隧道衬砌设计与计算

《公路隧道设计规范》JTG D70-2004中在对隧道结构进行计算时，《列出 了荷载类型，（如表5-1所示）并按其可能出现的最不利组合考虑。
表5-1 作用在隧道结构上的荷载
（2）荷载组合：
结构自重＋围岩压力＋附加恒载（基本） 结构自重＋土压力＋公路荷载＋附加恒载 结构自重＋土压力＋附加恒载＋施工荷载＋ 温度作用力 结构自重＋土压力＋附加恒载＋地震作用
半衬砌：拱圈直接支承在坑道围岩侧壁（如图54所示） 常用于坚硬、较完整的围岩（Ⅱ、Ⅲ级）。 用先拱后墙法施工时，在拱圈已做好，但马口尚 未开挖前，拱圈也处于半衬砌工作状态
图5-4
1、基本假定
⑴ 在垂直荷载作用下拱圈向隧道内变形为自 由变形，不产生弹性抗力 ；
⑵ 拱脚产生角位移和线位移，并使拱圈内力 发生改变，计算中除按固端无铰拱考虑外， 还必须考虑拱脚位移的影响
附加恒载：伴随隧道运营的各种设备设施的 荷载等。
4.衬砌计算的有关规定
（1）深埋隧道中的整体衬砌、浅埋隧道中的 整体或复合式衬砌及明洞衬砌等应采用荷载 结构法计算。深埋隧道中复合式衬砌的二次 衬砌也可采用荷载结构法计算。
荷载结构法的设计原理认为，隧道开挖后地层的作用主要是 对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等 荷载的作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力， 然后按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌内力，并进行结构 截面设计。
3.隧道衬砌荷载及其类型
（1）荷载类型
作用在衬砌上的荷载，按其性质可以区分为主动荷载与被动荷 载两大类。 ➢ 主动荷载是主动作用于结构、并引起结构变形的荷载；主动荷
载包括主要荷载(指长期及经常作用的荷载，有围岩压力、回填 士荷载、衬砌自重、地下静水压力等) 和附加荷载(指非经常作 用的荷载，有灌浆压力、冻胀压力、混凝士收缩应力、温差应 力以及地震力等)，计算时应根据这两类荷载同时存在的可能性 进行组合。在一般情况下可仅按主要荷载进行计算。特殊情况 下才进行必要的组合，并选用相应的安全系数检算结构强度。 被动荷载主要指围岩的弹性抗力，它只产生在被衬砌压缩的那 部分周边上。其分布范围和图式一般可按工程类比法假定，通 常可作简化处 ➢ 被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即 弹性抗力，它对结构变形起限制作用。
2、弹性抗力的确定
衬砌在受力过程中的变形，一部分结构
有离开围岩形成“脱离区”的趋势，另一部 分压紧围岩形成所谓“抗力区’(如图5-1所 示)。在抗力区内，约束着衬砌变形的围岩， 相应地产生被动抵抗力，即“弹性抗力”
弹性抗力因围岩性质、围岩压力大小和
结构变形的不同而异。但是对这个问题有不 同的见解，即局部变形理论和共同变形理论。
(3) 荷载一结构模型。将围岩对结构的作用简化为荷 载作用于结构上进行计算;
(4) 连续介质模型，将围岩和结构作为整体进行计算。 包括解析法和数值法，数值计算法前主要是有限 单元法，也可利用各种有限元软件来计算。
从各国的地下结构设计实践看，主要采用上 述后两类计算模型，荷载-结构计算模型主要适 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。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，以及弹性支承给支 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结 构的内力和位移了。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) 法等都可属于荷载-结 构法。
（3）复合式衬砌中二次衬砌，Ⅰ～Ⅲ级围岩中为安全储备，并按构造要求设计； Ⅳ、Ⅴ级围岩中为承载结构，可采用地层结构法计算内力和变形。
地层结构法
设计原理：将衬砌和地层视为整体共同受力 的统一体系，在满足变形协调的前提下分别 计算衬砌与地层的内力，据以验算地层的稳 定性和进行结构截面设计。
5.2 半衬砌的计算
隧道衬砌设计与计算
一、简况
1.隧道结构设计理论的发展历史
（1）最初的隧道衬砌使用砖石材料，其结构型式通常为拱形。采用的截 面厚度常常很大，所以结构变形很小，可以忽略不计。因为构件的刚度 很大，故将其视为刚性体，计算时按静力学原理确定其承载时压力线位 置，检算结构强度。 （2）在十九世纪末，混凝土已经是广泛使用的建筑材料，它具有整体性 好，可以在现场根据需要进行模注等特点。这时，隧道衬砌结构是作为 超静定弹性拱计算的，但仅考虑作用在衬砌上的围岩压力，而未将围岩 的弹性抗力计算在内，忽视了围岩对衬砌的约束作用。其计算原理和地 面结构一样。由于把衬砌视为自由变形的弹性结构，因而，通过计算得 到的衬砌结构厚度很大，过于安全。 （3）考虑弹性抗力的计算模型，进入本世纪后，通过长期观测，发现围 岩不仅对衬砌施加压力，同时还约束着衬砌的变形。围岩对衬砌变形的 约束，对改善衬砌结构的受力状态有利，不容忽视。
图5-1
局部变形理论
图5-2形理论把围岩视为弹性半无限体， 考虑相邻岩柱之间变形的相互影响，即考虑 独立岩柱之间的联系。它用纵向变形系数E和 横向变形系数μ表示地层特征，并考虑粘结力 C和内摩擦角φ的影响。但这种方法所需围岩 物理力学参数较多，计算相对复杂。
5-3 联合的弹簧
表5-2 各级 围岩弹性抗力系数表
注：（1）采用荷载结构法计算隧道衬砌的内力和变形时，应通过考虑弹性抗力等体现 围岩对衬砌变形的约束作用。弹性抗力的大小及分布，对回填密实的衬砌构件可采用局 部变形理论计算确定
（2）Ⅰ～Ⅴ级围岩中，复合式衬砌的初期支护主要按工程类比法设计。其中Ⅳ、 Ⅴ级围岩的支护参数应通过计算确定，计算方法为地层结构法。
国际隧道协会(ITA)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纳为以下4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) 以现场量测和试验为主的实用设计方法;