隧道工程电子教案

绪论一、隧道的基本概念及工程概述地下工程：在山体内或地面下修建的建筑物隧道：以保持地下空间作为运输孔道的地下工程导坑：在地下开挖出一个洞穴并延伸成为一个长形的孔道衬砌：在坑道的周围修建支护结构衬砌的内轮廓应能满足使用上的要求，同时也无需无谓的放大。衬砌的形状和尺寸，应能使结构受力状态最为合理，既不浪费又能稳固。通常以圆形、椭圆形、马蹄形和卵形为多。衬砌的用料应适合施工和养护的要求。通常用坚固、耐久、少腐蚀、能防水、防火、价廉、便于就地取材的材料。洞门：在隧道端部外露面修建的为保护洞口和排放流水的挡土墙式结构。明洞：在洞门与洞身间用明挖法修筑的隧道。洞身衬砌、洞门和明洞就组成了隧道的主体支护结构，作用是保持岩体的稳定和行车安全。为了保证隧道的正常使用，还需设置一些附属建筑物。隧道的附属建筑物是为了运营管理、维修养护、给水排水、供蓄发电、通风、照明、通讯、安全等而修建的建筑物，包括有：为工作人员在隧道进行维修或检查时，能及时避让驶来的列车而在隧道两侧开辟的大小避车洞；为了保证隧道洞口的稳定与安全而修建的边仰坡；为了引导洞口边仰坡地表水流而修建的排水天沟；为了排除隧道内渗入的地下水，保证列车正常运行而设置的防水设备及排水设备；为了净化隧道内机车所排出的烟尘和有害气体而设置的通风系统；电力及通讯设施；消防设施等。隧道的主体支护结构和隧道的附属建筑物组成了隧道建筑物。隧道工程的修建，首先是把施工地区的地质和水文的情况勘察清楚。将勘察到的资料结合工程使用的要求，进行结构设计和施工方法的决择。通过施工组织设计的指导，有步骤地进行施工，并在施工的过程中，随时进行各种量测，不断有针对性地修正支护结构设计和施工方案，使之更趋于合理。在隧道建成交付使用以后，还要定期检查，并按检查出的问题或病害，作出养护计划，分轻重缓急予以维修或大修，务使工程建筑物时刻处于良好状态，正常发挥它的工作效能。二、隧道的种类及其作用1.从隧道所处的地质条件来分，可以分为土质隧道和石质隧道。2.根据隧道的长度可以分为短隧道（铁路隧道规定：L≤500m；公路隧道规定：L≤500m）、中长隧道（铁路隧道规定：500＜L≤3000m；公路隧道规定500＜L＜1000m）、长隧道（铁路隧道规定：3000＜L≤10000m；公路隧道规定1000≤L≤3000m）和特长隧道（铁路隧道规定：L＞10000m；公路隧道规定：L＞3000m）。3.按国际隧道协会（ITA）定义的隧道的横断面积的大小划分标准可以分为极小断面隧道（2～3㎡）、小断面隧道（3～10㎡）、中等断面隧道（10～50㎡）、大断面隧道（50～100㎡）和特大断面隧道（大于100㎡）。4.从隧道所在的位置来分，可以分为山岭隧道、水底隧道和城市隧道。5.从埋深的深度来分，可以分为浅埋隧道和深埋隧道。6.按照它的用途来分，可以分为交通隧道、水工隧道、市政隧道和矿山隧道。（一）交通隧道作用是提供交通运输和人行的通道，以满足交通线路畅通的要求，一般包括有以下几种： 1．铁路隧道开挖隧道直接穿山而过，既可使线路顺直，避免许多无谓的展线，使线路缩短；又可以减小坡度，使运营条件得以改善，从而提高牵引定数，多拉快跑。2．公路隧道高速公路对道路的修建技术提出了较高的标准，要求线路顺直、坡度平缓、路面宽敞等。隧道的修建在改善公路技术状态，缩短运行距离，提高运输能力，以及减少事故等方面起到了重要的作用。3．水底隧道当交通线路需要跨越江、河、湖、海、洋时，一般可以选择的方案有架桥、轮渡和隧道。河道通航需要较高的净空，而桥梁受两端引线高程的限制，一时无法抬起必要的高度时，采用水底隧道。水底隧道方案的优点是不受气候影响，不影响通航，引道占地少，战时不暴露交通设施目标等，越来越受到人们的青睐。4．地下铁道地下铁道是解决大城市中交通拥挤、车辆堵塞问题，而能大量快速运送乘客的一种城市交通设施。地下铁道可以使很大一部分地面客流转入地下而不占用地面面积。它没有平面交叉，而各走上下行线，因而可以高速行车，且可缩短车次间隔时间，节省了乘车时间，便利了乘客的活动。在战时，还可以起到人防的功能。5．航运隧道当运河需要越过分水岭时，克服高程障碍成为十分困难的问题。如果修建航运隧道，把分水岭两边的河道沟通起来，既可以缩短船只航程，又可以省掉船闸的费用，迅速而顺直地驶过，航运条件就大为改善了。6．人行地道为了提高交通运送能力及减少交通事故，除架设街心高跨桥以外，也可以修建人行地道来穿越街道或跨越铁路、高速公路等。这样可以缓解地面交通互相交叉的繁忙景象，少占用地面空间，同时也大大减少了交通事故。（二）水工隧道水工隧道是水利工程和水力发电枢纽的一个重要组成部分。水工隧道包括以下几种：1．引水隧道——进行水资源的调动或把水引入水电站的发电机组，产生动力资源。引水隧道有的内部充水因而内壁承压，有的只是部分过水，因而内部只受大气压力而无水压。分别称之为有压隧道和无压隧道。2．排水隧道——它是把发电机组排出的废水送出去的隧道。3．导流隧道或泄洪隧道——它是水利工程中的一个重要组成部分。由它疏导水流并补充溢洪道流量超限后的泄洪作用。4．排沙隧道——它是用来冲刷水库中淤积的泥沙，把泥沙裹带运出水库。有时也用来放空水库里的水，以便进行库身检查或修理建筑物。（三）市政隧道市政隧道是城市中安置市政设施的地下孔道。1．给水隧道2．污水隧道：本身导流排送或由管道排污。一般排污隧道的进口处，多设有拦碴隔栅，把漂浮的杂务拦在隧道之外，不致涌入造成堵塞。3．管路隧道：供给煤气、暖气、热水等。4．线路隧道：输送电力的电缆以及通讯的电缆，都安置在地下孔道中。 在现代化的城市中，将以上四种具有共性的市政隧道，按城市的布局和规划，合建一个大隧道，称之为“共同管沟”。共同管沟是现代城市基础设施科学管理和规划的标志，也是合理利用城市地下空间的科学手段，是城市市政隧道规划与修建发展的方向。5．人防隧道：为战时的防空目的而修建的防空避难隧道。人防隧道内除应设有排水、通风、照明和通讯设备以外，还应考虑储备饮水、粮食和必要的救护设备，此外在洞口处还需设置各种防爆装置，以阻止冲击波的侵入。同时，要做到多口联通、互相贯穿，在紧急时刻，可以随时找到出口。（四）矿山隧道在矿山开采中，常设一些为采矿服务的隧道，从山体以外通向矿床，并将开采到的矿石运输出来。1．运输巷道主巷道：向山体开凿通到矿床的隧道，是主要出入口和主要的运输干道。由主巷道通往各个开采面的巷道，分布如树枝状，分向各个采掘面。此种巷道多用临时支撑，仅供作业人员进行开采工作的需要。2．给水隧道：送入清洁水为采掘机械使用，并将废水及积水，通过泵抽，排出洞外。3．通风隧道：净化巷道中的空气，创造良好的工作环境，用通风机及时把有害气体和污浊空气排除出去，并把新鲜空气补充进来。三、隧道的发展历程（一）隧道工程的历史隧道的产生和发展是和人类的文明历史发展相呼应的，大致可以分为如下4个时代：1．原始时代：即人类的出现到纪元前3000年的新石器时代，是人类利用隧道来防御自然威胁的穴居时代。人们利用天然洞穴作为栖身之所，并且逐步会在平原地区自己挖掘类似天然洞穴的窑洞来居住。此时的隧道是用兽骨、石器等工具开挖，修筑在可以自身稳定而无需支撑的地层中。2．远古时代：从纪元前3000年到5世纪，即所谓的文明黎明时代，是为生活和军事防御目的而利用隧道的时代。这个时代隧道的开发技术形成了现代隧道开发技术的基础。3．中世纪时代：约从5世纪到14世纪的1000年左右。这个时期正是欧洲文明的低潮期，建设技术发展缓慢，隧道技术没有显著的进步，但由于对底下铜、铁等矿产资源的需要，开始了矿石开采。4．近代和现代：即从16世纪以后的产业革命开始。这个时期由于炸药的发明和应用，加速了隧道技术的发展。如有益矿物的开采、灌溉、运河、公路和铁路隧道的修建，以及随着城市的发展修建地下铁道、上下水道等，使得隧道的技术得到极大的发展，其应用范围迅速扩大。据现有资料记载，世界上最早的隧道是纪元前2200年，巴比伦国王为连结宫殿和神殿而修建的隧道。我国最早的交通隧道是位于陕西汉中县的“石门”隧道，建于公元66年，是供马车和行人通行的。我国第一座铁路隧道修建在台湾，是基隆到台南的铁路线线上一座长仅261m的窄轨净空隧道。1907年在京包线上修建了八达岭隧道。这是由我国工程师詹天佑主持施工的。他是我国铁路工程界最早的卓越人才。（二）建国以来隧道工程的发展和成就西安安康线上的秦岭隧道长为18456m；兰武二线上的乌鞘岭隧道长达20050m。（三）国外隧道的发展情况1988 年日本修成了位于本州和北海道两大岛之间横跨津轻海峡的铁路干线上的青函隧道，全长53850m，在目前是世界上最长的铁路隧道。自本洲青森至北海道的函馆间的青函海底隧道，长达53850m，海底部分就有23300m。这是目前世界上最长的水底隧道。挪威正在修建的Aurland——Laerdal公路隧道，长度达24500m。这是目前最长的公路隧道。德国慕尼黑地下铁道的卡尔广场车站建筑就上下深达六层。第一层是人行通道及商店餐厅；二层作为货栈及仓库；三、四层为地下停车场，可同时容纳800辆汽车；五、六层才是车站集散厅及车道。采用新奥法来指导并调整施工。用有限元的方法来分析地下结构的受力状态，也已为人们所乐于使用。科研方面在如何解决城市内开挖地下工程所引起的地层沉陷问题上已经取得了可喜成绩，现在正在探讨地下工程施工对城市繁华街道的干扰如何减至最小的问题、地下工程施工时如何保护环境的问题、地下工程的可持续发展以及开发建设过程中的技术立法问题和保证正常使用的情况下如何降低造价的问题。  第一章隧道勘测及隧道位置的选择 §1.1隧道勘测一、隧道勘测的一般规定隧道勘测的一般规定如下：1、 制定勘测计划2、勘测资料应完备3、勘测的两个阶段4、评价隧道工程对环境可能造成的影响二、调查测绘1、隧道工程调查的内容通过调查所取的资料，应能充分的地说明隧道通过地段的地形，地质条件，自然条件和施工条件等。实践证明这些资料是隧道设计和施工必备的基础资料，其内容及其深细度可根据各阶段的勘测设计要求和隧道规模去确定，使其能满足各阶段的设计和施工需要，最后应形成系统的完整的资料。（1）自然概况（2）工程地质特征（3）水文地质特征（4）不良地质地段（6）地震基本烈度等级（7）气象资料（8）施工条件2、隧道工程测绘遵守的规定（1）按设计阶段要求搜集或测绘地形图，纵断面图、横断面图；（2）测绘资料的图纸内容需反映隧道所在地的工程地质及水文地质情况；（3）在隧道洞口和辅助坑道口的附近，按规定设置必要的平面控制点和水准点。（4）测绘资料符合规定的精度要求。3、长隧道、特长隧道和地质条件复杂的隧道的调查4、设计阶段地质调查5、施工阶段地质调查施工阶段地质调查应完成下列任务：（1）核定地质构造、岩性、地下水等；（2）及时预测和解决施工中遇到的工程地质及水文地质问题；（3）为验证修改设计提供依据。目前各国对隧道及地下工程十分重视施工阶段地质调查工作，其中开挖工作面直接观察是极其重要的，在每次爆破后、应立即有专人进行开挖工作面观察并素描，其主要内容有：（1）地层、岩石分布、岩层走向、倾角；（2）固结程度风化及变质程度、软硬程度；（3）裂隙方向及频率、充填物及性质；（4）断层位置及走向、倾角、破碎程度；（5）涌水位置及涌水量；（6）坍塌位置及形态。 6、工程评价及处理措施根据调查结果，应对下列各项内容作出工程评价并提出处理措施：（1）围岩自稳性；（2）隧道涌水量、涌水压力、突然涌水等；（3）岩土膨胀压力；（4）滑坡、偏压；（5）围岩状态和土压特性；（6）高地应力区应力场；（7）瓦斯、岩溶、及人为坑洞等。对开挖工作面围岩的自稳性、突然涌水，会产生偏压的地形、洞口附近的边坡崩塌、滑坡及对相邻结构的影响、膨胀性围岩等的评价是很重要的。这些围岩条件，一般来说，用围岩级别或物性值等准确的表达是很困难的，不得不依靠以往的经验、资料、实例进行定性判定。在进行隧道设计时，有时需设定围岩的工程模式、初始地应力场等，采用理论分析法和数值分析法来分析围岩的动态和稳定性。与喷锚衬砌或喷锚支护设计、施工有密切关系的围岩评价应着重阐明围岩的状态，其中隧道自稳性和土压特性是最重要的。7、围岩级别的确定判断围岩级别是决策隧道设计、施工中各种问题的基础。围岩级别的判定是按设计和施工两个阶段进行。施工阶段可根据已暴露的围岩条件判定围岩级别，是对设计阶段的预判断进行修正，是客观、可靠、可信的判断。§1.2隧道位置的选择一、按地形及地质条件进行选择（一）按地形条件进行选择隧道位置的选择在很大程度上受着地形的制约。当线路前进方向遇到地形障碍时，采用隧道来克服地形障碍是一种有利的手段。地形障碍有高程障碍和平面障碍两方面：1．高程障碍(1)绕行方案优点：工程容易，工期较短，工程费用也较少。缺点：绕行势必路线要延长，今后长期的运程必然增加；路线弯道增多，曲线半径也可能减小，使长期的运行条件变坏，行车速度和牵引定数都会有所降低。尤其是今后随着国民经济的发展，对运输任务提出更高的要求时，就会给技术改造带来困难。此外，当绕行方案靠近山坡，地质条件复杂时，工程困难程度也较大。所以，从长远的利益来看，这一方案是不甚可取的，只有具体条件相宜时，才好采用。(2)深堑方案优点：展线比绕行方案略少。缺点：急弯陡坡就不一定好多少，前述的缺点依然存在。但是，在山顶开挖深路堑，往往工程量很大，施工困难，边坡切削太甚，易于引起坍方落石，防护需要加强。若地下水发育，还会引起滑坡，给今后的运行和养护遗留下防不胜防的隐患。这一方案在展线方面是改良性质的，而在劈山方面仍包含着不利因素。所以，这也不是太好的方案。(3)隧道方案 优点：它能使线路平缓顺直，不需用较大的坡度，不需设置太多、太急的曲线。今后在长期的运营中，由于技术条件好，可以牵引更大的重量，可以使行驶速度提高，缩短运程，还不受外界干扰，战争时期将是良好的掩护所。缺点：修建隧道可能工程要大一些，工期也会长一些。因此从全局和长期考虑，隧道方案往往是比较合理的。2．平面障碍(1)沿河傍山绕行方案沿着山体自然弯曲傍山绕行，如果地形条件尚能允许，则可采用。在不得已时，只得大劈坡，或高层填土，上设御土墙，下设护坡护岸，有时还须跨谷建桥，有时为防滚石坠落，还需设置防护明洞。往往线路增长，桥隧毗邻，工程量大，运营条件差，并常伴有一些不良地质病害工程的出现。由于线路走行在山坡表层内，地质多为风化松散带，施工时极易坍方。行车后，也难保安全。至于遇急弯猛拐处，线路条件也较差，行车不能多拉、快跑。因此，这种方案只有在条件允许时，才能采用。(2)隧道直穿方案如果在平面障碍的前方，开凿隧道，穿山而过，虽然初期工程略大一些，但线路顺直平缓，工程单一，可不设急弯，没有陡坡，路线行程缩短，运营条件改善，而且不受山坡坍方落石的威胁。如图1-1所示。从长远的利益来看，隧道方案往往是比较合理的。如衡广复线坪石至乐昌之间，于1987年5月通车的大瑶山双线隧道，全长14.3km，位于南岭山脉南麓圆螺角至永济桥弓形河湾处，如图1-2所示。图1-1隧道直穿方案示意图图1-2大瑶山隧道方案平面示意图（二）按地质条件进行选择隧道是埋置在地层内的结构物，受着地层岩体的包围。如何避开不良地质区域，或是如何拟定克服不良地质的措施，是选择隧道位置时，必须审慎考虑的问题。1．单斜构造与隧道位置的选择按岩层的倾角不同，可分为三种情况：图1-3缓倾角岩层隧道位置的选择(1)水平或缓倾角岩层如图1-3所示，当隧道通过坚硬的厚层岩层时，较为稳定。若通过很薄的岩层，则施工时顶部易产生掉块现象，此时，以不透水的坚硬岩层作顶板为最好。(2)陡倾角岩层如图1-4所示。因此，在单斜构造的地质条件下，必须事先把地层的构造和倾角大小调查清楚，一定要尽可能避开软弱结构面。特别是不要把隧道中线设成与软弱结构面的走向一致或平行，至少要成一定的交角。图1-4软弱结构面地带隧道位置的选择(3)直立岩层隧道通过直立岩层时，其中线宜垂直于岩层的走向穿过，如图1-5(a)所示。如隧道中线与岩层走向一致时，如前所述，仍应避开不同岩层接触带。尤应注意的是：当层状岩层较薄，并有软弱夹层，伴有微量地下水活动时，亦可产生不对称压力，在隧道开挖过程中，易产生坍塌(如图1-5(b)所示)，甚至会导致大的坍力，致使地面形成“天窗” ，在选择隧道位置时应予重视。(a)(b)图1-5直立岩层中的隧道位置选择图1-6褶皱构造隧道位置的选择2．褶皱构造与隧道位置的选择褶皱构造有向斜和背斜两种基本类型，当隧道通过褶皱构造时，应尽量避免将隧道置于向斜或背斜的轴部。如图1-6(a)、(b)，而应将隧道置于翼部，如图1-6(c)，则隧道所处的地质条件类似单斜构造。3．断裂构造，接触带与隧道位置的选择在选择隧道位置时，切忌沿着(或靠近平行)断层带或破碎带修建隧道，如图1-7(a)所示，特别是对于区域性大断裂，尤应注意绕避。当隧道线路必须通过断层带时，应尽量使线路与断层走向正交，如图1-7(b)所示，同时应避开严重破碎带，并应使通过断层的地段最短。(a)(b)图1-7断裂构造地带隧道位置选择4．不良地质的影响(1)滑坡地区(2)岩堆、崩坍、错落、堆积层以及危岩落石地区(3)泥石流(4)溶洞地区(5)瓦斯地区(6)黄土地区5．不良水文地质的影响(1)地下水(2)地温二、按地形及地质条件进行选择（一）越岭线上隧道位置的选择当铁路路线需要从一个水系过渡到另一个水系时，必须跨越高程很大的分水岭。这段线路称之为越岭线。 1．隧道平面位置的选择当线路必须跨越分水岭时，分水岭的山脊线上总会有高程较低处、称之为垭口。一般的情况，常常有若干个垭口可以通过。此时，就要分析比较，选定最为理想的垭口。垭口是选定越岭隧道线路方案的控制点。如图1-13所示为沙木拉打越岭长隧道的方案比选平、纵断面示意。2．隧道立面位置的选择图1-14所示，系穿越娄山山脉分水岭的越岭隧道选线实例。图1-13(a)平面图图1-13(b)纵断面图图1-14隧道立面位置的选择（二）河谷线上隧道位置的选择铁路沿河傍山而行时称之为河谷线。多年实践总结出一条经验，就是“宁里勿外”，意思是在河谷线上，隧道位置以稍向内靠为好。当然，过分内靠，使土石方量增加太多，隧道增长，也是没有必要的。为了使隧道顶上有足够的覆盖岩体，隧道结构不致受到偏压，还能形成天然供，洞顶以上外侧应有足够的厚度。铁路隧道设计规范规定的厚度如表1-1所列。当地层结构面倾向山一侧时，地层比较稳定，覆盖厚度可以酌减。当地层结构面倾向河流一侧时，覆盖厚度宜予加大，如图1-15所示。表1-1偏压隧道外侧拱肩山体最小覆盖厚度t(m)地面坡1：m线别围岩级别Ⅲ石Ⅳ土ⅣⅤ1：0.75双线7.0———1：1单线—5.010.018.0双线7.0——12.01：1.25双线——18.0—1：1.5单线—4.08.016.0双线7.011.016.030.01：2单线—4.06.012.0双线—10.014.025.01：2.5单线——5.510.0双线——13.020.0注：Ⅵ级围岩的t值可通过计算确定；Ⅲ、Ⅳ级石质围岩的t值应扣除表面风化破碎和坡积层厚度。(a)不利的结构面倾向；(b)有利的结构面倾向图1-15结构面倾向对隧道位置的影响§1.3隧道方案比较一、隧道方案与明堑的比较1经济和技术上的比较 一般说来，隧道造价比明堑要贵一些，施工技术也复杂一些，因此，除了展线和抬坡以外，单纯从经济和技术上比较，明堑方案常常是比较省钱、省事、又快速的。2安全条件比较经验指出：“山体可穿而不宜大挖，大挖必坍”。也就是说，山体本来是处于暂时平衡状态的，一旦开挖出暴露面，使平衡受到破坏，就要自行内力调整，产生位移，于是出现了坍方。开挖得越深，扰动越大，引起塌方的可能性也就越高。特别是沿河路线，地质条件复杂，开挖暴露面大了，这种情况就更为严重。所以，凡是大挖的地方，往往是最容易发生坍方，造成各种后患的所在，遗害无穷。所以隧道方案与明堑方案比选时，除了经济和技术上比较以外，对于安全的保证也必须给以足够的重视。只有在保证安全的前提下，才能谈到经济和技术的比较。另外，前面的分析已经指出，从长期运营条件来看，隧道方案优于明堑。二、隧道方案与跨河建桥方案的比较隧道方案与跨河建桥方案要从多方面进行比较。1跨河建桥方案的优缺点①一般情况是桥梁长度短而每延米的造价高；②一般跨过河谷的桥梁，河心不宜设墩，所以中孔跨度较大，两端基础必须十分坚实；③在洪水或严寒时期，施工就比较困难，因而施工有季节性；④跨河桥的最大缺点是桥头两端必然是曲线，甚至曲线半径很小。这就使得线路的行车条件变坏；⑤如果线路原本要抬坡争取高程的，转为桥梁后，桥身及两端引线都要放在平坡上，于是就达不到争取高程的目的；⑥在国防意义上，跨河建桥往往是空袭的明显目标，一旦受到破坏，全线就要中断，而且不能做临时便线。2隧道方案的优缺点①隧道相对较长而每延米的造价要低一些；②隧道穿山而过，线路直、短、平；③施工不受季节影响；④隧道建成后维修养护的工作量较小；⑤战时可作列车掩蔽所；⑥如果线路前方遇到不良地质地段，修建隧道将增加困难。⑦如果隧道太长，工程太大，出碴太多，将会堵塞河道，施工场地不如桥梁开阔，不能容纳更多的人同时施工，那就不如建桥了。因此，隧道方案与跨河建桥方案的比较，必须从多方面综合考虑。可能是此长彼短而又此短彼长，这就需要以轻重主次来权衡，选出较优方案。三、双线单隧道和单线两隧道的比较一座双线隧道的优点是：①一座双线隧道所需的地位宽度比两座单线隧道的地位宽度要小，选线时易于安排布置；②一座双线隧道的开挖面面积比两座单线隧道的开挖总面积为小。也就是工程量要小，而施工的相互干扰也少些；③双线隧道的净空较大，坑道宽敞，有条件使用大型机械施工；④双线隧道的通风条件好，维修养护都较方便。一座双线隧道的缺点是：①双线隧道断面跨度大，所受围岩压力也就大。因此需要更为有力的支护结构；②隧道施工时，因为压力大，临时支护困难，发生坍方事故的威胁较大；③双线隧道的一次工程投资比两座单线隧道先后修建的初期投资大；④双线隧道断面积大，不能充分利用列车活塞风。单线隧道的优缺点，正与上述相反。它的优点是：①断面小，压力小，坑道的稳定性好，施工容易，支护简单而且安全；② 对于近期尚不准备修第二线的新建隧道来说，可以先修第一线的单线隧道，预留第二线，待需要时才修。如此则初期一次投资较少；③若第一线隧道施工时采用了平行导坑，则平导即可作为第二线隧道的前进导坑。单线隧道的缺点是：①两座单线隧道必须横向相隔一定的安全距离，才能保证两隧道间的围岩土柱有足够的支承能力，以避免在修筑第二线隧道的施工中，对第一线隧道有影响；②两座单线隧道无论是同时施工还是先后施工，施工时总会有些相互干扰。尤其是在修第二线隧道时，多半是在已成第一线不间断行车的条件下进行的，这就增加了施工的困难。根据实践的经验体会，在松软地层、不良地质或黄土地区修建隧道时，跨度大小对隧道工程的影响较其它地区更为显著，往往修建两座单线隧道较修建一座双线隧道较易于保证施工质量和施工安全，且工程费用所增亦不多。总的说来，两种方案各有其优缺点。比较时，就要从铁路运量的要求，结合地形、地质以及施工条件、工期要求、资金运用等因素，综合比较，择优选定。四、长隧道与短隧道群方案的比较短隧道群方案的优点：①一般说来，短隧道是比较容易施工的。有时可以只用简单的设备就可以进行施工，技术上困难也不多；②一群短隧道并不相连，这一座与那一座之间留有长短不等的明线部分。这样，它们各自有自己的出口和入口，可以开辟较多的工作面，容纳较多的人同时工作，施工进度较快；③建成后，由于隧道短，多半可以只靠自然通风，不必另配机械通风系统；④运营成本低，车上旅客长时间处于地下的不舒服感觉可以减轻。短隧道群方案的缺点：①河谷边坡的地质多是比较复杂的，尤其是地表覆盖层更是风化地带，岩体松散破碎，节理切割严重。短隧道在此通过，坑道多不稳定，围岩压力很大，开挖时易致坍方；②隧道外侧覆土太薄，形成偏侧压力，使隧道的支护结构处于不利的受力状态中。若是岩体的，层理是向外下倾的，更易发生剪切破坏，对隧道的稳定形成威胁；③多个隧道相距不远，有时前一座隧道的出口，隔不了多远就是另一座隧道的进口，施工时互相干扰，洞口场地也不好布置；④多条隧道要多建许多洞门建筑物，在工程造价上就不经济了。线路稍稍内移，则将引出一座较长的隧道代替一群短的隧道。长隧道方案的优点：①它将位于岩体深处坚固稳定的地层中，围岩压力小，坑道稳定，无偏压受力的情况；②支护可以简单，施工比较安全；③工程单一，施工不受干扰；④洞门建筑物只有两个，比多座短隧道为少。长隧道方案的缺点：隧道长，技术上要复杂一些，工程造价可能要贵一些。多年实践指出，线路还是倾向于向里靠一些，宁愿隧道长一些，但只是一座为好。虽然各个隧道的条件不同，不能把它绝对化，但是这一倾向是经过许多教训而凝成的。五、对相关工程的考虑(一)桥隧工程毗邻的统一安排(二)隧道位置与前后线路防护措施的关系§1.4隧道洞口位置的选定选择洞口位置的原则多年实践的体会，总结出一个指导思想，叫做“早进晚出”。意思是在决定隧道洞口位置时，为了施工及运营的安全，宁可早一点进洞，晚一点出洞。这样做，虽然隧道稍稍长了一些，但却安全可靠得多。从全面观点出发，这样做是值得的、合理的。当然，所谓早和晚都是相对的，并不意味着进洞越早越好，出洞越晚越好。不应当盲目地把隧道定得很长很长，而是应当更着重地从安全方面来考虑问题。在一般情况下，这一指导思想是符合实际的。通过实践总结出以下几点：一、洞口应尽可能地设在山体稳定、地质较好地下水不太丰富的地方。 二、洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处，不要与水争路。三、洞口应尽可能设在线路与地形等高线相垂直的地方，使隧道正面进入山体，洞门结构物不致受到偏侧压力。四、当线路位于有可能被淹没的河滩上或水库回水影响范围以内时，隧道洞口标高应在洪水位以上，并加上波浪的高度，以防洪水倒灌到隧道中去。五、为了保证洞口的稳定和安全，边坡及仰坡均不宜开挖过高，不使山体扰动太甚，也不使新开出的暴露面太大。一般情况下，设计各类围岩中隧道洞口上方的仰坡和路堑的边坡控制高度和坡度可参考表1—3。表1-3洞口边仰坡控制围岩级别Ⅰ～ⅡⅢⅣⅤ～Ⅵ坡率贴壁1:0.31:0.51:0.51:0.751:0.751:11:1.251:1.251:1.5高度(m)<15<2025左右<2025左右<15<1820左右<15<18六、若洞口附近遇有水沟或水渠横跨线路时，应慎重处理，当线路横沟进洞时，设置桥涵净空不宜太小，以免后患。七、若洞口前方岩壁陡立，基岩裸露，此时，最好不刷动原生坡面，不挖开山体。八、洞口以外必须留有生产活动的场所。总起来说，选定隧道洞口位置时，首先要按照地质条件控制边坡和仰坡的高度和坡面长度，其次是避开不良地质区域和排水影响，最后才谈得到从经济方面进行比较。 第二章隧道平纵断面设计隧道内的线路是整条线路中的一个区段。隧道设计时，首先要满足线路明线所规定的各种技术指标。由于隧道的施工、运营养护及改建等工作条件均比明线差，所以，在设计隧道内的线路时，除了遵照线路明线所规定的技术指标以外，还要附加上为适应隧道内工作条件的一些技术要求。附加的技术要求可以从平面设计和纵断面设计两个方面来阐述。§2.1隧道平面设计就铁路线路而言，是越直越好。线路顺直，列车可以快速通过，走行的距离也较短，有利于列车多拉快跑，提高线路的运营效率。在隧道内，线路就更应设计成直线。除了上述原因外，还由于位于曲线上的隧道有下列的缺点：(1)曲线上的隧道，由于列车倾斜和平移，隧道建筑限界需要加宽，坑道的尺寸相应加大，不但增大了开挖土石数量，而且增加了衬砌的圬工量；(2)在不同曲率曲线上的隧道建筑限界加宽不同，隧道的断面是变化的，因而施工时，支护和衬砌的尺寸均不一致，技术上较为复杂；(3)列车运行在曲线隧洞内，空气阻力比直线隧道大，机车牵引力的损失大，降低了运营效率，甚至可能造成溜车事故；(4)列车在曲线上行驶，产生了离心力，再加上洞内空气潮湿，使得钢轨磨损加速，从而使洞内的养护工作量增大；(5)曲线隧道洞身弯曲，洞壁对气流的阻力加大，使通风条件变坏，有害气体不易排出；(6)运营中为了保证隧道建筑限界的要求和正常的行车条件，需要经常检查线路平面和水平，曲线隧道也较直线隧道增加了维护作业量和难度；(7)由于曲线关系，洞内进行施工测量时，操作变得复杂，精度也有所降低。由此可见，从节省工程投资、减少施工难度、简化洞内施工维修作业并缩短作业时间、争取较好的通风条件、改善维修养护人员和乘务员的工作环境及看视条件以及提高行车速度等方面来看，直线隧道都优于曲线隧道，因此隧道内的线路应该设计为直线，这在一般情况下是容易做到的。但是，由于受到某些地形的限制或是地质的原因，有时也不得不采用曲线。例如，当线路绕行于山嘴时，为了避免直穿隧道太长，或是为了便于开辟辅助性的施工横洞，有时也会有意识地设置与地形等高线相接近的曲线隧道。图2-1隧道设置曲线示例对于越岭线上的隧道，线路常常是沿着垭口的一侧山谷转入山体后，又沿顺垭口的另一侧山谷转出。可以使隧道较长的中段放在直线上，但由于地形原因，隧道两端为了转向都要落在曲线上，这种情况是常见的。此时，如果垭口两侧沟谷地势开阔，则可将曲线放在洞口以外。如果地势条件必须把曲线引进隧道，那么，施工时先按主体的直线隧道开挖，两端暂开直的照准导坑，以补救曲线所形成的缺点，待全隧道的导坑开通后，再把两端按原设计的曲线调整过来，如图2-1所示。有时，隧道已经施工，在开挖过程中发现前方有不良地质，不宜穿过。此时，不得不临时改线绕行，于是出现曲线，而且将是左转与右转两个曲线，才能回到原线上来。 上述的情况，在山区的铁路中也是经常遇到的。当隧道必须设置曲线时，应注意以下几方面的问题：(1)应尽可能采用较短的曲线，或是半径较大的曲线，且将曲线设置在隧道洞口附近为宜，使曲线的影响小一些。(2)在曲线两端应设缓和曲线时，最好不使洞口恰恰落在缓和曲线上。因为缓和曲线在平面上半径总在改变，竖向的外轨超高也在变化，这样，在双重变化下，列车行驶不平稳，所以，应尽可能将缓和曲线设在洞外一个适当距离以外。(3)隧道内若设置圆曲线，其长度不应短于一节车厢的长度。(4)在一座隧道内最好不设一个以上的曲线，尤其是不宜设置反向曲线或复合曲线。如果列车同时跨在两个曲线上，行驶很不稳当。(5)当必须设置两条曲线时，两曲线间应有足够长的夹直线，一般是要求在三倍车辆长度以上。§2.2隧道纵断面设计为了保证隧道内列车能安全平顺地行驶，机车能够牵引足够的列车重量，同时考虑将隧道内的水顺利排出洞外以及通风要求等因素，必须对隧道内线路的纵断面进行合理地设计。隧道纵断面设计的主要内容包括选定隧道内线路的坡道型式、坡度大小、坡段长度和坡段间的衔接等。一、坡道型式隧道处于地层之内，除了地质有变化时以外，线路的坡型本来不受什么限制，用不着采用复杂多变的型式。一般可采用简单的单坡型或不复杂的人字坡型。如图2-2所示。(a)单坡型(b)人字坡型图2-2坡道型式单坡多用于线路的紧坡地段或是展线的地区，因为单坡可以争取高程，拔起或降落一定的高度。此外，单坡隧道两洞口的高程差较大，由此而产生的气压差和热位差也大，能促进洞内的自然通风。单坡道的优点还有施工及测量上都比较方便。它的缺点是在施工阶段，下坡进洞的一端，出于上部的水自然地流向下部开挖工作面，使开挖工作受到干扰，不但需要随时抽水外排，而且影响到电爆破的绝缘质量；此外，运碴时，空车下坡重车上坡，运输效率低。人字型坡道多用于长隧道，尤其是越岭隧道。因为越岭无需争取高程，而垭口两端都是沟谷地带，同是向下的人字型披道，正好符合地形条件。人字坡的优点是施工时，水自然流向洞外，排水措施相应地简化；而且重车下坡，空车上坡，运输效率高。它的缺点是列车通过时排出的有害气体聚集在两坡间的顶峰处，尽管用机械通风，有时也排除不干净．长时积累，浓度渐渐增大，使列车司乘人员以及洞内维修人员的健康受到影响。两种不同的坡型适用在不同的隧道，设计时应结合隧道所在地段的地形、工程地质与水文地质、线路纵断面、牵引类型、隧道长度、施工条件、运营要求等具体情况全面考虑。对于位于紧坡地段的隧道、要争取高程的区段上的隧道、位于越岭隧道两端展线上的隧道、地下水不大的隧道或是可以单口掘进的短隧道，可以采用单坡型。对于长大隧道、越岭隧道、地下水丰富而抽水设备不足的隧道、出碴量很大的隧道，设计为人字坡型往往比较有利。二、坡度大小 对于线路来说，考虑到运营效率，应具有良好的行车条件，线路的坡度以平坡为最好。但是，天然地形是起伏不定的，为了能适应天然地形的形状以减少工程数量，需要随着地形的变化设置与之相适应的线路坡度。但坡度不能太大，若坡度超过了线路最大允许的限制坡度，机车的牵引能力达不到，不是列车爬不上去，就是必须减轻列车的牵引重量。所以设计坡度时，注意应不超过限制坡度。如果在平面上有曲线，还需为克服曲线的阻力，再减去一个曲线的当量坡度。即(2-1)式中——设计中允许采用的最大坡度；——按照线路等级规定的限制最大坡度；——曲线阻力折算的坡度折减量。以上讨论的是明线的坡度要求，隧道内的行车条件要比明线差，对线路最大限制坡度的要求更为严格，因此隧道内线路的最大允许坡度要在明线最大限制坡度上进行折减。要求坡度折减的原因主要有以下两点：(1)列车车轮与钢轨踏面间的粘着系数降低——机车的牵引能力有时是由车轮与轨面之间的粘着力来控制的。隧道内空气的相对湿度较露天处所为大，因而钢轨踏面上凝成一层薄膜，使轮轨之间的粘着系数降低了，于是机车的牵引力也随之降低。此外，如果是蒸汽机车牵引，机车喷出的煤烟渣滓落在轨面上，也会使粘着系数降低。因此，隧道内线路的限制坡度应比明线的限制坡度有所减小。(2)洞内空气阻力增大——列车在隧道内行驶，其作用犹如一个活塞，洞内空气将像活塞那样给前进的列车以空气阻力，使列车的牵引力削弱。所以，隧道内的限制坡度要比明线的限制坡度为小。由于上述的原因，隧道内线路的最大限制坡度要比明线的最大限制坡度小。现行隧道设计规范规定，位于长大坡道上隧道长度大于400m的隧道，其坡度不得大于最大坡度按规定折减后的数值，隧道内线路坡度折减是在明线最大限制坡度上乘以一个小于单位1的折减系数m。当隧道内有曲线时，要先进行隧道的线路坡度折减，然后再扣除曲线折减。折减的方法按下式进行(2—2)式中：为隧道内线路的坡度折减系数，与隧道的长度有关。规范中规定了隧道内线路坡度折减系数m的经验数值。列于下表可参照使用。表2-1隧道内线路最大坡度系数隧道长度电力牵引内燃牵引401～10000.950.901001～40000.900.80>40000.850.75由于当列车的机车进入隧道时，空气阻力就已增加，粘着系数也已开始减小，机车的牵引能力就降低，因此不但隧道内的线路应按上述方式予以折减，洞口外一段距离内，也要考虑相应的折减。在上坡进洞前半个远期货物列车长度范围内，按洞内一样予以折减。至于列车出洞，机车已达明线，这就不存在折减的问题了。如图2-3所示。图2-3坡度折减区段示意 另一方面，考虑到隧道排水的需要，除了最大坡度的限制以外，还要限制最小坡度。因为隧道内的水全靠排水沟向外流出，如果隧道坡度设为平坡，那么很长的水沟，按照流水的坡度要求，势必沟槽很深，这是比较难于设置的，有时甚至是不可能的。铁路隧道设计规范规定，隧道内线路不得设置为平坡，最小的允许坡度应不小于3‰，在最冷月平均气温低于-5℃的地区、地下水发育的隧道宜适当加大坡度。三、坡段长度隧道内的线路坡段也不宜太短，因为坡段太短就意味着变坡点多而密集，列车行驶就不平稳，司机操纵要随时调整。当列车经过变坡点时，受力情况也跟着变化，车辆间会发生相互的冲撞，产生附加力和附加加速度。如果坡度太短，一列车在行驶中，同时跨越两个变坡点，车体、车钩都在同时受到不利的影响，有时会因此发生事故。另外，如果隧道内坡度变化甚多，也将给施工和运营养护维修养护增加困难。所以，从行车平稳的要求和照顾施工和养护的方便出发，隧道内坡段长度最好不小于列车的长度，考虑到长远的发展，坡段长度最好不小于远期到发线的长度。当两端货物列车以接近计算速度运行的凸形纵断面分坡平段，列车通过这种地段时，车钩程拉紧状态，附加力及附加加速度的变化较小，接近规定最大坡差的假设条件，可以用较短的坡度长度。铁路隧道设计规范规定，隧道内纵断面坡段设计，必须满足行车安全和平稳的要求，并应考虑施工和养护的方便，隧道内宜设置长坡段。当隧道位于两端货物列车以接近计算速度运行的凸形纵断面分坡平段，允许坡段长缩短至200m。隧道内线路的坡型单一，但不宜把坡段定得太长，尤其是单坡隧道，坡度已用到了最大限度，如果是一气上大坡，列车就必须用尽机车的全部潜在能力，持续奋进。这样，会使机车疲劳或超负荷。虽然坡度未超限制，但坡段长了，也会越爬越慢，以至有停车的可能或出现车轮打滑的情况，容易发生事故。在下坡时，由于坡段太长，制动时间过久，机车闸瓦摩擦发热，将使燃油失效，以致刹不住车，发生溜车事故。所以在限坡地段，坡段不宜太长。如果隧道很长，坡度又不想变动，为了不使机车爬长坡，可以设缓坡段，使机车有一个喘息或缓和的时间。此外，顺坡设排水沟时，如果坡段太长，水沟就难于布置，不是流量太大，就是沟槽太深。有时为此需要设置许多抽水、扬水设施，分级分段排水。这就给今后的运营和维修增加了工作量。所以，隧道内线路的坡段不宜太长。四、坡段联接为了行车平顺，两个相邻坡段坡度的代数差值不宜太大。因为，坡差太大会引起车辆之间仰俯不一，车钩受到扭力，容易发生断钩。因此，在设计坡度时，坡间的代数差要有一定的限制。从安全的观点出发，两坡段间的代数差值不应大于重车方向的限坡值。对于人字坡型的越岭隧道，坡顶上一侧为上坡，另一侧为下坡，它们的代数坡差很容易超过限值。此时，允许在坡项处设置一段长度不超过200m的分坡平道。在此200m范围内，水沟的设置还是不困难的。在整个隧道内，由于坡度不同，纵断面上把各坡段联起来形成了一条折线链。当坡差小于3‰时，行车不平顺的情况还不太严重，当坡差大于此值时，列车行驶就有不平顺的感觉。为此，在变坡点处应设置竖曲线来连接。铁路隧道设计规范规定，Ⅰ、Ⅱ级铁路相邻坡段的坡度差大于3‰，Ⅲ级铁路相邻坡段的坡度差大于4‰时，应圆曲线型竖曲线连接；竖曲线的半径在Ⅰ、Ⅱ级铁路应为10000m，Ⅲ级铁路应为5000m。还要注意，如果隧道内有缓和曲线，务必不要使缓和曲线与竖向曲线相重叠。缓和曲线范围内，外轨轨面高程一般以不大于2‰ 的超高递减坡度逐渐升高。在竖曲线范围内的轨顶将以一定的变化率圆顺变化，若两者重叠时，由于两者变化率不能协调，而在一定程度上外轨顶改变了竖曲线和缓和曲线在立面上的形状，若要做好理论要求的形状，则对养护工作要求较高，存在一定困难。隧道内线路坡度不但要按上述情况考虑，还要检算列车在相应坡段上的行车速度。因为列车上坡需要有一定的速度，才能将动能转为势能。如果列车开始上坡时，还有足够的前进能力，行至中途机车的效能就会有所降低，逐渐衰减以至逐渐趋近于不能前进而出现打滑、停车以致例退等危险情况。即使能勉强爬上，缓缓而过，洞内行车时间过长，发出的污浊空气会使机车乘务人员以及旅客感到非常不舒服，甚至酿成窒息晕倒等事故。因此，铁路隧道设计规范规定，内燃机车牵引的铁路隧道，长度在1000m及以下的隧道检算车速不应小于计算速度，长度在1000m以上的隧道检算车速不应小于25km/h。当检算车速小于上述值时，应在洞外设置加速缓坡。车站上的隧道，因受站场作业限制，应采取必要的工程措施，以保排水畅通。当隧道洞口位于滨河可能被洪水淹没地带、水库回水影响范围或受山洪威胁地段，其路肩高程应高出设计水位加波浪侵袭高度和壅水高度至少0.5m。设计水位的洪水频率标准在Ⅰ、Ⅱ级铁路应为1/100，Ⅲ级铁路为1/50；当观测洪水(包括调查可靠的有重现可能的历史洪水)高于上述设计洪水频率标准时，则应按观测洪水设计，但当观测洪水的频率在Ⅰ、Ⅱ级铁路超过1/300，Ⅲ级铁路超过1/100时，则应分别按1/300和1/100设计。 第三章隧道构造设计第一节隧道衬砌的型式及适用条件隧道开挖以后，为了保持坑道的稳定，一般都需要在坑道周围修建支护结构，即衬砌。支护的方式有：①外部支护，即从外部支撑着坑道的围岩（如模筑混凝土整体式衬砌、砖石衬砌、装配式衬砌、喷射混凝土支护等）；　②内部支护，即对围岩进行加固以提高其稳定性（如锚杆支护、压入浆液等）；③混合支护，即内部与外部支护混合一起的衬砌（如喷锚支护）。从衬砌施工工艺方面将隧道衬砌的型式分为以下四类：1．整体式模筑混凝土衬砌它是指就地灌筑混凝土衬砌，也称模筑混凝土衬砌。其工艺流程为：立模—灌筑—养生—拆模。模筑衬砌的特点是：对地质条件的适用性较强，易于按需要成型，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件，如可用木、钢模板或衬砌模板台车等。2．装配式衬砌装配式衬砌是将衬砌分成若干块构件，这些构件在现场或工厂预制，然后运到坑道内用机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌。这种衬砌的特点是：拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中采用。3．喷锚支护喷射混凝土是以压缩空气为动力，将掺有速凝剂的混凝土拌和料与水汇合成为浆状，喷射到坑道的岩壁上凝结而成的。当岩壁不够稳定时，可加设锚杆、金属网和钢架，这样构成的一种支护形式，简称“锚喷支护”。喷锚支护是一种符合岩体力学原理的支护方法。喷锚支护的特点是：　　①与围岩密贴、支护及时、柔性好；②封闭围岩壁面防止风化；③充填裂隙加固围岩；④它能充分调动围岩本身的自稳能力，与围岩组成共同承载体系。喷锚支护包括锚杆支护，喷射混凝土支护，喷射混凝土锚杆联合支护，喷射混凝土钢筋网联合支护，喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护，喷射钢纤维混凝土支护，喷射钢纤维混凝土锚杆联合支护，以及上述几种类型加设型钢支撑（或格栅支撑）而成的联合支护等等。喷锚支护是目前常用的一种围岩支护手段，适用于各种围岩地质条件，但是若作为永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、完整、稳定的地段中采用。不宜采用喷锚支护作为永久衬砌的情况有：①膨胀性围岩；②粘土质胶结的软岩；③大面积涌水地段；④堆积层、破碎带等不良地质地段；⑤对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，要求衬砌内轮廓很整齐、平整；⑥辅助坑道或其它隧道与主隧道的连接处及附近地段；⑦有很高的防水要求的隧道；⑧围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者等；⑨地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀；⑩最冷月平均气温低于-5℃地区的冻害地段。 4．复合式衬砌复合式衬砌不同于单层厚壁的模筑混凝土衬砌，它把衬砌分成两层或两层以上，可以是同一种型式、方法和材料施作的，也可以是不同型式、方法、时间和材料施作的。目前实践的都是外衬和内衬两层，所以也有人叫它为“双层衬砌”。按内、外衬的组合情况可分为：①喷锚支护与混凝土衬砌；②喷锚支护与喷射混凝土衬砌；③可缩性钢拱架（或格栅钢构拱架）喷射混凝土与混凝土衬砌；④装配式衬砌与混凝土衬砌。目前最通用的是外衬喷锚支护，内衬为整体式混凝土衬砌。复合式衬砌是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条件，有其广阔的发展前途。第二节隧道衬砌的一般构造要求　　一、隧道衬砌的建筑材料及要求修建隧道衬砌的材料，应具有足够的强度和耐久性，在某些环境中，还必须具有抗冻、抗渗和抗侵蚀性。此外，还应满足就地取材，降低造价，施工方便及易于机械化施工等要求。常用的隧道衬砌材料有：1．混凝土与钢筋混凝土混凝土的优点是：整体性和抗渗性较好，既能在现场浇筑，也可以在加工场预制，而且能采用机械化施工。可以在水泥中掺入外加剂，以提高混凝土的性能。钢筋混凝土材料主要用在洞门、明洞衬砌及地震区、偏压、通过断层破碎带或淤泥、流砂等不良地质地段的隧道衬砌中。在特殊情况下可采用旧钢轨或焊接钢筋骨架进行加强。2．片石混凝土为了节省水泥，在岩层较好地段的边墙衬砌，可采用片石混凝土（片石的掺量不应超过总体积的20%）。此外，当起拱线以上1m以外部位有超挖时，其超挖部分也可用片石混凝土进行回填。选用的石料要坚硬，其强度等级不应低于MU40，有裂隙和易风化的石料不应采用。3．石料和混凝土预制块石料衬砌的优点是：可就地取材、降低造价、可保证衬砌厚度并能较早地承受荷载，可以节省水泥和模板，耐久性和耐侵蚀性能较好。其缺点是：整体性差，砌缝多容易漏水，防水性能较差，施工主要靠手工操作，难于机械化施工，费工、费时，施工进度较慢，而且需要大量熟练工人。4．喷射混凝土采用混凝土喷射机，将掺有速凝剂的混凝土干拌混合料和水高速喷射到洗干净的岩石表面上经凝结而成。其早期强度和密实性均较普通混凝土高，能封闭围岩的裂隙，能很快起到支护围岩的作用。另外在喷射混凝土中可加入纤维类材料提高其性能。5．锚杆和钢架锚杆是一种插入到围岩岩体内的杆形构件。锚杆可以是钢材，也可以是其它抗拉性能较好的材料。钢架是为了加强支护刚度而在初期支护或二次衬砌中放置的型钢支撑或格栅钢支撑。6．装配式材料对于衬砌材料，可采用一些装配式材料，如钢筋混凝土大型预制块、加筋肋铸铁预制块等。另外为了提高洞内照明、防水、通风、美观、视线诱导或减少噪音等原因，可在衬砌内表面粘贴各种各样的装修材料。　二、铁路隧道净空及要求　（一）直线隧道净空隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。 隧道净空是根据“隧道建筑限界”确定的，而“隧道建筑限界”是根据“基本建筑限界”制定的，“基本建筑限界”又是根据“机车车辆限界”制定的。　　“限界”是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以内的空间是保证列车安全运行所必需的。“建筑限界”是建筑物不得侵入的一种限界。1．机车车辆限界它是指机车车辆最外轮廓的限界尺寸。要求所有在线路上行驶的机车车辆停在平坡直线上时，沿着车体所有部分都必须容纳在此限界范围内而不得超越。2．基本建筑限界它是指线路上各种建筑物和设备均不得侵入的轮廓线，它的用途是保证机车车辆的安全运行及建筑物和设备不受损害。如下图所示。3．隧道建筑限界它是指包围“基本建筑限界”外部的轮廓线。即要比“基本建筑限界”大一些，留出少许空间，用于安装通讯信号、照明、通风、电力等设备。我国现行的“隧道建筑限界”是国家标准局1983年11月7日发布的GB146.2-83，并以此作为设计隧道支护结构的依据。对于新建和改建的蒸汽及内燃牵引的单线和双线铁路隧道，采用“隧限-1A”和“隧限-1B”。 对于新建和改建的电力牵引的单线和双线铁路隧道，采用“隧限-2A”和“隧限-2B”。4．直线隧道净空“直线隧道净空”要比“隧道建筑限界”稍大一些，除了满足限界要求外，还考虑了在不同的围岩压力作用下，衬砌结构的合理受力形状以及施工方便等因素。 （二）曲线隧道净空加宽1．加宽原因①车辆通过曲线时，转向架中心点沿线路运行，而车辆本身却不能随线路弯曲仍保持其矩形形状。故其两端向曲线外侧偏移（d外），中间向曲线内侧偏移（d内1）。②由于曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜，使车辆限界上的控制点在水平方向上向内移动了一个距离（d内2）。2．加宽值的计算（1）单线曲线隧道加宽值的计算①车辆中间部分向曲线内侧的偏移d内1=l2/8R ②车辆两端向曲线外侧的偏移d外=(L2-l2)/8R③外轨超高使车体向曲线内侧倾移d内2=HE/150=2.7E式中l——车辆转向架中心距，可取18m；L——标准车辆长度，我国为26m；R——曲线半径（m）；H——隧道限界控制点自轨面起的高度；E——曲线外轨超高值，其最大值不超过15㎝。对于单线曲线隧道净空的加宽值为：内侧加宽W1=d内1+d内2=4050/R+2.7E（㎝）外侧加宽W2=d外=4400/R（㎝）总加宽W=W1+W2=d内1+d内2+d外=8450/R+2.7E（㎝）　（2）双线曲线隧道加宽值的计算双线曲线隧道的内侧加宽值W1及外侧加宽值W2与单线曲线隧道加宽值的计算相同。即内侧加宽W1=d内1+d内2=4050/R+2.7E（㎝）外侧加宽W2=d外=4400/R（㎝）内外侧线路中线间的加宽值W3按以下两种情况计算：当外侧线路的外轨超高大于内侧线路的外轨超高时W3=8450/R+HE/150/2（㎝）。其它情况时W3=8450/R（㎝）总加宽W=W1+W2+W3（3）曲线隧道中线与线路中线偏移距离曲线隧道内外侧加宽值不同（内侧加宽大于外侧加宽），断面加宽后，单线曲线隧道中线与线路中线偏移距离d=（W1－W2）（㎝）；双线曲线隧道内侧线路中线至隧道中线的距离d1=200－（W1－W2－W3）（㎝），双线曲线隧道外侧线路中线至隧道中线的距离d2=200+（W1－W2+W3）（㎝）3.曲线隧道与直线隧道衬砌的衔接方法 隧道衬砌施工中，对不同宽度衬砌断面的衔接，可采用在衬砌断面变化点错成直角台阶的错台法及自加宽断面终点向不加宽断面延伸1m范围内逐渐过渡的顺坡法。四、隧道衬砌的其它构造要求1．隧道洞口段，比隧道中段受力复杂，除了受有横向的竖直与水平荷载以外，还受有纵向的推力荷载。所以，规范规定隧道洞口段应设置加强衬砌，并宜与洞身整体砌筑。其长度应根据地质、地形等条件确定，一般单线隧道洞口应设置不小于5m长的模筑混凝土衬砌，双线和多线隧道应适当加长；2．围岩较差段的衬砌应向围岩较好地段延伸5～10m；3．偏压衬砌段应延伸至一般衬砌段内5m以上；4．不设仰拱的隧道应做底板，单线隧道其厚度不得小于20㎝，双线隧道其厚度不得小于25㎝；5．对衬砌有不良影响的硬软地层分界处，应设置变形缝；6．电力牵引的隧道，其长度大于2000m及位于隧道群地段和车站两端时，为了使接触网有良好的工作和维修条件，应根据需要设置接触网补偿下锚的衬砌段。7．运营通风洞、联络通道等与主隧道连接处的衬砌设计应做加强处理。五、隧道衬砌断面的初步拟定隧道衬砌是超静定结构断面设计步骤：初步拟定尺寸——计算内力——检算强度（安全量）——调整尺寸——重复上述计算，直到合适为止。初步拟定结构形状和尺寸可采取经验类比的方法，考虑因素有：1.内轮廓——选定净空形状原则：紧贴限界，衬砌表面平顺圆滑。2.结构轴线——抽象出进行计算的几何形状隧道衬砌是一种受压结构，结构的轴线尽可能地符合荷载作用下的压力线。当衬砌承受径向分布的静水压力时，结构轴线以圆形最合适。当衬砌主要承受竖向荷载和不大的水平荷载时，结构轴线上部宜采用圆弧形或尖拱形，下部可以做成直线形（即直墙式）。当衬砌承受竖向荷载的同时，又承受较大的水平荷载时，衬砌结构的轴线上部宜采用圆弧形或平拱形，下部可采用凸向外方的圆弧形（即曲墙式）。如果还有底鼓压力，或衬砌有沉陷的可能，则结构底部还应有凸向下方的仰拱为宜。3.截面厚度——检算强度要求设计的截面厚度具有足够的强度。 衬砌的最小厚度规定——满足施工要求。第三节隧道洞身支护结构的构造　　一、整体式模筑混凝土衬砌　整体式模筑混凝土衬砌，是在坑道内树立摸板、拱架，然后浇灌混凝土而成。它是作为一个支护结构，从外部支撑着坑道围岩的，是一种传统衬砌结构形式。依照不同的地质条件，或是按照不同的围岩级别，又有：直墙式和曲墙式两种形式。（一）直墙式衬砌适用范围：地质条件比较好，属于我国铁路隧道围岩分类中的Ⅱ、Ⅲ级围岩，有时也可用于Ⅳ级围岩。围岩压力以竖向为主，几乎没有或仅有很小的水平侧向压力。组成：上部拱圈、两侧竖直边墙和下部铺底。顶部拱圈可采用圆弧形拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱。洞内一侧设有排除洞内积水的排水沟。特殊情况：①半衬砌（省去边墙）：注意在拱脚做平台以支撑拱圈，两侧岩壁喷浆敷面阻止风化和少量地下水的渗透。②大拱脚：产生于先拱后墙法施工。③降低边墙建筑材料等级或采用花边墙：柱式边墙，连拱式边墙。　（二）曲墙式衬砌适用范围：地质条件比较差，岩体松散破碎，强度不高，又有地下水，侧向水平压力也相当大的Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ级围岩情况。组成：顶部拱圈、侧面曲边墙和底部仰拱（或铺底）。　 仰拱的作用是抵御底部围岩压力和防止衬砌沉降，并使衬砌形成一个环状的封闭整体结构以提高衬砌的承载能力。二、装配式衬砌装配式的隧道衬砌是将衬砌分成若干块构件，这些构件是在工厂或现场预先制备，然后运入坑道内，用机械将他们拼装成一环接着一环的衬砌。这种衬砌具备以下优点：（1）一经装配成环，不需养生时间，即可承受围岩压力；（2）预制的构件可以在工厂成批生产、在洞内可以机械化拼装，从而改善了劳动条件；（3）拼装时，不需要临时支撑如拱架、模板等，从而节省大量的支撑材料和劳力；（4）拼装速度因机械化而提高，缩短了工期，还有可能降低造价。装配式衬砌的构造应满足下列条件：（1）强度足够而且耐久；（2）能立即承受荷载；（3）装配简便，构件类型少，形式简单，尺寸统一，便于工业化制做和机械化拼装；（4）构件尺寸大小和重量适合拼装机械的能力；（5）有防水的设施。三、锚喷支护（一）喷射混凝土支护层喷射混凝土的拌和材料：①普通硅酸盐水泥≥325号；②坚硬耐久的卵石或碎石：粒经不应大于15mm；③河沙：不含土质或杂物；④速凝剂。喷射混凝土的喷射方式：干喷、湿喷和潮喷。干喷：在输送到喷头处与高压水混合。潮喷：预加水成潮湿状，再在喷头处与高压水混合。湿喷：拌合好混凝土，喷头处与速凝剂汇合然后喷出。喷层厚度一般5～25cm。（二）锚杆锚杆是一种插入到围岩岩体内的杆形构件，用于主动加固围岩。只有受拉时才起作用。锚杆的锚固方式：①通过锚杆杆体或杆端锚头的膨胀将锚杆嵌固在围岩中（机械型）；②利用灌浆将锚杆杆体或杆端端部固定在岩体内（粘结型）。锚杆的作用：①组合梁（层状岩体）；②悬吊（不稳定岩体）；③挤压加固（系统锚杆，形成连续压缩带）。锚杆的类型按照作用原理可划分为：①全长粘结型：价廉、施作简单，适用于围岩变形量不大的各类地下工程的永久系统支护。②端头锚固型锚杆：安装后能立即提供支护抗力，并能对围岩施加不大的预应力，适用于坚硬裂隙岩体中的局部支护和系统支护，当用作永久支护时，须采取灌浆或其它防腐措施。③摩擦型锚杆：安装后可立即提供抗力，其最大特点是能对围岩施加三向预应力，韧性好，适于软弱破碎、塑性流变围岩及经受爆破震动的矿山巷道工程。④预应力型锚杆或锚索：可对围岩施加较大的预应力，适于大跨度高边墙隧道的系统支护及加固大的不稳定块体的局部支护。四、复合式衬砌分不同层先后施做，一般为内衬和外衬。 常用组合：锚喷支护＋模筑砼衬砌，同时可在外衬与内衬之间敷设一层防水层，以便达到防水的目的。在洞壁表面上先喷射一层混凝土，有时也同时施加锚杆，凝固以后形成一个薄层的柔性支护结构允许它有限度的产生变形，甚至少许的裂纹，把围岩因开挖坑道而引起的形变压力全部吸收或吸入了绝大部分，并把洞壁的位移逐渐地稳定下来，使外衬与围岩共同组成初步的支护体系处于暂时平衡状态。外衬的厚度多在5～20cm之间。在施工的同时，定期地量测支护变形的信息，用这些信息反馈到施工和结构的设计中去，据以确定内衬的最佳施作时间，以及内衬的适宜厚度。在外衬变形终止或基本稳定以后，再施作内衬。内衬除了起到整齐美观作用外，还承担如围岩的残留变形、竣工后围岩条件改变所产生的荷载。根据铁道科学研究院和隧道工程局共同进行的模型实验和有限元分析，验证结果表明：复合衬砌的极限承载能力比同等厚度的单层模筑混凝土衬砌可以提高20～30%，并且如能调整好内衬的施作时间，还可以改善结构的受力条件。内外层衬砌之间的防水层可以用软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯片等防水卷材，或用喷涂乳化沥青等防水剂。在喷层表面有凹凸不平时，须事先以砂浆敷面，作成找平层，务使岩壁与防水层密贴。防水层接缝处，一般用热水焊接，或电敏电阻焊接,亦可用适当的溶剂作溶解焊接，以便保证防水的质量。复合式衬砌最适宜在Ⅱ～Ⅵ级围岩中使用，但遇到下列情况时，应慎重对待，必要时应辅以相应的加固措施：①拱顶以上覆盖厚度小于隧道直径时；②有明显偏压力时；③在无自稳能力的未胶结砂砾石地层中时；④在大膨胀性的地层中时；⑤在大涌水的地层中时；⑥在严重的冻害的地区中时。复合式衬砌的支护机理：①外衬（初期支护）：允许大的约束变形，允许出现少量裂缝，吸收变形压力，稳定洞壁，与围岩共同形成支护体系。②内衬（二次衬砌）：与外衬围岩共同承受围岩残余变形产生的压力，共同承受外部条件恶化产生的压力，作为整个结构的安全储备。③中间设有防水层，阻止水从衬砌背后渗入隧道。初期支护应按主要承载结构设计；二次支护在Ⅲ级及以下围岩时按安全储备设计，在Ⅳ级及以上围岩时按承载（后期围岩）结构设计，并均应满足构造要求。第四节明洞的构造明洞是用明挖法修建山岭隧道部分。修建明洞的场合：①地质差且洞顶覆盖层较薄，用暗挖法难以进洞；②洞口路堑边坡上受坍方、落石、泥石流等威胁而危及行车安全；③铁路、公路、河渠必须在线路上方通过，且不宜做立交桥或暗洞；④为了减少隧道工程对环境的破坏影响，保护环境和景观，洞口段需延长者，均需要修建明洞。作用：在隧道洞口或线路上起防护作用。明洞是在露天的路堑地面上，或是在敞口的基坑内，先修筑结构物，然后再回填覆盖土石。明洞型式：拱式明洞和棚式明洞。一、拱式明洞组成：由拱圈、边墙和仰拱或铺底组成。 （一）路堑式拱形明洞适用：路堑边坡处于对称或接近对称，边坡岩层基本稳定，仅防边坡有少量坍塌、落石，或用于隧道洞口岩层破碎，覆盖层较薄而难以用暗挖法修建隧道时。在挖出路堑的基面上，先修建与隧道衬砌相似的结构，然后在上面回填覆盖土石，夯紧并覆盖防水粘土层，层上留有排水的沟槽，以防止地面水的渗入。两侧墙外填以浆砌片石，使其密实。此种明洞承受对称荷载，拱、墙均为等截面，边墙为直墙式。（二）偏压直墙式拱形明洞适用：两侧边坡高差较大的不对称路堑。承受不对称荷载，拱圈为等截面，边墙为直墙式，外侧边墙厚度大于内侧边墙的厚度。（三）偏压斜墙式拱形明洞适用：地形倾斜，低侧处路堑外侧有较宽敞的地面供回填土石，以增加明洞抵抗侧向压力的能力承受偏压荷载，拱圈为等截面，内侧边墙为等厚直墙式，外侧边墙不等厚斜墙式（四）半路堑单压式拱形明洞适用：傍山隧道的洞口或傍山线路上半路堑地段，外侧地形狭小，地面陡峻，无法回填土石，以平衡内侧压力。受到单侧的压力，内侧边墙为等厚直墙，外墙为设有耳墙的不等厚斜墙，而且必须把基础放在稳固的基岩上。拱圈可采用等截面或变截面。当外侧地形低下，不能保持回填土的天然稳定坡度，或是按天然稳定坡度则边坡将延伸很远时，可以在结构的外墙顶上，接高一段挡墙，用以拦截土石的流走，称之为耳墙式拱形明洞。有时，外侧边墙基底地质不好，不足以承受外墙传来的压力而必须把基础放到下方较深的基岩上时，外墙可以延伸直达基岩，成为内、外墙不同，内短外长的形式，称为长腿式拱形明洞。 明洞顶上回填土石为了缓冲落石对衬砌的冲击而设的，它的厚度应视落石下坠的实际情况通过计算而定。一般不应小于1.5m。在填土面上应留有不小于1：1.5的流水坡。填土的上面及拱顶上方都要做一层粘土隔水层，以防水渗入。如果基底地质较好，外墙可以做成连拱形，以节省圬工。如果明洞外侧覆盖土不厚，还可以掏成侧洞，使露天的光线可以射进来，外界的新鲜空气可以流进来，改善了明洞内的环境条件。拱形明洞是在露天施工的，不受地下坑道条件的限制，所以可以采用钢筋混凝土作拱圈。外边墙体积大，可以用混凝土或石料。有时，在隧道洞口有公路或水渠横越而又不宜做立交桥时，为了保持公路的通行和不致中断灌溉农田的水道起见，可以修建带有渡槽的拱式明洞。在有滑坡的地方，而路线又必须通过时也可以配合挡墙、抗滑桩等，修建抗滑明洞，作为综合治理滑坡的措施之一。拱形明洞应设置横向贯穿的伸缩缝，其间隔约为6~20m，视实际情况而定。如有侧洞，伸缩缝应避开侧洞位置。二、棚洞适用：山坡的坍方、落石数量较少，山体侧向压力不大，或因受地质、地形限制，难以修建拱形明洞时，可以修建棚式明洞，简称棚洞。棚式明洞常见的结构形式有盖板式、刚架式和悬臂式三种。（一）盖板式棚洞盖板式棚洞是由内墙、外墙及钢筋混凝土盖板组成的简支结构。顶上不是拱圈而是平的盖板，其上回填土石，以保护盖板受山体落石的冲击。内墙一般为重力式墩台结构，厚度较大，用以抵抗山体的侧向压力，它的基础必须放在基岩或稳固的地基上。若是侧坡较陡，地面水不大，坡面稳定而坚实，采用重力式内墙开挖量太大时，也可以用钢筋混凝土锚杆挡墙的形式。外墙不受侧向压力，仅承受粱和盖板的竖向荷载时，它要求的地基承载力较小，此时外墙可以较薄，或可以根据落石的严重与否以及地质情况，采用立柱式（梁式）或连拱墙式结构。当外侧基岩较浅，地基基础承载力较大时，可采用立柱式。 （二）刚架式棚洞适用：地形狭窄，山坡陡峻，基岩埋置较深而上部地基稳定性差。可采用刚架式或长腿式外墙，置于稳固的地基上。组成：外侧刚架、内侧重力式墩台结构、横顶梁、底横撑及钢筋混凝土盖板。盖板上做防水层及回填土石处理。（三）悬臂式棚洞适用：稳固而陡峻的山坡，外侧地形难以满足一般棚洞的地基要求，而且落石不太严重。内墙为重力式，上端接筑悬臂式横梁，其上铺以盖板，在盖板的内端设平衡重来维持结构受外荷载作用下的稳定性。同时为了保证棚洞的稳定性，要求悬臂必须伸入稳定的基岩内。对内墙的稳定性要求很严，施工必须十分谨慎，又是不对称结构，所以应当慎重选用。明洞虽然是在敞开的地面上修建的，但是，由于它的圬工量较大，上覆回填也较费工，所以，它的造价比暗挖的隧道要贵些。过去，很多隧道由于力求缩短洞身，在施工后，发现洞口保证不了安全，于是只得一再地接长明洞，原先企图节省投资，反而增添了费用，还给洞口施工带来干扰。所以，决定洞口位置时，应体现“早进晚出”的精神，不宜以事后增修明洞作为补救的办法。必须有计划、有比较地全面考虑，慎重选用。第五节隧道洞门结构的构造 洞门（隧道门的简称，通常也泛指隧道门及明洞门）是隧道洞口用圬工砌筑用以保护洞口、排放流水并加以建筑装饰的支挡结构物。它联系衬砌和路堑，是整个隧道结构的主要组成部分，也是隧道进出口的标志。洞门的作用有以下几方面：1．减少洞口土石方开挖量，起到挡土墙的作用。2．稳定边仰坡，减小引线路堑的边坡高度，缩小正面仰坡的坡面长度，从而使边仰坡得以稳定。3．引离地面流水，把流水引入侧沟排走，保证了洞口的正常干燥状态。4．装饰洞口，修建洞门也可以算是一种装饰。特别是在城市附近、风景区及旅游区内的隧道，更应配合当地的环境，给予艺术处理进行美化。对于铁路隧道，隧道的长度就是其进出口洞门墙外表面与线路内轨顶面标高线交点之间的距离；对于公路隧道，隧道的长度就是其进出口洞门墙外表面与路面的交线同路线中线交点间的距离。洞门结构的设计要求：（1）洞门结构的型式应实用、经济、美观、醒目；（2）洞门墙应根据实际情况设置伸缩缝、沉降缝和汇水孔；（3）洞门墙的厚度可按计算或结合其它已建成隧道洞门用工程类比法确定；（4）洞门墙基础必须埋置在稳定地基上，应视地形及地质条件，埋置足够的深度，保证洞门的稳定性。根据洞口地形、地质及衬砌类型等不同的情况和要求，洞门结构主要有以下两大类型：1．隧道门隧道门指修建在不设明洞的隧道洞口的支挡结构物，包括环框式洞门、端墙式洞门、翼墙式洞门、柱式洞门、台阶式洞门、斜洞门和耳墙式洞门等2．明洞门明洞门主要配合明洞结构类型设计，明洞有拱形明洞和棚洞之分，相应明洞门也分拱形明洞门和棚式明洞门两大类。棚式明洞门并不单独设置，通常在棚洞洞口端横向顶梁上，加设端墙，以拦截落石，避免其坠入线路影响行车安全，故一般阐述的明洞门形式多指拱形明洞门而言。一、环框式洞门环框式洞门，即只镶饰隧道衬砌两端部分。适用：隧道洞口仰坡极为稳固，岩层坚硬，节理不发育，不易风化，地形陡峻而又无排水要求。不承载的简单洞口环框。作用：加固洞口，减少雨后洞口滴水的作用，并对洞口做出简单的装饰。二、端墙式洞门与柱式洞门（一）端墙式洞门 端墙式洞门俗称一字式洞门。适用：地形开阔，岩层较为坚硬完整。组成：端墙，洞门顶排水沟。端墙的作用：抵抗山体纵向推力，支持洞口正面上的仰坡。排水沟作用：将从仰坡流下来的地面水，汇集排走。端墙的构造一般是采用等厚的直墙，墙身微向后倾斜，斜度约为1：10。端墙式洞门具有结构简单、工程量小、施工简便的优点，在岩层较好时使用最为经济，也是最常见的一种洞门。唯洞门顶排水条件稍差，若横向山坡一侧较低时，宜开挖沟槽横向引排。端墙的构造有如下的要求：1.端墙的高度应使洞身衬砌的上方尚有1m以上的回填层，以减缓山坡滚石对衬砌的冲击；洞顶水沟深度应不小于0.4m；为保证仰坡滚石不致跳跃超过洞门落到线路上去，端墙应适当上延形成挡碴防护墙，其高度从仰坡坡脚算起，应不小于0.5m，在水平方向不宜小于1.5m；端墙基础应设置在稳固的地基上，其深度视地质条件、冻害程度而定，一般应在0.6~1.0m左右。按照上述要求，端墙的高度约在11.0m上下。2.端墙厚度应按挡土墙的方法计算，但不应小于：浆砌片石——0.4m；片石混凝土——0.35m；混凝土、块石——0.3m；钢筋混凝土——0.2m。3.端墙宽度与路堑横断面相适应。下底宽度应为路堑底宽加上两侧水沟及马道的宽度。上方则依边坡坡度按高度比例增宽。端墙两侧还要嵌入边坡以内约30cm以增加洞门的稳定。（二）柱式洞门柱式洞门是从端墙式洞门发展起来的，它实际也是一种端墙形式的洞门。 适用：洞口地形较陡，地质条件较差，岩层有较大侧压力，仰坡有下滑的可能性的地段，或洞口处地形狭窄，受地形或地质条件限制，设置翼墙无良好基础或不能设置翼墙的地段，这时可以在端墙中部设置两个断面较大的柱墩，以增加端墙的稳定性。由于柱式洞门墙面有凸出线条，较为雄伟美观，所以在城市、风景区或有建筑艺术装饰要求的地区，适宜采用柱式洞门，特别是对于较长大的隧道，采用柱式洞门比较壮观。三、翼墙式洞门与耳墙式洞门（一）翼墙式洞门适用：地质条件较差，山体纵向推力较大。在端墙式洞门以外，增加单侧或双侧的翼墙（挡墙），成为翼墙式洞门，俗称八字式洞门。翼墙与端墙共同作用，抵抗山体纵向推力，增加洞门的抗滑走和抗倾覆的能力。同时翼墙还有保护路堑边坡起挡土墙的作用。翼墙式洞门的正面端墙一般采用等厚的直墙，微向后方倾斜，斜度为1：10。翼墙前面与端墙垂直，顶面斜度与仰坡坡度一致（顶面一般与仰坡的延长面一致），墙顶上设流水凹槽，将洞顶上的水从端墙后面沿预留的泄水孔流出墙外，俗称“龙咀”或“吊沟”，然后沿凹槽引至路堑边沟内。翼墙基础应设在稳固的地基上，其埋深与端墙基础相同。（二）耳墙式洞门耳墙式洞门即带耳墙的翼墙式洞门。将翼墙式洞门端墙两侧各接出一个耳墙至边坡内，呈带耳墙的结构，形成耳墙式洞门。这种洞门结构形式对于排泄仰、边坡地表汇水，阻挡洞顶风化剥落体，效果良好，并可大大减少对坡面的冲刷，洞口显得宽敞，结构式样比较美观，而且对于边、仰坡坡度不一致的洞口，设计时亦便于处理。 耳墙式洞门因增加了耳墙，虽圬工量略有增加，但可减少铺砌范围，在总的造价上与无耳墙的翼墙式洞门相比，增加费用很有限。由于这种洞门形式保持了翼墙式洞门的优点，克服了其不足之处，采用它可减少运营期间很大的养护工程量，故受到现场欢迎，被认为是一种适用、经济、美观的结构形式。四、其它型式的隧道门（一）台阶式洞门适用：当洞门处于傍山侧坡地区，地面横坡较陡，洞门一侧边坡较高时，为了减小仰坡高度及外露坡长，可以将端墙一侧顶部改为逐步升级的台阶形式，以适应地形的特点，减少仰坡土石开挖量。此种洞门一般配合偏压隧道衬砌使用，故亦称偏压隧道门。在靠山侧通常需设置挡墙，以降低边坡开挖高度，并压缩端墙宽度。低山坡一侧如地质较差，地面较高，也可采用矮挡墙。选用台阶式洞门时，通常需要根据洞口地形地质条件，与采用明洞或斜洞门做技术经济比较。（二）斜交式洞门适用：当线路方向与地形等高线斜交时，可采用平行于地形等高线方向与线路成斜交的洞门。斜洞门一般分端墙式和翼墙式两种，个别工点因受地形限制也可采用柱式斜洞门。在松软地层中，不宜采用斜洞门。斜洞门与线路中线的交角不应小于45°，一般斜洞门与衬砌斜口段是整体砌筑的。由于斜洞门与线路中线斜交，因而洞口环节衬砌跨度加大，衬砌斜口段的受力情况复杂，施工也不方便，所以，只有在十分必要时才采用它。 五、拱形明洞门拱形明洞门可分为路堑式和半路堑式两类。路堑式明洞门有端墙式（常用柱式）和翼墙式两种，与一般隧道门形式相类似。半路堑式明洞门多用于傍山线路，其山侧与原地层相接，为了适应傍山、横向地面坡陡的地形，一般也多以台阶形式加高端墙，并在山侧设置挡墙支挡边坡，降低开挖高度。对外侧有覆盖填土的偏压明洞，为了支挡填土，设置了较低的翼墙，并将洞门顶水沟的水经由翼墙顶引排。六、突出式洞门在工程实践中，人们逐渐认识到“洞门是防护承载结构”观念的局限性和不合理性，在实践中逐渐形成了“无洞门”的洞口观念。既不开挖既有山体边坡和周边植被，直接进洞，必要时，将洞口结构适当向洞外延长。这种处理方法，基本上不设置洞门，即使设置洞门也是装饰性的，是不承载的。在这种情况下，“无洞门”的洞口的功能可以概括如下：（1）防护功能：主要是防护洞口上方的落石以及在严寒地区防护洞口积雪等。（2）安全功能：主要是指车辆行驶的安全。从功能上讲，公路隧道洞口应具有缓和洞口内、外光线的差异，降低眩晕感，确保眼睛舒适性和视觉安全性的安全作用。（3）景观功能：与洞口周边的景观协调，将洞口作为一个与周边环境协调的“景点”建筑，缓和高速进入洞内暗部时心理的紧张感，提高环境意识 从功能分析中可以看出，洞口的承载功能被削弱了，更加强调的是其防护、安全和景观的功能。为了综合地满足上述功能的要求，“突出式”洞口，将成为主流形式而代替传统的“路堑式”的洞口形式。突出式洞口为景观设计提供了极大的设计空间和自由度，这是路堑式洞口所不可比拟的。突出式洞门是采用与隧道主体相同的断面向前突出的、使用填土防止滑坡所采用的结构。突出式洞门根据其外形又可分为消竹形式和喇叭口形式。第六节隧道附属建筑物为了使隧道能够正常使用，保证车辆通过的安全，除了洞门、明洞和洞身衬砌等主体建筑物以外，还要设置一些附属建筑物来配合。其中包括：隧道通风建筑物、安全避让设备、防排水设备和电力及通讯信号的安放设备等。一、通风建筑物将有害气体、热量、潮湿空气等排出洞外，把洞外的新鲜空气引进洞来，使洞内空气达到无害的程度，使列车司乘人员和洞内维修人员能舒适而高效地工作。要达到铁路隧道规范规定的标准，除了提高列车运行速度、铺设整体道床、给避车洞安装防烟门和为隧道内工作人员配备防毒口罩以外，采取通风措施是最有效的一种方法。通风可以分为借助自然条件的自然通风和依靠人为条件的机械通风两种方式。自然通风是利用洞内的天然风流和列车运行所引起的活塞风来达到通风目的的。机械通风则是在自然通风不能满足要求时，设置一系列通风机械，送入或吸出空气来达到通风目的的。铁路隧道规范总结了许多实践经验，归纳了隧道通风的一般规定：单线隧道，当用内燃机车牵引时，2km以上和用电力机车牵引时，8km以上的隧道，都应设置机械通风。双线隧道应根据行车密度、自然条件等具体情况而定，对于内燃机车牵引的双线隧道，当隧道长度L（km）×行车密度N（对/d）≤100时不应设置机械通风。机械通风的方式可以分为两大类：纵向式通风、全横向式通风和半横向式通风。（一）纵向式通风在通风机的作用下，风流沿着隧道轴线方向流动的称为纵向式通风。它又有以下的不同形式：1.洞口风道式通风 这种通风方式是把通风机设置在隧道洞口处，将通风道联通至洞内。当列车车尾一出洞口，立即开动通风机，把已被活塞风挤到出洞口一段内的污浊空气排出洞外的露天中去，同时低洞口外的新鲜空气随着风流带进隧道中来，这样就完成了一次通风作业。2.喷咀式通风喷咀式通风方式是在隧道洞口处的衬砌上方建造一个汇集新鲜空气的空气室，室内尽端在衬砌周边上做成环形喷咀通向洞内。当洞外新鲜空气在通风机的作用下被送到空气室后，空气积聚到一定压力时，便从衬砌周边的环形喷咀以极高的速度和极小的交角喷进隧道内。它的缺点是喷咀的结构复杂、施工工艺要求高、维修不方便，并且有很大一部分能量损失在喷咀的摩擦阻力上，因而降低了效果3.竖井、斜井式通风长隧道纵剖面为人字坡时，污浊空气常积聚在坡顶，使得通风效果不好。若在隧道施工中，设置竖井或斜井作为辅助坑道时，可以利用这些辅助坑道作为通风道，把通风机置于竖井或斜井处，借助于通风机和竖井的换气作用，可以把污浊空气吸出，或把新鲜空气引入。4.射流式通风射流式通风是在隧道内安设射流式通风机，用以升压，进行通风的方式。射流风机的安设可采用洞口堆放式，洞内壁龛式和拱部吊装式。通常根据需要，在隧道洞口或沿隧道纵向以适当的间隔安设数组，每组为1至数个射流式通风机。射流式通风机具有体积小，风量大的特点，其喷射风速能达到25～30m/s。（二）全横向式通风在通风机的作用下，风流的方向与隧道轴线方向成正交的称为横向式通风。做法：隔出隧道部分面积作为沿洞身轴线的通风渠（包括压入风渠和吸出风渠）。根据计算确定风量和风压，选择合适的通风机。通风机送入的新鲜空气首先送入压入通风渠，并沿着通风渠流到隧道全长范围内。压入通风渠设有系列的出风口，把新鲜空气在均匀的间隔上吹到隧道中去，而隧道内的污浊空气则从吸出风渠的系列进风口吸出洞外。横向式通风系统能将新鲜空气沿隧道全长范围内均匀吹入，而污浊气体无需沿隧道全长范围流过，就地直接被进风口吸出。所以通风效果较好，只是它占用了隧道的净空面积，结构上也较费事。在公路隧道中使用最相宜。（三）半横向式通风 半横向式通风系统的工作原理如图所示，这种通风系统是在隧道的顶部设置进风管，并在进风管的下部，沿隧道的长度方向每隔一定距离开一通风口，气流则沿通风口流向隧道内，然后隧道内的空气在新鲜气流的推动下，沿隧道的纵向排出洞外。半横向式通风效果比纵向好，但没有全横向式通风能力强。对于公路隧道，通风设计是隧道总体设计的重要环节之一。隧道通风所需新鲜空气的风量和风压必须经过计算确定，即进行通风设计。设计需要考虑的问题是：①空气中有害物质的容许浓度；②需风量的计算方法；③判断自然通风的能力；④机械通风方式的讨论；⑤通风设备的选择以及经济性等。二、避车洞在隧道两侧边墙上交错均匀修建的人员躲避及放置车辆料具的洞室叫避车洞。避车洞根据其断面尺寸的大小分为大避车洞及小避车洞。1．大避车洞大避车洞的净空尺寸为：宽4m，凹入边墙深2.5m，中心高2.8m。碎石道床的隧道内，个/300m。混凝土宽枕道床或整体道床的隧道内，个/420m。（每侧）2．小避车洞小避车洞的净空尺寸为：宽2m，凹入边墙深1m，中心高2.2m。无论在碎石道床或整体道床的隧道内，单线：个/60m，双线：个/30m。（每侧）3．避车洞的建筑要求要求：在修隧道衬砌时，同级同时修避车洞，保证连续结构，避开衬砌的伸缩缝、沉降缝工作缝、不同衬砌类型或不同加宽断面变化的衔接处。避车洞的底面应与道床或侧水沟的盖板面等高齐平，以使维修人员等及小车可以平顺进入。 为使避车洞的位置明显，便于人员在光线暗淡的隧道内易于寻找，得以迅速地奔向最近的避车洞，且可不跨越线路，在避车洞内以及周边上用石灰浆刷成白色，并在两侧距离为10m处的边墙上各绘一个白色的指向箭头，在运营期间应保证这些标志的鲜明醒目。三、防排水建筑物隧道防排水设计标准是：①衬砌不滴水，安装设备的孔眼不渗水；②道床不积水；③电力牵引的隧道拱部基本不渗水；④在有冻害地段的隧道，除拱部和边墙不渗水外，衬砌背后也不积水。隧道防排水应根据“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，采取切实可靠的设计、施工措施，达到防水可靠、排水畅通、经济合理的目的。（一）“防”：即要求隧道衬砌结构具有一定的防水能力，能防止地下水渗入。1．防止地表水的下渗。当隧道地表的沟谷、坑洼积水对隧道有影响时，宜采取疏导、勾补、铺砌和填平等措施，对废弃的坑穴、钻孔等应填实封闭，防止地表水下渗。2．隧道附近水库、池沼、溪流、井泉的水，当有可能渗入隧道，影响农田灌溉及生活用水时，应采取措施处理。3．混凝土衬砌抗渗等级不得低于P6，若必要可采用防水混凝土（不小于P8）。4．施工缝、变形缝应采用可靠的堵水措施。5．围岩破碎、含水、易坍塌地段，宜采用注浆加固围岩和防水措施。 6．在初期支护与二次衬砌之间，宜设置防水板或设系统盲（管）沟。当隧道底部有涌水时，应采用封闭式防水板。7．有侵蚀性地下水时，应针对侵蚀类型，采用抗侵蚀性混凝土以及压注抗侵蚀浆液，敷设防水、防蚀层等措施。8．最冷月平均气温低于-15℃地区和高海拔地区，对地下水的处理应以堵为主。（二）“排”：即隧道应有排水设施并充分利用，以减少渗水压力和渗水量；但必须注意大量排水后引起的后果，如围岩颗粒流失，降低围岩稳定性或造成当地农田灌溉和生活用水困难等，应事先妥善处理。“排”是利用盲沟、泄水管、渡槽等将衬砌背后的地下水排入隧道内，再经由洞内水沟排走，以免造成隧道病害。1．隧道内纵向应设排水沟，横向应设排水坡。2．遇围岩地下水出露处所，宜在衬砌背后设竖向盲沟或排水管（槽）、集水钻孔等予以引排，对于颗粒易流失的围岩，不宜采用集中疏导排水。3．根据工程地质和水文地质条件，应在衬砌外设环向盲沟、纵向盲沟和隧底排水盲沟、组成完整的排水系统，保证道床不积水。4．当地下水发育，含水层明显，又有长期补给来源，洞内水量较大时，可利用辅助坑道或设置泄水洞等作为截、排水设施。（三）“截”：隧道顶部如有地表水易于渗漏处所或有坑洼积水，应设置截、排水沟和采取消除积水的措施。它是指截断地表水和地下水流入隧道的通路。为了防止地表水渗入地层内，主要采取以下措施：1．在洞口仰坡外缘5m以外，设置天沟，并加以铺砌。当岩石外露，地面坡度较陡时可不设天沟。仰坡上可种植草皮、喷抹灰浆或加以铺砌。2．对洞顶天然沟槽加以整治，使山洪宣泄畅通。3．对洞顶地表的陷穴、深坑加以回填，对裂缝进行堵塞。处理隧道地表水时，要有全局观点，不应妨害当地农田水利规划，做到因地制宜，一改多利，各方满意。4．在地表水上游设截水导流沟，地下水上游设泄水洞，洞外井点降水或洞内井点降水。（四）“堵”：在隧道施工过程中，有渗漏水时，可采用注浆、喷涂等方法堵住；运营后渗漏水地段也可采用注浆、喷涂或用嵌填材料、防水抹面等方法堵水。“堵”即堵住地下水从衬砌背后渗入隧道内。1．喷射混凝土和模筑混凝土衬砌堵水当围岩有大面积裂隙渗水，且水量、压力较小时，可结合初期支护采用喷射混凝土堵水。但应注意此时需加大速凝剂用量，进行连续喷射，且在主裂隙处不喷射混凝土，使水流能集中于主裂隙流入盲沟，通过盲沟排出。普通混凝土的抗渗性较差，要堵水需采用防水模筑混凝土，并注意以下两点：①防水混凝土的抗渗等级不得小于P8，抗压强度应满足设计要求，水泥用量不得少于320㎏/m3，当掺用活性粉细料时，不得少于280㎏/m3。②防水模筑混凝土衬砌施工必须采用机械振捣。施工缝、沉降缝及伸缩缝则可以采用中埋式塑料或橡胶止水带，或采用背贴塑料止水带止水。2．防水层。防水层种类很多，大致可归纳为两类：一类为粘贴式防水层，如用沥青将油毡（或麻片）粘贴在衬砌的外表面（适用于明挖修建的地下工程），复合式衬砌在初期支护与二次模筑衬砌之间可粘贴软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯片等防水卷材；另一类为喷涂式防水层，如“881”涂膜防水胶、阳离子乳化沥青等防水剂。3．压浆。向衬砌背后压注水泥砂浆，用以充填衬砌与围岩之间的空隙，以堵住地下水的通路，并使衬砌与围岩形成整体，改善衬砌受力条件。采用压浆分段堵水，使地下水集中在一处或几处后再引入隧道内排出，此法可收到良好的防水效果。隧道内外设置的排水建筑物有以下几种： （一）排水沟排水沟的断面大小按排水量而定，一般底宽不应小于40cm，深度不小于35cm。沟底纵向坡度宜与线路坡度一致为好，不得已时，沟底纵坡也不应小于1‰，道床底面的横坡不应小于2‰。水沟上面应有预制的钢筋混凝土盖版，平时成为人行道。盖板顶面应与避车洞底面平齐。排水沟在一定长度上应设检查井，以便随时清理残渣。排水沟有两种方式：侧式水沟，中心式水沟。单侧水沟：设在来水的一侧，设在曲线内侧。双侧水沟：隔一定距离应设一横向联络沟，以平衡不均匀的水流量。中心式水沟：隧道采用整体道床时，水沟设在线路中线的下方；或双线隧道时，水沟设在两线之间。它是用混凝土砌筑的，维修工作量较小，但一旦需要清理或维修时，必须在行车间隔的时间内进行，不甚方便。在严寒地区，可修筑浅埋保温水沟，即将水沟沟身加深，用轻质混凝土作成上、下两层，各自设有钢筋混凝土盖板。上层用保温材料密实填充，厚度不小于70cm，可保流水不冻。当浅埋保温水沟不足以防止冻害时，可设置中心深埋渗水沟，即利用地温本身的作用，达到保温防冻害之目的。当隧道内冻结深度较深，用明挖法会影响边墙稳定时，可采用暗挖法修筑泄水洞。（二）盲沟在衬砌背后，用片石、卵石或埋管修成一道环向或竖向可供流水的盲沟，以汇集衬砌周围的地下水。 现在我国普遍采用的是柔性盲沟，它是由工厂加工制造。柔性盲沟具有现场安装方便，布置灵活，连接容易，接头不易被混凝土阻塞，过水效果良好，成本也不太高等优点。其构造形式有以下两种：①弹簧软管盲沟②化学纤维渗滤布盲沟弹簧软管盲沟一般是采用10号铁丝缠成直径5～8㎝的圆柱形弹簧或采用硬质又具有弹性的塑料丝缠成半圆形弹簧，或带孔塑料管，以此作为过水通道的骨架，安装时外覆塑料薄膜和铁窗纱，从渗流水处开始沿环向铺设并接入泄水孔。化学纤维渗滤布盲沟是以结构疏松的化学纤维布作为水的渗流通道，其单面有塑料敷膜，安装时使敷膜朝向混凝土一面，可以阻止水泥浆渗入滤布。这种渗滤布式盲沟质量轻，便于安装和连续加垫焊接，宽度和厚度也可以根据渗排水量的大小进行调整，是一种较理想的渗水盲沟。（三）渡槽在隧道衬砌的内表面，每隔一定的距离，开凿一道竖向的环行凹槽。槽的大小依水量而定。槽内填以卵石，槽的外表面仍以混凝土封盖。环槽下端联到预留的水管，通到侧排水沟。地下水从外方流到隧道衬砌的周边，便进入到渡槽，自顶上沿两侧流到槽底，然后经水管排到边沟去。这种排水方式多用于已成隧道漏水较大已无法用其它防水措施解决时，作为整治漏水病害处理。虽然它可以取得较好效果，但是它削弱了衬砌边墙的强度。（四）防水层为保证隧道衬砌、通信信号、供电线路和轨道等设备正常使用，隧道衬砌应根据要求采取防水措施。设置防水措施一般有以下几种途径：1．注浆 注浆，即压注水泥浆及化学浆液，系指将一定组合成分配制而成的浆液压入衬砌背后围岩或衬砌与围岩间的空隙中，经凝结，硬化后起到防水和加固的作用。2．防水混凝土衬砌衬砌采用防水混凝土灌注。防水混凝土是指以调整配合比或掺用外加剂的方法增加混凝土的密实性，以提高混凝土自身抗渗性能的一种混凝土。3．衬砌各类缝隙防水在地下水较丰富的地区，衬砌接缝处常用止水带防水。其类型很多，如金属（铜片）止水带、聚氯乙烯止水带以及橡胶止水带等，橡胶止水带可用于变形幅度较大的场合。在水底隧道中广泛使用钢边止水带，它是在两侧镶有0.6～0.7㎜厚的钢片翼缘的一种橡胶止水带，刚度较高，便于安装。4．外贴式防水层外贴式防水层是在衬砌的外侧粘贴沥青、油毡，或涂刷焦油聚氨酯等涂料，形成隔水层。外贴式防水层防水效果比较好，但是施做困难，工作人员易中毒，故一般用于明洞的防水。5．内贴式防水层内贴式防水层是在衬砌的内侧施做防水层。一般采用喷水泥砂浆、防水砂浆抹面或喷涂阳离子乳化沥青胶乳等涂料施做内贴式防水层。6．复合式衬砌中间防水层在复合式衬砌的内外层衬砌之间设防水层，是一种效果良好的防水形式，防水层可以用软聚氯乙烯薄膜、聚异丁烯片、聚乙烯片等防水卷材，或用喷涂乳化沥青等做防水剂。（五）洞顶防排水隧道围岩内的水，主要由洞顶地表水补给时，可根据实际情况对地表进行处理，以隔断水源。另外，为防止地表水冲刷仰坡，流入隧道，一般应在洞口边仰坡上方设置天沟，以便引流地表水。如果隧道设有明洞，那么一定要做好明洞顶的防排水。（六）洞门排水洞门的端墙、翼墙和边仰坡上均应设有相应的排水设施，以便引流地表水。另外在洞口处还应设有洞内外水沟的衔接过渡设施。四、电缆槽及高低压供电1．电缆槽穿过隧道的各种电缆，如照明、通讯、信号以及电力等电缆，必须有一定的保护措施来防止潮湿、腐烂以及人为的创伤。保护的办法是沿着衬砌边墙下方，设置全长的电缆槽。电缆槽是用混凝土浇筑围成的，附设在侧水沟的同侧（内侧）或异侧而不侵入隧道净空限界的位置上。槽内铺以细砂或自熄性泡沫塑料为垫层，低压电缆可以直接放在垫层面上，高压电缆则在槽边预埋的托架上吊起。槽顶有盖板用作防护。盖板顶面应与避车洞底面或道床顶面齐平。当电缆槽与水沟同侧并行时，应与水沟盖板齐平。通讯和信号的电缆可以放在同一个电缆槽内，但缆间距离不应小于100mm。电力线必须单独放在另外的电缆槽内。托架的间隔，在直线段不应超过20m，曲线段不应超过15m。电缆槽在转折处，应以不小于1.2m的半径曲线联接，以免电缆弯曲而折断。电力牵引区段隧道内接触网，对于单线隧道是悬吊在拱顶处，对于双线隧道是悬吊在线路中心上方的拱腰处。隧道内养护维修或其它电气设备的供电一般是采用三相四线式供电，控制开关应集中设在隧道口便于操作处。 隧道照明主要为便于工作人员对隧道及其设备进行检查、养护维修以及洞内人员行走与躲避车辆而设置的。电力照明采用固定式灯具，装置高度（距轨面）一般为3.5～4m。养护作业用的照明插座，一般设在避车洞内，装置高度（距轨面）不宜低于1.5m。隧道长度大于500m时，需要在设有电缆槽的同侧大避车洞内设置余长电缆腔；隧道长度在500～1000m时，需要在隧道中间设置一处；1000m以上的隧道则每隔420m或600m增设一处。2．信号继电器箱和无人增音站洞隧道内如需要设置信号继电器时，则应在电缆槽同侧设置信号继电器箱洞，其宽度为2m，深度为2m，中心高度为2.2m。根据电讯传输衰耗和通讯设计要求，在隧道内设置无人增音站时，其位置可根据通信要求确定，亦可与大避车洞结合使用，但应将大避车洞加深2.5m。如不能结合时，则另行修建，其尺寸同大避车洞。电力牵引的长隧道，如需设置存放维修接触网的绝缘梯车洞时，宜利用施工辅助坑道或避车洞修建，其间距约500m。隧道内还有一些专门的构造设备。如洞门的检查梯、洞内变压器洞库、双孔隧道之间的行人横洞（宽2m，高2.2m，间距300～400m）和行车横洞（宽4m，高4.5m，间距600～800m）、存放消防器材及救援设施的洞室、报警及其它应急设施等。可以按照具体需要予以布置。五、伸缩缝沉降缝与施工缝伸缩缝和沉降缝统称为变形缝。伸缩缝是为了防止结构因热胀冷缩，或湿胀干缩产生裂缝而设置的，它保证结构有伸缩的余地。沉降缝是为了防止结构因局部不均匀下沉引起变形断裂而设置的，它保证结构有上下左右变形的余地。所以伸缩缝是满足结构在轴线方向上的变形要求设置的，沉降缝是满足结构在垂直与水平方向上的变形要求设置的。伸缩缝的设置，应考虑衬砌材料收缩情况，生产工艺等引起洞内温度变化情况，衬砌所处部位（口部或内部），施工方法，衬砌类型等因素。隧道衬砌一般不设伸缩缝。但严寒地区的整体式衬砌、锚喷衬砌或复合式衬砌应在洞口和易受冻害地段设置伸缩缝。凡属下列情况下应设置沉降缝：1．对衬砌有不良影响的软硬地层分界处；2．8度及8度以上地震区的断层处；3．同一洞室高低相差悬殊处；4．按动荷载与静荷载设计的衬砌交界处；5．衬砌形状或截面厚度显著改变的部位。Ⅴ、Ⅵ级围岩中的隧道，在洞口约50m范围内，宜设置沉降缝，沉降缝间距约10m。伸缩缝和沉降缝的设置要求为：1．混凝土衬砌：缝宽1cm，中间夹以沥青油毛毡等材料，在衬砌施工的同时施做。2．石砌衬砌：缝宽3cm，用沥青麻筋或其它材料填塞，在衬砌施工的同时施做。衬砌的施工缝应与设计的伸缩缝、沉降缝结合布置，并尽量少设施工缝。在进行下一循环衬砌混凝土灌注之前，必须凿毛并清洗干净施工缝。在有地下水的隧道中，伸缩缝、沉降缝和施工缝均应进行防水处理。第七节隧道内部装饰在公路隧道及城市中的地下铁道或其它地下洞室中，为了增加美观、提高能见度、吸收噪声和改善了隧道内的环境，内部装饰有时是必不可少的。内装的作用，包括美化洞室，使衬砌漏水不露出墙面，防尘蚀与烟蚀，隐藏各种管线，提高照明和通风效果，吸收噪音等。 内装的材料应具有：耐火性，在高温条件下仍能维持原状，不燃烧、不分解有害成分等；耐蚀性，长期在油垢及有害气体作用下不变质，在洗涤剂等化学物质作用下不被侵蚀；不怕水，大多数隧道都存在漏水问题，在水的侵泡下，在潮湿环境中不变质，不霉烂；不易污染、易清洗、耐刷；便于更换或修复；表面应该光滑、平整和明亮；材料来源广泛，价格相对便宜，隧道是大型构造物，用材量很大，价格高昂的材料不适于作隧道内装。常见的内部装饰类型有：粉刷，涂料，塑料装饰或粘贴各种装饰材料。一、粉刷对于公路隧道，为增加洞内光线，可用大白浆喷白处理。二、涂料涂料的作用是对被涂刷物体的表面起到防潮、防腐作用，并使表面易于清洗，色彩丰富、光洁美观。常用的涂料有：白石灰浆、白水泥浆、乳胶漆苯乙烯涂料和过氯乙烯涂料在使用上述这些涂料时，应加入一定量的防霉剂，以确保装饰工程的质量。防霉剂分油溶性和水溶性两种，如五氯酚苯汞、有机锡、五氯酚、五氯酚钠等，其掺入量常为原涂料的2～5%。三、塑料装饰四、粘贴各种装饰材料装饰材料主要有以下几种：1．天然石及人造石：花岗石、大理石、水磨石和仿石等。2．金属：钢材、铝合金、不锈钢和彩色钢板等。3．玻璃及陶瓷：普通玻璃、有机玻璃、钢化玻璃、夹胶玻璃和夹丝玻璃等。4．砖类：地砖、缸砖、釉面砖、无釉砖和玻璃砖等。砖类镶面材料表面光滑，容易洗净且效果良好。要求衬砌平整，以便镶砌整齐；隧道漏水部位可以考虑用排水管道疏导；镶面后面可以埋设小管线。5．板材第八节洞内噪声的减低措施根据洞室的使用要求，当洞室内的噪声级超过允许值时，就应该采取适当的措施加以处理。防止噪声的措施主要应从降低声源噪声，隔绝噪声（即在传递途径上隔绝噪声传播），在接受者活动的洞室内采取改变洞室的剖面形状、大小以及采取一定的吸声处理等三方面入手。一、降低声源噪声降低声源的噪声是最有效的方法，主要措施有：1．选择低噪声设备2．注意在通风管道中所产生的噪声二、隔声措施噪声的隔绝措施主要应从防止空气传声与防止固体传声两方面着手。最简单的防止空气传声措施是将产生噪声的设备用罩子把它封闭起来防止固体传声的隔声措施：一般可在设备基础的周围作必要的隔振措施，以防止噪声通过地基和地面向外传播，其方法是在设备基础的四周和底面与洞室的地面、地基分离，中间填以弹性材料，如橡皮、软木、锯末、干砂、炉碴等，四周也可以用空气夹层隔振。三、洞室内部减噪措施主要是在洞室表面采取一定的吸声处理措施。 目前地下建筑中最常采用于墙、顶面上的吸声处理措施有两种：一种是在墙面铺贴或涂刷多孔吸声材料，如木丝板、沥青纤维板、蛭石灰浆面层以及粘贴聚苯乙烯等泡沫塑料板，采用加气混凝土、微孔吸声砖、喷涂膨胀珍珠岩等。另外也可采用薄板共振吸声或穿孔板空腔吸声处理。对于高速铁路隧道内的噪声治理主要可采取以下三项措施：(1)轨道下铺设橡胶隔振垫通常做法是在道床上道碴下铺设12～19mm的弹性体，也可在轨枕下铺设弹性块。此措施可有效地减小铁路向两侧的振动传递，因之减少结构的声辐射，其有效范围一般在31.5Hz和63Hz两个倍频程段。国外的经验表明，在新线建设中，将这一因素考虑进去所增加的成本是相当低的。(2)隧道内的噪声治理高速列车在隧道中运行时，形成非常强烈的混响场，如果不采取吸声措施，将会恶化车内声环境，影响车内舒适性。因此必须对道路和隧道内壁采取吸声处理，一般可用多孔性材料铺设隧道内部，如多孔砖或多孔板加纤维质填料。国外试验过使用特殊道碴，如石英道碴，以增强道床的吸声能力，此外还可考虑在隧道中使用轨道下铺设橡胶隔振垫的措施。(3)接触网的低噪声设计日本的研究表明，集电系统的噪声仅次于轮轨噪声，占总噪声的27％左右，除了对受流系统采取低噪声、流线型设计等措施外，接触网的悬挂应使用复合悬链式结构。 第四章隧道工程的地质环境§4.1概述隧道和地面结构物如房屋、桥梁、水坝等一样，也是一种结构体系。但两者之间在赋存环境、力学作用机理等方面都存在着明显的差异。正确地认识和掌握地质环境对隧道结构力学行为的作用和影响是合理地进行隧道结构体系设计、施工的前提和基础。地面结构体系一般都是由结构和地基所组成，地基在结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自外部，如人群、车载、水力、风力等等（图4-1a）。而地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成共同并相互作用的结构体系，即地下结构＝支护结构＋周边围岩；其中以地层为主，各种围岩都是具有一定程度的自支承能力的介质，也就是说，周边围岩在很大程度上是地下结构承载的主体，支护仅用来约束地层，不使它产生过大的变形而破坏、坍塌。在地层稳固的情况下，体系中甚至可以不设支护结构而只留下地层，如我国陕北的黄土窑洞。地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本身—地层，故称为地层压力或围岩压力。所以说，在地下结构体系中，地层既是承载结构的基本组成部分，又是造成荷载的主要来源(图4-1b)，这种合二为一的作用机理与地面结构是完全不同的。(a)地面结构(b)地下结构图4-1结构物与地层关系由此可见，在隧道工程这样的地下结构中，地层起主导作用。隧道工程的一切活动(包括：能否顺利地建成，使用中是否会出现问题，以及工期长短，投资多少等等)无一不与隧道所在区域的地层条件，也就是它所赋存的地质环境息息相关。有些隧道在开挖期间产生大规模坍方，造成施工困难，甚至使工程报废。有些隧道在运营期间出现洞体开裂破坏，严重影响行车安全，要求采取复杂的治理措施。产生这些问题往往都是由于地质环境因素所造成的，当然施工方法不当、工程措施不力也可能是一个重要原因。因此，了解和认识地质环境，研究它在工程建设活动中的变化，制定有力的工程措施，使这种变化不危及隧道的安全，乃是隧道工程勘测、设计和施工中的头等大事，应当受到充分重视。 隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广，包括地层特征、地下水状况、开挖隧道前就存在于地层中的原始地应力状态以及地温梯度等。对隧道工程来说，最关心的问题则是地层被挖成隧道后的稳定程度。这是不言而喻的，因为地层稳定就意味着开挖隧道所引起的地层向隧道内的变形很小，而且在较短的时间内就可基本停止，这对施工过程和支护结构都是非常有利的。地层被挖成隧道后的稳定程度称为隧道围岩的稳定性，这是一个反映地质环境的综合指标。所以说，研究隧道工程地质环境问题，归根到底就是研究隧道围岩的稳定性问题，它包括隧道围岩破坏或稳定的规律、影响围岩稳定的主要因素、标志围岩稳定性的指标和判断准则、分析围岩稳定性的方法以及为维护围岩稳定而必须采取的工程措施(如施工程序和方法、支护结构的类型、数量和架设时间等)。长期以来，人们对隧道工程地质环境，也就是围岩稳定性问题的认识和处理，主要是以过去的工程经验为依据，虽然也有一些理论分析方法，但都没有很好地考虑围岩的这种合二为一的作用机理，因而不可能得到符合客观实际的认识。科学的方法应该从围岩变形与破坏的根本作用力——围岩的原始地应力出发，结合围岩的工程性质，施工对地层原始状态干扰和破坏的程度等进行综合研究，并根据围岩与支护结构共同作用，用围岩为主的观点来制定施工程序和进行支护结构设计。六十年代以来，由于岩体力学、试验技术以及电子计算机的发展，人们对上述问题的认识有了一个飞跃，正从以经验为主的工程类比向科学理论和定量计算过渡。诚然，由于围岩的性质十分复杂，人们所设计的力学模型还不能完全反映出围岩的真实性态，确定围岩特征参数的试验技术还不能满足工程精度要求，因此，当前的理论分析结果还达不到十分准确的水平。但不能因此而否定理论分折的价值，因为理论分析结果可以作为定性解释的依据，还可以用来研究在各种参数变化时，围岩稳定和支护受力状态的限值范围。而且，随着科学技术的发展，理论分析的结果将越来越逼近真实情况。§4.2围岩的工程性质隧道围岩是指地壳中受隧道开挖影响的那一部分岩体，或是指对隧道稳定性有影响的那一部分岩体。这部分岩体在隧道开挖和支护过程中，将产生应力重新分布，其性质也有所变化。应该指出，这里所定义的围岩并不具有尺寸大小的限制，它所包括的范围是相对的，视研究对象而定。从力学分析的角度来看，围岩的边界应划在因开挖隧道而引起的应力变化可以忽略不计的地方，或者说在围岩的边界上因开挖隧道而产生的位移应该为零，这个范围在横断面上约为6～10倍的洞径。当然，若从区域地质构造的观点来研究围岩，其范围要比上述数字大得多。围岩的工程性质，一般包括三个方面：物理性质、水理性质和力学性质。而对围岩稳定性最有影响的则是力学性质，即围岩抵抗变形和破坏的性能。围岩既可以是岩体，也可以是土体。本章重点介绍岩体的力学性质，其他可参阅有关岩体力学专著。岩体是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形变和次生蜕变而形成的地质体。它被许许多多不同方向、不同规模的断层面、层理面、节理面和裂隙面等各种地质界面切割为大小不等、形状各异的各种块体。工程地质学中将这些地质界面称之为结构面或不连续面，将这些块体称之为结构体，并将岩体看作是由结构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。所以，岩体的力学性质主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特性以及结构面的特性。环境因素尤其是地下水和地温对岩体的力学性质影响也很大。在众多的因素中，哪个起主导作用需视具体条件而定。在软弱围岩中，节理和裂隙比较发育，岩体被切割得很破碎，结构面对岩体的变形和破坏都不起什么作用，所以，岩体的特性与结构体岩石的特性并无本质区别。当然，在完整而续的岩体中亦是如此。反之，在坚硬的块状岩体中，由于受软弱结构面切割，使块体之间的联系减弱，此时，岩体的力学性质主要受结构面的性质及其在空间的位置所控制。由此可见，岩体的力学性质必然是诸因素综合作用的结果，只不过有些岩体是岩石的力学性质起控制作用，而有些岩体则是结构面的力学性质占主导地位。岩体与岩石相比，两者有着很大的区别。和工程问题的尺度相比，岩石几乎可以被认为是均质、连续和各向同性的介质，而岩体则具有明显的非均质性、不连续性和各向异性。关于岩体的力学性质，包括变形破坏特性和强度，一般都需要在现场进行原位试验才能获得较为真实的结果。国际岩石力学学会(ISRM)试验标准委员会认为，在大型地下工程详细设计阶段，为探明岩体力学性质所进行的现场原位试验可以包括① 变形试验，通常都是在试验隧洞内采用承压板法或径向千斤顶法；②剪切试验，一般是在基坑或隧洞内用斜推法进行。现场原位试验需要花费大量资金和时间，而且随着测点位置和加载方式不同，试验结果的离散性也很大。因此，常常用取样在试验室内进行试验来代替。但室内试验较难模拟岩体真正的力学作用条件，更重要的是对于较破碎和软弱不均质的岩体，不易取得供试验用的试样。究竟采用何种试验方法，应视岩体的结构特征而定。一般来说，破裂岩体以现场试验为主，较完整的岩体以做室内试验为宜。一、岩体的变形特性岩体的抗拉变形能力很低，或者根本就没有，因此，岩体受拉后立即沿结构面发生断裂，一般没有必要专门来研究岩体的受拉变形特性。图4-2典型岩体全应力—应变曲线岩体的受压变形特性，可以用它在受压时的应力—应变曲线(亦称本构关系)来说明。图4-2中分别画出了典型的岩石、软弱结构面和岩体在单轴受压时的全应力—应变曲线。从图中可以看出，岩石的应力—应变曲线线性关系比较明显，说明它是以弹性变形为主。软弱结构面的应力—应变曲线呈现出非线性特征，说明了它是以塑性变形为主。而岩体的应力应变曲线则要复杂的多了，典型的岩体全应力—应变曲线可以分解为四个阶段：1、压密阶段(OA)：这一阶段的变形主要是由于岩体中结构面的闭合和充填物的压缩而产生的。随着应力的增加，变形增长率逐渐减小，应力应变关系呈非线性凹状曲线。变形模量小，总的压缩量取决于结构面的性态。2、弹性阶段(AB)：岩体充分压密后便进入弹性阶段。所出现的弹性变形是岩体的结构面和结构体共同产生的，应力应变关系呈直线型。3、塑性阶段(BC)：岩体继续受力，变形发展到弹性极限后便进入塑性阶段，此时岩体的变形特性受结构面和结构体的变形特性共同制约。整体性好的岩体延性小，塑性变形不明显，达到强度极限后迅速破坏。破裂岩体塑性变形大，甚至有的从压密阶段直接发展到塑性阶段，而不经过弹性阶段。4、破裂和破坏阶段(CD)：应力达到峰值后，岩体即开始破裂和破坏，破坏开始时，应力下降比较缓慢，说明破裂面上仍具有一定摩擦力，岩体还能承受一定的荷载。而后，应力急剧下降，岩体全面崩溃。最后当破坏终止时，出现变曲点，应变无约束地增大，但保留一定的强度，即所谓的残余强度。从岩体的全应力—应变曲线的分析中可以看出，岩体既不是简单的弹性体，也不是简单的塑性体，而是较为复杂的弹塑性体。整体性好的岩体接近弹性体，破裂岩体和松散岩体则偏向于塑性体。这里需要指出，岩体的全应力—应变曲线只有在刚性试验机上才能测出，普通万能试验机因刚度小，实验时，试验机的变形量和储存的弹性应变能都较岩样的大。所以，当岩样达到强度极限后，抗力下降，试验机内存储的弹性变形能就突然释放，并对岩样产生冲击作用，使其迅速崩溃，无法再继续试验，测不出岩样破坏后的变形特性。岩体受剪时的剪切变形特性主要受结构面控制。根据结构体和结构面的具体性态，岩体的剪切变形可能有三种方式：1、沿结构面滑动，所以结构面的变形特性即为岩体的变形特性。2、结构面不参与作用，沿结构体岩石断裂。所以，岩石的变形特性即起主导作用。 3、在结构面影响下，沿岩石剪断。此时，岩体的变形特性介乎上述二者之间。二、循环荷在载作用下岩体的变形特性图4-3岩体加、卸载曲线对于弹性材料，其加载和卸载曲线相同，在循环加载和卸载条件下这两条曲线也相同，并且互相重合。岩体属于非线性材料，如果卸载点超过了其屈服点，则卸载曲线和加载曲线不重合，形成塑性回滞环。如果经过多次反复加载与卸载，且每次施加的最大荷载与第一次加载的最大荷载一样，则每次加载、卸载曲线都各自形成一个塑性回滞环，如图4-3所示。这些塑性回滞环随着加载、卸载次数的增加而越来越窄，最后加载、卸载曲线重合，近似于一条直线，岩体近似于弹性体。若在高于弹性极限的某一应力下，反复加载、卸载，将导致岩体进一步变形，直至发生破坏。破坏时的峰值应力低于其单轴抗压强度，这一应力常被称为疲劳强度。由此可见，在高于疲劳强度的应力反复作用下，其累积的变形也将导致岩体的破坏。三、岩体的强度从上述分析可知，岩体和岩石的变形、破坏机理是很不相同的，前者主要受宏观的结构面所控制，而后者则受岩石的微裂隙所制约。因而岩体的强度要比岩石的强度低得多，并具有明显的各向异性。例如，志留纪泥岩的单轴抗压试验结果将能很好地说明这个问题。当层面倾角大于50°时，以层间剪切形式破坏；32°～45°时，为轴向劈裂和层间剪切混合形式破坏；小于32°时，为轴向劈裂形式破坏。由此可见，岩体的抗压强度不仅因层面倾角增大而减小，同时其破坏形式也发生变化。只有当岩体中结构面的规模铰小，结合力很强时，岩体的强度才能与岩石的强度相接近。一般情况下，岩体的抗压强度只有岩石抗压强度的70～80％，结构面发育的岩体，仅有5～10％。和抗压强度一样，岩体的抗剪强度主要也是取决于岩体内结构面的性态，包括岩体的力学性质、充填状况、产状、分布和规模等；同时还受剪切破坏方式所制约。当岩体沿结构面滑移时，多属于塑性破坏，峰值剪切强度较低，其强度参数(内摩擦角)一般变化于10°～45°之间，C(粘结力)变化于0～0.3MPa之间，残余强度和峰值强度比较接近。沿岩石剪断属脆性破坏，剪断的峰值剪切强度较上述的高得多，其值约在30°～60°之间，C值有高达几十MPa的，残余强度与峰值强度之比随峰值强度的增大而减小，变化于0.3～0.8之间。受结构面影响而沿岩石剪断，其强度介于上述两者之间。五、岩体的破坏准则理论和试验研究都表明，多数岩石在初始应力状态下处于弹性阶段，而在开挖成洞后，洞室周围岩体将产生松弛或进入塑性状态。弹塑性模型的基本概念是认为岩石在屈服极限之前，只有可恢复的弹性变形，达到屈服极限以后，变形由可恢复的弹性变形和不可恢复的永久变形(塑性变形)两部分组成，弹性变形按弹性理论计算，塑性变形按塑性理论计算。材料随着外力的增加由弹性状态过渡到塑性状态。当应力的数值等于屈服极限 时，材料屈服，开始产生塑性变形，而就是单向应力状态下的屈服条件，也称作“塑性条件”，它是判断是否达到塑性状态的准则。图4-4材料强度包络线及应力圆目前，在实际设计中，采用最多的是摩尔—库仑破坏准则。图4-4表示受到主应力(>)作用时，材料屈服的应力圆。由图可知(4-2)(4-3)将式(4-3)代入式(4-2)中，并令则有(4-4)这就是著名的摩尔—库仑的直线型破坏准则。实际上，多数岩石的强度包络线不完全是直线的。Murrell对许多岩石进行的三轴试验表明，破坏时的主应力(>)与单轴抗压强度()之间的关系可用下式表示(4-5)式中、是依岩石而定的常数。当、已知时，即可求出或。根据Bieniawski的试验结果有硅岩：=4.5，=0.75；砂岩：=4.0，=0.75。格里非斯认为，内部有裂隙的材料，在裂隙的尖端部位将引起应力集中，从而导致材料强度的降低。当拉应力集中值超过材料的抗拉强度时，裂隙就会扩展，从而导致岩石破坏。为了计算应力集中值，将这些裂隙假定为很小的扁平椭圆裂纹，按平面状态破坏理论处理，如图4-5所示，则格里非斯准则如下：当>0时(4-6)当<0时(4-7) 式中—材料的抗拉强度。除了上述准则外，尚有许多其他的破坏准则，如Mises准则、Drucker-Prager准则等，在此不再一一叙述。值得一提的是，近年来由于量测技术的发展，使得应变推求成为可能，以应变为破坏准则的研究也得到了一定的发展。图4-5格里非斯准则六、岩体的流变特性试验和实践发现，无论岩体是受压或受剪切，它们所产生的变形都不是瞬时完成的，而是随着时间的增长逐渐达到最终值的。岩体变形的这种时间效应，我们称之为岩体的流变特性。严格来说，流变包括两方面：一种是指作用的应力不变，而应变随时间增长，即所谓蠕变；另一种则是作用的应变不变，而应力随时间而衰减，即所谓松弛，如图4-6所示。图4-6岩体的流变对于那些具有较强的流变性的岩体，在隧道工程的设计和施工中必须加以考虑。例如，成渝复线上的金家岩隧道，埋深120m，围岩为泥岩，开挖后围岩基本上是稳定的，及时进行了初次支护，采用喷混凝土20cm厚，锚杆，长2.5～3m，钢筋网(环向)和（纵向），网格0.20.2m。初次支护250天拱顶下沉达40.2cm。侵入建筑限界，只好挖掉重做。属于这类的岩体大概有两类：一类是软弱的层状岩体，如薄层状岩体、含有大量软弱层的互层或间层岩体；另一类是含有大量泥质物的，受软弱结构面切割的破裂岩体。整块状、块状、坚硬的层状等类岩体，其流变性不明显，但是，在这些岩体中为数不多的软弱结构面，则具有相当强的流变性，有时将对岩体的变形和破坏起控制作用。七、岩体结构分类及其破坏特征试验和实践都已证明，岩体的变形、破坏、以及应力在岩体中的传播途径，除了受上述的结构体岩石和结构面控制外，还有一个重要因素，就是岩体的构造特征。和宇宙间一切物体一样，岩体也是以它特有的结构形式存在着，并彼此相区别。不同块度、形状、产状的结构体构成了各种岩体结构类型。根据它们对岩体力学性质和围岩稳定性的影响(称为岩体的结构效应)，工程地质学中格岩体划分为四大种结构类型：Ⅰ.整体结构、块状结构Ⅱ.层状结构、板状结构Ⅲ.碎裂结构、镶嵌结构、层状碎裂结构Ⅳ.散体结构 整体结构岩体的变形主要是结构体的变形，其重要特征是横向应变与纵向应变之比小于0.5，破坏前的变形是连续的，在低围压作用下多为脆性破裂，高围压时为塑性剪切破坏，应力传播遵循连续介质中应力传播规律。块状和层状结构岩体的变形主要是结构面的变形，故其变形特性一般不用变形模量，而常用刚度系数来表示。岩体的破坏则是沿软弱结构面滑动，应力传播具有明显的不连续性。碎裂和散体结构岩体的变形，开始是将裂隙或孔隙压密，随后是结构体变形，并伴随有结构面张开。破坏形式主要为剪切破裂和塑性变形。应力传播与岩体结构特征关系十分密切，并具有不连续性，但这种不连续性是有限度的，随着围压的提高很快就消失，随之转化为连续的。§4.3围岩的初始应力场地下工程的一个重要的力学特性就是：地下工程是在具有一定的应力历史和应力场的围岩中修建的。所以，围岩的初始应力场的状态，就不可能不极大地影响着在其中发生的一切力学现象，这一点与地面工程是极其不同的。初始应力场(又称原始地应力场)，它在坑道开挖前是客观存在的，在这种应力场中修建地下工程就必须了解它的状态及其影响。通常所指的初应力场泛指由于岩体的自重和地质构造作用，在坑道开挖前岩体中就已经存在的初始静应力场，它的形成与岩体构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史等有密切关系，问题比较复杂。岩体的初应力状态与施工引起的附加应力状态是不同的，它对坑道开挖后围岩应力分布、变形和破坏有着极其重要的影响。可以说，不了解岩体初应力状态就无法对坑道开挖后一系列力学过程和现象作出正确的评价。随着地应力量测工作的进展，对围岩中存在地应力这一确切事实，已经没有什么人怀疑了，现在的主要问题是要搞清楚它的分布规律，以便最终能将它确定出来。但是，由于产生地应力的原因非常复杂，以致到目前为止，仍不能完全认识它的规律而给出明确的定量关系，还有待我们继续探索。一、围岩初始应力场的组成围岩初始应力场的形成与岩体的结构、性质、埋藏条件以及地质构造运动的历史等有密切关系。一般地，认为初应力场由自重应力和构造应力两种力系构成，从而将其分为自重应力场和构造应力场两大类，这两类应力场的基本规律有明显的差异。围岩的自重应力场比较好理解，它是地心引力和离心惯性力共同作用的结果。围岩的构造应力场就比较复杂，按其形成的时间，又可以分为：1、由于过去地质构造运动，譬如断层、褶曲、层间错动等所引起的，虽然外部作用力移去后有了部分恢复，但现在仍残存在岩体中的应力；以及岩石在形成过程中，由于热力和构造作用所引起的。虽经过风化、卸载、部分释放，现在仍残存着的原生内应力。这两种都称为构造残余应力。2、现在正在活动和变化的构造运动，譬如地层升降，板块运动等所引起的应力，称为新构造应力，地震的产生正是新构造应力的反映。围岩初始应力场中究竟是以自重应力为主还是以构造应力为主，历来都是有争论的。一种观点认为岩体内的应力主要是在自重作用下产生的垂直应力，水平应力则是由岩体的泊松效应引起的，最大只能等于垂直应力(即取泊松系数等于0.5)。这种观点实质上是否认地质构造运动能改变岩体的应力状态。这显然与实际情况不符，现今大量的地应力量测资料表明，围岩初始应力场中水平应力与垂直应力之比常常大于1，有的甚至高达7～8，而且主应力方向与当地区域构造的迹象非常一致。这一切都说明地质构造运动不仅改变了岩体原生的结构特征，而且也改变了岩体原生的应力状态。 另一种观点则认为岩体中的应力主要是地球自转和自转速度变化而产生的离心惯性力。因此，应以水平应力为主。李四光教授认为，地球自转及自转速度变化是地壳新构造运动的主要动力，是形成岩体中地应力的重要原因之一，但不能说是唯一的，因为在很多地区发现它的地应力场与最新构造运动所产生的变形场并不一致。这一切都说明了现阶段围岩的初始应力场主要是构造残余应力场，晚期构造运动的强度如不超过早期构造运动强度的话，则新构造运动可以影响，但很难改变它。只有在埋深较浅而又比较破碎的岩体中，由于构造变动引起的剥蚀作用使构造应力释放殆尽，才是以自重应力场为主。当然，在那些从未遭到过较大构造运动的沉积岩体中，也可能是自重应力占主要地位。(一)自重应力场在自重应力场中，地表以下任一深度处的垂直应力等与其上覆岩体的重量(如图4-7，a所示)：(4-8)这里以压应力为正，为岩体的容重。当上覆岩体为多层时，则为(图4-7，b)：(4-9)式中—第层岩体的容重；—第层岩体的厚度。图4-7地表水平时的自重应力场该点的水平应力、主要是由于岩体的泊松效应所引起的，按弹性理论应为：(4-10)式中—计算应力处岩体的泊松系数。 这里所说的只是基本概念，仅当地面为水平面，而岩体为各向同性的半无限弹性体时，上述各式才是有效的。实际的岩体组成比较复杂，不大可能是各向同性的，而且地面也都起伏不平。因此，围岩的自重应力场不能简单地按上述公式决定，必须根据三维弹性理论的基本方程，并考虑重力和各向异性求解，对此问题目前尚无精确的解析解。一般只能采用数值方法，如有限单元法求得近似解。试验资料表明，大多数岩石的泊松比在0.15～0.35范围内变化。因此，在自重应力场中，水平应力总是小于垂直应力。深度对初始应力状态有着显著的影响，随着深度的增加，地应力是线性增大的。然而围岩本身的强度是有限的，当地应力增大到一定数值后，围岩将处于隐塑性状态。围岩物性值(和)也是变化的，随着深度的增加，值趋近于0.5，即与静水压力相似，此时围岩接近流动状态，初始应力场各应力分量趋于相等，即(4-11)由此可见，围岩的初始应力场是随深度而变的。其应力状态可视围岩的不同，分别处于弹性、隐塑性及流动三种状态。围岩的隐塑性状态，在坚硬围岩中，约在距地面10km以下，也有可能在浅处发生，如在岩石强度低（如泥岩）的地段。通常情况下，在隧道所涉及的范围内，都可视初始应力场为弹性的。从上述可以看出围岩自重应力场的变化规律为：①应力是随深度成线性增加；②水平应力总是小于垂直应力，最多也只能与其相等。(二)构造应力场前已述及，整个地下工程都是在某种应力场中的地壳上部范围内进行的。这种应力场基本上是由重力应力场和构造应力场构成的。地质力学认为：地壳各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果。因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称为构造应力场，它是动态的。由于形成构造应力场的原因非常复杂，因而，它在空间的分布极不均匀，而且随着时间的推移还不断发生变化，属于非稳定的应力场。但相对于工程结构物的使用期限来说，可以忽略时间因素，将它视为相对稳定的。即使如此，目前还很难用函数形式将构造应力场表示出来，只能通过实地量测找到一些规律性。但是实测的初始应力是许多不同成因的应力分量迭加而成的综合值，无法将它们一一区别。通过对实测数据的分析，只能了解由于构造应力的存在，使自重应力场发生什么样的变异，以及它在整个初始应力场中所起的作用。已发表的一些地应力量测资料表明，我国大陆初始应力场(包括自重应力场和构造应力场)的变化规律大致可以归纳为如下几点：①地质构造形态不仅改变了重力应力场，而且除以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在岩体内，这种残余构造应力将对地下工程产生重大影响。②垂直应力的量值随深度增加而增大，而且水平应力普遍大于垂直应力。构造应力场在不深的地方已普遍存在，而且最大构造应力的方向，近似为水平，其值常常大于重力应力场中的水平应力分量，甚至也大于垂直应力分量，这与重力应力场有很大不同。实测资料表明，在深度不大时(＜500m)，虽然一个主应力方向不总是垂直的，但一般来说，与铅直方向的偏斜不超过30°。所以，基本上可以认为一个主应力是垂直的，另外两个主应力方向是水平的。垂直主应力的量值大致等于上覆岩层的重量，也就是说，它随深度成线性增加，水平主应力主要反映构造应力，它的量值也是随深度而增加。但应指出，这些数据都是来自深度较浅的实测资料，当深度超过某一个量值时，水平应力就不大于垂直应力，这个临界深度在日本约为600m，在美国约为1000m，我国尚未发表具体数值。③ 水平主应力具有明显的各向异性。水平主应力另一个显著特点，就是具有很强的方向性，一般总是以一个方向的主应力占优势，很少有大、小主应力相等的情况。根据实测资料可知，在我国大陆地壳中，最小主应力与最大主应力的比值为0.3～0.7的占70％，也就是说在我国大部分地区，最大水平主应力约为最小水平主应力的1.4～3.3倍。二、围岩初始应力场的影响因素围岩的初始应力状态，一般受到两类因素的影响：第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质及构造、地形等经常性的因素。第二类因素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或局部性的因素；在上述因素中，目前主要研究的是由岩体的体力或重力形成的应力场，称为自重应力场。而其他因素只认为是改变了由重力造成的初应力状态。一般来说，重力应力场的估计可以采用连续介质力学的方法。它的可靠性则决定于对岩石的物理力学性质及岩体的构造—力学性质的研究，其误差通常是很大的。而其它因素造成的初应力场，主要是用试验(现场试验)方法完成的。此外，在众多的因素中还要特别研究下面几点：1、地形和地貌。地应力实测和有限元分析都表明了地形的变化并不产生新的地应力场，只对应力起调整作用。在靠近山坡部位，最大压应力方向近似平行山坡表面。在山谷底部，最大压应力方向几乎成水平的了。从主应力的量值来看，在接近山谷岸坡表面部分是应力偏低的地带，往里则转变为应力偏高带，再往山体深部逐渐过渡到应力稳定区，在山谷底部则有较大的应力集中。在实际工程中还发现有些傍山隧道，虽然临近山谷，按理应力已基本释放完毕，属于应力偏低带，可是仍存在着相当大的应力。这可能是由于地形剥蚀作用所造成的。剥蚀前，上面岩层很厚、地壳中贮存着很高的地应力，岩层剥蚀后，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松弛都赶不上剥蚀作用的速度，所以，垂直应力虽然释放了绝大部分，但水平应力却未能充分释放而残留下来。这种残留应力和构造残余应力的主要区别在于，后者具有明显的方向性，而前者则方向性不强。2、岩体的力学性质。正如以上所述，现阶段围岩中的应力状态是经过历次构造运动的积累和后来剥蚀作用的释放而残存下来的。按照强度理论，岩体中的应力状态不能超出岩体强度，所以，岩体强度越高地应力值越大。一般可用垂直应力与岩体单轴抗压强度的比值(定义为应力度)来表示岩体在开挖前的状态，应力度越小，说明岩体的潜在能力还很大，开挖后就越稳定，引起的位移就越小。此外，应力的积累还与岩体的变形特性有关。变形模量较大的近于弹性的岩体对应力的积累比较有利。塑性岩体容易产生变形，不利于应力的积累，故在这类岩体中常以自重应力场为主。3、地温。温度变化，尤其是围岩内部各处温度不相同时，温度应力的一部分会残留下来。此外，地壳内岩浆固结或受高温高压再结晶时，将伴随着体积膨胀或收缩，由于受到相邻岩块的约束作用会产生残余应力。4、人类活动。人类活动包括：大堆碴场的形成，深的露天开采和地下开挖，水库、抽水、采油以及高坝建筑等都可能局部地影响围岩的初始应力场，有时候影响甚至很大。如水库蓄水而诱发地震就是一个例子。只有详尽了解影响围岩初始应力场的各种因素，才能较可靠地确定围岩的初始应力状态。§4.4隧道围岩分级及其应用上面已叙及判断隧道围岩的稳定性，并针对围岩稳定的程度制定相应的工程措施— 最佳的施工方法和支护结构，乃是研究隧道地质环境需要解决的两个基本问题。对此，工程界历来都并存着两种截然不同的方法可供采用：经验方法和理论方法。由于隧道工程所处地质环境十分复杂，人们对它的认识远没有达到完善的地步，所以，至今在隧道工程中经验方法仍然占有一定的地位。可以说，目前隧道工程的设计和施工在很大程度上还处在“经验设计”、“经验施工”的阶段。所谓经验方法就是根据以往的工程经验对上述的两个问题作出决策，其依据就是隧道围岩稳定性分级。目前，作为隧道工程设计、施工基础条件的隧道围岩分级还处在“经验分级”的阶段上。人们对于坑道围岩的认识，还没有达到“自由”，还不能充分揭示出地质条件和地下工程之间本质的、内在的联系，因而也就不能客观地预估或判断坑道围岩的级别。隧道工程所赋存的地质环境千差万别，诸如地质构造、岩性、地下水等都是千差万别的。这给地下工程的设计、施工带来了很大的不可避免的“盲目性”。但也应指出：隧道工程的某一种类型的支护结构或某一种施工方法，在多数条件下，都有很大的地质适应性。例如台阶法可以适应大部分中等程度的地质条件；喷混凝土支护作为临时支护，在采取一定措施的情况下，几乎可以适应绝大多数的地质条件。这就说明，针对不同的工程目的（爆破开挖、掘进机掘进、支护等），是可以把与之相应的地质条件进行一定的概括、归纳并加以分级的，从而，为隧道工程设计、施工提供一定的基础条件。隧道围岩分级的目的是：作为选择施工方法的依据；进行科学管理及正确评价经济效益；确定结构上的荷载；确定支护结构的类型和尺寸；制定劳动定额、材料消耗标准的基础等。因此，国内外在最近几十年内，把地下坑道围岩分级作为地下工程技术基础研究的重要内容之一，也同时作为岩体力学的重要研究内容之一。从定性上、定量上进行了大量的探索和实践，获得了一定的成果。隧道围岩分级是为了解决坑道支护这个目的而建立起来的，即坑道开挖后是否需要支护、采用什么类型的支护结构、如何支护等。而坑道支护与坑道开挖后的稳定性有直接的关系。因此，隧道围岩分级的基础条件是坑道开挖后的稳定性。根据坑道开挖实践，坑道开挖后的稳定性大体上可分为以下几类：1)充分稳定的。坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。2)基本稳定的。坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块，但不会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的，层间结合差的平缓岩层顶板可能弯曲、断裂。此时应采取局部支护或轻型的支护。3)暂时稳定的。大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同程度的坍塌现象，坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。在外界（如爆破、重新更换支撑等）和内部（如地下水等）条件的影响下，坑道如不及时支护，会进一步丧失稳定。因此，在这种围岩中，必须采取各种类型的支护措施。4)不稳定的。坑道在不支护条件下是难以开挖的，随挖随坍，常常要先支后挖，坑道的坍塌发生迅速、影响范围大，有时可坍塌到地表，或在地面形成塌盆地。在有水的情况下，土体流动造成极大的荷载。在这种情况下，需要采取专门的支护措施和施工方法来保证坑道的稳定。由此可见，坑道围岩稳定性的不同，采取的施工方法和支护措施也是不同的。因此，按坑道围岩稳定性大致相同的围岩工程地质条件并结合工程实践进行围岩分级是有可能的，也是有根据的。目前国内外隧道围岩分类的方法很多，它们所采用的分类指标也是各式各样的，但都是在隧道工程实践的基础上逐步发展起来的。随着人们对隧道工程、地质环境以及这两者间相互关系的了解，围岩分类方法亦在不断地深化和提高。按发展过程来看，大体上有以下几种类型： 一、以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法在隧道工程的初期，由于对隧道工程与地质条件的关系认识不充分，加之缺乏有效的地质勘察手段，围岩分级也多单纯地以岩石作为分级指标。例如我国解放前及解放初期采用的“土石分类法”，根据岩石强度将围岩分为坚石、次坚石、松石及土四类。分级中除了考虑岩石的极限抗压强度外，还引进了岩石的平均容重。我国在修建成渝线时就采用了这类分类方法。当时的认识是：坑道开挖后，它的稳定性主要取决于岩石的强度，岩石越坚硬，坑道越稳定，反之，岩石越松软，坑道稳定性就越差。实践证明，这种认识以及建立在这种认识基础上的围岩分级是不全面的，在某些情况下还会导致错误的结论。例如我国西部的老黄土，在无水条件下，其直立性很强，坑道开挖后的稳定性是相当高的，有些黄土人工洞室在无支护的情况下可维持几十年之久而不破坏，但抗压强度较低，只有十分之几兆帕，如果单纯从抗压强度的角度出发，必然导致采用强力支护的措施。再者，在岩性相同的条件下，坑道的稳定性与岩体的破碎程度或地质构造因素有极其密切的关系，在岩石强度虽高但岩体破碎的情况下，坑道也是不稳定的。因此，这种单纯以岩石强度为基础的分级方法，并没有得到进一步的发展。在这种分级方法中，具有代表性的是前苏联普落托奇雅柯诺夫(M.JipoctonbnMonos)教授提出的“岩石坚固系数”分级法(或称“”值分级法，或普氏分级法)。这种分级方法在我国的隧道工程中得到了广泛的应用。岩石的坚固系数值表示岩石在开挖时的相对坚固性，如人工破碎岩石时的抗破碎性、机械钻眼时的抗钻性、对炸药的抗爆性、开挖坑道时围岩作用在支护结构上的压力值等等。因此，值实际上是一个综合的物性指标。在大多数岩石中，这些物性值(抗钻性、抗爆性、强度…)相互是有联系的，即强度大的，其抗钻性和抗爆性也高，反之亦然。应该说，值能反映岩石各方面的性能。但从确定值的主要方法来看，即(—岩石单轴抗压强度)，它仍是属于以岩石强度为单一岩性指标的分类法。我国工程部门在将值分级法应用到隧道工程的设计、施工时，已注意到必须考虑岩体的地质构造、风化程度、地下水状况等多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的值适当降低，即(4-11)式中值是由岩石强度决定的，是考虑地质条件的折减系数，一般情况下，＜1.0。按这种方法确定的值应该称为岩体的坚固系数，而不再是岩石的坚固系数了。当然，值的确定主要是凭工程师的经验。我国铁路隧道设计、施工实践中所采用的值，实质上就是岩体坚固性系数。根据不同值，岩体的状态见表4-2。表4-2岩体坚固性系数分级 岩体坚固性系数围岩地质特征岩层名称容重()内摩擦角15坚硬、密实、稳固、无裂隙和未风化的岩层很坚硬的花岗岩和石英岩，最坚硬的砂岩和石灰岩26～30-8坚硬、密实、稳固，岩层有很小裂缝坚硬的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩、黄铁矿，不坚硬的花岗岩2580°6相当坚硬的、较密实的、稍有风化的岩层普通砂岩、铁矿24～2575°5较坚硬的、较密实的、稍有风化的岩层砂质片岩、片状砂岩24～2573°4较坚硬的、岩层可能沿层面或节理脱落的岩层，已受风化的岩层坚硬的粘土岩、不坚硬的石灰岩、砂岩、砾岩25～2870°3中等坚硬的岩层不坚硬的片岩，密实的泥灰岩，坚硬胶结的粘土2570°2较软岩石软片岩、软石灰岩、冻结土、普通泥灰岩、破碎砂岩、胶结的卵石2465°1.5较软或破碎的地层碎石土壤、破碎片石、硬化粘土、硬煤、粘结的卵石和碎石18～2060°1.0较软或破碎的地层密实粘土、坚硬的冲积土、粘土质土壤、掺砂土、普通煤1845°0.6颗粒状的和松软的地层湿沙、粘砂土、种植土、泥灰、软砂粘土15～1630°这里，围岩分级中引进了岩体的概念。这是对隧道工程与地质条件正确认识的一个反映。实质上，坑道的稳定多数情况下是取决于岩体的稳定性的。因此，围岩分级的进一步发展，大多数是以岩体的工程地质条件为基础的。二、以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法早期提出的泰沙基分级法是这类分级方法的代表，曾长期被世界各国所采用。泰沙基分级法是以坑道支护所需的地压值为对象的，它把不同岩性、不同构造条件的围岩分为9级，每级围岩都有一个相应的地压范围值和支护措施建议。在分级时是以坑道有水为基础的，当确认无水时，4～7级围岩所对应的地压值应降低50%。60年代，我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分级法”，并于1975年经修正后被我国“铁路工程技术规范(隧道)”所采用。该分级法将隧道围岩分为6级(表4-3)。这类方法的优点是正确地考虑了地质构造特征、风化状况、地下水情况等多种因素对隧道围岩稳定性的影响，并建议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法。此外，这种分级法最早考虑了埋深对围岩级别的影响。其缺点是分类指标还缺乏定量描述，没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法，在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定。表4-3岩体综合分级围岩主要工程地质特征围岩开挖后 类别的稳定状态(单线)主要工程地质特征结构特征和完整状态Ⅵ硬质岩石(饱和抗压极限强度＞60MPa)，受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面(或夹层)，层状岩层为厚层，层间结合良好。呈巨块状整体结构围岩稳定无坍塌，可能产生岩爆。Ⅴ硬质岩石(＞30MPa)，受地质构造影响较重，节理较发育，有少量软弱面(或夹层)和贯通微张节理，但其产状及组合关系不致产生滑动，层状岩层为中层或厚层，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。呈大块状砌体结构长时间暴露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。软质岩石(≈30MPa)，受地质构造影响轻微，节理不发育，层状岩层为厚层，层间结合良好。呈巨块状整体结构Ⅳ硬质岩石(＞30MPa)，受地质构造影响严重，节理发育，有层状软弱面(或夹层)，但其产状及组合关系尚不致产生滑动，层状岩层为薄层或中层，层间结合差，多有分离现象，或为硬、软质岩石互层。呈块(石)碎(石)状镶嵌结构拱部无支护时可产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易坍塌。软质岩石(≈30MPa)，受地质构造影响轻微，节理不发育，层状岩层为厚层，层间结合良好。呈大块状砌体结构Ⅲ硬质岩石(＞30MPa)，受地质构造影响很严重，节理很发育，层状软弱面(或夹层)，已基本破坏。呈碎石状压碎结构拱部无支护时可产生较大坍塌，侧壁有时失去稳定。软质岩石(=5～30MPa)，受地质构造影响严重，节理发育。呈块(石)碎(石)状镶嵌结构土：①略具压密或成岩作用的粘性土及砂类土；②黄土(Q1，Q2)；③一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土。①、②呈大块状压密结构；③呈巨块状整体结构Ⅱ石质围岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂乱，呈石夹土或土夹石状。呈角(砾)碎(石)状松散结构围岩易坍塌，处理不当会产生大坍塌，侧壁经常小坍塌，浅埋时易出现地表下沉(陷)或塌至地表。一般第四系的半干硬～硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的一般碎、卵石土、圆砾及黄土(Q3，Q4)。非粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构。Ⅰ石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内，呈角砾、砂、泥松软体。呈泥砂角砾状松软结构。 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。软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等。粘性土呈易蠕动的松软结构，砂性土呈潮湿松散结构。三、与地质勘探手段相联系的分级方法随着工程地质勘探方法，尤其是物探方法的进展，用弹性波速度进行围岩分级的探讨，在日本获得了一定的成果。1970年前后，日本提出按弹性波速度进行围岩分级的方法。围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既可以反映岩石软硬，又可以表达岩体结构的破碎程度。因此，在弹性波速度基础上，综合考虑与隧道开挖及土压有关的因素(岩性、风化程度、破碎状态、含水及涌水状态等)，将围岩分为7级。我国1986年施行的“铁路隧道设计规范”中将弹性波(纵波)速度引入隧道围岩分级中，将围岩分为6级(表4-4)。表4-4弹性波(纵波)速度分级围岩类别ⅥⅤⅣⅢⅡⅠ弹性波速(km/s)＞4.53.5～4.52.5～4.01.5～3.01.0～2.0＜1.0(饱和土＜1.5)把地质勘察手段与围岩分类联系起来，这在分类上是一个重要进展。这方面除了用弹性波速度外，还有用钻探时的岩心复原率(或称岩芯采取率)的分级方法。美国伊利诺斯大学狄丽等人提出的采用所谓“岩石质量指标”()就是一例。狄丽指出，岩心的采取状态(采用率)、岩心的平均长度、最大长度等受到原始裂隙、硬度、均质性等状态所支配。因此，岩心采取率是可以表达岩体质量的。同时指出，岩体质量好坏主要决定于小于10cm以下的细小岩块状态。因此，岩心复原率是以单位长度钻孔中10cm以上的岩心占有比例来判断的，即(4-12)该分级法将围岩分为5级：＞90％即为优质的；75％＜＜90％为良好的；50％＜＜75％为好的；25％＜＜50％为差的；＜25％为很差的。分级也给出相应的地压值及可采取的支护系统。同时指出，在采用掘进机掘进时地压值可适当降低(约减小20％)。上述分类大体上可以说是半定量的，但是综合的。它把岩体的很多错综复杂的因素，统统用一个指标表达，难免给判断带来一定的“主观性”。例如弹性波速度低，就可能有几种情况：(1)岩体完整，但岩质松软；(2)岩质坚硬，但岩体破碎；(3)出现于地形上局部高低差显著的谷部等。因而在判断上还要借助于其他条件，如地质测绘、岩性等手段或资料。因此，考虑多种因素并给予一定的定量分析和定性描述的分级方法，最近得到了一些发展。四、以多种因素进行组合的分级方法 这种分级法认为，评价一种岩体的好坏，既要考虑地质构造、岩性、岩石强度，还要考虑施工因素，如掘进方向与岩层之间的关系、开挖断面的大小等，因此就需要建立在多种因素的分析基础之上。在这类分级法中，比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量—Q”分级法。Q与六个表明岩体质量的地质参数有关，表达如下：(4-13)式中是岩石质量指标，其取值方法见式(4-12)；是节理组数，岩体愈破碎，取值愈大，例如，整体没有或很少有节理的岩体，＝0.5～1.0，两个节理组时，＝4，破碎岩体，类似土的＝20等等；节理粗糙度，节理愈光滑，取值愈小，例如，不连续节理，=4，平整光滑的，=0.5等等；为节理蚀变值，蚀变愈严重，取值愈大。例如，节理面紧密结合，夹有坚硬不软化的充填物时，＝0.75，节理中夹有膨胀性粘土，如蒙脱土时，＝8～12等等；节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，取值愈小。例如，干燥或微量渗水，水压＜0.1MPa时，＝1.0，而渗水量特别大，或水压特别高，持续无明显衰减的＝0.1～0.05等等；为应力折减系数，围岩初始应力愈高，取值愈大。例如，脆性而坚硬的岩石，有严重岩爆现象时，＝10～20；坚硬岩石有单一剪切带的，＝2.5。关于以上六个参数的详细说明和取值标准可参阅有关专著。进一步分析可以发现，达六个地质参数可以表达出岩体的①岩块大小()、②岩块间的抗剪强度()、③作用应力()。所以说，岩体质量Q实际上是岩块尺寸、抗剪强度、作用应力的复合指标。根据不同的Q值，将岩体质量评为九等，详见表4-5。表4-5岩体质量评估岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q400～1000100～40040～10010～404～101～40.1～10.01～0.10.001～0.01考虑多种因素组合的分级是以大量实践资料为基础的，它同时引进了岩体的动态分析，故对判断隧道围岩的稳定性是比较合理和可靠的，也具有一定的理论意义，是围岩分级研究中一个有发展前途的方法。但分级还没有与有关的地质测试手段联系起来，因而在确定各项指标时，有的是通过试验或现场实测确定的，有的主要是凭经验决定，带有一定的主观因素。五、以工程对象为代表的分级法 这类分级法如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的围岩分级法(1979年)、苏联在巴库修建地下铁道时所采用的围岩分级法(1966年)等，优点是目的明确，而且和支护尺寸直接挂钩，因此，使用方便，对指导施工很起作用。但分类指标以定性描述为主，带有很大的人为因素。由上述可知，隧道围岩分级方法有简有繁，并无统一格式。目前，国内外许多学者都认为，隧道围岩分级的详细程度，在工程建设的不同阶段可以有所不同。在工程规划和初步设计阶段的围岩分级，可以定性评价为主，判别的依据主要来源于地表的地质测绘以及部分的勘探工作。在工程的技术设计和施工设计阶段，围岩分级是为专门目的服务的，如为支护结构设计服务的围岩分级，为钻爆工作服务的围岩分类等。围岩类别除了取决于地质条件外，还应和工程尺度、形状、施工工艺技术等条件有关。其判别依据除了地质测绘资料外，更重要的是详细勘探(包括钻探、坑探、物探等)资料和岩石(体)的室内和现场试验数据。这一阶段的分类指标应该是半定量的或定量的。在施工阶段，应利用各种量测和观测到的实际资料对围岩分类进行补充修正，此时的分类仍属第二阶段的详细分类，但数据则是岩体暴露后的实际值。六、我国现行铁路隧道围岩分级经过长期工程实践，发现主要反映岩石强度的值分级法不能全面地反映隧道围岩的稳定特征和状态。所以，在1975年铁道部颁布了以围岩结构特征和完整状态为分类基础的新的铁路隧道围岩稳定性分级法，它总结了我国建国以来在修建铁路隧道中使用值分级法所积累的经验，并参考了国内外有关围岩分级成果。它的出现引起了各方面的重视，国内许多部门针对本部门地下工程的特点，也相继采用了类似的分类方法。说明了这种分类法的原则、方法和内容是正确的，是有发展前途的，也是与当前国际上围岩分类的趋势相适应的。80年代以来又对铁路隧道围岩分级法做了补充和修正，1986年颁布了修正方案。1999年的“铁路隧道设计规范(TB10003-99)”中采用了国家标准的分级排序，并将原围岩分类改称为围岩分级，同时充实了施工阶段围岩分级的评定方法。2001年，又将围岩分级的部分内容与“铁路工程地质勘察规范”进行了协调修改，颁布了新的隧道围岩分级方案。下面对这一新的隧道围岩分级作一介绍。㈠围岩分级的基本因素及围岩基本分级1、围岩分级的基本因素围岩基本分级应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素确定。岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分和定量指标两种方法确定。岩石坚硬程度划分为极硬岩、硬岩、较软岩、软岩和极软岩等5类(表4-6)，岩体完整程度划分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎等5类(表4-7)。表4-6岩石坚硬程度的划分岩石类别单轴饱和抗压极限强度(MPa)代表性岩石硬质岩极硬岩＞60花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩；硅岩、钙质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等沉积岩；片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩硬岩30～60较软岩15～30凝灰岩等喷出岩； 软质岩砂砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、炭质页岩、泥灰岩、泥岩、煤等沉积岩；云母片石或千枚岩等变质岩软岩5～15极软岩＜15表4-7岩体完整程度完整程度结构面特征结构类型岩体完整性指数完整结构面1～2组，以构造型节理或层面为主，密闭型巨块状整体结构＞0.75较完整结构面2～3组，以构造型节理、层面为主，裂隙多呈密闭型，部分为微张型，少有充填物块状结构0.75≥＞0.55较破碎结构面一般为3组，以节理及风化裂隙为主，在断层附近受构造影响较大，裂隙以微张型和张开型为主，多有充填物层状结构、块石碎石结构0.55≥＞0.35破碎结构面大于3组，多以风化型裂隙为主，在断层附近受构造作用影响大，裂隙以张开型为主，多有充填物碎石角砾状结构0.35≥＞0.15极破碎结构面杂乱无序，在断层附近受断层作用影响大，宽张裂隙全为泥质或泥夹岩屑充填，充填物厚度大散体状结构≤0.152、围岩基本分级根据岩石坚硬程度和岩体完整程度将围岩分为6级(表4-8)。表4-8围岩基本分级围岩级别岩体特征土体特征围岩弹性纵波速度(km/s)Ⅰ极硬岩，岩体完整-＞4.5Ⅱ极硬岩，岩体较完整；硬岩，岩体完整-3.5～4.5Ⅲ极硬岩，岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整-2.5～4.0Ⅳ极硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整具压密或成岩作用的粘性土、粉土及砂类土，一般钙质、铁质胶结的碎(卵)石土、大块石土，黄土(Q1、Q2)1.5～3.0 Ⅴ软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩(包括受构造影响严重的破碎带)一般第四系坚硬、硬塑粘性土，稍密及以上、稍湿、潮湿的碎(卵)石土、圆砾土、角砾土、粉土及黄土(Q3、Q4)1.0～2.0Ⅵ受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带软塑状粘性土、饱和的粉土、砂类土等＜1.0(饱和状态的土＜1.5)㈡围岩分级的影响因素及分级的修正在围岩基本分级的基础上，结合考虑隧道工程的特点，考虑地下水状态、初始应力状态等必要的因素进行修正。1、地下水隧道施工的大量实践证明，水是造成施工坍方、使坑道围岩丧失稳定的重要原因之一。在不同的围岩中水的影响是很不相同的。归纳有：①使岩质软化，强度降低，对软岩尤为明显，对土体则可促使其液化或流动；②在有软弱结构面的围岩中，会冲走充填物或使夹层液化，减少层间摩阻力促使岩块滑动；③在某些围岩中，如石膏、岩盐和蒙脱石为主的粘土岩中，遇水后产生膨胀，在未胶结或弱胶结的砂岩中可产生流砂和潜蚀。因此，在隧道围岩分级中水的影响是不容忽视的，在同级围岩中，遇水后则适当降低围岩级别。降低的幅度主要视：①围岩的岩性及结构面的状态；②地下水的性质、大小、流通条件及对围岩浸润状况和危害程度而定。本围岩分级中关于地下水影响的修正参照表4-9和表4-10。表4-9地下水状态的分级级别状态渗水量[L/(min·10m)]Ⅰ干燥或湿润＜10Ⅱ偶有渗水10～25Ⅲ经常渗水25～125表4-10地下水影响的修正围岩级别地下水状态级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅠⅡⅢⅣⅤ-ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ-ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ-2、初始应力场围岩的初始应力状态对岩体的构造一力学特征是有一定影响的。因此，围岩分级中考虑了初始应力状态的影响，将初始应力场采取修正系数的方法，对围岩级别予以降级(表4-11和表4-12)。表4-11初始地应力状态评估初始地应力状态主要现象评估基准()极高应力硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差＜4 软质岩：岩心常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞高应力硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差4～7软质岩：岩心时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差表4-12初始地应力影响的修正围岩级别初始地应力状态ⅠⅡⅢⅣⅤ极高应力ⅠⅡⅢ或ⅣⅤⅥ高应力ⅠⅡⅢⅣ或ⅤⅥ另外，若隧道洞身埋藏较浅，应根据围岩受地表的影响情况进行修正。当围岩为风化层时应按风化层的围岩围岩基本分级考虑；当围岩仅受地表影响时，应较相应的围岩降低1～2级。第五章隧道结构体系设计原理与方法§5.1概述由于隧道结构是在地层中修筑的，因此其工程特性、设计原则及方法与地面结构有所不同。在隧道工程初期，由于对其特性认识不充分，在设计方法上多数是沿用地面结构的设计方法。理论和实践证实，这种设计方法与隧道的实际，相差很大。随着科学技术的发展和进步，人们对地下结构特性的认识，特别是对作为地下结构主体的承载体—围岩的认识提高了，提出了许多地下结构的计算模式和方法以及评价地下结构承载能力的原则和方法。 在研究隧道工程所赋存的地质环境问题时曾经指出，隧道的结构体系是由围岩和支护结构共同组成的。其中围岩是主要的承载元素，支护结构是辅助性的，但通常也是必不可少的，在某些情况下，支护结构主要起承载作用。这就是按现代岩石力学原则设计支护结构的基本出发点。如果从围岩稳定性的角度来说明这个问题就比较容易理解。在长期的实践与理论研究中，尤其是近代岩体力学、工程地质力学的发展，使我们对隧道开挖后在围岩中产生的物理力学现象有了一个较为明确的认识。例如，我们认识到隧道开挖后将要引起一定范围内的围岩应力重新分布和局部地壳残余应力的释放(第一阶段)；在重新分布的应力作用下，一定范围内的围岩产生位移、形成松弛，与此同时也会使围岩的物理力学性质恶化(第二阶段)；在这种条件下隧道围岩将在薄弱处产生局部破坏(第三阶段)；在局部破坏的基础上造成整个隧道的崩塌(第四阶段)。一般说这个认识正确地反映了隧道从开挖后到其破坏的力学动态。但它并不是今天形成的，而是长期工程实践的概括和总结。这说明：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。如果二次应力状态能满足长期围岩稳定性条件，而且围岩向隧道内的位移又不致侵入限界，那么，不设任何支护结构，围岩也能保持长期稳定。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。在地下工程中发生的一切力学现象，如应力重分布、断面收敛、坑道失稳等都是一个连续的、统一的力学过程的产物，它始终与时间、施工技术等息息相关。支护结构设置得是否经济合理，也就是说它的结构型式、断面尺寸、施工方法和施作时间选择得是否恰到好处，则要根据设置支护结构后所改变的围岩应力状态和支护结构的应力状态，以及两者的变形情况来判断。所以说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：①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；②开挖隧道后围岩的二次应力状态和位移场；③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。④设置支护结构后围岩的应力状态，亦称围岩的三次应力状态和位移场，以及支护结构的内力和位移；⑤判断支护结构安全度的准则，一般可写成：(5-2)式中的、是支护结构材料的物理力学参数。 对上述问题的处理，无论是采用理论分析的方法(即根据修建隧道所经历的力学过程，建立数学和力学模型，然后对模型进行分析计算，并按计算结果预测将来可能发生的现象，做出相应的设计和施工决策)，或者是采用以围岩分类为基础的经验方法，从目前发展的水平来看，都不可能得到非常可靠的结论。其原因有：围岩的性质实在太复杂，而且变化很多，现在尚无法将如此复杂的围岩性质考虑得十分周全。并且在施工前，甚至在施工中都很难彻底地将围岩性质搞清楚；人为的因素如开挖和支护方法，对围岩性质影响很大，事先又无法估计。所有这些都不能不严重影响我们所做的设计和施工决策的可靠性。因此，近几十年来所谓“信息设计”或“信息施工”脱颖而出，为隧道工程的设计和施工开辟了一条正确的途径，一方面使经验方法科学化另一方面又使理论分析具有实际的背景。信息设计或信息施工的过程可归纳为：在初步地质调查和室内岩石力学试验的基础上，通过理论分析或工程类比对支护结构和施工决策做出预设计。然后，在施工中对围岩和支护结构的力学状态的变化进行监测，并将所量测到的能反映隧道结构体系力学状态的物理量(如坑道周边某些测点上的位移值，或某一基线上的净空变化值)加以综合和处理。最后根据必要的基准值直接利用经过处理的监测信息来判断隧道结构体系的可靠性。也可以通过所谓“反分析”技术，根据监测的信息反推出表征围岩性态及其地质环境的初始参数，然后再将它输入模型中重新进行理论分析，并根据新的计算结果及时调整和确定支护结构的参数和施工决策。这种以施工监测、理论分析、经验判断相结合，调查、设计、施工相交叉的设计、施工流程是非常符合隧道工程特点的。§5.2围岩的二次应力场和位移场了解和认识围岩的二次应力场和位移场是支护结构设计的基础。地下工程的一个重要的力学特性就是：地下工程是修建在应力岩体之中的，也就是在一定的应力履历和应力场的岩体中修建的。由于岩体的自重和地质构造作用，在开挖隧道前岩体中就已经存在着一定的地应力场，人们称之为围岩的初始应力场(又称原始地应力场)。它是经历了漫长的应力历史而逐渐形成的，并处于相对稳定和平衡状态之中。隧道开挖后，使得围岩在开挖边界处解除了约束，应力平衡失去，此时洞室周边的法向应力和剪应力都变为零，即=0，=0。其结果引起了洞室变形(这种变形系岩体卸载而发生的回弹变形)，产生应力重分布，形成围岩的新的应力平衡状态(应力场)，称为围岩二次应力场。由此可以看出，因开挖隧道而引起的围岩变形、破坏、应力传播等一切岩石力学现象无一不与围岩的初始应力场密切相关，都是初始应力场发展的延续。影响围岩二次应力状态的因素是很多的，如围岩的初应力状态、岩体的构造因素(结构面、岩块组合形态等)、坑道形状和尺寸、埋深以及坑道施工技术等，要找出一种力学模型能包括上述的众多因素，能够比较接近实际情况的将围岩二次应力场和位移场定量的计算出来，是非常困难的，合理的要求应该使抽象的力学模型能反映该工程条件下的主要因素。目前，研究隧道开挖后应力状态的理论，多是以下述假定为前提的：①围岩为均质的各向同性的连续介质；②只考虑自重造成的初始应力场；③隧道形状以规则的圆形为主；④隧道位于地表下一定的深度，问题简化为无限平面中的平面应变孔洞问题。隧道开挖后周围岩体中的应力、位移，视围岩强度可分为两种情况：一种是隧道开挖后围岩仍处在弹性状态，此时，隧道围岩除产生稍许松弛外(由于爆破造成的)，是 稳定的，称之为弹性二次应力状态及位移状态；另一种是隧道开挖后，其周围一定范围内岩体的应力达到或超过岩体的屈服条件，此范围内的隧道围岩处于塑性甚至松弛状态，将产生塑性滑移、松弛或破坏，而在此范围以外的围岩仍处于弹性状态，称之为塑性二次应力状态及位移状态。下面就以上两种情况，分别加以介绍。一、隧道开挖后的弹性二次应力状态及位移状态对于完整均匀坚硬的岩体，无论是分析围岩的应力和位移，或是评定隧道围岩的稳定性，采用弹性方法都是可以的。对于成层的和节理发育的岩体，如果层理或节理等不连续面的间距与所研究的问题的尺寸相比是较小的话，则连续化的假定和弹性方法也是适用的。虽然在实际铁路工程中隧道很少做成圆形的，但对圆形隧道分析所得到的一切结论，在定性上不致失去其一般性。尽管端部开挖面的约束作用使围岩二次应力场成为三维的，但如上所述，这种约束作用的影响距离较短，隧道长度与其横截面尺寸相比又小得多，如果不考虑开挖面的空间效应，而将其视为平面问题，误差也只集中在开挖面附近地段，约2～3倍洞径处。为了计算围岩的二次应力场和位移场。可以采取如下的步骤：用第四章中所述的方法推算隧道开挖前围岩的初始应力状态，以及与之相适应的位移场。隧道开挖后，因其周边上的径向应力和剪应力都为零，故可向具有初始应力的围岩，在隧道周边上反方向施加与初始应力相等的释放应力。用弹性力学方法计算带有孔洞的无限平面在释放应力作用下的应力和位移。而真实的围岩二次应力场及位移场为：(5-3)因为初始位移在开挖隧道前就已经完成，而我们的着眼点又仅仅是因开挖隧道所引起的变化，并不关心位移的绝对情况。以上模拟隧道开挖所经历的力学过程可以用图5-1表示。图5-1隧道开挖所经历的力学过程模拟上述的计算步骤也可以用在有孔洞的无限平面上直接加载来代替。例如，在自重应力场中，就可以将由自重所形成的初始应力作为无限平面的体积力来直接分析，求出应力和位移，如以开挖前的位移状态为基准，则围岩二次应力场及位移场为：(5-4) 图5-2力学模型进一步研究还发现，对于埋深较大的隧道，在开挖所影响的范围内，围岩自重应力的变化量，比自重应力绝对值要小得多。所以，对于自重应力场中的深埋隧道，常常将它的围岩初始应力场简化为常量场，也就是假定围岩的初始应力到处都是一样。并取其等于隧道中心点的自重应力，即(5-5)式中为隧道中心点的埋深，以m计，是围岩的侧压力系数，无量纲。如按直接加载法求解这种初始应力状态下的围岩二次应力场和位移场，就可以将体积力视为常数。根据弹性力学原理，这个问题的求解还可以简化为不考虑体积力的形式，而用在有孔无限平面(无重的)无穷远边界上作用有垂直均布荷载和水平荷载的形式来代替，如图5-2所示。由此而引起的计算误差在洞周上是不大的，并随着隧道埋深的增加而减少。当埋深超过10倍洞径时，其误差可以忽略不计。正如式(5-4)表示的那样，按图5-2所求得的位移，必须减去挖洞前围岩在初始应力和作用下所产生的变形，才是围岩真实的二次位移场。在岩体中开挖半径为的圆形隧道后(图5-2)，其二次应力状态及位移状态可近似用下式表达。径向正应力：(5-6)切向正应力：(5-7)剪应力：(5-8)径向位移(5-9)切向位移(5-10)式中，隧道开挖半径，为隧道中心到所论点的径向距离；为所论点方向线与垂直轴之间的夹角；是围岩的剪切模量；是围岩泊松比。以上各式中正应力又称法向应力，以压为正；剪应力以作用面外法线与坐标轴— 致而应力方向与坐标轴指向相反为正。径向位移向隧道内为正，切向位移顺时针为正。而公式中的位移分量中已减去了初始应力所引起的部分。下面我们来分析上述公式所表述的圆形隧道围岩弹性二次应力状态及位移状态特征。(一)应力状态特征首先，研究隧道周边(，即＝1)的应力状态。这时，式(5-6)～(5-8)变成(5-11)由此可见，沿隧道周边只存在切向应力。这说明隧道的开挖使坑道周边的围岩从二向(或三向)应力状态变成单向(或二向)应力状态。沿隧道周边的应力值及其分布主要决定于岩体侧压力系数值。图5-3洞室周边切向应力分布分别以不同的值(＝0、1/3、0.5、1)代入(5-11)式，则切向应力沿隧道周边的分布如图5-3所示。关于图5-3的几点讨论：①当=0(即只有初始垂直应力)时，在拱顶处(=0)出现最大切向拉应力(其值，相当于初始垂直应力)，并在拱顶附近一定范围内(=-30°～30°，即出现在与垂直轴成30°角的范围内)出现拉应力(图5-3a)。②随着侧压力系数的增加，拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减少。当＝1/3时，拱顶切向拉应力等于0(图5-3b)。大于1/3后，整个隧道周边的切向应力皆为压应力。这说明，在0～1/3之间时，隧道拱顶(拱底)范围是受拉的。由于岩石的抗拉强度较弱，当切向拉应力超过其抗拉强度时，拱顶可能发生局部掉块和落石，但不会造成整个隧道的破坏。当＞1/3后，隧道则逐渐变得稳定。③在侧壁范围内，值变化在0～1.0之间时，周边切向应力总是压应力，而且总比拱顶范围的应力值大。这说明，侧壁处在较大的应力状态下。随着侧压力系数值的增大，侧壁中点的压应力逐渐减小，例如当＝0时，侧壁中点(=90°)的最大压应力，而当＝1时，其值变化为。侧壁处在较大的压应力作用下是造成侧壁剪切破坏或岩爆(分离破坏)的主要原因之一。而且，常常是整个隧道丧失稳定的主要原因，应予以足够重视。④当＝1(即初始垂直应力与初始水平应力相等)时，隧道围岩的应力状态是回转对称的，各点的应力皆相同，为一常数值()，这种应力状态对圆形隧道稳定是很有利的。⑤通常围岩的水平应力系数(侧压力系数) 变动在0.2～0.5之间。在这个范围内，隧道周边切向应力()都是压应力。因此，要十分注意切向应力的变化，它是造成坑道破坏的主要原因之一。下面，进一步分析围岩应力向深处变化的规律。为简单计，针对＝0和＝1两种情况的围岩应力向深处变化情况作一些分析，其它情况在两者之间变化。由式(5-6)、(5-7)可得：当＝0时：(5-12)当＝1时：(5-13)根据式(5-12)和式(5-13)，围岩应力沿隧道水平轴断面(=90°)及沿隧道垂直轴断面(=0°)的分布示于图5-4。(a)λ=0(b)λ=1图5-4洞室水平、竖直轴上的应力分布从图5-4可以看出：①侧壁中点(=90°)处，在＝0～1.0范围内隧道周边的切向应力都为正值(压应力)。最大值为(＝0)，最小值为(=1)。随着r的增加(即离坑道周边愈远)，切向应力逐渐减小，最后趋于值(初应力状态的垂直应力值)。隧道周边的径向应力等于0。当＝0时，开始随着r的增加而增大，在处达到最大，r继续增大则减小，最后趋于0(初应力状态的水平应力值)；当＝1时，随着r的增加而增大，最后趋于(初应力状态的水平应力值)。②拱顶处(=0°)，在周边上的值由-(＝0)变到2(＝1)。当=1/3时，＝0；当＝0时，随着r的增加，逐渐增加(拉应力逐渐减小)，在处，随后由拉应力变为压应力并继续增大，在处达到最大(压应力)，r继续增大则减小，最后趋于0(初应力状态的水平应力值)；当＝1时，随着r的增加，逐渐减小，最后趋于(初应力状态的水平应力值)。 隧道周边的径向应力等于0。当＝0时，开始为拉应力并随着r的增加而增大，在处达到最大拉应力，r继续增大则减小，在处，随后由拉应力变为压应力并继续增大，最后趋于(初应力状态的垂直应力值)；当＝1时，随着r的增加而增大，最后趋于(初应力状态的垂直应力值)。由此可见，隧道开挖后的二次应力分布范围是很有限的。视值的不同而不同，其范围大致在(5～7)a左右(愈大范围愈大)。在此范围之外，围岩仍处在初应力状态。这说明：隧道开挖对围岩的影响(扰动)范围是有限的。③在拱顶处的拉应力深入围岩内部的范围约为0.732a(＝0时)，而后转变为压应力。这也说明，隧道围岩内的拉应力区域是有限的，而且只在小于1/3时的情况下出现。前已指出，拉应力区的存在对造成围岩的局部破坏(松弛、掉块、落石)是有影响的。尤其是在大跨度洞室的情况下。上述的应力状态是针对围岩属于弹性的、各向同性的、均质的介质而言的。隧道是圆形的，其表面是平整的。实际围岩状态、隧道状态都会有所不同，因而，二次应力状态也会有所不同。例如超欠挖，使隧道表面变得极不平整，于凹凸处形成局部应力高度集中的弱点。某些实验指出，欠挖处的应力可达初始应力值的十几倍，常常造成坑道的局部破坏。因此，如何消除这种应力集中现象是现代隧道施工技术研究的重要内容之一。这也促使了光面爆破及喷混凝土支护等项技术的发展。对于非圆形隧道的围岩二次应力场和位移场的确定，这里不详列。当隧道形状不是圆形时，相应公式都要改变，要用到复变函数的映射理论，公式比较繁杂，此时可用有限单元数值分析方法进行求解。但在初步设计中，亦可采用将不同形状隧道变换成当量的圆形隧道的方法加以分析，或直接以隧道跨度代替公式中的隧道直径。还应该指出，隧道围岩的二次应力状态即使是弹性的，但由于爆破开挖的影响，也会使坑道周围岩体松动、破碎，使其强度减弱，这个范围是有限的。在采用光面爆破时可以大大减缓爆破的影响，受到爆破震动影响的隧道需要进行局部支护或轻型支护。围岩长期暴露在空气、水气等各种外界条件下会逐渐风化、剥蚀，从而降低隧道围岩的强度。因此，即使在弹性应力状态下隧道围岩是稳定的，进行一定的饰面防护也是必要的。(二)位移状态特征隧道开挖后，围岩的各处的弹性状态位移可由公式(5-9)、(5-10)所表示。在隧道工程中，我们关心的是隧道断面收敛情况，亦即隧道周边的径向位移状态。在此，我们讨论＝0和＝1两种情况下隧道周边的径向位移状态，其它情况在两者之间变化。隧道周边各点的位移可由下式决定(5-14)当＝1时，有(5-15) 由此可见，周边各点的位移值随值不同而发生变化，在不同的值条件下，隧道开挖后的断面收敛状态是不同的。当=1时，隧道断面是均匀缩小的，隧道断面仍保持圆形；随着值的减小，隧道上、下顶点向隧道内挤入增大，水平直径处则减小，而变成扁平的断面形状。隧道位移状态说明，坑道开挖后，围岩基本上是向隧道内移动的(收敛)，只是在一定的值条件下(≤0.25)，在水下直径处围岩有向两侧扩张的趋势。而且在多数情况下，拱顶位移(即拱顶下沉)均大于侧壁(水平直径处)位移。上面的讨论都是针对深埋圆形隧道而言的，对于浅埋圆形隧道(H/D＜2.5，H为埋深，D为隧道直径)，围岩的二次应力场和位移场就不能按以上各式确定了，应采用弹性力学中的明德林(R.D.Mindlin)公式。更一般的方法是采用有限单元法。二、隧道开挖后形成塑性区的二次应力状态及位移状态在深埋隧道或埋深较浅但围岩强度较低时，上述应力状态可能超过围岩的抗压强度。此时隧道围岩或发生脆性破坏，如岩爆、剥离等(坚硬、脆性、整体的围岩中)或在坑道附近围岩内形成塑性应力区域，发生塑性剪切滑移或塑性流动。塑性应力区域是由于多数围岩具有塑性这一性质而造成的。塑性就是指围岩在应力超过一定值后产生塑性变形的性质。此时，应力即使不增加，变形仍继续。当围岩内应力超过围岩的抗压强度后，围岩发生塑性变形并迫使塑性变形的围岩向隧道内滑移。塑性区的围岩因变得松弛，其物理力学性质(、值)也发生变化。在分析塑性区内的应力状态时。需要解决下述三个问题：①确定形成塑性变形的塑性判据或破坏准则；②确定塑性区内的应力应变状态；③确定塑性区范围。为了简化叙述，这里只讨论侧压力系数＝1时，圆形隧道图岩的弹塑性二次应力场和位移场的解析公式。我们已知，当＝1时，荷载和洞形都呈轴对称分布，而且围岩中不产生拉应力。因此，要讨论的只有进入塑性状态的一种可能性。图5-5塑性判据(一)判断围岩塑性状态对于承受任意应力状态作用的、连续、匀质、各向同性的岩土类材料，一般认为可采用莫尔—库仑(Mohr—Coulomb)条件作为塑性判据，亦称为屈服准则或屈服条件，莫尔—库仑塑性条件在平面上可表示成一条直线，称剪切强度线，它对轴的斜率为，在轴上的截距为(图5-5)，若岩体中某平面上作用的法向应力与剪应力所绘成的应力圆与剪切强度线相切，则岩体将沿该平面发生塑性滑动。这个条件的数学表达式可写成为：(5-16)式中的、是作用在破裂面或滑动面上的法向应力和剪应力，、 是岩体的强度参数(粘结力和内摩擦角)。莫尔—库仑条件的物理意义是：若岩体某截面上作用的法向应力和剪应力满足式(5-16)，则岩体将沿着该截面发生塑性滑动。式中的剪应力取绝对值表示该条件与剪应力方向无关。对于复杂应力状态，上式使用起来有所不便，所以常采用主应力表达的形式(这里规定主应力＞＞，以压应力为正)，由莫尔应力圆可得(5-17)鉴于＝1时，圆形隧道为轴对称问题，没有剪应力，所以切向正应力和径向正应力就成为最大、最小主应力了，所以莫尔—库仑条件又可写成：(5-18)式中的；、表示塑性切向正应力和塑性径向正应力；为岩体的单轴抗压强度，有。式(5-18)就是目前通常采用的判别隧道周围是否出现塑性区的依据(即塑性判据)。但它假定隧道周围出现塑性区后其岩性没有变化(即、值)。实际上岩石在开挖后由于爆破、应力重分布等影响已被破坏，其、值皆有变化。设以岩体的残余粘结力和残余内摩擦角表示改变后的岩体特性，则(5-18)式可写成(5-19)式中的；。(二)确定塑性区的应力场下面确定塑性区内的应力状态。在塑性区，围岩任一点的应力分量仍需满足平衡条件，对于轴对称问题，当不考虑体积力时，极坐标中的应力平衡方程为：(5-20)将式(5-18)的塑性判据代入上式并整理，可得： 积分得：(5-21)引入边界条件，时，，可求得积分常数图5-6塑性区范围从而可得塑性区的径向应力分量(5-22)代入式(5-18)，可得切向应力分量：(5-23)由上式可知，围岩塑性区的应力值与围岩的初始应力状态无关，仅取决于围岩本身的强度参数、值，同时随的增大而增大，超过塑性区范围后，又恢复为弹性状态。(三)围岩塑性区范围的确定由上述分析过程可以看出，在＝1时，距圆形隧道中心某一距离的各点,其应力值是相同的，因此，围岩中的塑性区必然是个圆形区域，如图5-6。现令这个圆形塑性区的半径为，那么，在＝处(即在塑性区与弹性区的交界面上)，应力既要满足弹性条件，又要满足塑性条件。弹性条件可厚壁圆筒原理求出。设弹塑性交界面上的径向应力为，则弹性区应力可由下式表示：(5-24)从而，有(5-25)由式(5-18)，塑性条件可写成： (5-26)另外，塑性区的应力与弹性区的应力一定保持平衡，也就是，(5-27)将式(5-25)与式(5-26)联立求解，并注意式(5-27)，即可得出在弹塑性交接面＝处应有如下的条件：(5-28)将上式代入式(5-22)或(5-23)，并注意＝，可得塑性区半径：(5-29)由上式可知，塑性区范围不仅与围岩的强度参数有关，而且还取决于围岩的初始应力状态。在自重应力场中，隧道埋深越大，塑性区范围越大。(四)确定弹性区的应力场和位移场显然，塑性区半径以外的围岩必定仍处于弹性状态。弹性区的应力和位移仍可按无限弹性平面内的孔洞问题求解，只是边界条件不同。在外边界有(无限远处)：在弹塑性交接面＝处有：弹性区的应力和位移为：(5-30) 上式中可看出，弹性区应力是由二部分组成的，其一是初始应力，其二是塑性区传来的径向应力。前者的表达式和式(5-13)一致，后者则是承受均匀内压力的厚壁简的计算公式。弹性区位移除了上述的二部分外，还包括开挖前围岩在初始应力作用下的变形量，即式(5-30)中的第三式的第三项，如围岩二次位移场以开挖前围岩的状态为基准，则应将其扣除。(五)确定塑性区的位移为了求算塑性区的位移，可假定在小变形的情况下塑性区体积不变，即(5-31)根据轴对称平面应变状态的几何方程(在塑性区亦应满足)：，，式(5-31)可改写为：积分得：引入边界条件，在弹塑性区交界面上的变形协调条件，可得：故塑性区位移为：(5-32)这与弹性区位移表达式一样。事实上，围岩在进入塑性状态后，体积要发生变化，称为剪涨现象。故上式只能算是近似公式。[例]设围岩的粘结力＝0.294MPa，内摩擦角＝36.9°，埋深=156.0m，容重=20kN/m，洞室半径=2m，试求塑性区半径和应力分布。[解]已知=4.01将有关数据代入式(5-29)得 所以塑性区范围为1.06m。由式(5-22)或(5-23)求得塑性区各的应力，列于表5-1；由式(5-30)计算弹性区应力，列于表5-2。将结果绘于图5-7中。表5-1塑性区应力(m)2.02.53.03.06(MPa)00.370.931.01(MPa)1.182.684.915.23表5-2弹性区应力(m)3.064.05.06.08.010.0(MPa)1.011.892.332.572.812.92(MPa)5.234.353.913.673.433.32图5-7圆形坑道周围弹塑性应力分布1时的围岩弹塑性二次应力场和位移场比较复杂，这里不再详述，需要学习者可参阅有关专著。现仅将不同的值时的塑性区范围大致地画在图5-8中，可以看出，当1时，在坑道侧壁，塑性区显然扩大，这一点对研究隧道破坏状态有很重要的意义。以上所讲的确定围岩二次应力场和位移场的方法，都没有考虑围岩变形的时间效应，也就是说无论是弹性变形或塑性变形都是瞬时完成的。近年来，考虑时间效应的二次应力场、位移场的计算理论已有了很大进展，限于篇幅这里从略。三、无支护坑道的稳定性及其破坏由以上所述可知，隧道开挖后，在围岩中产生一系列的力学现象，如坑道周边的应力重分布、坑道周边围岩性质的改变、坑道断面的缩小以及坑道稳定性的丧失等等。归根结底，这是一个无支护坑道的稳定与强度问题。坑道稳定性是指隧道围岩在开挖过程中，在不设任何支护情况下所具有的稳定程度。因此，无支护地段的暴露岩体，在要求时间内不发生破坏、滑动，且其径向位移不超过允许值时，是稳定的。无支护坑道围岩的失稳破坏有三种形式：①由于破碎岩体的自重作用，超过了它们脱离岩体的阻力而多在顶部、较少在侧壁处造成局部崩塌；②由围岩应力重分布所造成的应力集中区域内的岩体强度破坏而形成的崩塌。一般发生在脆性岩体中，且在多数情况下，岩体破坏从坑道侧壁开始，同时岩体的破坏和位移也可能发生在顶部和底部；③在塑性岩体中，稳定的丧失是由于塑性变形的结果，岩体产生了过度的位移，但无明显的破坏迹象。 隧道围岩丧失稳定乃是围岩二次应力与岩体强度特性的矛盾过程的发展结果。围岩的二次应力场是客现存在的，但能否造成隧道围岩的失稳破坏，要具有一定的转化条件和转化过程。从工程设计的角度来看，这个转化条件就是所谓判据。严格地说，破坏判据应该是根据物理实验所获得的破坏机理而建立起来的材料破坏的力学法则，它必须包含具有一定物理意义的基准值以及表示材料状态的特征值，如应力状态或变形状态(见第四章)。众所周知，隧道围岩破坏机理十分复杂，目前，还没有从理论上建立起一个判别隧道围岩稳定性的标准方法。根据工程设计的实践经验，这个判据应包括三方面的内容：①围岩的二次应力状态与岩体强度的关系。实践证明，只有围岩的应力状态超过岩体的强度条件，才能造成岩体的塑性变形、剪切破坏、坍塌、滑动、弯曲变形等失稳的前兆。所以，满足岩体的强度条件是围岩失稳和破坏的必要条件。由于岩体中实际存在的不连续性和各向异性，岩体的强度必然不能直接引用岩石强度公式。虽经岩石力学工作者多年努力，迄今仍未建立起一个完备而又实用的岩体强度的理论判据。②围岩位移状态和岩体变形能力的关系。工程实践证明，隧道是高次超静定结构，围岩局部区域进入塑性状态或受拉破坏，都不一定意味着隧道围岩就将丧失整体的稳定性。除非渐进的强度损失引起岩体变形无法控制，使围岩极度松弛，才有可能导致隧道围岩发生整体坍塌。所以，满足围岩的变形条件是造成围岩失稳破坏的充分条件。当然，从防止围岩侵入隧道净空出发，对最大位移量也向有一定的限制。③围岩局部落石的稳定性。围岩的局部落石破坏是由于爆破开挖、风化等施工和地质原因，使不稳定岩块在自重作用下沿着软弱结构面塌落或滑落，这类破坏一般不会丧失隧道围岩的整体稳定性。但在镶嵌的块体围岩中，常常由于一块最不稳定的“关键块”坍落，而牵制带动邻近岩块的坍落，最后造成整个围岩坍塌。落石破坏的稳定性验算，一般采用块体极限平衡理论。§5.3隧道围岩与支护结构的共同作用一、收敛和约束的概念开挖隧道时，由于临空面的形成，围岩开始向洞内产生位移，这种位移我们称之为收敛。若岩体强度高，整体性好、断面形状有利，岩体的变形到一定程度，就将自行停止，围岩是稳定的。反之，岩体的变形将自由地发展下去，最终导致隧道围岩整体失稳而破坏。在这种情况下，应在开挖后适时地沿隧道周边设置支护结构，对岩体的移动产生阻力，形成约束。相应地支护结构也将承受围岩所给予的反力，并产生变形。支护结构变形后所能提供的阻力会有所增加，而围岩却在变形过程中释放了部分能量，进一步变形的趋势有所减弱，需要支护结构提供的阻力以及支护结构所承受的反力都将降低。如果支护结构有一定的强度和刚度，这种隧道围岩和支护结构的相互作用会一直延续到支护所提供的阻力与围岩应力之间达到平衡为止，从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系。这时的隧道围岩应力状态称为三次应力状态。假定在开挖隧道的同时，支护结构立即施设并发挥作用。在支护结构具有极大刚度的情况下，围岩可以一点也不产生变形，但支护结构必须使围岩保持在原来的初始应力状态，因而支护结构所受到的反力也必然等于围岩中初始应力所形成的全部压力。反之，支护结构施设得过迟，或它的刚度过小，都将会引起围岩结构松弛，自承能力下降，所需的支护阻力或支护结构的受力又将增大。所以说，要经济合理地设计支护结构，必须进一步地研究隧道围岩的收敛和支护结构的约束作用的机理。上述的弹塑性平衡理论是解决这个问题的基础。二、坑道支护后的围岩应力状态及位移状态 图5-9周边作用支护力的坑道力学模型隧道开挖后，围岩应力状态出现两种情况：一种是开挖后的二次应力状态仍然是弹性的，隧道围岩除因爆破、地质状态、施工方法等原因可能引起稍许松弛掉块外，是稳定的，在这种情况下，坑道是稳定的，原则上无需支护，即使支护也是防护性的，支护方法一般可采用喷浆或者喷射混凝土；另一种是开挖后隧道围岩产生一定范围的塑性区，此时应采用承载型的支护结构，以维护坑道的稳定。这里，我们重点分析承载型支护情况下的隧道围岩应力状态及位移状态。坑道支护后，相当于在坑道周边施加了一个阻止隧道围岩变形的支护阻力(抗力)，从而也改变了围岩的二次应力状态。支护阻力的大小和方向对围岩的应力状态有着很大的影响。为了简化，这里假定支护阻力是径向的，并沿隧道周边均匀分布，以表示，而且坑道开挖后立即发挥其作用。分析时，仍以＝1时的圆形隧道为研究对象，因此，它还是一个轴对称平面应变问题。(一)弹性应力及位移状态在弹性应力状态下，当坑道周边有径向阻力作用时(图5-9)，围岩径向应力和切向应力可由下式表示(5-33)式中，，为隧道半径，为所论点至隧道中心的距离；前一项是由初始应力造成的，后一项是由支护阻力造成的。当=1，即时，有，图5-10应力圆由此可见，支护阻力的存在，使周边围岩的径向应力增大，切向应力减小。也就是说，使隧道周边的岩体应力状态从单向(或二向)应力状态转变为二向(或三向)应力状态，从而提高了隧道周边岩体的承载能力(图5-10)。根据莫尔—库仑破坏准则，如使隧道围岩处于弹性状态，则有即(5-34) 因此，维持隧道围岩处于弹性应力状态所需的最小支护阻力为：。它仅与初始应力场及岩性指标有关，而与坑道尺寸无关。根据前面的分析结果，在支护阻力作用下，隧道周边向隧道内的弹性位移为(5-35)由上式可以看出，支护阻力越大，隧道周边向隧道内的弹性位移就越小。反之，越小，就越大，这一点说明了当允许围岩有较大的位移时所需的支护阻力是不大的。若=0，则有(无支护隧道洞壁弹性位移值)。若要=0，则需，即要使隧道周边不产生径向位移，隧道周边必须恢复到初始应力状态，但实际上这是办不到的，也没有这个必要。(二)塑性应力及位移状态1、塑性应力状态在塑性应力状态下，当坑道周边有径向支护抗力作用时，其应力值可按前述方法确定。对于塑性区应力平衡方程(5-20)的积分结果(5-21)，将边界条件改为：时，，可求得积分常数相应地，可得塑性区的应力分量(5-36)2、塑性区半径将弹塑性交接面＝处的应力条件(5-28)的第一式代入(5-34)的第一式，即可得出塑性区半径的表达式：(5-37)由上式可以看出，隧道支护阻力 越大，其塑性区范围越小。这说明了径向支护阻力对限制围岩塑性区的发展能起重要作用。这是因为支护阻力的存在，使围岩的应力状态由二维的变为三维的，从而提高了围岩的抗屈服能力。当支护阻力增加到一定程度，就有可能在围岩中不形成塑性区。若使坑道周围不存在塑性区，即，由上式可求得(5-38)或写成(5-39)这与上面的分析结果是一样的。此外，由式(5-37)还可解出(5-40)上式清楚地说明了支护阻力()与初始应力()、岩性指标(、、)以及隧道尺寸之间的关系。在其它条件相同时，支护阻力随着塑性区半径的增大而减小。同时说明了当允许岩体形成较大的塑性区时，所需的支护阻力是不大的。3、塑性位移状态隧道围岩应力重分布的结果，必然伴随着变形的发展，这种变形表现在隧道直径的减小，即坑道壁向坑道内的径向位移。前已述及，当支护阻力作用时，在弹性应力状态下，坑道周边位移为：(5-41)而在塑性应力状态下，坑道周边位移为：(5-42)式中为弹塑性区交界面上的径向应力，由塑性条件式(5-28)可知：将其代入式(5-42)并考虑式(5-37)得：(5-43)由此可见，在形成塑性区后，隧道周边位移 不仅与岩性指标、坑道尺寸、初始应力场有关，还与支护阻力有关。在一定条件下，允许变形(位移)越大，塑性区范围也越大，而所需的支护阻力就越小。三、围岩特性曲线(支护需求曲线)现在我们来进一步分析支护阻力对围岩位移状态的影响，绘制支护阻力与隧道洞壁位移的关系曲线。根据公式(5-43)可以发现：①在形成塑性区后，无论加多大的支护阻力都不能使围岩的径向位移为零；②不论支护阻力如何小(甚至不设支护)，围岩的变形如何增大，围岩总是可以通过增大塑性区范围来取得自身的稳定而不致坍塌。这两点显然与客观实际有出入：如隧道开挖后立即支护并起作用，只要支护阻力，围岩内就可以不出现塑性区，当支护阻力等于围岩的初始应力时，洞壁径向位移就为零；其次，实践证明，任何类别的围岩都有一个极限变形量，超过这个极限值，岩体的、、值将急剧下降，造成岩体松弛和坍落。而在较软弱的围岩中，这个极限值一般都小于无支护阻力时洞壁的最大计算径向位移量。因此，在洞壁的径向位移超过，围岩就将失稳，如果在此时进行支护以稳定围岩，无疑的，其所需的支护阻力必将增大。也就是说，当达到后，随着的继续增大，不再继续下降而是上升。鉴于上述原因，支护阻力与隧道洞壁位移的关系曲线应该由弹性状态和塑性状态两部分组成，而且应根据隧道洞壁位移极限值作适当修正：①在阶段，隧道围岩处于弹性状态，坑道周边位移可由(5-37)式决定，—曲线为直线段。该式指出，当=0时，，即欲使坑道周边不产生位移，就需要有相当于初始应力大小的支护阻力，使坑道围岩仍处于初应力状态之中，也就是说，应力重分布的全部都要由支护结构负担，而岩体的承载能力丝毫也没有利用。实际中这显然是不可能的。②当二次应力形成塑性区时()，支护阻力与隧道洞壁位移的关系曲线由式(5-43)给出。该式表明，随着隧道周边位移值的增大，稳定围岩所需的支护阻力则逐渐减小。因此，(5-43)式表达了支护结构与隧道围岩之间的相互作用。这种相互作用表明，当达到最大值时，隧道围岩仍然是稳定的话，则岩体负担了应力重分布的全部结果。在通常情况下，应力重分布的结果是由岩体和支护结构共同负担的。 ③当洞壁径向位移超过后，围岩将变得不稳定，支护结构承受松散压力，这时的—曲线是一个上升的凹曲线，说明随着位移的发展，所需的支护阻力将大增。遗憾的是，虽经多年努力，提出过各种假设，但对于超过极限变形量后所需支护阻力的真实情况仍然很不清楚。所以，这段曲线性态只能任意假定。不过，如此做法并不影响我们对围岩与支护结构相互作用的分析。图5-12围岩特性曲线当然，在＜的情况下，就不必做第③项修正。由此得到的—关系曲线如图5-12所示。从图中可以看出，随着的增大，逐渐减小，超过后，又逐渐增大；反之，随着的增大，也逐渐减小。可以认为这条曲线形象的表达了支护结构与隧道围岩之间的相互作用：在极限位移范围内，围岩允许的位移大了，所需的支护阻力就小，而应力重分布所引起的后果大部分由围岩所承担；围岩允许的位移小了，所需的支护阻力就大，围岩的承载能力就得不到充分的发挥。—关系曲线，反映了隧道周边位移与坑道稳定所需的支护阻力之间的关系，所以这条曲线可以称为“支护需求曲线”或“围岩特性曲线”，这条曲线是研究隧道荷载的基础，也称之为“荷载特征曲线”。综合上述，可以看出，支护阻力的存在控制了隧道围岩的变形和位移。从而控制了围岩内塑性区的发展和应力变化，这就是支护结构的支护实质。同时由于支护阻力的存在也改善了周边岩体的承载条件，从而相应地提高了岩体的承载能力。应该指出，上述分析是在理想条件下进行的，例如，假定洞壁各点的径向位移都相同、支护需求曲线与支护的刚度无关等。事实上，即使在标准固结的粘土中，洞壁各点的径向位移相差也很大，也就是说洞壁的每一点都有自己的支护需求曲线。再说支护阻力是支护结构与隧道围岩相互作用的产物，而这种相互作用与围岩的力学性质有关，当然也取决于支护结构的刚度不能认为支护结构只有阻力而无刚度。不过，尽管存在这样一些不准确的地方，但上述的隧道围岩与支护结构相互作用的机理仍是有效的。从隧道围岩的三次应力场的研究可以清楚地看出：地下工程象地面工程一样也是一个结构体系，而且是岩体和支护结构组成的结构体系，荷载主要来自岩体。而这种结构体系的主要材料是由绝大部分的岩体构成的，混凝土及其他支护材料只占很小部分。因此，岩体既是承载结构一个重要组成部分，也是构成承载结构的基本的建筑材料，它既是承受一定荷载的结构体，又是造成荷载的主要来源，这种三位(荷载、材料、承载单元)一体的特征与地面工程是完全不同的，因此研究三者之间的内在联系是非常重要的。 由此可见，地下工程研究和计算的对象应该是岩体。而长期以来的隧道和地下工程的设计和施工中，我们并没有充分地考虑和认识到岩体的这些作用，即作为承载体的结构作用；作为材料的工程性质以及作为荷载的主要效应，把着重点放在支护结构的设计和计算上，这显然是不恰当的。从地下工程这一力学特点出发，必须把研究和计算的重点转移到岩体这方面来，这首先要求我们搞清岩体的工程性质以便更好地发挥岩体的结构作用。例如岩体的承载条件是不断变化的，在开挖前它处于三向应力状态条件下，岩体具有较高的承载能力；在开挖过程中，承载条件有了改变，从三向应力状态变成双向应力状态，使岩体的承载能力有了显著的降低。其次，开挖过后，岩体发生松弛、变形，而使其性质变异(强度降低、粘结力或者摩擦角变小等)，从而降低了它的承载能力。当施加支护措施后，改善了岩体承载条件，岩体的承载能力又有所提高。因此，研究岩体承载条件(开挖、支护造成的)的变化及其对岩体强度的影响是十分重要的，尤其对地下工程来说，更是如此。岩体既然是主要承载单元，那么在施工过程中就必须“保护”和“爱护”岩体，以便更充分地发挥岩体的承载作用。从这一点出发，在修筑一个长期稳定的洞室结构中，虽然开挖和支护都是重要的，但搞好开挖作业，提高开挖作业的质量远较支护作业重要，也就是说，要“保护”和“爱护”岩体，开挖是个关键。好的开挖作业会大大减小对遗留岩体的破坏，从而也降低了对支护作业的要求，这已为大量工程实践所证实。例如，目前隧道的施工方法已从传统的爆破技术转向控制爆破(光面爆破、预裂爆破)或无爆破(掘进机等)技术；从分部开挖转向大断面或全断面开挖；从过大的一次掘进进尺(深孔爆破)转向较小的进尺(1.5～2.Om或更小些)，以便及时闭合断面等都是基于地下工程的这一力学特点出发的。四、支护特性曲线(支护补给曲线)以上所述乃是隧道围岩与支护结构共同作用的一个方面，即围岩对支护的需求情况。现在分析它的另一个方面，即支护结构可以提供的约束能力。任何一种支护结构，如钢拱支撑、锚杆、喷射混凝土层、模板灌注混凝土衬砌等，只要有一定的刚度，并和围岩紧密接触，总能对围岩变形提供一定的约束力，即支护阻力。但由于每一种支护形式都有自己的结构特点，因而可能提供的支护阻力大小与分布，以及它随支护变形而增加的情况都有很大的不同。图5-13支护特性曲线现仍以圆形隧道为研究对象，并假定围岩给支护结构的反力也是径向匀布的。因此，这还是一个轴对称问题。相对于围岩的力学特性而言，混凝土或钢支护结构的力学特性可以认为是线弹性的，也就是说作用在支护结构上的径向均布压力是和它的径向位移成线性关系，即(5-40)式中的定义为支护结构的刚度，因为这里只考虑径向均布压力，所以式中只包含支护结构受压(拉)刚度。若隧道周边的收敛不均匀，则支护结构的弯曲刚度就成为主要的了，不同的支护结构型式特有不同的值；为支护结构提供的支护阻力；平衡时隧道洞周径向位移； 为支护结构开始发挥作用时隧道周边位移值。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)图5-14围岩和支护结构的相互作用有了围岩的支护需求曲线和支护结构的支护补给曲线，我们就可以进一步来分析隧道围岩和支护结构如何在相互作用的过程中达到平衡状态(图5-14)的。隧道开挖初期，围岩变形很小，其稳定所需的支护约束力很大，而一般支护结构所能供给的则很小。因此，围岩继续变形，在变形过程中由于支护结构与围岩一同变形，支护结构的约束阻力进一步增长。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。图5-14说明：(一)不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的和是不同的。刚度大的支护结构承受较大的围岩反力(压力)，反之，柔性较好的支护结构所承受的围岩压力要小得多。所以，我们在隧道工程中强调采用柔性支护以节约成本，但它也应有必要的刚度，以便有效地控制围岩变形，而达到稳定。当然，增加支护结构的刚度并不总是意味着要增加支护结构的尺寸和数量。重要的是支护结构及早地形成闭合断面。(二)同样刚度的支护结构，由于架设的时间不同，最后达成平衡的状态也是不同的。支护结构架设得越早，它所承受的围岩压力就越大。但这不等于说支护结构参与相互作用的时间愈迟愈好，因为初始变形不加控制会导致围岩迅速松弛而崩坍。因此，原则上要尽早地架设初次支护，以控制围岩的初始变形在适当的范围内。当然，这个范围的大小视岩体的特性和埋置深度而变。例如在埋量较深的塑性岩体中，即使变形已达到0.2～0.3m，岩体还在应力释放过程中，此时只要求能够逐步控制它的变形速度就可以了。过早地架设刚度较大的支护结构，反而有可能因受力过大而破坏。§5.6隧道结构体系的计算模型一、计算模型的建立原则通过上面的叙述，我们已经基本上了解了隧道围岩和支护结构是如何在相互作用过程中达到新的平衡状态的。现在即可进一步研究围岩的三次应力场和支护结构的内力与位移的具体计算方法，以及怎样判断所选择或设计的支护结构的安全度。对于均匀介质中的圆形隧道，当它处于平面轴对称状态时，我们曾经将围岩与支护结构的相互作用问题抽象为支护需求曲线和支护补给曲线的收敛—约束关系，从而求出围岩与支护结构达到平衡时的支护阻力 。有了这个值就可以计算出围岩和支护结构的应力状态。由此可以看出，即使对于如此理想的问题，都需要事先将研究对象的几何形状、初始应力状态、开挖和支护过程、岩体和支护结构的物理力学特性等条件转换为数学力学模型，然后运用数学力学方法求出模型的、作为设计标准的特征值(如应力、位移或极限荷载等)。一个理想的隧道工程的数学力学模型应能反映下列的因素：①必须能描述有裂隙和破坏带的，以及开挖面形状变化所形成的三维几何形状。②对围岩的地质状况和初始应力场不仅要能说明当时的，而且还要包括将来可能出现的状态。③应包括对围岩应力重分布有影响的岩石和支护材料非线性特性，而且还要能准确地测定出反映这些特性的参数。④如果要知道所设计的支护结构和开挖方法能否获得成功，即想评估其安全度，则必须将围岩、锚杆和混凝土等材料的局部破坏和整体失稳的判断条件纳入模型中。当然，条件必须满足现行设计规范的有关规定。⑤要经得起实际的检验，这种检验不能只是偶然巧合，而是需要保证系统的一致性。这样的理想模型对于科学研究是十分必要的，因为只有准确地模拟围岩性质和施工过程，才能更好地了解围岩与支护结构的实际工作状态，作出符合实际的决策。然而这种理想模型的参数太多又不易精确测定，将各种影响因素都机械地转换到模型中来也是十分困难的。因此，理想模型还不宜直接用于设计实践，必须在可能的情况下，由理想模型推演出一些较简单的计算模型，或称为工程师模型。这种模型应力求满足下列在某些方面可能是相互矛盾的目标：①应能体现经济而安全的设计，即按这种模型所设计的支护结构既不应过于保守也不应冒险。②应该尽可能地将有关因素都包括进去，但必须是实用的，即模型所涉及的参数都是能够决定的，并具有公认的真实性。③应具有普遍应用的可能性，即能用于较大范围的地质状况、洞室尺寸和形状、施工程序和支护类型。而且还必须认识到模型都有它本身的局限性，事实上没有一个模型是普遍适用的。④必须对照试验和实例正确地对模型进行标定，而这些试验和实例必须具有代表性。一般来说根据模型所得的计算结果和实地量测值是不会一致的，大部分清况下都是量测值偏小，这是因为模型都向偏于安全方面做了简化。即使量测结果证实了计算结果偏小，也未必就意味着按模型所设计的支护结构会遭到破坏，因为有些模型有意地略去了一些次要因素，如温度影响等，而这些次要因素在结构进入极限状态后会自动消失。这一切都说明，在设计实践中我们不是验算“实际”情况，而是验算在力学上基本能代表实际情况的模型，当然，这个模型必须是经过实际检验的。理论分析必须依赖事先建立的模型，经验设计也是建立在力学模型基上的，即便那模型很含糊或仅属一种暗示。二、常用的计算模型国际隧道协会在1987年成立了隧道结构设计模型研究组，收集和汇总了各会员国目前采用的地下结构设计方法，经过总结，国际隧道协会认为，目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下四种设计模型：①以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法；②以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，例如以洞周位量测值为根据的收敛－约束法；③作用与反作用模型，即荷载—结构模型，例如弹性地基圆环计算和弹性地基框架计算等计算法；④连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。 各种设计模型或方法各有其适用的场合，也各有自身的局限性。由于地下结构的设计受到各种复杂因素的影响，因此经验设计法往往占据一定的位置。即使内力分析采用了比较严密的理论，其计算结果往往也需要用经验类比来加以判断和补充。以测试为主的实用设计方法常为现场人员所欢迎，因为它能提供直觉的材料，以更确切地估计地层和地下结构的稳定性和安全程度。理论计算法可用于进行无经验可循的新型工程设计，因而基于作用与反作用模型和连续介质模型的计算理论成为一种特定的计算手段愈益为人们所重视。当然，工程技术人员在设计地下结构时，往往要同时进行多种设计方法的比较，以作出较为经济合理的设计。从各国的地下结构设计实践看，目前在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算模型：第一类模型是以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载主要来源，同时考虑其对支护结构的变形起约束作用；第二类模型则相反，是以围岩为承载主体，支护结构则约束和限制围岩向隧道内变形。第一类模型又称为传统的结构力学模型。它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，故又可称为荷载—结构模型(图5-23a)。在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支承约束支护结构变形的抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。这一类计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。所以说，利用这类模型进行隧道支护结构设计的关键问题，是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的是围岩所产生的松动压力，以及弹性支承结支护结构的弹性抗力。一旦这两个问题解决了，剩下的就只是运用普通结构力学方法求出超静定体系的内力和位移了。由于这个模型概念清晰，计算简便，易于被工程师们所接受，故至今仍很通用，尤其是对模注衬砌。属于这一类模型的计算方法有：弹性连续框架(含拱形)法，假定抗力法和弹性地基梁(含曲梁和圆环)法等。当软弱地层对结构变形的约束能力较差时(或衬砌与地层间的空隙回填、灌浆不密实时)，地下结构内力计算常用弹性连续框架法，反之，可用假定抗力法或弹性地基法。弹性连续框架法即为进行地面结构内力计算时的力法与变形法，假定抗力法和弹性地基梁法则已形成了一些经典计算方法。经典计算方法按所采用的地层变形理论不同，荷载结构法又可区分为两类：局部变形理论计算法和共同变形理论计算法。第二类模型又称为现代的岩体力学模型。它是将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为围岩—结构模型或复合整体模型(图5-23b)。在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，这一点正好和第一类模型相反。复合整体模型是目前隧道结构体系设计中力求采用的或正在发展的模型，因为它符合当前的施工技术水平，采用快速和早强的支护技术可以限制围岩的变形，从而阻止围岩松动压力的产生。在围岩—结构模型中可以考虑各种几何形状、围岩和支护材料的非线性特性、开挖面空间效应所形成的三维状态以及地质中不连续面等等。在这个模型中有些问题是可以用解析法求解，或用收敛—约束法图解，但绝大部分问题，因数学上的困难必须依赖数值方法，尤其是有限单元法。利用这个模型进行隧道结构体系设计的关键问题，是如何确定围岩的初始应力场以及表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。一旦这些问题解决了，原则上任何场合都可用有限单元法求出围岩与支护结构的应力、位移状态。§5.7隧道结构体系设计计算方法一、结构力学方法 (一)荷载—结构模型的建立显然，只要在施工过程中不能使支护结构与围岩保持紧密接蚀，有效地制止周围岩体变形松弛而产生松动压力，隧道的支护结构就应该按荷载—结构模型进行验算。一般来说，按此模型设计的隧道支护结构偏于保守。荷载—结构模型虽然都是以承受岩体松动、崩塌而产生的竖向和侧向主动压力为主要特征。但对围岩与支护结构相互作用的处理上却有几种不同的做法：①主动荷载模型(图5-24a)。它不考虑围岩与支护结构的相互作用，因此，支护结构在主动荷载作用下可以自由变形，其计算原理和地面结构一样。这种模型主要适用在围岩与支护结构的“刚度比”较小的情况下，软弱的围岩没有“能力”去约束刚性衬砌的变形。②主动荷载加围岩弹性约束的模型（图5-24b）。它认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构的相互作用，围岩还对支护结构施加被动的弹性抗力。因为，在非均匀分布的主动荷载作用下，支护结构的一部分将发生向着围岩方向的变形，只要围岩具有一定的刚度，就必然会对支护结构产生反作用力来约束它的变形，这种反作用力就称为弹性抗力，属于被动性质。而支护结构的另一部分则背离围岩向着隧道内变形，不会引起弹性抗力，形成所谓“脱离区”。支护结构就是在主动荷载和围岩的被动弹性抗力同时作用下进行工作的。这种模型几乎能适用于所有的围岩类型，只不过各类围岩所能产生的弹性抗力大小和范围不同而已。当前还正在发展一种以实地量测荷载代替主动荷载的①类模型的亚型。实地量测的荷载值是围岩与支护结构相互作用的综合反映，它既包含围岩的主动压力，也含有弹性抗力。在支护结构与围岩牢固接触时，不仅能量测到径向荷载而且还能量测到切向荷载。否则，就只有径向荷载(图5-24c)。但应该指出，实地量测的荷载值除与围岩特性有关外，还取决于支护结构的刚度以及支护结构背后回填的质量。因此，某一种实地量测的荷载，只能适用于和量测条件相同的情况下。对于①类模型，只要确定了作用在支护结构上的主动荷载，其余问题用结构力学的一般方法(如力法、位移法)即可解决。对于②类模型，除了上述的主动荷裁外，尚需解决围岩的弹性抗力问题。正如上面所述，所谓弹性抗力就是指由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起的围岩的被动抵抗力。在围岩上引起的弹性抗力的大小，目前常用以“温克列尔(Winkler)假定”为基础的局部变形理论来确定。它认为围岩的弹性抗力是与围岩在该点的变形成正比的，用公式表示为：(5-71) 图5-25隧道衬砌结构受力变形特点式中的为围岩表面上任意一点所产生的弹性抗力；为围岩在同一点的压缩变形；为比例系数，称为围岩的弹性抗力系数。弹性抗力的大小和分布形态取决于支护结构的变形，而支护结构的变形又和弹性抗力有关，所以，按②类模型计算支护结构的内力是个非线性问题，必须采用迭代解法或某些线性化的假定。例如，假设弹性抗力的分布形状为已知，或采用弹性地基梁的理论，或用弹性支承代替弹性抗力等等。于是，支护结构内力分析的问题，就成了通常的超静定结构求解。(三)隧道衬砌结构受力变形特点隧道衬砌在围岩压力作用下要产生变形(如图5-25所示)。在隧道拱顶，其变形背向围岩，不受围岩的约束而自由地变形，这个区域称为“脱离区”；而在隧道的两侧及底部，结构产生朝向围岩的变形，受到围岩的约束作用，因而围岩对隧道衬砌结构产生了约束反力(弹性抗力)，这个区域称为“抗力区”。由此可见，围岩对隧道衬砌结构的变形起着双重作用：既产生主动围岩压力使衬砌结构变形，又产生被动的抗力阻止衬砌结构变形。这种效应的前提条件是围岩与隧道衬砌必须全面紧密地接触。而实际的接触状态是相当复杂的，受到围岩性质、施工方法、衬砌类型等因素的影响。为了便于计算，一般予以简化，即假定衬砌结构与围岩是全面紧密地接触的。(四)支护结构的几种计算方法在荷载—结构模型中，分析计算的对象是支护结构，即衬砌。因此，要根据衬砌的受力特点，进一步研究它的力学模拟和计算图式的问题。由于隧道长度较之横断面尺寸要大得多，而且，又假设荷载和结构特性沿隧道长度方向是不变的，因此，可以认为隧道衬砌不会产生纵向位移，即处于平面变形状态。在进行力学分析时，沿纵向取出单位长的一段作为研究对象，并用、代替平面应力分析中的、。1、主动荷载模式(1)弹性固定的无铰拱适用于这类计算模式的常有半衬砌。用先拱后墙施工时，先作好的拱圈在挖马口前的工作情况也是这种半衬砌。这种拱圈的拱脚支承在弹性围岩上，故称弹性固定无铰拱。半衬砌拱圈的拱矢和跨度比值一般是不大的，当竖向荷载作用时，大部分情况下，拱圈都是向坑道内变形，不产生弹性抗力。(2)圆形衬砌修建在软土地层中的圆形衬砌，也常常按主动荷载模式进行结构计算。承受的荷载主要有土压力、水压力、结构自重和与之相平衡的地基反力。2、主动荷载加被动荷载模式(1)假定抗力图形 该法的计算特点是假定抗力的分布范围的分布规律，如上、下零点和最大值的位置。而抗力的最大值和结构由主动荷载与被动荷载共同作用在该点产生的变位有关。因此这是一个非线性问题。只要能附加一个最大抗力点的抗力与其位移成正比为条件列出的方程即可求出最大抗力值和冗力。将主动荷载与被动荷载求出的内力值进行叠加，即为结构内力。(2)局部变形地基梁法局部变形地基梁法由纳乌莫夫首创，该法计算拱形直墙衬砌内力的特点，是将拱圈和边墙分为两个单元分别进行计算，而在各自的计算中考虑相互影响。计算中拱圈视为弹性固定无铰拱，边墙视为双向弹性地基梁。拱圈和边墙受力变形的相互影响，表现为计算拱圈时拱脚的变位应取边墙墙顶的变位，计算边墙时墙顶的初始条件与拱脚的内力和变位一致。局部变形地基梁法计算简图中关于弹性抗力的考虑方法也按拱圈和边墙分为两种情况。拱圈弹性抗力仍采用假定的抗力图形，零点位于拱顶两侧约附近，最大抗力发生在墙顶，作用方向为水平。拱圈任意截面抗力的作用方向为径向，抗力图形假设为二次抛物线。(3)弹性支承法利用弹性支承法计算隧道衬砌结构内力的基本思想是：采用符合“局部变形原理”的弹簧来模拟隧道围岩，而将衬砌与围岩所组成的隧道结构体系离散化成有限个衬砌单元和弹簧单元所组成的组合体。采用结构力学方法求解该体系即可求得衬砌内力。离散化的隧道结构体系是一个多次超静定问题，常用的分析方法是矩阵位移法。配合衬砌的离散化，主动荷载也要进行离散，也就是将作用在衬砌上的分布荷载置换为节点力。严格地说，这种置换应按静力等效的原则进行，即节点力所做虚功应等于单元上分布荷载所做的虚功。但因荷载本身的准确性较差，故可按简单而近似的方法，即简支分配原则进行置换，而不计作用力迁移位置时所引起的力矩的影响，对于竖向或水平的分布荷载、其等效节点力分别近似地取为节点两相邻单元水平或垂直投影长度的一半乘以衬砌计算宽度这一面积范围内的分布荷载的总和。对于衬砌自重，其等效节点力可近似地取为节点两相邻单元重量的一半。围岩的弹性抗力通过弹簧单元模拟，弹性抗力作为被动荷载，其值与衬砌结构的变形有关，可用逐次逼近的方法求得，即先假定衬砌的某些区域的变形指向围岩，与围岩有相互作用而设置弹簧单元，求出衬砌的变形轮廓。然后从没有相互作用的区域去掉弹簧单元，在有相互作用而原先未设置弹簧单元的区域加上弹簧单元，再进行计算。如此反复进行计算，直到弹簧单元都正好设置在相互作用的区域为止。需要说明的是，上述方法求得的衬砌内力为离散体系的单元节点力，与某节点连接的两个单元在该节点处的内力是不同的，即节点处的结构内力将产生突变，这与分布荷载作用下的结构内力不相符，应进行处理，最简单的方法是取相邻两单元的内力平均值。二、岩体力学方法由于现代隧道施工技术的发展，可在隧道开挖后及时地给围岩以必要的约束，抑制其变形，阻止围岩松弛，不使其因变形过度而产生松动压力。此时，开挖隧道而释放的围岩应变能将由围岩和支护结构所组成的结构体系共同承担，隧道结构体系产生应力重新分布而达到新的平衡状态。在隧道结构体系中，一方面围岩本身由于支护结构提供了一定的支护抗力，而引起它的应力调整，从而达到新的稳定；另一方面由于支护结构阻止围岩变形，也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，它是支护结构和围岩共同变形过程中对支护施加的压力，故可称为“形变压力”。显然，这种形变压力的大小和分布规律不仅与围岩的特性有关，而且还取决于支护结构的变形特性—刚度。要研究这种情况下围岩的三次应力场和支护结构中的内力和位移，就必须采用整体复合模型(地层—结构模型)，其中围岩是主要承载单元，支护结构是镶嵌在围岩孔洞上的加劲环。目前对于这种模型求解方法有解析法、数值法、特征曲线法三种。 1、解析法该方法根据所给定的边界条件，对问题的平衡方程、几何方程和物理方程直接求解。这是一个弹塑性力学问题，求解时，假定围岩为无重平面，初始应力作用在无穷远处，并假定支护结构与围岩密贴，即其外径与隧道的开挖半径相等，且与开挖同时瞬间完成。由于数学上的困难，现在还只能对少数几个问题(例如圆形隧道)给出具体解答。2、数值方法对于几何形状和围岩初始应力状态都比较复杂的隧道，一般需要采取数值方法，尤其是需要考虑围岩的各种非线性特性时。该方法主要是指有限单元法，它是把围岩和支护结构都划分为单元，然后根据能量原理建立起整个系统的虚功方程，也称刚度方程，从而求出系统上各节点的位移以及单元的应力。隧道结构体系有限元分析的一般步骤为：结构体系离散化(包括荷载的离散化)、单元分析(形成单元刚度矩阵)、整体分析(形成总体刚度矩阵)、求解刚度方程(求节点位移)、求单元应力。3、特征曲线法特征曲线法也称为“收敛—约束”法，是用围岩的支护需求曲线和支护结构的补给曲线以求得达到稳定状态时支护结构的内力。图5-30支护体系的平衡条件特征曲线法的基本原理是：隧道开挖后，如无支护，围岩必然产生向隧道内的变形(收敛)。施加支护以后，支护结构约束了围岩的变形(约束)，此时围岩与支护结构一起共同承受围岩挤向隧道的变形压力。对于围岩而言，它承受支护结构的约束力；对支护结构而言，它承受围岩维持变形稳定而给以的压力。当两者处于平衡状态时，隧道就处于稳定状态。所以，特征曲线法就是通过支护结构与隧道围岩的相互作用，求解支护结构在荷载作用下的变形和围岩在支护结构约束下的变形之间的协调平衡，即利用围岩特征曲线与支护结构的特征曲线交会的办法来决定支护体系的最佳平衡条件(图5-30)。从而求得为了维持坑道稳定所需的支护阻力，也就是作用在支护结构上的围岩的形变压力。之后，就可按普通结构力学方法计算支护结构内力和校核其强度。三、以围岩分级为基础的经验设计方法在大多数情况下，隧道支护体系还是依赖“经验设计”的，并在实施过程中，依据量测信息加以修改和验证。经验设计的前提是要正确地对隧道围岩进行分级，然后在分级的基础上编制支护结构系统的基本图示。从近期实践中，我们大致上可以发现在进行支护结构经验设计时，需要注意的几点的原则是：(1)首先对隧道围岩要有一个正确的分级，这些分级大都是根据地质调查结果，为隧道单独编制的；或者采用目前在奥地利等国广泛采用的Luffer分级。但不管采用何种分级，大体上都是把隧道围岩分为四个基本类型。即：①完整、稳定岩体；②易破碎、剥离的块状岩体；③有地压作用的破碎岩体；④强烈挤压性岩体或有强大地压的岩体。其中某些类别还有些亚类。 (2)在各类岩体中，支护结构参数大体是按下述原则选用的：①完整，稳定的岩体：锚杆长＜1.5m，根数n=4～4.2根/m左右，从力学上看是不期待锚杆的，围岩本身强度就可以支护坑道，但因有局部裂隙或岩爆等，用其加以控制而已。喷混凝土用于填平补齐，为确保洞内安全作业应设金属网防止顶部岩石剥离。二次衬砌用能灌注的最小混凝土厚度，约30cm左右。②易破碎、剥离的块状岩体：这类岩体范围较广，还可细分为若干亚类。锚杆长1.5～3.5m，n=10根/m左右，多数情况是长、短锚杆配合使用，短锚杆用胀壳式，长锚杆用胶结式。喷层厚0～10cm，稳定性好些的用来填平补齐，也可只在拱部喷射，此时开挖正面无需喷射。金属网与①同，特殊情况要采用可缩性支撑或轻型格栅钢支撑。二次衬砌厚度约30～40cm，包括喷层在内约40cm就可以了。③有地压作用的破碎岩体：锚杆长3.0～4.0m，有时用6.0m的全面胶结式，n=10根/m左右，这种围岩视单轴抗压强度与埋深压力的比值，预计有塑性区发生时，从控制它的发展看，锚杆必须用喷混凝土等加强。喷层厚约15～20cm(拱部和侧壁)，视岩体破碎情况正面也要喷3cm左右。开挖进度要注意，必要时控制在1m以下。二次衬砌厚度，包括喷层在内为40～50cm，尽可能薄些。④强烈挤压性岩体或有强大地压的岩体：在这种围岩中施工是很困难的，要分台阶施工，限制分部的面积。锚杆长4.0～6.0m，n=15根/m左右。喷层厚20～25cm，正面喷3～5cm。必须采用可缩性支撑，间距约75cm左右。二次衬砌厚度，按总厚度50cm决定。在30天以内断面要闭合，即要修好仰拱。(3)在施工中应尽量少损害围岩，使其尽量保持原有岩体的强度，因此，应采用控制爆破技术。(4)预计有大变形和松弛的情况下，开挖面要全面防护(包括正面)，使之有充分的约束效应，在分台阶开挖时，上半断面进深不宜过长，以免影响整个断面的闭合时间。(5)二次衬砌通常是模筑的，在修二次衬砌之前要设防水层，形成具有防水性能的组合衬砌。应使衬砌成为薄壳，这样可减少弯矩而使弯曲破坏的发生为最小。因此，一次衬砌和二次衬砌都要薄些。(6)允许甚至希望岩石出现一定的变形，以减少为完成支护作用所需的防护措施，这些防护措施包括衬砌，必要时加上抑拱以及附在或深入到不稳定岩层内部的锚固系统，或其他结构构件。允许变形，在有钢支撑的情况下是由支撑的可缩量实现的，这个值可采取15～35mm不等，要视地质情况而定。(7)与此方法不可分割，且属于此法的基本特征是一个详细周密的量测计划。它系统地控制变形与应力，确定所建立的支护阻力是否和围岩类型相适应以及还需要什么样的加强措施等。这些量测包括位移、接触应力、松弛范围等。根据现场量测结果不可避免地需要作些修正，经过这样修正以后，就可制定最经济的解决方案。Rabcewicz认为这种确定支护尺寸的方法是不可缺少的，它可能为解析方法所补充，但决不会被解析方法所代替。(8)支护结构的施工顺序与正确地掌握岩体的时间效应很有关系。因此，施工要严格按着预定的施工程序施工。在施工中要不断地改变开挖循环、衬砌时间、仰拱闭合时间、上半断面开挖长度等，以使岩体与支护结构成为一个体系来保证坑道的稳定。由上述可知，支护结构的“经验设计”不仅仅是决定支护结构的参数，还包括施工过程以及施工量测的设计。这是现代隧道支护结构设计的关键，必须予以高度重视。四、监控设计方法 由于地下结构的受力特点极其复杂，自50年代以来，国际上就开始通过对铁路隧道的量测来监视围岩和支护结构的状态，并应用现场监测结果修改设计、指导施工。近年来，现场量测又与工程地质、力学分析紧密结合，正在逐渐形成一整套监控设计(或称信息设计)的原理与方法。它的特点是能较好地反映隧道开挖后围岩的实际受力和变形状态,使得设计和施工与围岩的实际动态相匹配。尽管这一方法目前还不完善，但无疑是今后隧道工程设计的发展方向。随着岩体力学和测试技术的发展以及电子计算机的广泛应用，将会进一步促进隧道监控设计方法的完善。监控设计原理是通过现场监测获得围岩力学动态和支护结构工作状态的信息(数据)再通过必要的力学分析，以修改和确定支护结构系统的设计和施工对策。监控设计通常包括两个阶段：施工前预设计阶段和修正设计阶段。施工前预设计是在认真研究勘测资料和地质调查成果的基础上，应用工程类比法进行；修正设计则是根据现场监控量测所得到的信息，进行理论解析与数值分析，对围岩与支护结构稳定性作出综合判断，得出最终合理的设计参数与施工对策。监控设计的主要环节包括：现场监测、数据处理、信息反馈三个方面。现场监测包括：制定监测方案、确定测试内容、选择测试手段、实施监测计划。数据处理包括：原始数据的整理、明确数据处理的目的、选择处理方法、提出处理结果。信息反馈包括：反馈方法(理论反馈与经验反馈)和反馈的作用(修改设计与指导施工)。第六章隧道施工方法§6.1概述一、隧道工程施工的特点概括地说，隧道施工具有以下特性：(一)隐蔽性大(二)作业的循环性强(三)作业空间有限(四)作业的综合性(五)施工是动态的(六)作业环境恶劣(七)作业的风险性大(八)气候影响小各种施工技术必须考虑这些特性，才能够发挥其作用。二、隧道施工方法及其选择根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展，隧道施工方法可按以下方式分类：矿山法因最早应用于矿石开采而得名，它包括上面已经提到的传统方法和新奥法。由于在这种方法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。有时候为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。掘进机法包括隧道掘进机(TunnelBoringMachine，简写为T.B.M.)法和盾构掘进机法。前者应用于岩石地层，后者则主要应用于土质围岩，尤其适用于软土、流砂、淤泥等特殊地层。沉管法、明挖法等则是用来修建水底隧道、地下铁道、城市市政隧道等，以及埋深很浅的山岭隧道。在隧道施工中最重要的是选择合理的施工方法。选择施工方法时需考虑的基本因素大体上可归纳为： (一)施工条件(二)围岩条件(三)隧道断面积(四)埋深(五)工期(六)环境条件从目前的工程实际出发，在今后很长一段时期内，矿山法仍然是修建山岭隧道的主流方法，是其他方法不可能代替的。隧道施工过程和方法是多种多样的，目前在我们经常采用的矿山法中大致有全断面法、台阶法和分部开挖法三大类。在当前的施工实践中，采用最多的方法是台阶法，其次是全断面法。在大断面隧道中，单侧壁导坑(中隔壁法)和双侧壁导坑(眼镜法)采用较多。由于施工机械的开发和辅助工法的采用，施工方法有向更多地采用全断面法，特别是全断面法与超短台阶法结合的发展趋势。也就是说，施工方法有向全地质型方法转变的趋势。因此，目前选择施工方法，并不完全决定于地质条件。地质条件仅仅是选择施工方法的一个因素，而更应强调的是：施工方法必须符合快速、安全、质量及环境的要求。其中环境因素有时成为选择施工方法的决定性因素。§6.2新奥法一、隧道施工应遵循的基本原则1963年，由奥地利学者L·腊布兹维奇教授命名为“新奥地利隧道施工法(NewAustriaTunnellingMethod)”，简称“新奥法(NATM)”正式出台。它是以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。同时又是一系列指导隧道设计和施工的原则。归纳起来，施工中不管采用哪种方法，都必须遵循的基本技术原则是：(一)因为围岩是隧道的主要承载单元，所以要在施工中充分保护和爱护围岩。(二)为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有可控制的变形。(三)变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的。(四)在施工中，必须进行实地量测监控，及时提出可靠的、足够数量的量测信息，以指导施工和设计。这是“新奥法”的重要组成部分。(五)在选择支护手段时，一般应选择能大面积的、牢固的与围岩紧密接触的、能及时施设和应变能力强的支护手段。(六)要特别注意，隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程。(七)在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的。。(八)在隧道施工过程中，必须建立设计—施工检验—地质预测—量测反馈—修正设计的一体化的施工管理系统，以不断地提高和完善隧道施工技术。上述隧道施工的基本原则可扼要地概括为：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。在实际施工过程中，这些原则也不是一成不变的，应该结合实际情况进行完善和提高。二、新奥法的分类及施工工序新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，基本上又可分为以下几种：1全断面开挖法。2台阶法，其中包括：(1)长台阶法；(2)短台阶法；(3)超短台阶法。3分部开挖法，其中包括：(1)台阶分部开挖法(环形开挖留核心土法)；(2)中隔壁法(单侧壁导坑法、CD法)；(3)双侧壁导坑法(眼镜法)等。新奥法的施工工序可用以下框图(图6-1)表示： 图6-1新奥法施工程序三、开挖方法图6-2全断面开挖法1-全断面开挖法;2-锚喷支护;3-模筑混凝土衬砌按开挖隧道的横断面分部情形来分，开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法，分部开挖法。(一)全断面开挖法1全断面法施工的顺序是：(1)施工准备完成后，用钻孔台车钻眼，然后装药，联接起爆网路；(2)退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面；(3)进行通风、撒水，排烟、降尘；(4)排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土；(5)用装碴机将石碴装入矿车或运输机，运出洞外；(6)安设边墙锚杆和喷混凝土；(7)必要时可喷拱部第二层混凝土和隧道底部混凝土；(8)开始下一轮循环；(9)在初次支护变形稳定后，或按施工组织中规定日期灌注内层衬砌。根据围岩稳定程度及施工设计亦可以不设锚杆或设短锚杆。也可先出碴，然后再施作初次支护，但一般仍先进行拱部初次支护，以防止局部应力集中而造成的围岩松动剥落。2适用条件：全断面法适用于岩层覆盖条件简单、岩质较均匀的硬岩中。必须具备大型施工机械。隧道长度或施工区段长度不宜太短。否则采用大型机械化施工的经济性差。根据经验，这个长度不应小于1km。(二)台阶开挖法台阶开挖法一般是将设计断面分上半断面和下半断面两次开挖成型。台阶法包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种，其划分是根据台阶长度来决定如图6-3所示。至于施工中究竟应采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定：(1)初次支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短；(2)上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备施工场地大小的要求。在软弱围岩中应以前一条件为主，兼顾后者，确保施工安全。在围岩条件较好时，主要考虑是如何更好地发挥机械效率．保证施工的经济性，故只要考虑后一条件。现将各种台阶法叙述如下：图6-3台阶法施工形式1长台阶法：上、下断面相距较远，一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。 (1)长台阶法的作业顺序为：上半断面开挖：①　用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破，地层较软时亦可用挖掘机开挖。②　安设锚杆和钢筋网，必要时加设钢支撑、喷射混凝土。③　用推铲机将石碴推运到台阶下，再由装载机装入车内运至洞外。④　根据支护结构形成闭合断面的时间要求，必要时在开挖上半断面后，可建筑临时底拱，形成上半断面的临时闭合结构，然后在开挖下半断时再将临时底拱挖掉。但从经济观点来看，最好不这样做，而改用短台阶法。下半断面开挖：①　用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破。装碴直接运至洞外。②　安设边墙锚杆(必要时)和喷混凝土。③　用反铲挖掘机开挖水沟。喷底部混凝土。(2)优缺点及适用条件：有足够的工作空间和相当的施工速度，上部开挖支护后，下部作业就较为安全，但上下部作业有一定的干扰。相对于全断面法来说，长台阶法一次开挖的断面和高度都比较小，只需配备中型钻孔台车即可施工，而且，对维持开挖面的稳定也十分有利。所以，它的适用范围较全断面法广泛，凡是在全断面法中开挖面不能自稳，但围岩坚硬不要用底拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法。2短台阶法：台阶长度小于5倍但大于1～1.5倍洞跨。上下断面采用平行作业。短台阶法的作业顺序和长台阶相同。优缺点及适用条件：由于短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初次支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，所以适用范围很广，Ⅰ～Ⅴ级围岩都能采用，尤其运用于Ⅳ、Ⅴ级围岩，是新奥法施工中经常采用的方法。缺点是上台阶出碴时对下半断面施工的干扰较大，不能全部平行作业。为解决这种干扰可采用长皮带机运输上台阶的石碴；或设置由上半断面过渡到下半断面的坡道。将上台阶的石碴直接装车运出。过渡坡道的位置可设在中间，也可交替地设在两侧。过渡坡道法通用于断面较大的双线隧道中。3超短台阶法：台阶仅超前3～5m，只能采用交替作业。(2)优缺点及适用条件：由于超短台阶法初次支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形。在城市隧道施工中，能更有效的控制地表沉陷。所以，超短台阶法适用于膨胀性围岩和土质围岩，要求及早闭合断面的场合。当然，也适用于机械化程度不高的各类围岩地段。缺点是上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰较大生产效率较低，施工速度较慢。在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可对开挖面进行预加固或预支护。(三)分部开挖法分部开挖法是将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某部超前开挖，故也可称为导坑超前开挖法。分部开挖法可分为三种变化方案：台阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法，见图6-6。1台阶分部开挖法。又称环形开挖留核心土法。(1)开挖面分部形式：一般将断面分成为环形拱部（图6-6(a)中的1、2、3）、上部核心土4、下部台阶5等三部分。(2)施工作业顺序为：①用人工或单臂进机开挖环形拱部。或根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖。②安设拱部锚杆、钢筋网或钢支撑、喷混凝土。③在拱部初次支护保护下，用挖掘机或单臂掘进机开挖核心土和下台阶，随时接长钢支撑和喷混凝土、封底。 ④根据初次支护变形情况或施工安排建造内层衬砌。由于拱形开挖高度较小，或地层松软锚杆不易成型，所以施工中不设或少设锚杆。环形开挖进尺为0.5～1.0m，不宜过长。上部核心土和下台阶的距离，一般双线隧道为1倍洞跨，单线隧道为2倍洞跨。(3)优缺点及适用条件：在台阶分部开挖法中，因为上部留有核心土支挡着开挖面，而且能迅速及时地建造拱部初次支护，所以开挖工作面稳定性好。和台阶法一样，核心土和下部开挖都是在拱部初次支护保护下进行的，施工安全性好。这种方法适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩中。与超短台阶法相比，台阶长度可以加长，减少上下台阶施工干扰；而与下述的侧壁导坑法相比，施工机械化程度较高，施工速度可加快。虽然核心土增强了开挖面的稳定，但开挖中围岩要经受多次扰动，而且断面分块多，支护结构形成全断面封闭的时间长，这些都有可能使围岩变形增大。因此，它常要结合辅助施工措施对开挖工作面及其前方岩体进行预支护或预加固。图6-6台阶开挖形式2单侧壁导坑法。(1)开挖面分部形式：一般将断面分成三块：侧壁导坑1、上台阶2、下台阶3，见图6-6(b)。侧壁导坑尺寸应本着充分利用台阶的支撑作用，并考虑机械设备和施工条件而定。一般侧壁导坑宽度不宜超过0.5倍洞宽，高度以到起拱线为宜，这样，导坑可分二次开挖和支护，不需要架设工作平台，人工架立钢支撑也较方便。导坑与台阶的距离没有硬性规定，但一般应以导坑施工和台阶施工不发生干扰为原则，所以在短隧道中可先挖通导坑，而后再开挖台阶。上、下台阶的距离则视围岩情况参照短台阶法或超短台阶法拟定。(2)施工作业顺序为；①开挖侧壁导坑，并进行初次支护(锚杆加钢筋网、或锚杆加钢支撑、或钢支撑，喷射混凝土)，应尽快使导坑的初次支护闭合；②开挖上台阶，进行拱部初次支护，使其一侧支承在导坑的初次支护上，另一侧支撑在下台阶上；③开挖下台阶，进行另一例边墙的初次支护，并尽快建造底部初次支护，使全断面闭合；④拆除导坑临空部分的初次支护；⑤建造内层衬砌。(3)优缺点及适用条件：单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块，每步开挖的宽度较小，而且封闭型的导坑初次支护承载能力大，所以，单侧壁导坑法适用于断面跨度大，地表沉陷难于控制的软弱松散围岩中。3双侧壁导坑法，又称眼镜工法。(1)开挖面分部形式：一般将断面分成四块：左、右侧壁导坑1、上部核心土2、下台阶(3)，见图6-6(c)。导坑尺寸拟定的原则同前，但宽度不宜超过断面最大跨度的1/3。左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。(2)施工作业顺序为；①开挖一侧导坑，并及时地将其初次支护闭合。②相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并建造初次支护。③开挖上部核心土，建造拱部初次支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初次支护上。④开挖下台阶，建造底部的初次支护，使初次支护全断面闭合。⑤拆除导坑临空部分的初次支护。⑥建造内层衬砌。 (3)优缺点及适用条件：当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1/2。双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初次支护全断面闭合的时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发展。双侧壁导坑法施工安全，但速度较慢，成本较高。第七章隧道施工组织设计与施工管理第一节隧道的施工组织设计隧道施工组织设计是组织施工的基本文件。它是根据施工文件要求、隧道工程特点、围岩条件、工期要求、周围环境、施工技术装备和施工力量等技术和经济因素等，在确保安全、经济的前提下，编制隧道施工组织设计，确定合理的施工方法、对施工工艺、机械配备、监控量测、工序安排、劳动组织、材料供应、工程投资、场地布置等，作出合理的计划，并提出组织措施和充分预计可能出现问题的对策等，确保隧道施工有条不紊地顺利进行。一、隧道各阶段施工组织设计的内容设计阶段编制的施工组织设计，称为隧道施工指导性组织设计；隧道施工前准备阶段、隧道施工阶段和竣工验收阶段编制的施工组织设计，称为隧道工程的实施性施工组织设计。（一）隧道工程的指导性施工组织设计对地质复杂、施工条件困难和控制总工期的重点工程，应由设计单位在隧道工程设计阶段编制指导性施工组织设计，并编入相应的设计文件。它是规定整个工程项目的总规划和总决策，制定隧道施工的轮廓计划，初步拟定施工方法、施工程序及施工时间，部署隧道施工各个环节和彼此之间的协调关系，并为编制隧道工程设计概算提供依据。隧道指导性施工组织设计文件组成与内容应包括：1．施工组织设计说明书，主要内容如下：（1）设计依据； （2）工程概况；（3）当地自然条件；（4）施工条件（含材料供应）；（5）辅助工程；（6）过渡工程；（7）施工期限安排及其依据；（8）施工准备工作；（9）施工方法及工序安排；（10）不良地质和特殊地质地段施工的原则；（11）施工通风、防尘、排水及动力照明的布置和必要措施；（12）采用新技术、新工艺、新材料和新方法（13）劳动力安排意见；（14）其它有关事项。2．主要工程数量表3．主要机具设备表4．隧道进出口及斜井、竖井、横洞、平行导坑洞口施工场地布置图。5．隧道各口施工通风设计图6．隧道各口施工通风风道及机械安装设计图7．施工排水设计图8．施工动力及照明线路布置图9．隧道防尘及其它必要措施设计图10．指导性施工组织设计图（含劳动力动态图）11．过渡工程设计图12．其它必要的布置图或设计图（二）隧道工程的实施性施工组织设计实施性施工组织设计是由施工单位根据指导性施工组织设计和工地具体情况，对隧道施工中各项分部工程，各工序及施工队或班组的人力、机具等配备情况，分期、分部位、分项目编制的更为具体详细的计划安排，实行施工组织动态管理，其目标是为了达到安全、经济、保质、保量、按期或争取提前圆满地完成施工任务。实施性施工组织设计的主要内容有：1．工程概况：包括隧道名称、起迄里程；中线平面位置及纵向坡度情况；隧道所处围岩的工程地质和水文地质情况、所处地区的气候条件、地形地貌；当地可供利用的运输道路、电力、水源和当地建筑材料等情况；本隧道与洞外其它工程的关系及工期等。2．施工准备工作的安排：提出复测或控制测量的要求及其完成期限；计算洞口工程和临时工程（如临时便道、给水、供电、通讯、施工房屋等）的工程数量，合理安排施工顺序和施工期限；合理布置为隧道施工服务的整套附属生产设施，如当地砂石料的开采场地、木工场、机修房、变电站、空压机站、水泵站等；各种机械的安装、配套及试运转；材料库的建立及部分材料的储运工作等。3．工程数量：计算包括洞内外的各种工程数量并列表汇总。4．材料数量：包括主要材料及辅助材料并将供应计划列表汇总。5．机械（具）配备：将各种施工机械（具）的配备数量及其耗油量（列入材料表中）列表汇总6．劳力及工班组织：将劳动计划、各工序需要的工天数列表汇总；工班组织也即各工序具体劳力分工安排情况。7．提供各种施工设计：包括开挖、支护设计；钻爆设计；运输计划设计；施工监测计划；施工通风设计；作业循环图；高压风、水、电设计等。8．洞口平面布置图 9．施工组织进度图：隧道各工序施工进度及劳动力动态用坐标图形式表示，并附上主要材料、机械表等。10．质量及安全措施：特别要对新技术的工艺提出质量要求，对各工序要提出相应的安全措施。二、隧道实施性施工组织设计编制依据原则及程序（一）编制依据1．隧道的各种设计文件、标准图、工程数量2．工期要求、劳力、材料、机械（具）、运输等条件。3．现场调查资料、预先选定的施工方案。隧道施工方案一般包括辅助坑道方案、开挖方案、支撑与预加固方案、支护与衬砌方案、风水电作业方案、场地布置方案、运输方案、施工进度和劳材计划及机具设备计划等。4．各种定额指标，包括劳动定额、材料定额和机械定额。根据定额可计算出全部工程所需的劳动工天、材料总消耗量、机械总台班数。它是编制施工计划、经济核算的依据。5．各种质量、安全规划及管理制度。包括主要技术组织措施；采用推广新技术；提高劳动生产力，节约人力、物力，降低工程成本；检查和提高工程质量的制度；施工安全措施；开展劳动竞赛及施工奖惩制度等。（二）编制原则根据隧道工程的技术与经济特点，在编制时应贯彻以下原则：1．严格遵守签订的工程施工承包合同或上级下达的施工期限，保证按期或提前完成隧道施工任务，交付使用通车运营。2．遵守隧道施工技术规范和操作规程，确保隧道工程质量及施工安全。3．采用新技术、新工艺、新方法，不断提高机械化施工及预制装配化施工进度，降低成本和提高劳动生产率，减轻劳动强度，统筹安排施工及尽量做到均衡生产。4．开源节支，精打细算，充分利用现有设施，尽量减少临时工程，降低工程造价，提高投资经济效益。5．认真贯彻就地取材的原则，尽量利用当地资源。6．合理组织冬、雨季施工和隧道工程建筑材料运输、贮备工作，增加全年施工工作日，力求降低冬、雨季施工的附加费用。7．节约隧道施工用地，少占或不占农田，注意水土保持和重视环境保护。8．统筹布置隧道施工场地，要确保施工安全，要方便职工、民工的生产和生活。 编制隧道施工组织设计的程序如下图：三、隧道施工前的准备工作（一）技术准备1．审核设计文件。熟悉设计文件，并核对平纵剖面、地质资料等是否和现场条件相符，洞口位置、辅助坑道位置、排水系统以及洞口工程与其它工程安排等是否合理。2．控制桩的复核和复测。对洞口投点及水准点要做好交接工作，仔细复核和复测，当桩少不便施工时应进行补设。3．施工调查。为给施工组织设计提供依据，要进行施工调查，主要内容有：地质的现场核实；砂、石料来源及场地布置；二、三类料来源；劳力、电力、交通运输以及房屋拆迁、生活供应、水源等。调查完毕写出详细报告。4．确定施工方案。在熟悉设计文件和现场调查的基础上，本着能适应地质变化，与本单位人力、物力、技术相适应的原则，在安全、按质、按时完工的前提下，选择隧道的施工方案。选择隧道施工方案的基本要求是：优质、高速、安全、经济、均衡生产和文明施工等。5．培训专业人员。对技术工人及基层管理人员如爆破工、喷射工、电工、安全员、质量检查员等，要进行专门培训后方能上岗。特别是采用新技术施工前一定要进行施工前的技术培训。6．编制实施性施工组织设计。（二）物资准备对隧道施工中的各种材料、机械（具）需要量及其供应计划、来源、采购、运输等都要做到件件落实。特别要保证五大材（木材、钢材、水泥、油料、炸药）的需求。对大型机械一定要做好其运进、试运转等工作，并要做好对旧机械的维修、保养工作。（三）施工场地布置 根据洞口地形，做好材料堆放、临时房舍位置、运输线路、弃碴场地、专用机械及搅拌站场地等的规划。在施工场地布置时应注意以下几点：1．洞口相邻工程（桥、涵）应优先安排，以减少对正洞施工的干扰，并开辟场地；2．弃碴场要少占良田，并要避免弃碴危及已建墩台的安全。3．机棚、料库等临时房屋位置要考虑材料加工的连续性和作业之间的相互关系；4．砂、石、水泥场地要考虑便于装运，设计时应采用高站台、低货位；5．生活区离工地要远近适当，且要尽量集中，要靠近水源并注意防洪。四、隧道施工场地布置隧道施工场地布置应根据洞口地形特点，结合隧道工程规模大小、洞口地形特点、弃碴场地位置、水源情况及工期要求，结合劳动力安排，机械设备、材料用量、施工方法等因素，进行全面规划、统筹安排、合理布置，要为安全生产、快速施工创造有利条件。（一）弃碴场1．弃碴场宜设在空地的低洼处，并尽量少占用农田。碴堆不得流失、坍滑而影响下游工农业设施及相邻建筑物。弃碴场的用地可按松散系数1.3计算规划。2．如无弃碴场地而弃于河道中，应满足水流畅通和通航要求；并应检查各种水位时弃碴是否会形成挑水影响本岸和彼岸坡面稳定。3．运距不远时可考虑弃碴做洞外路基填方和桥头路堤填土，考虑弃碴做施工场地的填筑及填补沟壑造田。4．注意环境保护。（二）材料库大宗材料（如砂、石料、水泥、木材、钢材等）的存放地点（砂、石料堆放场地，水泥仓库，木材仓库，钢材仓库）及木材、钢材加工场地的布置，应考虑材料运进工地方便，易于卸车，靠近使用地点，注意防洪防潮或防火的要求，并应便于加工搬运和施工使用等。（三）隧道施工生产房屋和生产设施布置1．通风机房和空压机房应靠近洞口，尽量缩短管道长度，以减少管道中能量损失，尤其要尽量避免出现过多的角度弯折。2．搅拌机应尽量靠近洞口，靠近砂、石料，便于装车运输。3．炸药和雷管要分别存放。其库房要选择离工地300～400m以外的隐蔽地点，并安装避雷装置4．隧道施工机械场所的位置，要求便道可直达，并用电用水方便。5．隧道工地的临时道路：工地的主干道宜呈环状布置，次要道路可布置成枝状，应有回车的调头场地。路面宽度双车道6m、单车道3.5m。6．行政管理和生活福利设施，应方便生产及方便工人生活。工地项目部办公室可位于工地出入口附近，便于有效指挥隧道施工和管理。（四）隧道工地生活房屋的布置生活用房要与洞口保持一定距离，以保证工人和工作人员有一个较安静的休息环境，但又不宜过远及工人上下班行走方便。整个生活区要适当集中，以便学习和管理。要考虑职工室外文体活动场地的布置，要注意防洪防水，做好环境保护和卫生的要求。（五）所有库房及生活用房的布置，均应充分考虑安全因素，如应避开坡面坍滑、危岩落石及泥石流等的危害；还应考虑防潮、防水、防洪（特别是水泥、炸药库）。总而言之，隧道施工场地布置要尽量做到“占山不占地、占地不占田、修路又造田”。施工单位通过对隧道施工现场的详细踏勘，对投标文件认真分析，充分考虑各种因素，本着合理、实用、经济的原则，进行隧道施工设施及场地平面布置。 五、施工进度计划隧道施工进度计划，反映工程从施工准备工作开始直到工程竣工为止的全部施工过程，并反映隧道工程各方面之间的配合关系，反映工程各分部及工序之间的衔接关系。隧道施工进度计划有助于指挥部门抓住关键，统筹全局，合理布置人力、物力，正确指导施工生产的顺利进行；有助于工人群众明确施工目标，更好地发挥主动精神；有利于施工企业内部及时配合和协同作战；有利于加快施工进度。隧道施工进度计划是按照流水作业原理编制的隧道施工组织必须研究隧道施工过程。隧道施工过程一般可分为施工准备过程、基本施工过程、辅助施工过程和服务施工过程。隧道施工过程的组织，主要是解决“施工空间组织”和“施工时间组织”两方面的问题。隧道施工过程的空间组织：主要解决施工单位的机构组织和人员配备问题，以及具体工程项目的各种生产、生活、运输、行政管理及临时设施的空间分布问题。隧道施工过程的时间组织：主要解决工程项目的施工作业方式和施工作业工序的安排及衔接问题（一）隧道施工作业方式隧道施工作业方式有：1．顺序作业按工艺流程和施工程序安排作业，即按先后顺序进行组织施工操作。例如隧道坑道开挖这一分项工程的施工程序是：放样、钻眼、装药、引爆、通风除尘、寻帮找顶、装碴、出碴等。2．平行作业线型隧道工程施工作业面特点是很长，因此，根据隧道各分项工程和施工技术的需要，分为几段或几个施工点，同时按程序施工。这种平行作业施工方式可缩短工期，但隧道施工仅有两个工作面，对于长大隧道，坑道长，施工条件恶劣。为了加快掘进，需设置辅助坑道，如横洞、斜井、竖井、平行导坑等，可以增加坑道开挖施工工作面和采用平行作业方式组织生产，加快施工速度及改善施工条件等。3．流水作业这种作业方式是将隧道工程划分为若干个施工段或工区，某一工种的工人队（组）先在第一施工段完成第一道工序，再转移到第二施工段完成同一道工序，同样，另一工种的工人队（组）紧跟其后依次序在各施工段完成下一道工序，如此类推，象流水一样前进，直到完成全部施工任务为止。流水作业是以施工专业化为基础，优点是前一工序可迅速为后一工序让出工作面，从而加快了工程进度；各队（组）在各施工段上连续均衡施工，可合理地使用劳力、材料和机具（如模板和支撑等材料能在各施工段周转使用）；各工种的工人队（组）连续进行同一种工作，可提高熟练程度，有利于保证工程质量和提高劳动生产效率。流水作业是顺序作业和平行作业相结合的一种施工方法，它保留了平行作业和顺序作业施工的优点，消除了它们的缺点。在工序相同的多个施工段的隧道线型工程施工组织中，其优越性是显而易见的，故较多采用。（二）隧道施工进度图隧道施工进度计划一般采用隧道施工进度图来表示。隧道施工进度图有横道图、垂直图和网络图三种形式。1．横道图 横道图一般由两大部分组成：左面部分是以分项工程为主要内容的表格，包括相应的工程量、定额和劳动量等计量依据；右面部分是指示图表，它是由左面表格中的有关数据经计算等得到的。指示图表用横向线条形象地表示分部各项工程的施工进度，横线的长度表示隧道施工期限；横线的位置表示隧道施工过程，横线上的数字表示劳力数量；横线不同的符号表示作业队（组）或施工段；横线长度表示隧道各施工阶段的工期和总工期，并综合反映各分部分项工程相互间的关系。可采用此图进行资源综合平衡调整。横道图表示方法，适用于绘制集中性的工程进度图、材料供应计划图，或作为辅助性的图示，附在说明书中向隧道施工单位下达任务。2．垂直图垂直图是用坐标图的形式绘制。以横坐标表示隧道长度（以百米标表示里程），以纵坐标表示施工年月（日）。用各种不同的线型代表各项不同的工序。每一条斜线都反映某一工序的计划进度情况：开工计划日期和完工计划日期，某一具体日期进行到那一里程位置上以及计划的施工速度（月进度）。各斜线的水平方向间隔表示各工序的距离，其竖直方向间隔表示各工序的拉开时间。各工序均衡推进表示在进度图上为各斜线之相互平行。垂直图可用于隧道工程进度分析和控制，工程分析情况和施工日期一目了然。 3．网络图下图是隧道施工一个作业循环的网络图表示形式。从图中可看出，在每一循环中，各项工作的平行作业，且图中工程主次清晰，可一目了然地找出交接准备到放炮与通风除尘的关键线路，便于保证主要关键线路的人力和物力供应。同时，对次要线路上的工作也能掌握，避免导致因未完成而影响关键线路上的作业进程。整个循环作业过程有条不紊，完成各作业项目的工期准备，以保证整个循环作业顺利进行。采用网络图形式进行隧道施工工序分析，网络图既能反映施工进度，又有反映各工序和各施工项目相互关联相互制约的生产和协作关系。可采用网络图表示隧道施工中集中性工程或线型工程的进度，还可以通过计算机对施工计划进行优化。它是一种较先进的工程进度图的表示形式。 （三）隧道施工进度计划编制步骤1．将隧道工程分部项目的施工划分工序；2．计算各工序的工程量；3．计算各工序的劳动量和机械台班量；4．计算各工序的生产周期；5．安排各工序的施工进度；6．检查和调整施工进度计划；7．隧道施工资源需求量计划及其它图表；8．特殊地段的施工进度图绘制。第二节隧道施工管理一、隧道施工计划管理隧道施工计划管理是根据合同要求，通过计划把隧道施工组织设计的内容具体化，使施工全过程做到综合平衡、衔接配套，以保证施工目标的全面实现。计划管理是隧道施工管理工作的中心环节。施工计划管理目标是实现合同要求，获得最好的经济效益和社会效益。隧道施工计划管理程序，包括：隧道施工计划编制、实施、检查和调整四个不断循环的环节。1．隧道施工计划编制依据和原则（1）隧道施工计划编制依据根据隧道工程承包合同的工程项目、工程量、工期要求，并以施工图、施工预算、合同价格和其它各项指标作为依据，结合施工单位的劳力、技术水平、材料设备、运输等施工条件，编制隧道施工计划。（2）隧道施工计划编制原则①应遵循根据地质条件，结合实践经验决定隧道施工进度的原则；②要遵循综合平衡、全面安排的原则；③要贯彻积极可靠、留有余地的原则；④要坚持按施工方案和施工程序合理组织施工，保证重点照顾一般；⑤要坚持保证施工安全和工程质量的原则。2．隧道施工计划种类和内容隧道施工计划内容，包括：总工程数量、劳力总工日、施工总进度和年度安排、隧道工程总造价和年度工程费、主要材料、机械和车辆申请计划等。 （1）隧道施工年度计划计划年度要求完成的工程项目和工程量、施工进度安排、部署劳力、提出财务、材料、机械、运输等后勤保障计划。（2）隧道施工季度计划在年度计划内，具体规定各季度的各项指标和具体的施工计划。（3）月（旬）或日隧道施工计划根据季度施工计划，安排月（旬）或日计划完成的施工进度、工程量、劳力、材料使用等具体项目。3．隧道施工计划编制方法隧道施工计划是施工组织设计的重要组成部分，而隧道施工进度计划是施工计划的核心，因此，编制隧道施工计划应先做好进度计划。隧道施工计划的编制方法步骤如下：①计算工作量和劳动工日及所需机械台班；②按施工顺序调整工程项目、工程数量；③确定施工顺序、施工方法和作业组织等；④编制隧道施工进度计划和劳力平衡计划；⑤编制材料、机械、运输、财务等计划。二、隧道施工技术管理（一）隧道施工技术管理工作任务及内容1．隧道施工技术管理工作任务为确保工程优质，不仅要有良好的施工计划管理，还要采取相应的技术组织保证措施。只有在隧道工程计划管理与技术管理同时上水平，才能把工程质量创优目标落到实处。（1）隧道施工技术管理工作保证措施①制定科学的隧道施工方案和详细的施工工艺；②加强隧道施工技术措施，推广使用新技术；③选用先进设备，提高隧道施工装备技术水平；④重点工序施工前必须制订质量保证目标及技术保证措施；⑤加强职工上岗技能培训，特殊岗位持证上岗；⑥坚持换手复核制度，确保技术指令及监控量测成果准确无误。（2）隧道工程技术管理主要任务①科学地组织各项施工技术工作；②建立规范的施工技术秩序；③充分发挥技术力量和装备的作用；④提高机械化施工水平；⑤保证隧道工程质量，提高劳动生产率；⑥降低工程成本，保质保量按期完成隧道施工任务。2．隧道施工技术管理主要内容（1）编制隧道阶段性施工组织设计；（2）制定隧道施工技术措施和操作规程；（3）图纸会审、技术交底、变更设计、技术培训、质量检查、材料试验、技术革新和总结；（4）保管隧道工程资料，建立技术责任制；（5）保证工程质量，改进施工技术和操作方法及施工工艺，这是技术管理的中心内容。 实现上述各项施工技术管理工作，关键是建立并严格执行隧道施工的各种技术管理工作规章制度：①隧道施工技术责任制；②施工图纸会审制；③施工技术交底制；④隧道施工测量复核制；⑤隧道工程施工试验制；⑥工程质量检测制；⑦隧道施工现场监控量测制；⑧隧道施工日志制；⑨隧道工程技术档案制。3．隧道施工技术管理基础工作（1）制订和贯彻隧道施工技术标准和规程；（2）认真执行国家颁发的技术标准和规程；（3）执行施工单位有关施工方法和操作方法及工程质量要求等规定；（4）制订各种技术管理工作制度；（5）开展隧道施工技术科学研究工作；（6）做好隧道施工技术资料积累和管理工作；重视隧道设计与施工总结工作。（二）隧道施工技术责任制及技术管理1．隧道施工技术责任制建立和健全隧道施工技术责任制是保证技术管理工作正常开展的关键。在隧道工程技术责任制中，应该明确规定各级工程技术人员和施工人员对各项工作所负的职责；应明确分工、层层负责、层层检查和监督到位。2．隧道施工技术管理工作内容（1）隧道施工图纸学习与会审（2）隧道施工技术交底（3）隧道施工技术档案管理制度三、隧道施工质量管理“质量责任重于泰山”和“百年大计，质量第一”等口号，明确强调质量是工程建设永恒的主题。（一）隧道施工全面质量管理全面质量管理是把对隧道工程施工质量的管理，归结为对生产的全企业所有部门及全体人员，在生产过程中工作质量的管理，通过管理好工作质量来保证工程质量。它是以数理统计方法及充分发挥专业技术与人事组织的作用，建立起一整套全面质量管理保证体系。1．全面质量管理特点具有广泛群众性、全面性、预防性和可控制性、服务性、科学性、工作质量与工程质量责任明确性等。2．全面质量管理基本方法对施工全过程进行科学管理的系统及包括质量教育，PDCA（Plan、Do、Check、Action，即计划、实施、检查、处理）制度，技术标准化及QC（QualityControl）小组活动四部分。隧道施工全面质量管理，常用的几种数理统计方法有：（1）主次因素排列图法 对质量不合格的问题进行统计分析，找出发生质量问题的主要原因的一种方法。它的作用是可以找出“关键性因素”对工程质量管理的影响程度。（2）因果关系分析图法分析工程质量问题因果关系，寻找产生质量问题原因的一种方法，以便对症下药采取良方予以解决。（3）直方图法通过概率数分布来分析研究数据的集中程度和波动范围的数学方法。用横坐标表示特性单位，以纵坐标表示频率数，通过分析绘成的直方图的形状来判断统计数据的分布是否正常，即隧道施工过程是否稳定——通过与技术标准和质量标准的比较，判断是否存在异常现象。（4）控制图法（又称管理图或监控图法）控制图应用方法：一般是在施工生产正常情况下，先取样品，经计算求得控制上、下界限数值后，画出管理控制图。并在生产过程中定期取样品，得出数据描在控制图上。如果点子落在控制界限内，则表明施工生产过程正常，如果点子超出控制界限，则表明施工生产过程不正常，应及时采取措施使生产恢复正常。（二）确保隧道工程质量和工期的保证措施1．确保隧道施工工程质量主要措施（1）建立健全质量管理保证体系；（2）提高全员质量意识，按分项分工序实施专项质量意识教育，建立健全质量管理及奖惩的规章制度；（3）公开招投标选择具有丰富隧道施工经验的专业施工队伍；（4）成立隧道施工工地中心试验室，加强对施工过程质量的检验和监控量测，严禁不合格材料进入任何工序，确保各项工序一次成优；（5）狠抓工序质量的自检、互检与专业检查，确保隧道整体工程质量优良。2．确保隧道施工工期要求主要措施（1）调遣精兵强将，强化施工管理。组建精干的工程项目经理部、成立各种专业队，建立各种管理体系。（2）科学组织、精心施工、文明生产。运用统筹法、网络技术、系统工程等新技术编制切实可行的实施性施工组织设计、选择最优施工方案，确保工程按计划完成。（3）广泛应用高效先进成套隧道施工机具及采用先进的施工工艺，合理安排作业层次，投入足够的劳力和技术骨干，提高工效加快进度；（4）成立协调小组抓好协调，减少施工干扰，使工程施工顺利进行；（5）抓住时机，适时掀起施工高潮，开展劳动竞赛，振奋拼搏创优精神，加快施工进度；（6）做好雨季施工和农忙季节的施工安排，减少雨水对施工的影响，做好防汛准备，有备无患；农忙季节前做好材料储备，农忙中安排机械化作业工序，需配劳务工工序尽量避开抢收抢种季节，农忙时内部职工不请假等临时措施。四、隧道施工经济管理隧道工程施工经济管理工作，主要是施工定额和控制工程项目的成本管理两大项内容。（一）隧道工程建设标准定额使用标准定额是指在规定的一定时间内完成工程质量合格的单位工程数量所消耗的劳力、材料和机械台班等数量的标准。定额使用时应注意：（1）在施工中如果施工条件、地质条件变化较大，原定额已不适应时，提出对具体定额的修改意见，报编制定额单位批准后执行； （2）严格按照定额手册中的说明要求办理；（3）应注意定额拟定中的施工条件应与本隧道工程施工条件是否一致或较接近；（4）计算单位要统一，可换算的项目，注意换算方法；（5）学会善于联系工程实际，灵活使用各种定额。（二）隧道工程成本管理工程成本管理是施工企业为降低工程成本而进行各项经济管理的总称。其目的主要是以尽量少的劳动力、机械台班和材料消耗，优质高效地完成施工任务，并获得较好的经济效益。1．隧道工程成本的计划2．隧道施工工程成本责任的控制3．隧道工程成本核算与分析五、隧道施工安全管理建立健全隧道施工各项安全管理制度、规划和规定、措施及基本要求如下：（1）做好隧道施工前安全准备工作；（2）建立健全隧道施工安全管理制度；（3）认真贯彻施工安全规范；（4）制定项目安全制度，提高安全施工意识；（5）加强施工技术安全管理；（6）加强安全教育，制定相应安全措施；（7）隧道施工机械设备的安全措施；（8）防触电及电器设备安全措施；（9）防高空坠落伤人的安全制度；（10）施工现场设立安全标志；（11）洞内作业安全管理；（12）洞内和夜间施工照明；（13）爆破器材安全管理；（14）严格执行安全检查制度；（15）特殊技术工人技术培训；（16）岗前安全教育；（17）实行交接班制度；（18）发现险情，必须设立警示标志；（19）领导干部必须经常深入现场，检查安全工作；（20）实行安全工作与经济挂钩；（21）配备足够防水、火、毒安全器材；（22）隧道施工应重视防火灾；（23）加强隧道的围岩量测监控工作。对隧道施工中的各类事故，均应严格按照“三不放过”的原则处理，即事故原因调查不清楚不放过；事故责任者和施工人员未受到应有的教育不放过；没有制订出今后防范措施不能放过。 第八章隧道养护第一节隧道运营阶段的养护工作隧道结构的寿命指设计时预计结构可安全稳定的工作年限。影响隧道结构寿命长短的因素有：①隧道的结构形式；②使用的建筑材料；③外界因素，比如人为因素、工程地质和水文地质状态隧道养护工作应本着以预防为主，预防与及时整治病害相结合的原则。要经常性的对隧道进行检查，及时发现问题，并采取有效措施整治，做到防治结合，把病害控制在最小的范围内。在隧道结构使用寿命以内，应进行以下隧道养护工作：①运营状态监视；②检查以便及时发现隧道结构出现的病害；③分析引起隧道病害的原因；④采用适当的维修及修复措施；⑤评价隧道结构的安全性及稳定性。隧道病害的类型主要有水害、冻害、衬砌裂损和衬砌侵蚀。隧道病害发生较多的地段，从地质情况看，一般是断层破碎带，风化变质岩地带、裂隙发育的岩体、岩溶地层、软弱围岩地层等；从地形情况看，多发生在斜坡、滑坡构造地带、岩堆崩坍地带等。引起隧道病害的原因有多种，主要可分为两类，即人为因素和自然因素。引起隧道病害的人为因素主要指由于设计和施工不当引起，主要包括以下几个方面：（1）建筑材料：建筑材料强度低、质量差、易老化。（2）设计不当：截面形式不合理，强度偏小，密封及防排水系统不当。（3）施工不当：岩石松动或自承效应丧失，支护结构与岩石接触差，仰拱合拢过晚，开挖及衬砌方法不当等。引起隧道病害的自然因素指隧址处工程地质及水文地质、交通等状态的变化而引起，主要包括以下几个方面：（1）地质状态：作用于岩体上的外力荷载发生改变；岩体自身由于发生应力重分布、松动或出现膨胀应力而改变了岩体原来的受力状态；围岩体积变化改变了原来的围岩作用。（2）内部荷载：交通状态的改变使洞内荷载强度及振动强度的变化。（3）地貌改变：如在隧道临近处开挖土方，进行振动较大的施工作业。（4）地下水影响：隧址处地下水位改变，水量及水质改变，密封层渗水等。第二节隧道档案的建立每座隧道都应建立隧道档案，特别是长大隧道的档案建立更应详细。隧道档案中应收集有该隧道的设计、施工及竣工资料，此外还包括养护与维修过程中的一些纪录资料。第三节隧道水害及整治措施隧道水害是指在隧道的修建或运营过程中遇到水的干扰和危害。水害不仅本身对隧道结构产生危害，降低衬砌结构的可靠性，导致衬砌失稳破坏，而且还会引发其它病害，对隧道整体结构的稳定影响很大。第四节衬砌裂损及整治措施隧道衬砌裂损的类型主要有衬砌变形、衬砌移动、衬砌开裂三种。第五节衬砌侵蚀及整治措施隧道内金属构件的锈蚀、混凝土衬砌的侵蚀破坏，都属于腐蚀病害。隧道内混凝土衬砌的腐蚀按其种类不同，可分为水蚀、烟蚀、冻蚀及骨料溶胀等。第六节冻害及整治措施隧道冻害会导致衬砌冻胀开裂，以至疏松剥落，造成隧道衬砌结构的失稳破坏，降低衬砌结构的安全可靠性，严重影响运输的安全和隧道的正常使用。1．冰柱、冰溜子2．衬砌发生冰楔 3．围岩冻胀破坏