铁路隧道设计简介

＞60 50～60 ～ 39～50 ～ 27～39 ～ 20～27 ～ ＜22
＞2.1 1.5～2.1 ～ 0.7～1.5 ～ 0.2～0.7 ～ 0.05～0.2 ～ ＜0.1
＞78 70～78 ～ 60～70 ～ 50～60 ～ 40～50 ～ 30～40 ～
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
7
*《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》中的围岩分级编号与地铁设计规范是相反的
特长隧道 长隧道 中隧道 短隧道
无规定
3
3.隧道围岩分级
从三个设计规范对围岩分级，都是由好到 差的地层排序，都分为六级，只是文字描述上 的差别，按各自的判别程序进行，其最终结果 是一致的。
4
围
铁
岩
路
规
范
公 路 规 范
基本质量 指标BQ或 修正的围 岩基本质 量指标 [BQ]
地 铁 规 范
围岩主要工程地质条件 级 主要工程地质特征 别 极硬岩：受地质构造影响 轻微，节理不发育，无软 弱面；巨厚或厚层，层间 结合良好，岩体完整 结构 特征和 完整状 态 围岩开挖后 的稳定状态 （单线） 围岩弹 性纵波 速度 Up（ｋｍ／s） 围岩或土体主 要定性特征
荷 载 名 称
铁路规范
有 有 有 有 有
公路规范
有 有 有 有 有 有
地铁规范
有 设备自重 地层压力
备
注
永久荷载
砼收缩和徐变的影响 水压力 结构上部建筑对地铁有影响的外载 地基下沉影响力 列车活载 活载所产生的土压力 公路（铁路）活荷载 冲击力冲击力 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 有 水压及浮力 有 有 有 有
计算摩 擦角 φc
（°）
E GPa） （GPa）
＞33 20～33 ～ 6～20 ～ 1.3～6 ～ 1～2 ～ ＜1
ν
C φ（°） （MPa） （ ）
地 铁 围 岩 级 别*
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
26～28 ～ 25～27 ～ 23～25 ～ 20～23 ～ 17～20 ～ 15～17 ～
＜0.2 0.2～0.25 ～ 0.25～0.3 ～ 0.3～0.35 ～ 0.35～0.45 ～ 0.4～0.5 ～
可变荷载
温度变化的影响 施工荷载 渡槽流水力（设计渡槽明洞时） 冻胀力 灌浆压力
偶然荷载
落石冲击力 地震力
9
有 有
2）深、浅埋隧道的判断
铁 路 规 范 公 路 规 范 地铁 规 范
按隧道拱顶以上覆土厚度大致为 2.5倍塌方高度，为深、浅埋隧道的 分界值（米）
按荷载等效高度值，并结合地质 按铁路 条件、施工方法等因素综合判定。 隧道设计规 按荷载等效高度判别式： 范确定。 Hp=(2~2.5)hq
基本判别条件 同铁路规范
Ⅰ
呈巨块 状整体 结构
围岩稳定， 无坍塌，可 能产生岩爆 长，可能会 出现局部小 坍塌；侧壁 稳定；层间 结合差的平 缓岩层，顶 板易塌落
＞4.5
坚硬岩，岩体 完整，巨整体 状或巨厚层状 结构
≥550
地铁Ⅵ级等同铁路Ⅰ 级
（Ⅵ）
硬质岩：受地质构造影响 较重，节理较发育，有少 量软弱面和贯通微张开节 呈巨块 理，其产状不致产生滑动； 或大块 层状岩层为中厚层或厚层， 状结构 层间结合一般，很少有分 离现象或为硬质岩石偶夹 软质岩石 硬质岩：受地质构造影响 严重，节理发育，有层状 软弱面，其产状不致产生 滑动；层状岩层为薄层或 中层，层间结合差，多有 分离现象；硬、软质岩石 互层 较软岩：受地质构造影响 较重，节理较发育；层状 岩层为薄、中厚或厚层， 层间结合一般 坚硬岩，岩体 较完整，块状 或厚层状结构； 较坚硬岩，岩 体完整，块状 整体结构
q=γh； ；
h=0.41×1.79s ×
式中 ： q—围岩垂直匀布压力（kpa）； γ—围岩重度（kN/m3）； h—围岩压力计算高度（m）； S—围岩级别。 （2）水平匀布压力（e） 围岩水平匀布压力（ ） 围岩水平匀布压力（e）表 围岩级别 e（kpa） Ⅰ～Ⅱ 0 Ⅲ ＜0.15q Ⅳ （0.15～ 0.3）q Ⅴ （0.3～ 0.5）q Ⅵ （0.5～ 1.0）q
Fd=γfFk
式中：γf—荷载分项系数； Fk—荷载标准值。 2）基本组合为： 结构自重＋围岩压力或土压力 ） 基本组合系数为1.0 3）围岩压力： 按松散压力考虑 ） （1）垂直匀布压力（q）
2.Ⅳ～Ⅵ级围岩压力计算： Ⅳ 级围岩压力计算：
Ⅳ～Ⅵ级围岩中的深埋隧道的围岩压力为松 散荷载时，其垂直均布压力和水平均布压力可按下 列公式计算： （1）垂直均布压力
Ⅱ
3.5～4.5
550～451
地铁Ⅴ级等同铁路Ⅱ 级
（Ⅴ）
Ⅲ
块（石） 碎（石） 状镶嵌 拱部无支护 结构 时可产生小 坍塌，侧壁 基本稳定， 爆破震动过 大易塌 呈大块 状结构
2.5～4.0
坚硬岩，岩体 较破碎，巨块 （石）碎（石） 状镶嵌结构； 较坚硬岩或较 软硬岩层，岩 体较完整，块 状体或中厚层 结构
地铁Ⅰ级等同 铁路Ⅵ级
／
（Ⅰ）
6
4.各类围岩的物理力学指标
铁路、 公路 围岩 级别 重度 γ （kN/m3） 弹性反力系 数
K （MPa/m） ） 1800～2800 ～ 1200～1800 ～ 500～1200 ～ 200～500 ～ 100～200 ～ ＜100
变形模 量
泊松比
内摩擦 角
黏聚力
隧道设计简介
1
1.概述
我国的隧道建设，尤其是长大隧道的建设主要集中在 铁路隧道，如西安～安康铁路上的秦岭隧道长18456米， 最近修通的公路秦岭终南山隧道长度也在18公里以上。这 些隧道的建成对缩短行车距离、减少行车时间、提高行车 速度、降低事故发生率、减少养护维修工作、保护环境等 绪多方面发挥了积极作用，取得了良好的经济和社会效益。 在此仅对铁路隧道、公路隧道和地铁矿山法施工的隧 道作一简略的介绍和对比，目的是希望通过讲座对初次涉 足隧道工程的同仁在设计山岭隧道时有一点慨念性的认识 和对地铁岩性隧道设计有一点帮助，不当和错误之处请大 家提出宝贵意见。
规
范
地 铁 规 范
结构特征和 完整状态
呈碎石状压碎 结构
围岩开挖后的 稳定状态 （单线）
围岩和土体主要 定性特征
围岩基本 质量指标 BQ或修正 的围岩基 本质量指 标〔BQ〕
基本判别 条件同铁 路规范
呈块碎石状镶 嵌结构
拱部无支护时， 可产生较大的坍 塌，侧壁有时失 去稳定
1.5～ 3.0
坚硬岩，岩体破碎， 碎裂结构； 较坚硬岩，岩体较破 碎～破碎，镶嵌碎裂 350～251 结构； 较软岩或软硬岩互层， 且以软岩为主，岩体 较完整～较破碎，中 薄层状结构
q=γh； ；
h=0.45×2S-1ω ×
式中：q、γ、S、ω含意同左； （2）围岩水平均布压力 围岩水平均布压力同铁路隧道设计规范。
2.采用破损阶段法或容许应力法进行结构计算时： 采用破损阶段法或容许应力法进行结构计算时： 采用破损阶段法或容许应力法进行结构计算时
围岩压力按松散压力考虑 （1）垂直匀布压力（q）
地铁Ⅱ级等同 铁路Ⅴ级
Ⅴ Ⅴ Ⅴ Ⅴ Ⅵ Ⅵ Ⅵ Ⅵ
（Ⅱ）
／
岩体：受构造影响严重源自文库碎石、角 砾及粉末、泥土状的断层带
粘性土呈易蠕 动的松软结构， 砂性土呈潮湿 松散结构
土体：软塑状粘性土、饱和的粉土、 砂类土等
围岩极易坍塌变 形，有水时土砂 常与水一齐涌出； 浅埋时易塌至地 表
＜1.0 （饱和 软塑状粘性土及潮湿、 状态的 饱和粉细砂层、软土 土＜1.5） 等
地铁Ⅳ级等同铁路Ⅲ 级 450～351
（Ⅳ）
5
围 铁 岩 围岩主要工程地质条件 级 别 主要工程地质特征 3. 3. 3. 3.
硬质岩：受地质构造影响极严重， 节理很发育；层状软弱面（或夹层） 己基本破坏 软质岩：受地质构造影响严重，节 理发育
路
规
范 围岩弹 性 纵波速 度 υp （km/s)
公
路
5.两平行隧道间的净距
两平行隧道间的净距，应按围岩地质条件、隧道埋深、隧道断面尺寸及施 工方法等多种因素确定，一般情况下，应大于下表数值。
围 岩 级 地 铁 规 范 别
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ
注
铁 路 规 范
相邻单线隧道间的最小净距 〔1.5～2.0〕B ～ 〕 〔2.0～2.5〕B ～ 〕 〔2.0～2.5〕B ～ 〕 〔2.5～3.0〕B ～ 〕 〔3.0～5.0〕B ～ 〕 ＞5.0B
2
2.隧道长度划分 隧道长度划分
铁路规范 分 长度（ ） 类 长度（m）
L>10000 10000>L≥3000 3000>L≥500 L<500
公路规范 分 长度（ ） 类 长度（m）
L>3000 3000≥L>1000 1000≥L>500 L≤500
地铁规范
特长隧道 长隧道 中长隧道 短隧道
（ Ⅲ ）
土体：1.压密或成岩 作用的粘性土及砂性 土；2.黄土（Q1、 Q2）；3.一般钙质、 铁质胶结的碎、卵石 土及大块石土
／
围岩易坍塌，处 理不当会出现大 坍塌，侧壁常小 坍；浅埋时易出 现地表下沉（陷） 或塌至地表
1.0～ 2.0
较软岩，岩体破碎； 软岩，岩体较破碎； ≤250 极破碎各类岩体，碎、 裂状，松散结构 一般第四系的半干硬 至硬塑的粘性土及稍 湿至潮湿的碎石土， 卵石、圆砾、角砾土 及黄土。非粘性土呈 松散结构，粘性土及 黄土呈松软结构
q=γh； ；
式中 （m）；
h=0.45×2S-1ω ×
B—坑道宽度
ω—宽度影响系数，ω=1＋i（B－5）；
i—B每增减1m时的围岩压力增减率：当B＜5m时，取 i=0.2；B＞5m时 可取i=0.1； 其余符号含义同上。 （2）水平匀布压力同“1”。
11
7.隧道设计模式
目前在隧道设计中还没有统一的设计模式。国内常用的有以下几种： 荷载—结构设计模式 结构设计模式： ⒈荷载 结构设计模式：是假定已知地层压力和地层对结构变形的约束抗力条件下，按 弹性地基上杆系的结构力学原理进行衬砌内力计算。在过去隧道设计中起到了一定的 作用，但这种设计模式不能反映隧道的实际情况，致使支护结构厚度偏大，造成浪费。 2.信息化设计模式：在二十世纪六七十年代，各种隧道开挖方法不断涌现，建设者们逐 信息化设计模式： 信息化设计模式 渐发现地下结构远比地上结构复杂得多，因而在建设的过程中根据地质和围岩的反馈 信息对隧道支护结构进行调整和修改结构设计很有必要。就形成了信息化设计模式， 其中典型代表就是新奥法 新奥法。新奥法是在隧道开挖中把围岩和支护系统力学形态的动态 新奥法 变化作为判定围岩稳定的依据，把施工监测中所获得的信息加以处理分析并与工程类 比相结合，建立一些必要的判别标准，对隧道在开挖过程中修改支护设计。这种集设 计、施工、现场量测为一体 ，并通过信息反馈修改支护设计和施工安全决策的方法就 是信息化设计。 3.连续介质模型 岩石力学解析法和数值法：解析法分为常规的数值解析算法及有限元 连续介质模型—岩石力学解析法和数值法 连续介质模型 岩石力学解析法和数值法： 法、离散元法、边界元法等，常规数值解析法很难计算多个断面或多种复杂情况下的 隧道结构内力，在支护结构中应用较少。而采用计算机作有限元、离散元、边界元等 解析方法能较好地分析各种荷载作用下的隧道支护结构的受力特征，可得到内力和变 形判断稳定或不稳定区域，但由于计算参数和计算模型的取舍、结果分析方法的复杂 性，一般利用这种结果对隧道结构进行校核，目前很少直接用设计计算中据此确定支 护结构。
公 路 规 范
分离式独立双洞的最小净距 1.0XB 1.5XB 2.0XB 2.5XB 3.5XB 4.0XB 1.用盾构法施工的 平行隧道间的净距 宜不小于隧道外轮 廓直径； 2.矿山法或新奥法 施工的平行隧道间 的净距可比照《铁 路规范》执行
B为隧道开挖断面宽度
8
6.荷载
1）荷载分类
荷载分类
结构自重 结构附加恒载 围岩压力 土压力
Ⅰ～Ⅲ级围岩取
Hp=2hq
10
C）荷载计算 ）
铁 路 隧 道 规 范
1.采用概率极限状态法进行结构计算时： 采用概率极限状态法进行结构计算时
1）荷载设计值： ）
公路规范
1.Ⅰ～Ⅳ级围岩压力计算： Ⅰ 级围岩压力计算：
其值可按释放荷载计算。围岩压力为主要形 变压力，详见设计规范附录D国。
地铁规范
无具体规 定。 可按铁 路隧道设 计规范办 理
地铁Ⅲ级等同 铁路Ⅳ级
Ⅳ Ⅳ Ⅳ Ⅳ
土体：1.具压密或成岩作用的粘性 土、粉土及砂类土； 2.黄土（Q1、Q2）;3.一般钙质、铁 质胶结的碎石土、卵石土、大块石 土 岩体：软岩，岩体破碎至极破碎全 部极软岩及全部极破碎岩； 1和2呈大块状 压密结构，3呈 巨块状整体结 构 呈角砾碎石状 松散结构 土体：一般第四系坚硬、硬塑粘性 土，稍密及以上、稍湿或潮湿的碎 石土、卵石土、圆砾土、角砾土、 粉土及黄土（Q3、Q4） 非粘性土呈松 散结构，粘性 土及黄土呈松 软结构
式中：Hp—浅埋隧道分界深度（米）； hq—荷载等效高度（米）：
围岩级别
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
hq=q/γ
q—用深埋隧道垂直均布压力公 式计算（kN/m2）； γ—围岩重度（kN/m3）。 在矿山法施工条件下，Ⅳ～Ⅵ级围岩取
单线隧道
5～7
10～14
18～25
Hp=2.5hq 双线隧道 8～10 15～20 30～35