应力状态、
岩体的特性、支护结构的特性、支护结构与围岩的接触条件以及参与 工作的时间等一系列因素有关，其中也包括施工技术的影响。
锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的一整套新奥地利 隧道设计施工方法的兴起，终于形成了以岩体力学原理为基础的、考 虑支护与围岩共同作用的地下工程现代支护理论。
2.弹性结构阶段
19世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材料陆续出现，并用于建造地
下工程，使地下结构具有较好的整体性。从这时起，地下结构开始按
弹性连续拱形框架用超静定结构力学方法计算结构内力。
作用在结构上的荷载是主动的地层压力，并考虑了地层对结 构产生的弹性反力的约束作用。
这类计算理论认为，当地下结构埋置深度较大时，作用在结构上 的压力不是上覆岩层的重力而只是围岩坍落体积内松动岩体的重
钢、木临时支护
天• 然石块、陶土砖衬砌
混凝土砌块
喷锚支护
模筑混凝土
钢筋、钢拱支撑
管棚、注浆等预支护
喷锚衬砌 复合衬砌
3．支护系统承载能力及安全度评定的完善
早期采用允许应力法，用压力线方法静力平衡求出衬砌 各截面的内力后，要求截面上 的• 最大应力不超过材料的 允许应力。
破损阶段设计法，考虑材料的塑性性质以及计算截面 的承载能力。衬砌截面按偏心受压构件处理
概率极限状态可靠度设计在地面结构中成功地应用，我 国20世纪80年代中期开始将可靠度方法引入隧道设计的 研究。《铁路隧道设计规范》（TB 10003--2005）已有 “概率极限状态设计”一节。
4．支护系统设计手段的发展
早期按刚性结构设计衬砌，在图纸上画出多边形及压力曲 线，用比例尺量出偏心矩，其精度• 较低。
按弹性结构假定抗力分布或按弹性地基梁计算的超静
定拱形结构，采用机械式或电动式计算器（机）。
电子计算机的应用，线性代数及计算技术等数学工具的发 展，隧道支护系统设计计算进入新的阶段。 支护系统有限元、边界元、离散元分析，弹塑性、粘弹塑 性和几何、物理双非线性等模型的采用和通用程序相继编 出，能在较短的时间计算出成果。各种反分析和重复几万 次运算的随机分析也能在较短的时间完成。目前有关设计 院已拥有各种隧道支护系统设计、计算、绘图连续完成的 CAD软件及勘测、设计、施工图一体化的软件，支护系统 设计已进入智能化设计阶段。
（2）弹性地基梁阶段
共同变形弹性地基梁理论
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3.连续介质阶段
20世纪中期以来，连续介质力学理论
这种计算方法以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内
变形而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组成的地下结构体系共同 承受。一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护阻力，从而引 起它的应力调整达到新的平衡，另一方面，由于支护结构阻止围岩变 形，它必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形。这种反作用力和 围岩的松动压力极不相同，它是支护结构与围岩共同变形过程中对支
隧道工程
主讲教师:曹志军
第五章 隧道结构设计基本原理
隧道结构计算的任务，就是采用数学力学的方法， 计算分析在隧道修筑的整个过程中（包括竣工运 营）隧道围岩及衬砌的强度、刚度及稳定性，为 隧道的设计及施工提供具体设计参数。
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第五章 隧道结构设计基本原理
§5.1隧道设计计算理论的发展 §5.2围岩压力 §5.3结构力学方法 *洞门设计计算 §5.4岩体力学方法 §5.5信息反馈方法及经验方法 §5.6隧道支护的结构类型及设计
早期采用允许应力法，用压力线方法静力平衡求出衬砌各 截面的内力后，要求截面上的最大应力不超过材料的允许 应力。衬砌的稳定性则以最大横推力与最小横推力的比值 来判定
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这种计算理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重力， 没有考虑围岩自身的承载能力。 压力线假设的计算方法缺乏理论依据，一般情况偏于保守，所设计 的衬砌厚度将偏大很多。
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到20世纪80年代又将现场监控量测与理论分析结合起来，发
展成为一种适应地下工程特点和当前施工技术水平的新设计方法—
—现场监控设计方法（也称信息化设计方法）。
目前，工程中主要使用的工程类比设计法，也正向着定量化、 精确化和科学化方向发展。
在地下工程支护结构设计中应用可靠性理论、推行概率极限状态设计 研究方面也取得了重要进展。
§5.1隧道设计计算理论的发展
一、隧道设计理论的发展 二、隧道支护结构计算理论的发展 三、计算模型
一、隧道设计理论的发展
1．支护系统的组成和类型的发展 2．支护系统的设计计算理论的发展 3．支护系统承载能力及安全度评定的完善 4．支护系统设计手段的发展 5．支护系统的设计计算模型
1．支护系统的组成和类型的发展