第二節設計技術一、概述1、概念是為了最優地實現規劃的構思，而進行的耐久性、安全性、使用性、經濟性的研究，具體地決定實施的形態、尺寸、使用材料、施工方法等的行為。2、地下工程設計技術7/22/20231第四章第二節設計技術（1）安全性設計技術是保證在使用期內對預測的外因是安全可靠的。a、應對調查的各種現象，用分析的方法求出應力和變形的響應值。b、并依其響應狀態，按一定基準進行安全可靠性檢驗——安全系數及可靠指標。其中包括結構分析技術、坑道穩定性分析技術、地下水分析技術。熱傳導分析技術等。7/22/20232第四章第二節設計技術7/22/20233第四章第二節設計技術（2）使用性設計技術指地下設施的設計是按其使用性為目的進行的，除決定于設施的功能外，還牽涉到社會的各個方面。7/22/20234第四章第二節設計技術（3）經濟性評價技術因評價的對象不同，其結果差異很大。也就是說，經濟性評價在理論上，由各項費用總和來判斷的，使之為最小值就是最優設計。7/22/20235第四章第二節設計技術(4)耐久性設計(p149)鋼筋混凝土結構物的耐久性設計，就是在其設計耐用期間內，使鋼筋和混凝土不產生腐蝕劣化，降低其強度而影響使用年限，耐久性設計是以鋼筋腐蝕為其極限狀態。結構物的耐用期限一般分為３級，分別為100年、６5年和３０年。

7/22/20236第四章第二節設計技術7/22/20237第四章第二節設計技術二、地下結構設計流程與解析技術（P136，自學）7/22/20238第四章第二節設計技術三、地下結構設計方法1、圍巖分級（P127）（1）基本概念①巖石：均質、連續和各向同性的介質。②巖體：是在地質歷史中，經過巖石建造、構造形變、和次生蛻變而形成的地質體，它被許多不同方向、不同規模的斷層面、層理面、節理面和裂隙面等各種地質界面切割為大小不等，形狀各異的各種塊體。7/22/20239第四章第二節設計技術③圍巖：地層中受坑道開挖影響的那部分巖體。④圍巖分級：根據一個或幾個主要指標將無限的巖體序列劃分為具有不同穩定程度的有限個類別，并依照每一類圍巖的穩定程度給出最佳的施工方法和支護結構設計。

7/22/202310第四章第二節設計技術（2）我國鐵路隧道圍巖分級的指標①由巖石強度的堅硬程度、圍巖的完整程度確定圍巖的基本分級②地下水及初始應力場修正圍巖基本分級（3）分級方法（P128表4-7）將圍巖分為Ⅵ級，從Ⅰ~Ⅵ圍巖力學性質由強到弱

7/22/202311第四章第二節設計技術7/22/202312第四章第二節設計技術7/22/202313第四章第二節設計技術2、地下結構體系的計算模型（1）地下結構體系：由地層和支護結構共同組成，其中以地層為主，支護僅用來約束地層，不使它產生過大的變形而破壞坍塌，地層既是承載結構的基本組成部分，又是造成荷載的根本來源。7/22/202314第四章第二節設計技術（2）地下結構體系的設計模型①經驗設計法參照過去隧道工程實踐經驗進行工程類比的；②實用設計方法（情報設計法）以現場量測和實驗室試驗為主的，例如以洞周位量測值為基礎的收斂一約束法；③作用一反作用模型，即荷載一結構模型，例如彈性地基圓環計算和彈性地基框架計算等計算法；④連續介質模型包括解析法和數值法。數值計算法目前主要是有限單元法。7/22/202315第四章第二節設計技術（3）結構力學方法——荷載結構模型計算方法

①基本原理是將支護結構和圍巖分開來考慮，支護結構是承載主體，圍巖作為荷載的來源和支護結構的彈性支承，②隧道支護結構與圍巖的模擬通過彈性支承對支護結構施加約束來體現的，而圍巖的承載能力則在確定圍巖壓力和彈性支承的約束能力時間接地考慮。圍巖的承載能力越高，它給予支護結構的壓力越小，彈性支承約束支護結構變形的抗力越大，相對來說，支護結構所起的作用就變小了。

7/22/202316第四章第二節設計技術7/22/202317第四章第二節設計技術③適用條件只要在施工過程中不能使支護結構與圍巖保持緊密接觸，有效地制止周圍巖體變形和松弛而產生松動壓力。④評價一般說來，按此模型設計的隧道支護結構偏于保守。7/22/202318第四章第二節設計技術（4）巖石力學的計算方法①基本原理巖石力學方法是將支護結構與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結構體系，故又稱為圍巖一結構模型或復合整體模型，②隧道支護結構與圍巖的模擬在這個模型中圍巖是直接的承載單元，支護結構只是用來約束和限制圍巖的變形，7/22/202319第四章第二節設計技術③評價它符合當前的施工技術水平，在圍巖一結構模型中可以考慮各種幾何形狀，圍巖和支護材料的非線性特性，開挖面空間效應所形成的三維狀態，以及地質中不連續面。施工過程等。在這種模型中有些問題是可以用解析法求解或用收斂一約束法圖解的，但絕大部分問題，因數學上的困難必須依賴數值方法，主要是有限單元法。7/22/202320第四章第二節設計技術7/22/202321第四章第二節設計技術（5）以圍巖分級為基礎的經驗設計方法在大多數情況下，隧道支護體系還是依賴“經驗設計”的，在實施過程中，依據量測信息加以修改和驗證。經驗設計的前提要正確地對坑道圍巖進行分類，然后在分類的基礎上編制支護結構系統的基本圖示。在進行支護結構經驗設計時，需要注意的幾點的原則是：①首先要對坑道圍巖進行分類，這些分類大都是根據地質調查結果，為各種地下工程單獨編制的

7/22/202322第四章第二節設計技術②在各類巖體中，支護結構參數大體是按下述原則選用：a完整、穩定的巖體：錨桿長度<1.5ｍ，n=４～４.２根/m左右，噴混凝土用于填平補齊二次襯砌用最小混凝土厚度，約３０ｃｍ左右。B易破碎、剝離的塊狀巖體:錨桿長度1.5~3.5ｍ，n=10根/m左右，噴混凝土0~10cm，二次襯砌30~40cm7/22/202323第四章第二節設計技術C、有地壓作用的破碎巖體錨桿長３.０～４.0ｍ，ｎ＝１０根／ｍ噴層：拱部和側壁噴層厚約１５～２０cm。二次襯砌厚度為４０～５０ｃｍd、強烈擠壓性巖體或有強大地壓的巖體。錨桿長４.０～６.0，n＝１５根／ｍ左右噴層厚20～２５ｃｍ，二次襯砌厚度，５０ｃｍ左右。7/22/202324第四章第二節設計技術③在施工中應盡量少擾動圍巖，使其盡量保持原有巖體的強度，應采用控制爆破技術。④預計有大變形和松弛的情況下，開挖面要全面防護（包括正面），使之有充分的約束效應，在分臺階開挖時，上半斷面進深不宜過長，以免影響整個斷面的閉合時間。⑤在修二次襯砌之前要修防水層，形成具有防水性能的組合襯砌。⑥允許甚至希望巖石出現一定的變形，以減少支護所需的防護措施。

7/22/202325第四章第二節設計技術⑦應有一個詳細周密的量測計劃。它系統地控制施工中的變形與應力情況，確定所建立的支護阻力是否和圍巖類型相適應以及是否還需要加強措施。。⑧要嚴格按照預定的施工程序施工。7/22/202326第四章第二節設計技術（6）情報化設計方法①情報化設計，實質上是通過施工前和施工過程中的大量信息（情報）來指導設計和施工，以期獲得最佳地下結構的一種設計方法，也有稱之為信息反饋設計方法或現場預測設計方法的。

7/22/202327第四章第二節設計技術②地下工程的情報化設計方法：預測施工前的信息（主要是地質信息）——施工——進行施工監測——依其信息（主要是位移、應變、壓力等）修改預設計——再施工、再量測——直到形成一個長期穩定的結構體系。它不僅包括施工前的預設計，也包括施工過程中的修正設計，把過去截然分開的施工和設計兩個階段，融化為一體，構成了一個完整的設計過程。7/22/202328第四章第二節設計技術7/22/202329第四章第二節設計技術四、鐵路隧道的設計方法我國鐵路隧道的設計方法，基本上是采用結構力學的方法，即按結構——荷載模式進行設計和計算的。鐵路隧道尺寸、形狀比較單一。因此，鐵路隧道襯砌的設計已經定型化、標準化。目前鐵路隧道的標準圖，包括單線、雙線隧道的襯砌、洞門、明洞等。根據牽引類型的不同，又分為電力牽引、內燃牽引及蒸汽牽引等標準設計。7/22/202330第四章第二節設計技術1、設計步驟：（1） 斷面形式和結構尺寸的擬定——工程類比法；（2） 計算作用在結構上的荷載——主動和被動荷載；（3）計算結構內力；（4）檢算：安全系數，偏心距，基底承載力；7/22/202331第四章第二節設計技術2、圍巖壓力的計算公式（1）圍巖壓力坑道開挖后，欲松動變形的巖體作用在襯砌支護上的壓力。7/22/202332第四章第二節設計技術（2）深埋：埋深大于淺埋覆蓋層厚度豎向均布（壓力）作用：式中q——豎向圍巖壓力，KPa；

——圍巖天然容重，KN/m3；ha——圍巖壓力計算高度,m；7/22/202333第四章第二節設計技術當為單線隧道時：當為雙線隧道時：其中S——圍巖級別的等級，如Ⅱ級圍巖，即s=2。ω——開挖寬度影響系數,以B=5m為基準，B每增減1m時圍巖壓力的增減率ω=1+i（B-5）,

當B<5，取i=0.2，當B>5m，取i=0.1。7/22/202334第四章第二節設計技術水平勻布壓力如下表所示：深淺埋分界的統計數據：本公式適用范圍：(1)埋深大于淺埋覆蓋層厚度(2)H/B〈1.7H為坑道高度,(3)不產生顯著偏壓及膨脹的一般圍巖,(4)采用鉆爆法施工7/22/202335第四章第二節設計技術（3）淺埋：：埋深h1等于或小于淺埋覆蓋層厚度(按極限平衡條件推出)豎向均布壓力q式中：7/22/202336第四章第二節設計技術7/22/202337第四章第二節設計技術7/22/202338第四章第二節設計技術（4）超淺埋隧道圍巖壓力的計算公式當h1ha（ha為深埋隧道豎直荷載計算高度）時，取θ＝0，即：（全自重型公式）豎向圍巖壓力：水平側壓力：7/22/202339第四章第二節設計技術7/22/202340第四章第二節設計技術3、被動荷載的概念、局部變形理論的計算方法（1）定義：視圍巖為彈性體，襯砌在主動荷載作用下，產生朝向圍巖方向的變形而擠壓圍巖引起圍巖的反作用力。（2）性質：反映圍巖對地下結構變形的約束能力，圍巖穩定性越強對結構變形的約束能力越大；彈性抗力的大小和分布形態取決于支護結構的變形，而支護結構的變形又和彈性抗力有關，所以說彈性抗力是主動荷載與被動荷載共同作用的結果。7/22/202341第四章第二節設計技術（3）計算：按局部變形理論計算時，相當于把圍巖簡化成一系列彼此獨立的彈簧，某一彈簧受到壓縮時所產生的反作用力只與該彈簧有關，而與其它彈簧無關，即僅與該處的變形成正比。7/22/202342第四章第二節設計技術7/22/202343第四章第二節設計技術作業：在Ⅲ級圍巖中開挖一隧道，采用礦山法施工，開挖坑道高8.0m，寬6.0m。求在隧道入口埋深2.35m及埋深9m處的豎向及水平圍巖壓力，并比較兩處的豎向圍巖壓力有什么特征，說明什么問題？若開挖寬度增加到12m，上述埋深處的圍巖壓力又是多大？說明什么問題？已知圍巖容重24kN/m3，計算摩擦角65°，