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1、公路隧道设计细则,主讲： 邓 刚 高工,应 用 交 流 会,内容提纲,6 隧道围岩分级及其物理力学参数 8 隧道围岩压力计算 10 隧道支护的荷载结构计算方法 9 隧道支护的地层结构计算方法 13 隧道衬砌设计 15 隧道抗震设计,6 隧道围岩分级及其物理力学参数,围岩亚级分级的背景,依托：西部交通科技建设项目“公路隧道围岩分级指标体系与动态分类方法研究” 围岩亚级分级目的和意义： 保证施工安全 兼顾工程经济性 差异化处理措施： 施工方法 衬砌参数 预加固措施等,本章主要内容,本章主要内容,本章主要内容,6.1 一般规定,6.1.1 在公路隧道勘察设计过程中，应根据隧道周边岩体或土体的稳定特性
2、进行分级。在工可和初勘阶段应将围岩分为级等六个基本级别，在详勘及施工阶段则宜对、进行亚级划分。,6.1 一般规定,6.1.2 公路隧道围岩分级应采用定性特征划分和定量指标划分相结合的方法进行综合评判。 定性分级方法：将围岩分级指标体系中的每个指标根据定性特征或定量值分别进行排序，将各个指标的不同排序进行组合获得一个组合次序，根据这个组合次序确定围岩级别的方法。 定量分级方法：将围岩分级指标体系中的每个指标定量值通过和、差、积、商等方法进行运算获得一个计算值，根据这一计算值确定围岩级别的方法。,6.1 一般规定,6.1.3 隧道围岩分为岩质围岩和土质围岩两大类，在进行围岩分级过程中，应对岩质围岩
3、和土质围岩分别采用不同的指标体系进行评定。 围岩分级指标体系由基本质量指标和修正质量指标组成： 基本质量指标：围岩所固有的、影响围岩稳定性的最基本属性的指标。修正质量指标：对于不同类型的工程，对围岩稳定性影响程度不同的指标。,6.1 一般规定,岩质围岩分级指标体系： 基本指标： 岩石坚硬程度 岩体完整程度 修正指标： 地下水状态 主要软弱结构面产状 初始地应力状态,6.1 一般规定,土质围岩分级指标体系（12个指标）： 粘质土围岩：基本指标潮湿程度 砂质土围岩：基本指标为密实程度，修正指标为潮湿程度 碎石土围岩：基本指标为密实程度 膨胀土、冻土等特殊情况的土质围岩：专门进行研究 围岩分级指标体
4、系中的各指标可用定性值表述，也可用定量值表达 6.1.4 围岩基本分级的分段长度不宜小于20m，亚级的分段长度不宜小于10m。,6.2 围岩分级指标,6.2.1 岩质围岩的分级指标值获取方法,6.2 围岩分级指标,6.2.1 岩质围岩的分级指标值获取方法,6.2 围岩分级指标,6.2.2 岩质围岩坚硬程度的定性划分,6.2 围岩分级指标,岩石风化程度定性值,6.2 围岩分级指标,6.2.3 岩石坚硬程度的定量划分Rc：岩石单轴饱和抗压强度 如无Rc实测值时，可按下式换算：,6.2 围岩分级指标,6.2.4 岩质围岩的完整程度的定性划分,6.2 围岩分级指标,主要结构面结合程度确定方法,6.2
5、围岩分级指标,岩体结构类型的定性划分：,6.2 围岩分级指标,层状岩体类型的定量划分：,6.2 围岩分级指标,6.2.5 岩质围岩完整程度定量值采用岩体完整性系数KV表示KV值应针对不同的工程地质岩组或岩性段，选择有代表性的点、段，测定弹性纵波速度。Kv值按式计算：岩体体积节理数JV确定对应的KV值和岩体完整程度,6.2 围岩分级指标,确定岩体体积节理数JV的注意事项： 岩体体积节理数JV 应针对不同的工程地质岩组或岩性段，选择有代表性的露头或开挖壁面进行节理（结构面）统计 除成组节理外，对延伸长度大于1m的分散节理亦应予以统计。已为硅质、铁质、钙质充填再胶结的节理不予统计。 统计每组结构面数
6、目时，应沿着有关结构面组的垂直方向计数。每一测点的统计面积，不应小于25m2。 JV的计算式为：,6.2 围岩分级指标,6.2.6 土质围岩分级指标值及其获取方法,6.2 围岩分级指标,6.2.7 粘质土围岩潮湿程度定性值与定量值的对应关系6.2.8 砂质土围岩潮湿程度定性值与定量值的对应关系,6.2 围岩分级指标,6.2.9 砂质土围岩和碎石土围岩密实程度定性值与定量值的对应关系,6.3 围岩分级方法,6.3.1 岩质围岩分级：根据取得的围岩定性特征和岩体基本质量指标（BQ）进行基本质量分级,6.3 围岩分级方法,6.3.2 当根据岩体基本质量定性特征与基本质量指标（BQ）所确定的围岩级别不
7、一致时，应重新审定定性特征和定量指标计算参数，通过综合分析确定岩体的基本质量级别，必要时应重新进行勘察和测试。 6.3.3 岩质围岩的定性特征根据上一节规定确定，围岩的基本质量指标应根据分级因素的定量指标RC值和KV值，按下式计算确定：,6.3 围岩分级方法,6.3.4 在对岩质围岩分级过程中，如遇下列情况之一，应对岩体基本质量指标BQ进行修正，然后根据修正的岩体质量指标BQ 重新进行围岩分级。 有地下水； 围岩的稳定性受软弱结构面影响，且有一组起控制作用； 存在高初始地应力。 定量修正公式：,6.3 围岩分级方法,6.3.5 粘质土围岩的分级方法,6.3 围岩分级方法,6.3.6 砂质土围岩
8、分级方法：,6.3 围岩分级方法,6.3.7 碎石土围岩分级方法,6.3 围岩分级方法,6.3.8 各级围岩的自稳能力宜根据围岩变形量测和理论计算来评定，也可下表6.3.8判断。,6.4 围岩物理力学指标,6.4.1 各类岩体及土体的物理力学参数，可根据地质勘察、原位测试、类似工程对比分析以及经验公式或理论公式计算等方法分析确定 6.4.2 当无实测数据时，各级岩质围岩的物理力学参数可按表6.4.2-1及6.4.2-3选用。 6.4.3 当无实测数据时，各级土质围岩的物理力学参数可按表6.4.3-1及6.4.3-2选用。,8 隧道围岩压力计算,隧道围岩压力的分类及特点,围岩压力是指隧道围岩因松
9、动或形变而作用在支护衬砌结构上的作用荷载。按其性质的不同可分为以下两类： 松散压力：松动或塌落的岩体以重力形式直接作用在支护上的压力。 形变压力：围岩变形受到支护约束而产生的压力。形变压力的大小与支护时间及其刚度有关。 松散压力和形变压力经常同时存在，但因地质条件、支护类型和施工方法等不同而以某一种为主,围岩压力的特点,围岩压力的性质、大小和分布，主要受围岩岩性、地质构造、埋深、地下水、地应力等因素控制，也受到支护结构的刚度、类型及施工方法、开挖断面型式、支护时机等因素的影响 在松软破碎的地质条件下，隧道开挖后多呈现暂时稳定，即所谓的“平衡拱”作用 在多裂隙围岩中压力分布有很大的不均匀性，在土
10、质围岩中分布较为均匀 对粘性土和某些塑性岩体，围岩压力的时间效应很显著 施工方法对围岩压力的大小有较大影响。如光面爆破对围岩的扰动较小，围岩的松弛范围也小，因而围岩荷载就小,围岩压力理论的发展,岩土柱理论 开挖坑道以后，由于支护或拱圈向坑道内部位移，引起其顶部上覆岩土柱的下沉，两侧地层对柱体产生与下沉反向的摩擦力，故上覆岩层重量减去岩土柱两侧的摩擦力即为围岩压力 该理论多用于浅埋隧道。当隧道埋置极浅或遇软土层时，土柱两边的摩阻力接近于零，故围岩压力直接为土柱全重。 目前铁路和公路隧道的浅埋隧道围岩压力计算公式均主要该理论推导而来,围岩压力理论的发展,压力拱理论 对埋深较大的隧道，顶部岩体失去稳
11、定，产生坍塌而形成不延向地表的局部破裂区。该区内的岩体自重即洞室支护上的荷载。破裂区上部边界线有抛物线、椭圆、半圆和三角形等不同假定 中国在50年代初期以来，广泛采用普氏地压理论。假定岩体为松散体，其压力拱承受上覆土柱的全部均布重量，根据散粒材料不能承受拉应力，即弯矩为零的条件，得到拱形为抛物线。塌落拱岩体重量即为竖直地层压力。,围岩压力理论的发展,弹塑性理论 利用弹塑性理论可求出沿洞室周边围岩内产生塑性区的范围。设置衬砌后，利用地下结构与围岩的位移协调条件，可求得塑性区半径和围岩压力值。 极限平衡理论 岩体内有各种各样的结构面。开挖坑道后，洞周的围岩出现与整个岩体相脱离的岩块。它的自重对衬砌
12、产生压力。自重减去结构面阻力即为地层压力。当分离体由数组平行节理面组成时，可用裂隙岩石的极限平衡理论计算；当节理呈随机分布时，可用块体力学理论计算。,围岩压力理论的应用,围岩压力理论主要受制于围岩性质千变万化、支护形式多种多样、施工方法各不相同、以及围岩初始应力和围岩参数不易准确测定等因素影响，目前各种围岩压力理论，实际应用时会受到一定限制。 荷载结构法是目前隧道结构检算最为常用的计算方法，它的概念清楚、方法简明，容易接受和掌握。 围岩压力的计算结果主要用于荷载结构法验算隧道衬砌结构的安全度。,深浅埋隧道,为了表征隧道的成拱作用程度，隧道可划分为深埋隧道和浅埋隧道 成拱作用的影响因素： 围岩条
13、件：岩性、构造、地下水发育情况等 工程因素：隧道的埋深、断面形状和尺寸、开挖方法、支护刚度和支护时间及其与围岩的接触状态等 现行公路隧道设计规范采用等效荷载高度值判定,偏压隧道,偏压隧道指承受显著不对称荷载的隧道。产生偏压的原因： 地形偏压,偏压隧道,偏压隧道指承受显著不对称荷载的隧道。产生偏压的原因： 地质偏压,含软弱夹层偏压,倾斜节理切割偏压,偏压隧道,偏压隧道指承受显著不对称荷载的隧道。产生偏压的原因： 其它原因,坍方引起的偏压,偏压隧道,偏压隧道应根据其引起偏压的原因分别予以判定 对单洞双车道公路隧道，由地形引起的偏压可根据地面横坡和拱肩外侧围岩覆盖层厚度t值综合确定,8.1 一般规定
14、,8.1.1 作用在隧道支护结构上的围岩压力有松散压力、形变压力、膨胀压力以及冲击压力等。围岩压力计算应综合考虑隧道所处地形条件、地质条件、隧道跨度、结构形式、埋置深度以及开挖方法等因素。 一般情况下，当围岩质量较好时围岩的松散压力较小，围岩质量较差时围岩的松散压力较大；围岩的形变压力则与围岩的强度应力比（岩体抗压强度与地层初始应力的比值）关系较密切，对于硬质岩一般形变压力较小，而软质岩则形变压力较大；当隧道处于膨胀性地层条件时，应考虑围岩的膨胀压力；当隧道处于岩爆地段时宜考虑冲击压力。,8.1 一般规定,8.1.2 在进行隧道的围岩压力计算过程中，应遵循以下原则： （1）主要针对钻爆法施工的
15、隧道，采用其他施工方法建设的隧道可参照采用； （2）围岩松散压力为作用在隧道全部支护结构的压力总和，如果仅对初期支护或二次衬砌进行内力计算，则首先应进行荷载分配； （3）如果隧道采用了能够减轻围岩损伤破坏的施工方法，如光面爆破、掘进机开挖等，则对围岩松散压力的计算值可以适当折减。,8.1 一般规定,8.1.3 埋深较浅的隧道一般可只考虑围岩的松散压力，而埋深较大的隧道不仅应考虑围岩的松散压力，而且还应考虑围岩的形变压力；连拱隧道、小净距隧道一般条件下可不考虑形变压力。 由于连拱、小净距隧道一般适用于中短隧道或隧道洞口段，隧道埋深相对较浅，因此可不考虑形变压力。 8.1.4 计算围岩压力的各级围
16、岩物理力学参数宜通过室内或现场试验获取，当无试验数据时可根据本细则建议值选用。,8.2 单洞隧道的围岩松散压力,8.2.1 单洞隧道深埋与浅埋的判定应按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素按下式综合判定：8.2.2 深埋单洞隧道围岩压力可按经验下式计算：必须同时具备下列条件： 采用钻爆法开挖的隧道； H/B1.7； 不产生显著偏压及膨胀力的一般围岩； 隧道开挖跨度小于15m。,8.2 单洞隧道的围岩松散压力,8.2.3 深埋单洞隧道围岩压力也可按普氏公式计算：,8.2 单洞隧道的围岩松散压力,普氏理论又称为自然平衡拱理论，其要点是将围岩视为具有一定粘接力的松散体，洞室开挖后能够在其顶部形成稳定的压力拱，作用在支护上的压力仅为压力拱与支护之间松散岩体的重量。基本假定为： 岩体由于节理的切割，经开挖后形成松散岩体，但仍具有一定的粘结力 洞室开挖后，洞顶岩体将形成一自然平衡拱 采用坚固系数来表征岩体的强度 形成的自然平衡拱的洞顶岩体只能承受压应力不能承受拉应力,8.2 单洞隧道的围岩松散压力,
