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理正岩土隧道衬砌说明理正岩土隧道衬砌说明第一章功能概述理正岩土隧道衬砌计算软件采用衬砌的边值问题及数值解法：将衬砌结构的计算化为非线性常微分方程组的边值问题，采用初参数数值解法，并结合水工隧洞的洞型和荷载特点，以计算水工隧洞衬砌在各主动荷载及其组合作用下的内力、位移及抗力分布。
无须假定衬砌上的抗力分布，程序经迭代计算自动得出。
一、衬砌断面类型：⑴圆形⑵拱形⑶圆拱直墙形⑷圆拱直墙形⑸圆拱直墙形⑹马蹄形⑺马蹄形⑻马蹄形⑼高壁拱⑽渐变段⑾矩形⑿圆拱直墙形⒀直墙三心圆拱形⒁三心圆拱形二、支座类型⑴固定⑵简支⑶弹性三、荷载情况⑴围岩压力⑵自重⑶灌浆压力⑷外水压力⑸内水压力四、输出的结果计算书及图形结果：⑴轴力图⑵剪力图⑶弯矩图⑷变形图⑸切向位移图⑹法向位移图⑺转角位移图⑻抗力分布图等第二章快速操作指南操作流程水工隧洞衬砌分析软件的操作流程如图，每一步骤都有相对应的菜单操作。
图操作流程快速操作指南选择工作路径设置工作路径，既可以调入已有的工作目录，也可在输入框中键入新的工作目录，后面操作中生成的所有文件均保存在设置的工作目录下。
图指定工作路径注意：此处指定的工作路径是所有岩土模块的工作路径。
进入某一计算模块后，还可以通过按钮【选工程】重新指定此模块的工作路径。
增加计算项目点击【工程操作】菜单中的【增加项目】菜单或“增”按钮来新增一个计算项目。
图工程操作界面编辑原始数据图数据交互对话框注意： 1. 集中的参数交互界面，即把几乎所有的参数置于一个界面上，操作简单，大大提高了人机交互的效率，这是理正岩土系列软件的一个共性特征。
2. 同时提供了有关参数的即时弹跳说明信息，方便用户理解参数的意义。
当前项目计算在数据交互对话框中设置好各项参数，点击【计算】按钮来进行当前题目的计算；或者单击[辅助功能]菜单的“计算”。
计算结果查询图计算结果查询界面计算结果查询界面分为左右两个窗口，左侧窗口用于查询图形结果，右侧窗口用于查询文字结果。
隧道设计都有明确的荷载分配原则。
有的隧道二次衬砌是主要的承载结构，初期支护仅作为施工过程的安全措施，相反，有的隧道初期支护是主要的承载结构，而二次衬砌仅作为安全储备；有的隧道二次衬砌设计承受水压力，有的隧道二次衬砌设计不承受水压力。
如武广客运专线大瑶山隧道，设计参数拟定的原则是：初期支护承担施工阶段全部荷载，二次衬砌承担由于初期支护可能劣化而作用于二次衬砌上的荷载或由于软岩蠕变、环境条件变化等引起的附加荷载以及作为安全储备。
以上这些设计原则对指导施工很重要，工序管理不能与此有冲突，否则，很可能留下安全隐患。
对于二次衬砌为主要承载结构的隧道，工序紧凑、仰拱、二次衬砌紧跟对施工安全很重要。
但每一个工序都有一个最小的活动空间，仍然有一个时间效应问题。
最根本的措施还是加强隧道施工的动态管理，有应急预案，有快速反应机制。
实践中有这样的实例，在半个月前就已经发现初期支护变形加快，由于没有采取应急措施，在半个月后造成坍方，实际上该工点工序管理很紧凑，二次衬砌也跟的很紧，坍方也没有避免。
对于初期支护为主要承载结构的隧道，就不能简单地规定一个二次衬砌达标间距。
因为如果初期支护不安全或变形没有收敛，这时候急忙施做二次衬砌会给以后的运营留下安全隐患。
正确的做法是，当确认初期支护变形收敛后再进行二次衬砌，并留下量测记录归档在案。
如果初期支护不安全或变形没有收敛，应当首先加强初期支护使之达到要求，其次再考虑加强二次衬砌并进行检算（如果有条件的话）。
实际情况往往是二次衬砌并不具备补强条件，再次扩挖又会带来新的安全问题。
在工序管理中，无论设计原则如何，初期支护紧跟、临时支护尽早封闭都是正确的。
中铁隧道集团十年前就提出了“仰拱”超前的施工理念，它有广泛的适用性，对隧道施工安全十分有效。
为了施工安全要求二衬尽早施作没有错，而没有任何附加条件、一律简单地规定一个二次衬砌达标间距值得商榷，因为这显然违反了新奥法的施工原则。
在武广客运专线有处理不当造成隧道二衬开裂的例子，起因源自二次衬砌达标活动。
偏压隧道衬砌作用计算方法C.0.1偏压隧道设计时，在假定偏压分布图形与地面坡度一致(图C.0.1)作用下，其垂直压力宜按下列公式计算：Q=Z[(力+〃，)8—(劝2+z7∕2)tano](C.0.1-1) z=—!—X ------------------------- tan "T ----------------------- (C.0.1-2) tan β-tana 1+tan^(tan φc -tan θ)+tan φc tan Θ/= ]X _______________ t an∕Γ-ta∏∙ ____________tan∕7,+tanα1+tan/(tan φc -tan+tan φc tan Oteβ-taια *：—G(CoJ —3)tan β=tan 纥÷叵互画良三逅 Ytan φt .-tan θtan β∙=tan 仍÷附纥+W 国Ytan φc-tan θ 式中：h ——内侧由拱顶水平至地面的高度（m ）；h ,——外侧由拱顶水平至地面的高度（m ）；B ——隧道宽度（m ）；γ ---- 围岩重度（kN/m 3）；O ——顶板土柱两侧摩擦角（°）；当无实测资料时，宜按表BO1选取;λ——内侧的侧压力系数；才——外侧的侧压力系数；o. --- 地面坡度角（°）;φr —围岩计算摩擦角（°）,可按表B.0.2取值；β——内侧产生最大推力时的破裂角（°）;β,——外侧产生最大推力时的破裂角（o ）o (C.0.1-4) (C.0.1-5)图CO1偏压隧道衬砌作用（荷载）计算图式C.0.2在荷载作用下的水平侧压力宜按下列公式计算：内侧：e i=γh iλ夕卜侧：e i=γh i,λ,,式中：h i—内侧任一点i至地面的距离（m）；h；—外侧任一点i至地面的距离（m）。
(C.0.2-1) (C.0.2-2)。
混凝土隧道衬砌设计规范一、前言混凝土隧道衬砌是隧道工程中的重要组成部分，其功能主要是承受地下水压力、地质力学作用和车辆荷载等多种力的作用，保证隧道的安全稳定运行。
因此，混凝土隧道衬砌的设计规范具有重要的指导意义。
本文将从设计原则、设计参数、衬砌结构、施工要求等方面，对混凝土隧道衬砌的设计规范进行详细介绍。
二、设计原则1. 安全性原则混凝土隧道衬砌设计的首要原则是保证隧道的安全性。
对于混凝土隧道衬砌的设计，必须考虑地质条件、地下水水位、荷载等多种因素，以保证隧道的稳定运行。
2. 经济性原则混凝土隧道衬砌的设计应尽可能节约材料、降低成本，并保证衬砌的质量和安全性。
在设计过程中，应充分考虑材料的价格和可用性，以及施工工艺的技术难度。
3. 可行性原则混凝土隧道衬砌设计的方案必须是可行的。
在设计过程中，必须充分考虑施工条件、技术水平、设备状况等因素，以确保方案的可行性。
三、设计参数1. 地质条件在混凝土隧道衬砌的设计中，地质条件是十分重要的参数。
地质条件包括隧道所在地的地质构造、岩性、断层、节理、岩溶等因素，这些因素会直接影响隧道衬砌的设计方案。
2. 荷载荷载是指在隧道使用过程中产生的重力、地震力、水压力、车辆荷载等外力。
在混凝土隧道衬砌的设计过程中，必须充分考虑荷载的大小和作用方向，以保证衬砌的稳定性。
3. 水位地下水水位是混凝土隧道衬砌设计的重要参数。
在设计过程中，必须充分考虑水位的高度和变化范围，以保证衬砌的防水性能。
4. 衬砌材料衬砌材料的选择和使用对隧道的安全性和经济性都有着直接的影响。
在混凝土隧道衬砌的设计中，应根据地质条件和荷载情况，选择合适的衬砌材料，并保证其品质符合相应的标准。
四、衬砌结构1. 衬砌厚度混凝土隧道衬砌的厚度应根据地质条件、荷载、水位等因素进行合理的确定。
在设计过程中，应充分考虑衬砌的承载能力和防水性能等因素。
2. 衬砌类型混凝土隧道衬砌的类型包括全断面衬砌、局部衬砌和嵌岩衬砌等类型。
隧道衬砌水压力荷载随着路网向山区的拓展，线路标准的提升，特别是高速铁路和高速公路大规模的修建，需要修建大量的“深”、“长”、“大”山岭隧道及江、河、海底隧道。
在山岭隧道的修建过程中，经常会遇到地质条件复杂的地层，有时须穿越高水压富水地区，如渝怀铁路圆梁山隧道、锦屏输水隧洞。
在水下隧道修建过程中，地下水问题更是突出，如日本青函隧道、英法海底铁路隧道、厦门翔安海底隧道、青岛胶州湾海底隧道。
本文将对隧道衬砌水压力荷载进行讨论。
标签：隧道；压力；荷载以往，我国山岭隧道工程设计中，对地下水治理采用“防排结合，以排为主”的原则，将衬砌背后的水通过排导系统排入隧道水沟，通常在设计衬砌结构时不考虑外水荷载。
“以排为主”虽能减小衬砌水压力，但不能根治隧道的各种水害，而且直接导致洞顶地下水位下降、地表水和井泉涸竭、地面岩溶塌陷、生态环境恶化，影响人们的生产和生活，隧道部门也苦于补救和巨额赔偿。
生态和环境保护是21世纪可持续发展的主旋律，隧道工程建设必须适应环境保护的要求。
在对地下水的处治过程中，隧道设计理念更新主要体现在防排水措施的变化，而不同的地下水处治方式，会产生不同的衬砌水荷载问题。
地下水对衬砌支护系统的力学作用对隧道的施工安全和建成后的结构可靠度具有重要影响。
到目前为此，国内外学者针对隧道水荷载的研究主要有衬砌水压力取值问题、涌水量预测问题、围岩与衬砌渗流力计算、裂隙岩体渗流状况、水荷载下围岩及衬砌受力状态等几个方面。
1 衬砌水压力问题1.1隧道规范对水压力的考虑国内较早提出衬砌水压力荷载问题的主要集中在水工隧洞界，相比水工部门而言，交通部门对隧道水荷载问题认识水平和研究深度均存在明显的差距。
随着人们对地下水与隧址周边生态环境密切相关的认识不断深入，对隧道工程中地下水处治原则进行了深入的思考，在渝怀铁路的建设中，铁道部第二勘察设计院提出隧道地下水处治的“限量排放”新理念。
至此，隧道工程水压力荷载问题也就完全凸现出来了。
在隧道设计中，各种规范对水压力荷载计算的规定有所不同：（1）地铁设计规范（GB50157-2003）用盾构法修建的地铁隧道采用全堵方式，通过衬砌管片接头处的密封装置，将地下水完全封堵在衬砌背后。
（2）铁路隧道设计规范（TB10003-2001）用矿山法修建的山岭隧道采用排导方式，通常通过设置在衬砌背后的透水垫层、盲沟或排水管等将围岩中的地下水引到设置在衬砌墙脚的出水口排出。
（3）公路隧道设计规范（JTG D70-2004）该规范提到“当隧道位于常水位以下，又不宜排泄时，隧道衬砌应该采用抗水压衬砌。
隧道防排水应遵循‘防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理’的原则”，但对如何考虑衬砌水压力没有给出明确的方法。
1.2水压力计算方法目前，隧道衬砌水压力的计算方法主要可以归纳成以下3个方面。
1.2.1折減系数法所谓水压力折减系数，就是指作用在衬砌上的外水压力水头与地下水位线相对于隧道中心的高度之比。
目前，水压力折减系数法主要可以分3种类型：（1）只考虑围岩渗透性的单一因素，如围岩渗透系数、岩溶发育程度等。
主要出现在水工隧洞界，只适用于混凝土衬砌渗透系数为常数的情形，例如水工隧道，而不适用于设置防水板的公路、铁路隧道。
（2）考虑围岩渗透性与衬砌轮廓受力特征，如考虑围岩渗透性与所谓“衬砌轮廓受水面积”等。
（3）综合考虑各种影响水压力因素，主要包括围岩、衬砌渗透性及隧道尺寸、作用水头等因素。
1.2.2理论研究方法在国内，王建宇通过轴对称解，推导了各向同性、均质介质在稳定流条件下衬砌背后的围岩孔隙水压力和作用在衬砌范围内的渗流力，并通过对衬砌渗流力的积分得出衬砌范围内渗流力的合力在量值上同衬砌背后的围岩孔隙水压相当。
在国外，日本学者在青函隧道衬砌水压力计算时视围岩为均质、各向同性的弹塑性体，其中作用的初始应力视为静水压力状态，运用Darcy定律推导出了作用在隧道衬砌及注浆加固圈区域内的孔隙水压力。
1.2.3数值分析方法数值分析方法是研究水压力的有效方法之一。
在国内，王建秀等提出了解析-数值法，该方法认为对于深埋隧道，当其断面远小于水头时，可以处理为一个点井，通过建立隧道排水的水文地质概念模型，采用经验解析法预测隧道的涌水量，然后将涌水量代入隧道围岩渗流的剖面二维模型，模拟隧道排水时围岩渗流场的分布，然后再采用折减系数的方法得出隧道衬砌的外水压力。
2 水荷载下围岩及衬砌受力状态随着高水头富水隧道及水下隧道的增多，水荷载下隧道围岩及衬砌的稳定性问题越来越突出。
由于外水压的作用，在衬砌边墙、仰拱隅角和仰拱处存在明显的应（内）力集中和突变现象，会使隧道安全度降低。
隧道开挖引起的渗流影响边界大于力学影响边界，由于渗流引起的渗流力增加了围岩的应力、位移，从围岩-支护结构共同作用原理考虑，进行隧道支护结构设计时是应该考虑渗流效应的。
围岩与衬砌的力学响应主要受衬砌与围岩的相对渗透性影响，对围岩预注浆是减小它们相互作用的有效措施。
地下水对衬砌的作用一般认为是作用在其外缘上的边界荷载，但随着隧道设计理论的发展，对地下水的作用也有了新的认识。
实际上，在一般情况下，隧道外水荷载以体积力的形式作用于地下水位以下的整个空间（包括围岩与衬砌），也就是我们常说的渗流力。
根据对地下水处治方法的不同，修建于地下水位线以下的隧道通常可以分为“全堵型”、“排水型”两种。
在“全堵型”隧道中，衬砌完全不透水，作用在衬砌上的水压力为静水压力，确实是一种表面力；而对于“排水型”隧道，围岩和衬砌都是透水的，地下水是流动的，作用在衬砌上的水压力为渗流力，是一种体积力。
王建宇通过对圆形隧道衬砌范围内渗流力的分析，论证了衬砌中渗流力的作用也可以近似地用作用在衬砌和围岩界面上的表面力来表示，其量值可取为衬砌背后围岩中的孔隙水压力，这样隧道水压力计算模型可以简化为“荷载—结构”模型，从而方便设计人员使用。
当然，渗流力对围岩的作用仍然用体积力表示。
3 隧道水荷载解析解相关分析3.1衬砌水压力折减系数敏感度根据上述理论推导可知，影响衬砌水压力折减系数的因素主要有地下水水头、衬砌厚度、衬砌与围岩相对渗透性、注浆、隧道尺寸等参数。
3.1.1水头对水压力折减系数的影响当衬砌相对渗透性值较小时（为围岩渗透系数与衬砌渗透系数之比，即），在水头值较小的范围内（），水压力折减系数对水头值较敏感；而随着值的增大，水压力折减系数对水头值敏感性不断减弱。
3.1.2衬砌厚度对水压力折减系数的影响在相同水头条件下，衬砌厚度越大，隧道衬砌水压力折减系数越大，作用在衬砌上的水压力越大。
当衬砌渗透系数一定时，单纯为了抗水压而无限增大衬砌设计厚度是不合理的。
3.1.3衬砌相对渗透性对水压力折减系数的影响衬砌相对渗透性对衬砌水压力折减系数很大。
若采用全封堵型衬砌时，作用在衬砌上的水压力量值为静止水压力，并不会因为围岩渗透系数小而折减。
实际上，只有采用全排型衬砌，作用在衬砌上的水压力才为0。
3.1.4注浆对水压力折减系数的影响注浆能有效限制地下水的排放，但当衬砌渗透系数较小时，无论围岩的注浆效果有多好（除非，而这是不可能的），均不能使衬砌水压力有明显的折减。
水压力的“卸载”要通过衬砌的排水性能来实现，即采用对围岩进行注浆的同时，要使衬砌具有一定的透水性，才能既减小地下水排放量，又降低衬砌水压力作用。
3.1.5隧道尺度对水压力折减系数的影响当值较小时，隧道尺寸对折减系数有一定的影响，但影响不大，而当值较大时，隧道尺寸对折减系数的影响可忽略不计。
综上所述，衬砌水压力折减系数对衬砌与围岩相对渗透性最为敏感，当围岩渗透系数一定时，衬砌的渗透性是决定水压力折减系数大小的主要因素。
注浆的作用就是控制地下水排放流量，对于水压力的“卸载”则也要取决于衬砌的渗透性，只要衬砌渗透系数足够小，无论是加大注浆圈厚度，还是降低注浆圈渗透系数，都不能起到降低衬砌水压力荷载的作用。
4 高水头隧道地下水处治原则——“堵水限排”隧道工程中对地下水的处治方式有“排导型”和“全封堵型”两种。
高水头富水区隧道与浅埋低水头隧道不同。
对于高水头深埋隧道，显然不能采用全封堵的衬砌结构来保护地下水，若采用全封堵防水衬砌，由于水壓力不可折减，会使衬砌承受极大的水压力荷载。
但是也不能让其自由排放（或称“以排为主”），因为地下水自由排放会对隧道周边的生态环境造成不利影响，且这种处治地下水的方法有悖于生态环境保护的原则，同现代隧道设计理念极不相容。
因此，对高水头富水区隧道的地下水处治设计一方面要限制地下水的排放，另一方面还要尽量降低作用在衬砌结构上的水压力荷载。
通过对围岩注浆可以有效限制地下水排放，达到“堵水限排”的目的，“堵”是为了控制地下水的排放量，“排”则是为了降低作用在隧道衬砌压力。
采用“堵水限排”的防排水设计原则，能够以较小的排水量显著降低作用在衬砌上的外水压力，从而使隧道结构设计更加经济。
采用“堵水限排”的隧道防排水系统，需要确定注浆圈的厚度及渗透系数等参数值，这些参数不仅与地下水水头大小有关，还与地层渗透系数和地下水排放量控制标准有关，若达不到设计要求，注浆圈将无法有效地控制渗透到隧道衬砌背后的地下水量，当衬砌背后的地下水量超过衬砌的排水能力时，将导致衬砌外水压力上升，最终对隧道结构安全不利。
另外，保证衬砌中设置的排导系统的畅通性是很重要的。
只有当隧道排水系统具备了将渗透到衬砌背后的地下水全部排出的能力时，才能完全消除作用在衬砌上的外水压力，否则，衬砌上的外水压力在隧道结构设计时不能被忽略。
由于隧道处于复杂的地质环境之中，排水系统随着时间的推移可能产生堵塞而降低排水能力，从而降低隧道的排水率，导致作用在衬砌上的外水压力上升，对隧道结构安全产生不利影响。
因此，在进行隧道排水系统设计时须考虑它的可维修性，并考虑衬砌可以承受一定的水荷载，以承担因排水系统不畅而产生的外水压力，避免因衬砌外水压力升高而导致隧道结构的破坏。
5 复合式衬砌水压力问题通常，对于高水头隧道，为了减小作用在二衬上的水压力荷载，在衬砌背后设置有地下水排导系统，当排水系统能保持良好的排水状态时，喷层要承受一定的水压力。
但当排水系统发生堵塞时，初支承担的部分水压力将会转移到二衬上。
由于施工原因我国隧道工程中的喷混凝土的均匀性和密实性往往很难保证，因此初支往往具有一定的渗水能力。
所以，在工程中，初支承担的水压力一般较小，水压力主要由二衬来承担。
参考文献：[1]郑波.隧道衬砌水压力荷载的实用化计算研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2010.[2]王建宇.对我国隧道工程中2个问题的思考[J].铁道建筑技术，2001，（4）：1-4.[3]高新强.高水压山岭隧道衬砌水压力分布规律研究[D].成都：西南交通大学，2005。
