8-隧道地层结构计算

第八章隧道支护地层—结构分析方法（杨林德、朱合华、丁文其）第一节一般规定8.1.1设计模型1、与地层—结构分析方法相应的隧道设计模型是地层—结构模型。

其设计理念，是认为围岩具有自支承能力，支护（含衬砌结构，下同）的作用是加固围岩，并与围岩联合组成共同受力的整体，共同承受荷载的作用。

2、采用地层—结构分析方法进行设计计算时，计算区范围应同时包含支护和围岩地层。

3、采用地层—结构分析方法进行设计计算时，应同时考虑开挖施工步骤的影响。

初步设计阶段可按常规施工方法选定开挖施工步骤，施工图设计阶段应改按施工组织设计制定的技术方案确定。

4、采用地层—结构分析方法设计隧道时，应同时检验围岩的稳定性和支护结构的受力变形状态是否满足强度条件及按使用要求确定的变形量限制条件。

5、采用地层—结构分析方法设计隧道时，内衬结构的工作状态应为弹性受力状态，或经论证认为仍可保持稳定的弹塑性受力状态；初期支护（含开挖阶段增设的喷射混凝土层）和围岩的工作状态可为弹塑性受力状态。

8.1.2地层—结构分析方法的适用地质条件1、地层—结构分析方法的基础理念，是认为围岩具有自支承能力，并可由其与支护结构共同组成承载体系。

因而这类方法适用于在具有一定自支承能力的围岩中建造的隧道支护结构的计算。

2、V级及V级以上的围岩都具有一定的自支承能力，因而都可采用地层—结构分析方法进行设计计算。

3、Ⅲ级及Ⅲ级以上的围岩自支承能力强，对在这些级别的围岩中建造的隧道，经验表明对支护结构根据经验选定设计参数时已可使围岩保持稳定，因而规范规定一般不要求进行计算。

4、IV级、V级围岩中建造的隧道一般采用复合式支护，对其宜采用地层—结构分析方法进行设计计算。

但对在V级围岩中建造的浅埋隧道，围岩承载能力较低时仍宜采用荷载-结构分析方法计算。

5、IV级围岩的自支承能力优于V级围岩，采用地层—结构分析方法进行设计计算时，宜通过控制荷载释放过程，使IV级围岩中隧道内衬结构经受的荷载相对较小，围岩的自支承能力可适度充分发挥。

6、VI级围岩的自支承能力差，宜采用荷载—结构分析方法对支护结构进行设计计算。

8.1.3 计算方法及其适用场合1、地层—结构分析方法的计算方法可分为解析解和数值法二类。

其中解析解只适用于均匀介质中的圆形隧道，且只能计算若干典型工况。

对公路隧道的设计，可供采用的计算方法通常是数值法。

2、地层—结构分析方法的数值法可分为有限单元法（FEM）、特征单元法（DDA）、边界单元法（BEM）和有限差分法（FDM）等。

3、有限单元法因有既可模拟各级围岩的性态特征，又能反映断层、节理等地质构造的影响，并能对开挖施工过程实行动态追踪等显著优点，因而适用于各级围岩（硬岩或软岩）中的公路隧道设计的计算。

同时由于目前已有多种包括前、后处理在内的功能强大的程序软件可供采用，这类方法是目前最常采用的一类算法。

4、特征单元法可较好模拟块体结构的性态，因而适用于围岩地层为块体状结构的硬岩地层中的公路隧道的设计。

然因查明块体结构分布的几何特征及合理确定结构面性状的参数均需开展较多的地质调查工作，公路隧道设计很难满足这一要求，因而这类方法一般仅在规模较大的大跨度地下结构的设计研究中采用。

5、边界单元法用于均匀介质中的弹性、粘弹性问题的计算时才比有限单元法简捷，一般仅适用于围岩介质的性态可用弹性、粘弹性模型近似模拟时的公路隧道的设计计算。

6、有限差分法因将控制方程改造为差分方程而具有少占内存等显著优点，目前已为FLAC等程序吸收，可供各级围岩（硬岩或软岩）中的公路隧道设计计算采用。

8.1.4 地层—结构分析方法的荷载1、采用地层—结构分析方法设计公路隧道时，作用在隧道结构上的荷载可按《公路隧道设计规范》JTG D70-2004表6.1.1分类，并按规范提出的方法计算。

但其中的围岩压力应为释放荷载。

2、采用地层-结构分析方法进行隧道设计计算时，对在隧道结构上可能同时出现的荷载，应按规范规定的原则进行组合，并按最不利组合进行计算和设计。

3、地层-结构分析方法对初期支护和二次衬砌的计算都适用，但在进行具体计算时，对不同阶段的计算应根据实际情况取用不同的荷载组合。

4、释放荷载与初始地应力、围岩材料的性态、开挖施工步骤及结构施做时机等有关。

工程设计中，释放荷载的计算需按当前地应力（不一定是初始地应力）计算。

各类因素的影响，则可由根据开挖施工步骤和支护施做时机等设定相应的荷载释放过程体现。

5、对初期支护的设计计算，级别相对较高的围岩可取用较大的释放荷载分担比，使初期支护和围岩承受较大的荷载，结构产生较小的变形；级别相对较低的围岩，则相反。

6、鉴于围岩材料的变形常随时间而增长，由数层喷射混凝土层和内衬结构联合组成复合式支护时，各层支护结构经受围岩压力作用的程度将有差异。

这类力学现象也可通过控制荷载释放过程模拟，即将与初期支护（含开挖阶段增设的喷射混凝土层）和围岩的受力状态相应的释放荷载分担比（即《公路隧道设计规范》JTG D70-2004条文说明中表9-1的第一列数据），按支护层数(不含内衬结构)合理分配。

第二节 初始地应力与开挖效应8.2.1 初始地应力8.2.1.1 初始地应力的含义与组成1、初始地应力是指天然状态下存在于岩体或土体介质内部的应力。

2、在未经扰动的岩层中开挖隧道时，岩体内部存在的应力即为初始地应力，相应的应力状态可称为初始应力状态。

3、在先期经受过开挖扰动影响的岩层中开挖隧道时，岩体内部存在的应力并不是初始地应力，而是包含先期开挖扰动影响的合应力，但相应的应力状态仍可称为初始应力状态。

4、初始地应力由初始自重应力及构造应力组成，表达式可写为：g t σσσ=+ （8-2-1）式中：σ—初始地应力；g σ—自重应力分量；t σ—构造应力分量。

8.2.1.2 初始地应力的确定方法1、初始地应力的确定方法有水压致裂法、钻孔应力法、位移反分析法和回归分析法等。

前两种方法属于直接测量法，后两种方法属于反分析法。

其中直接测量法通常有需要经费较多、花费时间较长的显著弱点，回归分析法需在工程所在地区的数个点上测得地应力值后才能采用，因而通常都仅适用于水电站工程等的设计研究。

对公路隧道，这些方法一般仅在长度特长，地质条件特复杂的场合才考虑采用。

2、水压致裂法通过测量垂直钻孔的孔壁开始出现张裂缝时的破裂水压力和在水泵停开后使水压裂缝保持张开状态所必须的封井压力，进而得出地应力值。

水压致裂法用于测量深层岩体的地应力时，测得的地应力即为测点的初始地应力。

适用于初始地应力的一个主应力为垂直应力的情况。

3、钻孔应力法通过量测套芯应力解除前后钻孔孔径的变化确定地应力。

钻孔深度超过扰动影响区时测得的地应力即为测点的初始地应力。

适用于测点范围内岩性均匀，且岩芯无大的裂隙通过的情况。

4、位移反分析法1）位移反分析法利用在工程现场测得的，由开挖扰动引起的位移量确定初始地应力，因分析过程（位移→荷载）与常见过程（荷载→位移）相反而得名。

按算法特点可分为正反分析法和逆反分析法两类。

后者由正分析计算的逆解过程确定初始地应力，因对非线性问题的分析难于得到解析式，以及需要针对各类具体情况分别编制专用程序而很少采用；前者则通过正分析计算的优化逆解逼近过程确定初始地应力，因可主要采用常用正算程序计算而显得简便。

目前采用的方法一般都是正反分析法。

2）采用正反分析法确定初始地应力时，可供采用的用于促使优化过程收敛的算法有单纯形法、阻尼最小二乘法、遗传算法、遗传模拟退火算法以及混合遗传算法等，用于约束优化过程的目标函数可统一表示为：∑-==-N 1j 2]1[Min j j u u J （8-2-2）式中：J —目标函数；ju -—位移量实测值； j u —位移量真值；N —位移量测值个数。

3）采用正反分析法确定初始地应力时，需先对初始地应力场的分布规律作假设。

通常认为在工程活动涉及的岩层内，自重应力自上而下呈线性规律分布（地表为零），构造应力可假设为均布应力，或沿深度分段均布的应力，或沿深度呈线性规律分布的应力（地表不一定为零）。

4）采用正反分析法确定初始地应力时，目标未知数宜选为沿计算区域的边界分布的应力。

求得边界应力后，即可由数值分析的正演方法算得计算区域内各点的初始地应力。

5）按计算区域的几何特征，正反分析法可分为二维平面应变问题和三维空间问题的反分析方法两类。

前者采用的目标未知数为沿边界线均布或线性分布的线荷载（应力），后者则为沿边界面均布或线性分布的面荷载（应力）。

6）对计算区域的边界需设定边界条件时，采用的方法宜与数值分析的正演分析法相同。

7）根据上述原则建立的正反分析法可有许多种，8.2.1.3列出的正算逆解逼近法为其中之一，适用于可简化为平面应变问题计算的情况，可供参考。

8）鉴于围岩位移量的量测值与初始地应力及工程岩体的弹性参数值（尤其是弹性模量值或变形模量值）都关系密切，采用位移反分析法确定初始地应力时，应同时确定弹性参数值。

5、回归分析法1）回归分析法类属应力反分析法，特点为利用散布在工程所在区域内的数个地点的初始地应力实测值，借助根据数理统计原理建立的优化过程反演确定区域范围内的初始地应力场的分布规律，从而得出工程建设地点的初始地应力的估计值。

2）采用回归分析法确定工程所在区域的初始地应力场的分布时，可供采用的用于促使优化过程收敛的算法可与位移反分析法相同，用于约束优化过程的目标函数则需表示为:621,1[]ij ij N k k k k i i J Min w σσ===-∑∑ （8-2-3） 式中：ij kσ—应力分量的量测值；ijkσ—应力分量的真值； N —测点数；k w —加权系数，一般可令k w ＝1。

3）采用回归分析法确定初始地应力时，也需先对初始地应力场的分布规律作假设。

其原则，可与位移反分析法相同。

4）采用回归分析法确定初始地应力时，计算方法均属三维空间问题的反分析法，目标未知数常选为边界面力。

求得边界面力后，再由数值分析的正演分析方法算得工程所在部位的初始地应力。

5）对计算区域的边界需设定边界条件时，采用的方法宜与数值分析的正演分析法相同。

6、在丘陵地带建造公路隧道时，围岩的初始地应力场通常即是自重应力场，其分布规律可借助正演分析的数值方法通过计算确定，也可将垂直应力取为上覆地层重量之和，并按给定水平侧压力系数法确定侧压力。

后者的计算公式可参见《公路隧道设计规范》JTG D70-2004中的附录J ，或有关文献。

8.2.1.3 二维平面应变问题反分析计算的正算逆解逼近法1、线弹性问题的反分析方法1）基本假设（1）隧道围岩的工作状态为线弹性受力状态。

（2）横断面上隧道围岩的受力变形状态符合平面应变假设。

（3）某一地点横断面上隧道围岩的初始地应力由线性分布的自重应力和均布构造应力组成。