隧道工程-隧道围岩压力理论及隧道设计理论

摘要：隧道工程是埋置于地层中的结构物，它的受力与变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为统一的受力体系相互约束、共同工作。对围岩压力的正确认识是进行隧道结构设计的基础，隧道支护结构设计理论是隧道工程安全的重要保障。本文总结了经典的隧道围岩压力理论和隧道支护结构设计理论，它们是隧道工程设计的基础，也是隧道工程理论研究完善的出发点。

关键词：隧道工程、围岩压力理论、支护结构设计理论

0. 引言

隧道是构筑在离地面一定深度的岩层或土层中做通道的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。隧道工程[1]的泛指有两方面的含义：一方面是指从事研究和建造各种隧道工程的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术，是土木工程的一个分支；另一方面也指在岩体或土层中修建的通道和各种类型的地下建筑物。

由于人类生活、战备、采矿等的需求，引发了早期隧道的建设形成需求；现代隧道的建设形成主要采用钻爆法、TBM法、盾构法等。相比于地面工程，隧道工程所处的环境、施工条件、运营条件等较差；同时，在资源和环境问题日趋严重的情况下，现阶段世界各国都日益重视地下空间的开发利用，隧道及隧道工程因其在节能和环保方面的优势变得愈发重要，因而迫切需要提高隧道工程的理论和技术。因此，对已有隧道分析理论的梳理总结对发展新理论和方法很重要，本文总结了隧道围岩压力理论和隧道支护结构设计理论。

1. 隧道围岩压力理论

由于地质体涉及地层、岩性、地质构造、风化程度、地下水等因素，因而形成了千奇百怪的地质体，具有复杂物理力学性质，要准确地认识地质体难度较大。然而，正确地认识隧道围岩压力是隧道结构设计的基础，多年来国内外许多学者进行了深入的研究和探讨，同时提出了不少理论：泰沙基理论、普氏理论、新奥法理论等，从定性和准定量的角度取得了一定的成就，但还有大量问题需要我们去探索研究。 1.1. 早期围岩压力理论（浅埋）

早期围岩压力理论（浅埋）认为垂直压力是上覆土层的自重，即 =γH；而对侧压系数ζ= / 有不同认识:（1）Haim认为是1；（2）Rankine认为是tan2(45° 2)；（3）金尼克认为是μ/(1 μ)。 1.2. 散体压力理论

随着埋置深度增加，认为作用在支护结构上的压力不是上浮岩土层的重力，而只是围岩塌落拱内松动岩体重量—松动压力。但该理论并没有认识到塌落并非形成围岩压力的唯一来源，也没有认识到自行稳定的围岩具有自承能力。散体压力理论主要有泰沙基理论和普氏理论，太沙基认为塌落拱是矩形的，普氏认为塌落拱是抛物线型的。 1.2.1 泰沙基理论

将隧道围岩视为散粒体，认为洞室开挖后，其上方围岩将形成承载拱；并认为岩体下沉形成两条垂直的破裂面，垂直压力分布是均匀的，与水平压力的比值为ζ。在距地表深度为h处，取厚度为dh的水平土层，按平衡条件得

2b×( + ) 2 b× +2ζ× ×tan ×dh 2bγ×dh=0

整理得

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