20 地下工程结构的设计理论与方法

在地下工程结构计算理论研究的发展过程中，后 期提出的计算方法一般不否定前期的研究成果， 从而形成了多种计算方法并存的格局。
鉴于岩土介质性质的复杂多变性，各计算方法一 般都有各自的适用场合和局限性，需要结合实际 来应用。
4.1.2 地下工程结构的设计模型
按照多年来地下工程结构设计的实践，我国采用的设计 方法似可分属以下四种设计模型：
锚杆长度的确定应当以能充分发挥其功能，并获得经济合 理的锚固效果为原则。一般来说，锚杆的最小长度应超过松动 圈厚度，留有一定安全余量，且不宜超过塑性区。对于裂隙岩 体和层状岩体。锚杆主要是对节理、裂隙面起加固作用，这时 锚杆宜适当长些．尽量穿过较多的节理和裂隙。根据经验，锚 杆长度可在洞跨1/4~1/2的范围内选取。
(3)现场监测
现场监测包括位移、接触应力、松弛范围等” ，根据施工 过程中的现场量测结果不断对支护结构和施工方法进行修正， 这是现代隧道支护结构设计的关键，必须予以高度重视。
坐标表示结构承受的地层压力，横坐
标表示洞周的径向位移。其值一般都
以拱顶为准测读计算，曲线①为地层
收敛线，曲线②为支护特征线。两条
曲线的交点的纵坐标(Pe)即为作用在 支护结构上的最终地层压力，横坐标
(ue)则为衬砌变形的最终位移。
图4-1 收敛限制法原理示意图
4.2 经验设计方法（以锚喷支护为例）
(3)地层-结构模型 地层结构模型的计算理论即为地层结构
法。其原理是将衬砌和地层视为整体，在满足变形协调条
件的前提下分别计算衬砌与地层内力，并据以验算地层稳
定性和进行构件截面设计。
(4) 收敛限制模型 其计算理论也是
地层-结构法，其设计方法则常称为
收敛限制来自百度文库，或称特征线法。图4-1
为收敛限制法原理的示意图。图中纵
4.2.1 选择支护类型与参数 一般情况下，在各级围岩中，初期支护应优先考虑选用
喷射混凝土支护或锚喷联合支护，其设计原则是：应根据围 岩地质特点、工程断面大小和使用条件要求等综合考虑；选 择合理的锚杆类型与参数，在围岩中形成有效的承载环。
(1)锚杆
目前应用最广的是全长粘结式锚杆。端头锚固型锚杆一 般用于局部加固围岩及中等强度以上的围岩中。预应力锚索 一般用于大型洞室及不稳定块体的局部加固，而预拉力小且 锚固于中硬以上岩体时宜采用胀壳机械式锚头。摩擦式锚杆 目前主要用于服务期短的矿山工程。
钢筋网具有防止或减小喷层收缩裂缝，提高支护结构的整体 性和抗震性，使混凝土中的应力得以均匀分布和增加喷层的抗拉、 抗剪强度等功能，当喷射混凝土有可能从围岩表面可能剥落和地 震区或有震动影响的洞室，应优先考虑配置钢筋网。
钢支撑一般在下列场合考虑使用： a) 在喷射砼或锚杆发挥 支护作用前，需要使洞室岩面稳定时；b) 用钢管棚、钢插板进行 超前支护需要支撑时；c)为了抑制地表下沉，或者由于土压大， 需要提高初期支护的强度或刚性时。
(1)经验类比模型 由于地下结构的设计受到多种复杂因素的 影响，使内力分析即使采用了比较严密的理论，计算结果的合 理性也常仍需借助经验类比予以判断和完善，因此，经验设计 法往往占据一定的位置。经验类比模型则是完全依靠经验设 计地下结构的设计模型。
(2)荷载-结构模型 荷载结构模型采用荷载结构法计算衬砌内力， 并据以进行构件截面设计。其中衬砌结构承受的荷载主要是开 挖洞室后由松动岩土的自重产生的地层压力。这一方法与设计 地面结构时采用的方法基本一致，区别是计算衬砌内力时需考 虑周围地层介质对结构变形的约束作用。
(2)开挖面不稳定的情况
初次支护的顺序是：①开挖弧形 导坑→②架设支撑，挂金属网， 锚杆安装，喷混疑土(厚度使钢支 撑不外露为宜) →③开挖核心→ ④开挖侧壁→⑤同②→⑥挖抑拱 →⑦修仰拱→⑧防水层→⑨二衬 混凝土(30cm左右)。
以上①~⑤项作业每天进行。⑥~⑦项约每周1次，二次 衬砌距外挖面后100~150m，迟4个月左右开始施工。
4 地下工程结构的设计理论与方法
本章提要 (1)地下工程结构设计的四种模型 (2)经验设计法 (3)荷载-结构法 (4)地层-结构法 及其数值模拟△
4.1 概 述
4.1.1 地下工程结构计算方法的发展
19世纪之前的地下工程结构的建设完全依据经验， 直到19世纪初才逐渐形成计算理论，并开始用于 指导地下工程结构的设计与施工。
锚杆的方向，应与岩体主结构面成较大角度，这样则能穿过 更多的结构面，有利于提高结构面上的抗剪强度，使锚杆间的岩 块相互咬合。
(2)喷层、钢筋网及钢支撑
最佳喷层厚度(刚度)应既能使围岩维持稳定,又允许围岩有一 定塑性位移,以利于围岩承载能力发挥和减小喷层的弯曲应力；
按上述原则，无论是初喷厚度还是总厚都不宜过大。根据 使用经验，初始喷层厚度宜在3~15cm，喷层总厚不宜大于20cm。
4.2.3 新奥法施工
新奥法典型的施工程序如图所示。
(1)开挖面稳定的情况
初次支护的顺序是：①开挖→ ②架设支撑，张拉金属网，安 装锚杆，喷混凝土→③开挖仰 拱→④修仰拱→⑤防水层→⑥ 二衬混凝土(30cm左右)。
上述各项作业中①~②是每天进行的，③~④是1周进行1次， 所以仰拱约在7d后，距开挖面20m左右开始修筑的。二次 衬砌距开挖面后约100~150m，迟4个月左右开始施工。
锚杆直径的选取通常视工程规模，围岩性质而确定，一般 全长粘结型锚杆在14~22mm。在选取锚杆的钢材类型、直径和 长度时，还应尽量发挥锚杆的效用，力求使锚杆承载力与锚杆 的拉力相当，并要考虑到杆体与砂浆的粘结力以及砂浆与围岩 间的摩擦力相适应。
锚杆的布置应采用重点(局部)布置与整体(系统)布置相结合。
4.2.2 其他设计与施工原则
在洞室布置和造型上应适应原岩应力状态和岩体的地质、力学 特征，尽量争取较好的受力条件。
施工过程中，尽量采用控制爆破技术，以减少对围岩的扰动， 使断面成形规整，以利于围岩自承力的保持和支护结构作用的 发挥。
尽可能减少开挖时对围岩的扰动。 支护要及时快速。 合理利用开挖面的“空间效应”，抑制围岩变形。 尽量减少其他外界因素(主要是水和潮气)对围岩的影响。 初期支护采用分次施工的方法。 当围岩变形量很大时，必须加大支护可塑性来调控围岩变形。 调节支护封底时间。