第五章 隧道结构设计讲解
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● 永久荷载 ● 可变荷载 ● 偶然荷载
隧规P28：表6.1.1 作用在隧道结构上的荷载
编号
荷载类型
荷载名称
1
围岩压力
2
永久荷载
结构自重力
（恒载）
3
填土压力 水压力
4
混凝土收缩和徐变影响力
5
可
6
变
荷
7
载
8
9
10
基本 可变 荷载
其它 可变 荷载
公路车辆荷载，人群荷载 立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力和土压力
§ 荷载结构法 方法：
先给出地层对结构的荷载（土、水压力），再按 结构力学方法计算。 关键是荷载的确定方法。
图4-2 荷载—29结构模型
5.3 隧道结构体系的计算模型
2.岩体力学模型
特点： ◆ 支护结构与围岩视为一体，共同承受荷载，且以 围岩作为承载主体； ◆ 支护结构约束围岩的变形； ◆ 采用岩体力学方法计算； ◆ 围岩体现为形变压力。 适用于：锚喷支护
第五章 隧道结构设计
5.1 概述 5.2 荷载类型 5.3 计算模型 5.4 结构力学方法 5.5 岩体力学方法
5.6 隧道洞门计算 5.7 衬砌截面强度检算 5.8 半衬砌计算 5.9 曲墙衬砌计算 5.10 直墙衬砌计算
2019/6/12
中国矿业大学（北京）地下工程系
1
5.1 概述
1、隧道结构环境及其简化 2、隧道结构体系的计算模型
● 一类是以支护结构作为承载主体，结构力学 模型，又称为荷载－结构模型 ；
● 另一类则相反，视围岩为承载主体，支护结 构则为约束围岩变形的模型 ，即岩体力学模型 或称为围岩—结构模型。
5.2 隧道衬砌上的荷载类型
1、隧道结构上的基本荷载 2、隧道结构上的荷载及其类型
1、基本荷载
（1）围岩压力 （2）结构自重力
§ 地层结构法
将地层与结构视为一整体来进行分析，考虑地 层-结构的共同作用。 求解方法：
解析法 数值法
31
3.计算模型详细比较
结构力学模型
岩体力学模型
认识
力学 原理
视围岩为荷载的来源
三位一体特性
“荷载－结构”力学体 建立的是“围岩－支护”力学体系，
ຫໍສະໝຸດ Baidu
系，以最不利荷载组合 以实际的应力－应变状态作为支护
1、隧道结构环境及其简化
⑴ 隧道结构与地面结构的区别 隧道结构工程特性、设计原则和
方法与地面结构完全不同
⑴ 隧道结构与地面结构的区别
● 隧道结构是由周边围岩和支护 结构两者组成共同的并相互作用的 结构体系
● 周边围岩在很大程度上是隧道 结构承载的主体
⑴ 隧道结构与地面结构的区别
● 隧道衬砌的设计和计算应结合 围岩自承能力进行，保证使用寿限 内的安全度
⑶ 局部变形理论和共同变形理论
● 局部变形理论：是以温克尔 （E.Winkler）假定为基础的。它认 为应力和变形之间呈线性关系，即为 围岩弹性抗力系数
⑶ 局部变形理论和共同变形理论
● 共同变形理论把围岩视为弹性半 无限体，考虑相邻质点之间变形的 相互影响。
2、隧道结构体系的计算模型
计算模型的如何建立？ 隧道结构计算如何简化？ 不同简化计算结果差异大！
5.3 隧道结构体系的计算模型
5.3.2 隧道结构体系的计算模型
分为结构力学模型（荷载-结构模式）和岩体力学模型 （地层模式）。★
1.结构力学模型
特点： ◆ 以支护结构作为承载主体； ◆ 围岩对支护结构的作用间接地体现为两点：
①围岩压力； ②围岩弹性抗力。 ◆ 采用结构力学方法计算。
适用于：模筑砼衬砌
2、隧道结构体系的计算模型
国际隧道协会(ITA) 认为，目前 采用的地下结构设计方法可以归纳为 以下4种设计模型：
2、隧道结构体系的计算模型
● 以工程类比为主的经验设计法； ● 以现场量测和试验为主的实用设计法 ● 荷载—结构模型方法 ● 岩体力学模型方法，包括解析法和数 值法。
从各国的地下结构设计实践看，目前主要采 用两类计算模型：
附加恒载：伴随隧道运营的各种设备设施的荷载等。
5.3 隧道结构体系的计算模型
5.3.1 隧道工程的受力特点
1.荷载的模糊性 2.围岩物理力学参数难以准确获得
◆ 围岩不仅是荷载，同时又是承载体
3.围岩压力承载体系 ◆ 地层压力由围岩和支护结构共同承受
◆ 充分发挥围岩自身承载力的重要性
4.设计参数受施工方法和施作时机的影响很大 5.隧道与地面结构受力的不同点—围岩抗力的存在
作为结构设计荷载
的设计状态
支护 围岩变形过大，松动坍 支护与围岩共同作用，共同变形所 阻力 塌所产生的松动压力 产生的接触形变压力
支护 开挖
临时支撑+整体式厚衬砌
初期支护+二次衬砌
分部开挖， 钻爆法+中小型机械
大断面开挖， 钻爆法+大中型机械掘进
5.4 结构力学方法
5.4.1 基本原理
⑵ 隧道结构计算的简化问题
根据实际环境和边界条件 如何简化对计算结果影响非常重
要
根据实际环境和边界条件
根据实际环境和边界条件
根据实际环境和边界条件
⑵ 隧道结构计算的简化问题
⑵ 隧道结构计算的简化问题
● 在十九世纪末，隧道衬砌结构 是作为超静定弹性拱计算的，但仅 考虑作用在衬砌上的围岩压力，忽 视了围岩对衬砌的约束作用
⑵ 隧道结构计算的简化问题
● 弹性抗力：衬砌在受力过程中的 变形，一部分结构有离开围岩形成 “脱离区”的趋势，另一部分压紧围 岩形成所谓“抗力区”，在抗力区内， 约束着衬砌变形的围岩相应地产生被 动抵抗力
⑵ 隧道结构计算的简化问题
● 进入本世纪后，通过长期观测， 发现围岩不仅对衬砌施加压力，同 时还约束着衬砌的变形。围岩对衬 砌变形的约束，对改善衬砌结构的 受力状态有利，不容忽视
立交铁路列车活载及其所产生的冲击力和土压力 立交渡槽流水压力 温度变化的影响力 冻胀力 施工荷载
11
落石冲击力
12
偶然
地震力
荷载
荷载组合：
● 结构自重＋围岩压力＋附加恒载（基本） ● 结构自重＋土压力＋公路荷载＋附加恒载 ● 结构自重＋土压力＋附加恒载＋施工荷载
＋温度作用力 ● 结构自重＋土压力＋附加恒载＋地震作用
2、隧道结构上的荷载及其类型
按其性质可以区分为两大类:
● 主动荷载是主动作用于结构、并引起结 构变形的荷载；
● 被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起 的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结 构变形起限制作用。
2、隧道结构上的荷载及其类型
《公路隧道设计规范》JTG D70-2004将 隧道结构上荷载仿照桥规分为：
隧规P28：表6.1.1 作用在隧道结构上的荷载
编号
荷载类型
荷载名称
1
围岩压力
2
永久荷载
结构自重力
（恒载）
3
填土压力 水压力
4
混凝土收缩和徐变影响力
5
可
6
变
荷
7
载
8
9
10
基本 可变 荷载
其它 可变 荷载
公路车辆荷载，人群荷载 立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力和土压力
§ 荷载结构法 方法：
先给出地层对结构的荷载（土、水压力），再按 结构力学方法计算。 关键是荷载的确定方法。
图4-2 荷载—29结构模型
5.3 隧道结构体系的计算模型
2.岩体力学模型
特点： ◆ 支护结构与围岩视为一体，共同承受荷载，且以 围岩作为承载主体； ◆ 支护结构约束围岩的变形； ◆ 采用岩体力学方法计算； ◆ 围岩体现为形变压力。 适用于：锚喷支护
第五章 隧道结构设计
5.1 概述 5.2 荷载类型 5.3 计算模型 5.4 结构力学方法 5.5 岩体力学方法
5.6 隧道洞门计算 5.7 衬砌截面强度检算 5.8 半衬砌计算 5.9 曲墙衬砌计算 5.10 直墙衬砌计算
2019/6/12
中国矿业大学（北京）地下工程系
1
5.1 概述
1、隧道结构环境及其简化 2、隧道结构体系的计算模型
● 一类是以支护结构作为承载主体，结构力学 模型，又称为荷载－结构模型 ；
● 另一类则相反，视围岩为承载主体，支护结 构则为约束围岩变形的模型 ，即岩体力学模型 或称为围岩—结构模型。
5.2 隧道衬砌上的荷载类型
1、隧道结构上的基本荷载 2、隧道结构上的荷载及其类型
1、基本荷载
（1）围岩压力 （2）结构自重力
§ 地层结构法
将地层与结构视为一整体来进行分析，考虑地 层-结构的共同作用。 求解方法：
解析法 数值法
31
3.计算模型详细比较
结构力学模型
岩体力学模型
认识
力学 原理
视围岩为荷载的来源
三位一体特性
“荷载－结构”力学体 建立的是“围岩－支护”力学体系，
ຫໍສະໝຸດ Baidu
系，以最不利荷载组合 以实际的应力－应变状态作为支护
1、隧道结构环境及其简化
⑴ 隧道结构与地面结构的区别 隧道结构工程特性、设计原则和
方法与地面结构完全不同
⑴ 隧道结构与地面结构的区别
● 隧道结构是由周边围岩和支护 结构两者组成共同的并相互作用的 结构体系
● 周边围岩在很大程度上是隧道 结构承载的主体
⑴ 隧道结构与地面结构的区别
● 隧道衬砌的设计和计算应结合 围岩自承能力进行，保证使用寿限 内的安全度
⑶ 局部变形理论和共同变形理论
● 局部变形理论：是以温克尔 （E.Winkler）假定为基础的。它认 为应力和变形之间呈线性关系，即为 围岩弹性抗力系数
⑶ 局部变形理论和共同变形理论
● 共同变形理论把围岩视为弹性半 无限体，考虑相邻质点之间变形的 相互影响。
2、隧道结构体系的计算模型
计算模型的如何建立？ 隧道结构计算如何简化？ 不同简化计算结果差异大！
5.3 隧道结构体系的计算模型
5.3.2 隧道结构体系的计算模型
分为结构力学模型（荷载-结构模式）和岩体力学模型 （地层模式）。★
1.结构力学模型
特点： ◆ 以支护结构作为承载主体； ◆ 围岩对支护结构的作用间接地体现为两点：
①围岩压力； ②围岩弹性抗力。 ◆ 采用结构力学方法计算。
适用于：模筑砼衬砌
2、隧道结构体系的计算模型
国际隧道协会(ITA) 认为，目前 采用的地下结构设计方法可以归纳为 以下4种设计模型：
2、隧道结构体系的计算模型
● 以工程类比为主的经验设计法； ● 以现场量测和试验为主的实用设计法 ● 荷载—结构模型方法 ● 岩体力学模型方法，包括解析法和数 值法。
从各国的地下结构设计实践看，目前主要采 用两类计算模型：
附加恒载：伴随隧道运营的各种设备设施的荷载等。
5.3 隧道结构体系的计算模型
5.3.1 隧道工程的受力特点
1.荷载的模糊性 2.围岩物理力学参数难以准确获得
◆ 围岩不仅是荷载，同时又是承载体
3.围岩压力承载体系 ◆ 地层压力由围岩和支护结构共同承受
◆ 充分发挥围岩自身承载力的重要性
4.设计参数受施工方法和施作时机的影响很大 5.隧道与地面结构受力的不同点—围岩抗力的存在
作为结构设计荷载
的设计状态
支护 围岩变形过大，松动坍 支护与围岩共同作用，共同变形所 阻力 塌所产生的松动压力 产生的接触形变压力
支护 开挖
临时支撑+整体式厚衬砌
初期支护+二次衬砌
分部开挖， 钻爆法+中小型机械
大断面开挖， 钻爆法+大中型机械掘进
5.4 结构力学方法
5.4.1 基本原理
⑵ 隧道结构计算的简化问题
根据实际环境和边界条件 如何简化对计算结果影响非常重
要
根据实际环境和边界条件
根据实际环境和边界条件
根据实际环境和边界条件
⑵ 隧道结构计算的简化问题
⑵ 隧道结构计算的简化问题
● 在十九世纪末，隧道衬砌结构 是作为超静定弹性拱计算的，但仅 考虑作用在衬砌上的围岩压力，忽 视了围岩对衬砌的约束作用
⑵ 隧道结构计算的简化问题
● 弹性抗力：衬砌在受力过程中的 变形，一部分结构有离开围岩形成 “脱离区”的趋势，另一部分压紧围 岩形成所谓“抗力区”，在抗力区内， 约束着衬砌变形的围岩相应地产生被 动抵抗力
⑵ 隧道结构计算的简化问题
● 进入本世纪后，通过长期观测， 发现围岩不仅对衬砌施加压力，同 时还约束着衬砌的变形。围岩对衬 砌变形的约束，对改善衬砌结构的 受力状态有利，不容忽视
立交铁路列车活载及其所产生的冲击力和土压力 立交渡槽流水压力 温度变化的影响力 冻胀力 施工荷载
11
落石冲击力
12
偶然
地震力
荷载
荷载组合：
● 结构自重＋围岩压力＋附加恒载（基本） ● 结构自重＋土压力＋公路荷载＋附加恒载 ● 结构自重＋土压力＋附加恒载＋施工荷载
＋温度作用力 ● 结构自重＋土压力＋附加恒载＋地震作用
2、隧道结构上的荷载及其类型
按其性质可以区分为两大类:
● 主动荷载是主动作用于结构、并引起结 构变形的荷载；
● 被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起 的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结 构变形起限制作用。
2、隧道结构上的荷载及其类型
《公路隧道设计规范》JTG D70-2004将 隧道结构上荷载仿照桥规分为：