隧道结构设计技术思索

1结构设计的影响因素

根据隧道力学的知识，隧道结构是由围岩和衬砌结构共同组成的一个联合整体，围岩既是承受荷载的结构又是衬砌结构上的荷载来源。围岩是隧道结构的主体，其地质条件是隧道结构设计巾必须考虑的重要因素之一。隧道结构上的荷载是由围岩和衬彻结构之问的相互作用所产生的，荷载的大小与围岩的地质条件、施工方法和施_T过程等因素密切相关，其离散性大、不定因素多，隧道结构是一个高度复杂的体系。基于概率理论的极限状态法，H前还不能较好地适用于隧道_T程的结构设计中，尤其是复合式衬砌的隧道结构，破损阶段法或容许应力法仍然是隧道结构设汁中的主要的设计方法之一。由于围岩与衬砌结构之间、衬砌结构中的初期支护与二次衬砌之间的相互作用极为复杂，初期支护和二次衬砌如何分担来自围岩的荷载一直是一个问题。隧道衬砌结构必须满足环境作用下的耐久性要求，除了要承受嗣岩衙载外，还要承受来自洞内大气和围岩的环境作片j。隧道环境中含有众多的化学物质和地下水，它们直接接触衬砌结构，井对衬砌结构产生不同程度的损伤，造成衬砌结构的安令性和适用性降低．影响衬砌结构的耐久性。因此，环境作用是隧道结卡勾设计巾必须考虑的因素。

2常用的设计方法

目前，隧道复合式衬砌结构常用的设计方法主要有以下3种：I)初期支护为主要承载结构，二次衬砌作为安全储备，按构造要求没计。2)初期支护和二次衬砌按承载结构设计。3)初期支护承担施期间的全部荷载，二次衬砌承担运营期间的全部荷载第1、2种方法是我困铁路隧道和公路隧道设计规范中规定的方法，第1种方法适踊于I一Ⅲ级围岩地段，第2种方法适用于ⅣV级围岩地段，这两种方法的选择依据是同岩级别，并未考虑衬砌结构在设计使用年限内在环境作用下的耐久性问题。第3种方法主要考虑了结构的耐久性，适用于初期支护不能满足耐久性要求的情况。第1、3种方法的荷载和承载结构比较明确，荷载分别由初期支护和二次衬砌单独承担。情况比较复杂的是第2种方法，围岩荷载是由初期支护和二次衬砌分担的。工程中的习惯做法是根据围岩级别将荷载分摊到初期支护和二次衬砌结构』二，但是荷载分摊比例没有统一的规定，实际应用中也不尽相同。一般情况下，V级围岩地段的初期支护和二次衬砌的荷载分摊比例可采用30：70，1V级围岩地段采用40：60。很显然，荷载分摊方式的人为成分较大。

3选择合理结构设计方法的讨论

隧道结构防水设计往往是隧道设计的重点。在富水的围岩f}J。m于对隧道施工安全的考虑，隧道结构设计一般应采取围岩注浆加同等辅助技术措施，以封堵围岩渗漏水和提高围岩的自承能力．．程实践表明，由于隧道工程呈随机性特征，尤其是在IV—V级嗣岩中，对围岩进行注浆堵水很难达到理想的效果。因此，隧道结构防水一般采用多道设防的设计理念。由于水是环境作用中非常重要的因素，因而多道设防的设计理念同样也适用于隧道衬砌结构的耐久性设计。为此，在衬砌结构的耐久性设计中，除了要根据地质情况采用围岩注浆加同等技术措施外，还必须采用提高结构材料性能和保护层厚度等构造要求，确保喷射混凝土和二次衬砌混凝土具有相应的抗渗透性和抗腐蚀性，防水层材料也应具备相应的抗老化性能，即使如此，还应根据环境作用条件采用相应的结构设计方法。

3．1I～Ⅲ级围岩地段的结构设计方法I一Ⅲ级围岩的地质条件较好，岩石较坚硬，岩体较完整，围岩的透水性差，隧道的深埋一般比较深，围岩具有较强的自承能力；一般情况下地下水含水量也比较少，或者采用围岩注浆堵水等技术措施后可达到洞内基本无渗水。因此，洞内环境比较干燥。对于初期支护，即使围岩中存在有害物质，由于缺少地下水的参与，环境对初期支护的侵蚀作用比较有限。对于二次衬砌，当采用钢筋混凝土结构时，必须具有足够的钢筋保护层厚度，以防止混凝土可能发生的碳化影响。该围岩中的结构设计方法为：初期支护为主要承载结构，按工程类比法设计；二次衬砌作为安全储备，按构造要求设计。

3．21V—V级圃岩地段的结构设计方法Ⅳ一V级围岩的地质条件较差，岩石较软弱，岩体较破碎，其完整性差，罔岩的透水性比较强；一般情况下，隧道的埋深较浅或者位于断层构造带、节理密集带等不良地质地段，嗣岩的自承能力较差。其地下水情况比较复杂，一般在浅埋地段的地下水含水量呈季节性变化，受大气降水补给的影响，在雨季时水量丰富，旱季时水量较小或无水；对于深埋地段，地下水一般为基岩或构造裂隙水，其含水量大小呈随机性特征。该围岩地段的结构设计若遇到腐蚀环境可做如下处理：在冻融环境、氯化物环境和化学环境下，其环境作用等级为中度(C级)至极端严重(F级)。由于喷混凝土结构的密实性较差，初期支护难以满足腐蚀环境中结构的耐久性要求，可按临时施工结构设计。二次衬砌按永久结构设计，应承受可能的各种作用。结构设计方法为：初期支护承担施工期间的全部荷载，按工程类比法或地层结构法设计；二次衬砌承担运营期间的全部荷载，按工程类比法或荷载结构法设计。值得说明的是，Ⅳ一V级围岩地段的地下水可能会串流到邻近的IⅢ级围岩地段，因此，受到地下水影响的I～Ⅲ级围岩地段的结构设计应采用Ⅳ一V级围岩地段相应的结构设计方法。