隧道的围岩分级及其计算模型

第2章隧道的围岩分级及其计算模型知识要点：;隧道的围岩分级及其应用;常用的设计模型;荷载－结构计算模型;地层结构计算模型;ABAQUS在隧道计算模型中的应用本章导读：本章首先介绍隧道的围岩分级和应用，接下来介绍在地下工程中常用的四种设计模型：经验设计法，收敛－约束法，荷载－结构模型及连续介质模型。针对目前的隧道设计计算方法，重点介绍了和地层结构两种计算模型，并采用ABAQUS分别对两种计算模型进行了数值模拟和结果分析，得到了一些有意义的结论。2.1隧道围岩分级及其应用由于隧道工程所处地质环境十分复杂，人们对它的认识远没有达到完善的地步，所以，至今在隧道工程中经验方法仍然占有一定的地位。可以说，目前隧道工程的设计和施工在很大程度上还处在“经验设计”、“经验施工”的阶段。所谓经验方法就是根据以往的工程经验对上述的两个问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 作出决策，其依据就是隧道围岩稳定性分级。目前，作为隧道工程设计、施工基础条件的隧道围岩分级还处在“经验分级”的阶段上。人们对于坑道围岩的认识，还没有达到“自由”，还不能充分揭示出地质条件和地下工程之间本质的、内在的联系，因而也就不能客观地预估或判断坑道围岩的级别。隧道工程所赋存的地质环境千差万别，诸如地质构造、岩性、地下水等都是千差万别的。这给地下工程的设计、施工带来了很大的不可避免的“盲目性”。但也应指出：隧道工程的某一种类型的支护结构或某一种施工方法，在多数条件下，都有很大的地质适应性。例如台阶法可以适应大部分中等程度的地质条件；喷混凝土支护作为临时支护，在采取一定 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 的情况下，几乎可以适应绝大多数的地质条件。这就说明，针对不同的工程目的（爆破开挖、掘进机掘进、支护等），是可以把与之相应的地质条件进行一定的概括、归纳并加以分级的，从而，为隧道工程设计、施工提供一定的基础条件。隧道围岩分级的目的是：作为选择施工方法的依据；进行科学管理及正确评价经济效益；确定结构上的荷载；确定支护结构的类型和尺寸；制定劳动定额、材料消耗 标准 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的基础等。因此，国内外在最近几十年内，把地下坑道围岩分级作为地下工程技术基础研究的重要内容之一，也同时作为岩体力学的重要研究内容之一。从定性上、定量上进行了大量的探索和实践，获得了一定的成果。隧道围岩分级是为了解决坑道支护这个目的而建立起来的，即坑道开挖后是否需要支护、采用什么类型的支护结构、如何支护等。而坑道支护与坑道开挖后的稳定性有直接的关系。因此，隧道围岩分级的基础条件是坑道开挖后的稳定性。根据坑道开挖实践，坑道开挖后的稳定性大体上可分为以下几类：z充分稳定的。坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。z基本稳定的。坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块，但不会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的，层间结合差的平缓岩层顶板可能弯曲、断裂。此时应采取局部支护或轻型的支护。z暂时稳定的。大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同程度的坍塌现象，坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。在外界（如爆破、重新更换支撑等）和内部（如地下水等）条件的影响下，坑道如不及时支护，会进一步丧失稳定。因此，在这种围岩中，必须采取各种类型的支护措施。z不稳定的。坑道在不支护条件下是难以开挖的，随挖随坍，常常要先支后挖，坑道的坍塌发生迅速、影响范围大，有时可坍塌到地表，或在地面形成塌盆地。在有水的情况下，土体流动造成极大的荷载。在这种情况下，需要采取专门的支护措施和施工方法来保证坑道的稳定。由此可见，坑道围岩稳定性的不同，采取的施工方法和支护措施也是不同的。因此，按坑道围岩稳定性大致相同的围岩工程地质条件并结合工程实践进行围岩分级是有可能的，也是有根据的。目前国内外隧道围岩分类的方法很多，它们所采用的分类指标也是各式各样的，但都是在隧道工程实践的基础上逐步发展起来的。随着人们对隧道工程、地质环境以及这两者间相互关系的了解，围岩分类方法亦在不断地深化和提高。按发展过程来看，大体上有以下几种类型：2.1.1以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法在隧道工程的初期，由于对隧道工程与地质条件的关系认识不充分，加之缺乏有效的地质勘察手段，围岩分级也多单纯地以岩石作为分级指标。例如我国解放前及解放初期采用的“土石分类法”，根据岩石强度将围岩分为坚石、次坚石、松石及土四类。分级中除了考虑岩石的极限抗压强度外，还引进了岩石的平均容重。我国在修建成渝线时就采用了这类分类方法。当时的认识是：坑道开挖后，它的稳定性主要取决于岩石的强度，岩石越坚硬，坑道越稳定，反之，岩石越松软，坑道稳定性就越差。实践证明，这种认识以及建立在这种认识基础上的围岩分级是不全面的，在某些情况下还会导致错误的结论。例如我国西部的老黄土，在无水条件下，其直立性很强，坑道开挖后的稳定性是相当高的，有些黄土人工洞室在无支护的情况下可维持几十年之久而不破坏，但抗压强度较低，只有十分之几兆帕，如果单纯从抗压强度的角度出发，必然导致采用强力支护的措施。再者，在岩性相同的条件下，坑道的稳定性与岩体的破碎程度或地质构造因素有极其密切的关系，在岩石强度虽高但岩体破碎的情况下，坑道也是不稳定的。因此，这种单纯以岩石强度为基础的分级方法，并没有得到进一步的发展。在这种分级方法中，具有代表性的是前苏联普落托奇雅柯诺夫(M.JipoctonbnMonos)教授提出的“岩石坚固系数”分级法(或称“f”值分级法，或普氏分级法)。这种分级方法在我国的隧道工程中得到了广泛的应用。岩石的坚固系数f值表示岩石在开挖时的相对坚固性，如人工破碎岩石时的抗破碎性、机械钻眼时的抗钻性、对炸药的抗爆性、开挖坑道时围岩作用在支护结构上的压力值等等。因此，f值实际上是一个综合的物性指标。在大多数岩石中，这些物性值(抗钻性、抗爆性、强度…)相互是有联系的，即强度大的，其抗钻性和抗爆性也高，反之亦然。应该说，f值能反映岩石各方面的性能。但从确定f值的主要方法来看，即f岩石=1100Rb(Rb—岩石单轴抗压强度)，它仍是属于以岩石强度为单一岩性指标的分类法。我国工程部门在将f值分级法应用到隧道工程的设计、施工时，已注意到必须考虑岩体的地质构造、风化程度、地下水状况等多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的f值适当降低，即f岩体=K⋅f岩石(2-1)式中f岩石值是由岩石强度决定的，K是考虑地质条件的折减系数，一般情况下，K＜1.0。按这种方法确定的f值应该称为岩体的坚固系数f岩体，而不再是岩石的坚固系数f岩石了。当然，K值的确定主要是凭工程师的经验。我国铁路隧道设计、施工实践中所采用的f值，实质上就是岩体坚固性系数。根据不同f岩体值，岩体的状态见表2-1。表2-1岩体坚固性系数分级容重γ岩体坚固内摩擦围岩地质特征岩层名称性系数f(kN/m3)角ϕ坚硬、密实、稳固、无裂隙和很坚硬的花岗岩和石英岩，最坚硬≥1526～30-未风化的岩层的砂岩和石灰岩坚硬、密实、稳固，岩层有很坚硬的砂岩、石灰岩、大理岩、白≥82580°小裂缝云岩、黄铁矿，不坚硬的花岗岩相当坚硬的、较密实的、稍有6普通砂岩、铁矿24～2575°风化的岩层较坚硬的、较密实的、稍有风5砂质片岩、片状砂岩24～2573°化的岩层较坚硬的、岩层可能沿层面或坚硬的粘土岩、不坚硬的石灰岩、4节理脱落的岩层，已受风化的25～2870°砂岩、砾岩岩层不坚硬的片岩，密实的泥灰岩，坚3中等坚硬的岩层2570°硬胶结的粘土软片岩、软石灰岩、冻结土、普通2较软岩石2465°泥灰岩、破碎砂岩、胶结的卵石碎石土壤、破碎片石、硬化粘土、1.5较软或破碎的地层18～2060°硬煤、粘结的卵石和碎石密实粘土、坚硬的冲积土、粘土质1.0较软或破碎的地层1845°土壤、掺砂土、普通煤湿沙、粘砂土、种植土、泥灰、软0.6颗粒状的和松软的地层15～1630°砂粘土这里，围岩分级中引进了岩体的概念。这是对隧道工程与地质条件正确认识的一个反映。实质上，巷道的稳定多数情况下是取决于岩体的稳定性的。因此，围岩分级的进一步发展，大多数是以岩体的工程地质条件为基础的。2.1.2以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法早期提出的太沙基分级法是这类分级方法的代表，曾长期被世界各国所采用。泰沙基分级法是以坑道支护所需的地压值为对象的，它把不同岩性、不同构造条件的围岩分为9级，每级围岩都有一个相应的地压范围值和支护措施建议。在分级时是以坑道有水为基础的，当确认无水时，4～7级围岩所对应的地压值应降低50%。60年代，我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分级法”，并于1975年经修正后被我国“铁路工程技术 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 (隧道)”所采用。该分级法将隧道围岩分为6级(表2-2)。这类方法的优点是正确地考虑了地质构造特征、风化状况、地下水情况等多种因素对隧道围岩稳定性的影响，并建议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法。此外，这种分级法最早考虑了埋深对围岩级别的影响。其缺点是分类指标还缺乏定量描述，没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法，在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定。表2-2岩体综合分级围岩主要工程地质特征围岩开挖后类结构特征和的稳定状态别主要工程地质特征完整状态(单线)硬质岩石(饱和抗压极限强度R＞60MPa)，受地质围岩稳定无坍b呈巨块状整体Ⅵ塌，可能产生构造影响轻微，节理不发育，无软弱面(或夹层)，结构岩爆。层状岩层为厚层，层间结合良好。硬质岩石(R＞30MPa)，受地质构造影响较重，节b长时间暴露可理较发育，有少量软弱面(或夹层)和贯通微张节理，呈大块状砌体能会出现局部但其产状及组合关系不致产生滑动，层状岩层为中结构小坍塌，侧壁Ⅴ层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象，或为稳定，层间结硬质岩石偶夹软质岩石。合差的平缓岩层，顶板易塌软质岩石(R≈30MPa)，受地质构造影响轻微，节理呈巨块状整体b落。结构不发育，层状岩层为厚层，层间结合良好。硬质岩石(R＞30MPa)，受地质构造影响严重，节b拱部无支护时呈块(石)碎(石)理发育，有层状软弱面(或夹层)，但其产状及组合可产生小坍状镶嵌结构关系尚不致产生滑动，层状岩层为薄层或中层，层塌，侧壁基本Ⅳ间结合差，多有分离现象，或为硬、软质岩石互层。稳定，爆破震动过大易坍软质岩石(R≈30MPa)，受地质构造影响轻微，节理呈大块状砌体b塌。结构不发育，层状岩层为厚层，层间结合良好。硬质岩石(Rb＞30MPa)，受地质构造影响很严重，呈碎石状压碎结构节理很发育，层状软弱面(或夹层)，已基本破坏。拱部无支护时软质岩石(R=5～30MPa)，受地质构造影响严重，呈块(石)碎(石)b可产生较大坍Ⅲ状镶嵌结构节理发育。塌，侧壁有时①、②呈大块状失去稳定。土：①略具压密或成岩作用的粘性土及砂类土；②压密结构；③呈黄土(Q，Q)；③一般钙质、铁质胶结的碎、卵石12巨块状整体结土、大块石土。构石质围岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂乱，呈呈角(砾)碎(石)围岩易坍塌，石夹土或土夹石状。状松散结构处理不当会产生大坍塌，侧非粘性土呈松壁经常小坍Ⅱ一般第四系的半干硬～硬塑的粘性土及稍湿至潮湿散结构，粘性土塌，浅埋时易的一般碎、卵石土、圆砾及黄土(Q3，Q4)。及黄土呈松软出现地表下沉结构。(陷)或塌至地表。石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内，呈角砾、砂、呈泥砂角砾状围岩极易坍塌泥松软体。松软结构。变形，有水时粘性土呈易蠕土砂常与水一Ⅰ动的松软结构，齐涌出，浅埋软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等。砂性土呈潮湿时易塌至地松散结构。表。2.1.3与地质勘探手段相联系的分级方法随着工程地质勘探方法，尤其是物探方法的进展，用弹性波速度进行围岩分级的探讨，在日本获得了一定的成果。1970年前后，日本提出按弹性波速度进行围岩分级的方法。围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既可以反映岩石软硬，又可以表达岩体结构的破碎程度。因此，在弹性波速度基础上，综合考虑与隧道开挖及土压有关的因素(岩性、风化程度、破碎状态、含水及涌水状态等)，将围岩分为7级。我国1986年施行的“铁路隧道设计规范”中将弹性波(纵波)速度引入隧道围岩分级中，将围岩分为6级(表2-3)。表2-3弹性波(纵波)速度分级围岩类别ⅥⅤⅣⅢⅡⅠ弹性波速＜1.0＞4.53.5～4.52.5～4.01.5～3.01.0～2.0(km/s)(饱和土＜1.5)把地质勘察手段与围岩分类联系起来，这在分类上是一个重要进展。这方面除了用弹性波速度外，还有用钻探时的岩心复原率(或称岩芯采取率)的分级方法。美国伊利诺斯大学狄丽等人提出的采用所谓“岩石质量指标”(RQD)就是一例。狄丽指出，岩心的采取状态(采用率)、岩心的平均长度、最大长度等受到原始裂隙、硬度、均质性等状态所支配。因此，岩心采取率是可以表达岩体质量的。同时指出，岩体质量好坏主要决定于小于10cm以下的细小岩块状态。因此，岩心复原率是以单位长度钻孔中10cm以上的岩心占有比例来判断的，即10cm以上岩心累计长度RQD(%)=×100(2-2)钻孔长度该分级法将围岩分为5级：RQD＞90％即为优质的；75％＜RQD＜90％为良好的；50％＜RQD＜75％为好的；25％＜RQD＜50％为差的；RQD＜25％为很差的。分级也给出相应的地压值及可采取的支护系统。同时指出，在采用掘进机掘进时地压值可适当降低(约减小20％)。上述分类大体上可以说是半定量的，但是综合的。它把岩体的很多错综复杂的因素，统统用一个指标表达，难免给判断带来一定的“主观性”。例如弹性波速度低，就可能有几种情况：(1)岩体完整，但岩质松软；(2)岩质坚硬，但岩体破碎；(3)出现于地形上局部高低差显著的谷部等。因而在判断上还要借助于其他条件，如地质测绘、岩性等手段或资料。因此，考虑多种因素并给予一定的定量分析和定性描述的分级方法，最近得到了一些发展。2.1.4以多种因素进行组合的分级方法这种分级法认为，评价一种岩体的好坏，既要考虑地质构造、岩性、岩石强度，还要考虑施工因素，如掘进方向与岩层之间的关系、开挖断面的大小等，因此就需要建立在多种因素的分析基础之上。在这类分级法中，比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量—Q”分级法。Q与六个表明岩体质量的地质参数有关，表达如下：RQDJJQ=⋅r⋅w(2-3)JhJaSRF式中RQD是岩石质量指标，其取值方法见式(2-3)；Jh是节理组数，岩体愈破碎，Jh取值愈大，例如，整体没有或很少有节理的岩体，Jh＝0.5～1.0，两个节理组时，Jh＝4，破碎岩体，类似土的Jh＝20等等；Jr节理粗糙度，节理愈光滑，Jr取值愈小，例如，不连续节理，Jr=4，平整光滑的，Jr=0.5等等；Ja为节理蚀变值，蚀变愈严重，Ja取值愈大。例如，节理面紧密结合，夹有坚硬不软化的充填物时，Ja＝0.75，节理中夹有膨胀性粘土，如蒙脱土时，Ja＝8～12等等；Jw节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，Jw取值愈小。例如，干燥或微量渗水，水压＜0.1MPa时，Jw＝1.0，而渗水量特别大，或水压特别高，持续无明显衰减的Jw＝0.1～0.05等等；SRF为应力折减系数，围岩初始应力愈高，SRF取值愈大。例如，脆性而坚硬的岩石，有严重岩爆现象时，SRF＝10～20；坚硬岩石有单一剪切带的，SRF＝2.5。进一步分析可以发现，达六个地质参数可以表达出岩体的①岩块大小(RQDJh)、②岩块间的抗剪强度(JrJa)、③作用应力(JwSRF)。所以说，岩体质量Q实际上是岩块尺寸、抗剪强度、作用应力的复合指标。根据不同的Q值，将岩体质量评为九等，详见表2-4。表2-4岩体质量评估岩体特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏质量400～100～0.01～0.001～Q40～10010～404～101～40.1～110004000.10.01考虑多种因素组合的分级是以大量实践资料为基础的，它同时引进了岩体的动态分析，故对判断隧道围岩的稳定性是比较合理和可靠的，也具有一定的理论意义，是围岩分级研究中一个有发展前途的方法。但分级还没有与有关的地质测试手段联系起来，因而在确定各项指标时，有的是通过试验或现场实测确定的，有的主要是凭经验决定，带有一定的主观因素。2.1.5以工程对象为代表的分级法这类分级法如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的围岩分级法(1979年)、苏联在巴库修建地下铁道时所采用的围岩分级法(1966年)等，优点是目的明确，而且和支护尺寸直接挂钩，因此，使用方便，对指导施工很起作用。但分类指标以定性描述为主，带有很大的人为因素。由上述可知，隧道围岩分级方法有简有繁，并无统一格式。目前，国内外许多学者都认为，隧道围岩分级的详细程度，在工程建设的不同阶段可以有所不同。在工程规划和初步设计阶段的围岩分级，可以定性评价为主，判别的依据主要来源于地表的地质测绘以及部分的勘探工作。在工程的技术设计和施工设计阶段，围岩分级是为专门目的服务的，如为支护结构设计服务的围岩分级，为钻爆工作服务的围岩分类等。围岩类别除了取决于地质条件外，还应和工程尺度、形状、施工工艺技术等条件有关。其判别依据除了地质测绘资料外，更重要的是详细勘探(包括钻探、坑探、物探等)资料和岩石(体)的室内和现场试验数据。这一阶段的分类指标应该是半定量的或定量的。在施工阶段，应利用各种量测和观测到的实际资料对围岩分类进行补充修正，此时的分类仍属第二阶段的详细分类，但数据则是岩体暴露后的实际值。2.1.6我国现行铁路隧道围岩分级经过长期工程实践，发现主要反映岩石强度的f值分级法不能全面地反映隧道围岩的稳定特征和状态。所以，在1975年铁道部颁布了以围岩结构特征和完整状态为分类基础的新的铁路隧道围岩稳定性分级法，它总结了我国建国以来在修建铁路隧道中使用f值分级法所积累的经验，并参考了国内外有关围岩分级成果。它的出现引起了各方面的重视，国内许多部门针对本部门地下工程的特点，也相继采用了类似的分类方法。说明了这种分类法的原则、方法和内容是正确的，是有发展前途的，也是与当前国际上围岩分类的趋势相适应的。80年代以来又对铁路隧道围岩分级法做了补充和修正，1986年颁布了修正 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。1999年的“铁路隧道设计规范(TB10003-99)”中采用了国家标准的分级排序，并将原围岩分类改称为围岩分级，同时充实了施工阶段围岩分级的评定方法。2001年，又将围岩分级的部分内容与“铁路工程地质勘察规范”进行了协调修改，颁布了新的隧道围岩分级方案。下面对这一新的隧道围岩分级作一介绍。1.围岩分级的基本因素及围岩基本分级（1）围岩分级的基本因素围岩基本分级应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素确定。岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分和定量指标两种方法确定。岩石坚硬程度划分为极硬岩、硬岩、较软岩、软岩和极软岩等5类(表2-5)，岩体完整程度划分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎等5类(表2-6)。表2-5岩石坚硬程度的划分单轴饱和抗压极限强度岩石类别代表性岩石Rb(MPa)花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩；硬极硬岩＞60硅岩、钙质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩质等沉积岩；岩硬岩30～60片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩较软岩～凝灰岩等喷出岩；软1530砂砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、炭质页岩、泥灰质软岩5～15岩、泥岩、煤等沉积岩；岩极软岩＜15云母片石或千枚岩等变质岩表2-6岩体完整程度完整程度结构面特征结构类型岩体完整性指数Kv结构面1～2组，以构造型节理或层完整巨块状整体结构K＞0.75面为主，密闭型v结构面2～3组，以构造型节理、层较完整面为主，裂隙多呈密闭型，部分为块状结构0.75≥Kv＞0.55微张型，少有充填物结构面一般为3组，以节理及风化裂隙为主，在断层附近受构造影响层状结构、较破碎0.55≥K＞0.35较大，裂隙以微张型和张开型为主，块石碎石结构v多有充填物结构面大于3组，多以风化型裂隙为主，在断层附近受构造作用影响破碎碎石角砾状结构0.35≥K＞0.15大，裂隙以张开型为主，多有充填v物结构面杂乱无序，在断层附近受断极破碎层作用影响大，宽张裂隙全为泥质散体状结构Kv≤0.15或泥夹岩屑充填，充填物厚度大（2）围岩基本分级根据岩石坚硬程度和岩体完整程度将围岩分为6级(表2-7)。表2-7围岩基本分级围岩围岩弹性纵波岩体特征土体特征级别速度(km/s)Ⅰ极硬岩，岩体完整-＞4.5极硬岩，岩体较完整；Ⅱ-3.5～4.5硬岩，岩体完整极硬岩，岩体较破碎；Ⅲ硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；-2.5～4.0较软岩，岩体完整极硬岩，岩体破碎；具压密或成岩作用的粘性土、硬岩，岩体较破碎或破碎；粉土及砂类土，一般钙质、铁Ⅳ较软岩或软硬岩互层，且以软岩为1.5～3.0质胶结的碎(卵)石土、大块石主，岩体较完整或较破碎；土，黄土(Q1、Q2)软岩，岩体完整或较完整一般第四系坚硬、硬塑粘性软岩，岩体破碎至极破碎；土，稍密及以上、稍湿、潮湿Ⅴ全部极软岩及全部极破碎岩(包括1.0～2.0的碎(卵)石土、圆砾土、角砾受构造影响严重的破碎带)土、粉土及黄土(Q3、Q4)受构造影响很严重呈碎石、角砾及软塑状粘性土、饱和的粉土、＜1.0(饱和状Ⅵ粉末、泥土状的断层带砂类土等态的土＜1.5)2.围岩分级的影响因素及分级的修正在围岩基本分级的基础上，结合考虑隧道工程的特点，考虑地下水状态、初始应力状态等必要的因素进行修正。（1）地下水隧道施工的大量实践证明，水是造成施工坍方、使坑道围岩丧失稳定的重要原因之一。在不同的围岩中水的影响是很不相同的。归纳有：①使岩质软化，强度降低，对软岩尤为明显，对土体则可促使其液化或流动；②在有软弱结构面的围岩中，会冲走充填物或使夹层液化，减少层间摩阻力促使岩块滑动；③在某些围岩中，如石膏、岩盐和蒙脱石为主的粘土岩中，遇水后产生膨胀，在未胶结或弱胶结的砂岩中可产生流砂和潜蚀。因此，在隧道围岩分级中水的影响是不容忽视的，在同级围岩中，遇水后则适当降低围岩级别。降低的幅度主要视：①围岩的岩性及结构面的状态；②地下水的性质、大小、流通条件及对围岩浸润状况和危害程度而定。本围岩分级中关于地下水影响的修正参照表2-8和表2-9。表2-8地下水状态的分级级别状态渗水量[L/(min·10m)]Ⅰ干燥或湿润＜10Ⅱ偶有渗水10～25Ⅲ经常渗水25～125表2-9地下水影响的修正围岩级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ地下水状态级别ⅠⅠⅡⅢⅣⅤ-ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ-ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ-（2）初始应力场围岩的初始应力状态对岩体的构造一力学特征是有一定影响的。因此，围岩分级中考虑了初始应力状态的影响，将初始应力场采取修正系数的方法，对围岩级别予以降级(表2-10和表2-11)。表2-10初始地应力状态评估评估基准初始地应主要现象力状态(Rbσmax)硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差极高应力＜4软质岩：岩心常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差高应力4～7软质岩：岩心时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差表2-11初始地应力影响的修正围岩级别ⅠⅡⅢⅣⅤ初始地应力状态极高应力ⅠⅡⅢ或ⅣⅤⅥ高应力ⅠⅡⅢⅣ或ⅤⅥ另外，若隧道洞身埋藏较浅，应根据围岩受地表的影响情况进行修正。当围岩为风化层时应按风化层的围岩围岩基本分级考虑；当围岩仅受地表影响时，应较相应的围岩降低1～2级。2.2计算模型2.2.1常用的设计模型国际隧道协会在1987年成立了隧道结构设计模型研究组，收集和汇总了各会员国目前采用的地下结构设计方法，经过总结，国际隧道协会认为，目前采用的地下结构设计方法可以归纳为以下四种设计模型：①以参照过去隧道工程实践经验进行工程类比为主的经验设计法；②以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，例如以洞周位量测值为根据的收敛－约束法；③作用与反作用模型，即荷载—结构模型，例如弹性地基圆环计算和弹性地基框架计算等计算法；④连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。各种设计模型或方法各有其适用的场合，也各有自身的局限性。由于地下结构的设计受到各种复杂因素的影响，因此经验设计法往往占据一定的位置。即使内力分析采用了比较严密的理论，其计算结果往往也需要用经验类比来加以判断和补充。以测试为主的实用设计方法常为现场人员所欢迎，因为它能提供直觉的材料，以更确切地估计地层和地下结构的稳定性和安全程度。理论计算法可用于进行无经验可循的新型工程设计，因而基于作用与反作用模型和连续介质模型的计算理论成为一种特定的计算手段愈益为人们所重视。当然，工程技术人员在设计地下结构时，往往要同时进行多种设计方法的比较，以作出较为经济合理的设计。从各国的地下结构设计实践看，目前在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算模型：第一类模型是以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载主要来源，同时考虑其对支护结构的变形起约束作用；第二类模型则相反，是以围岩为承载主体，支护结构则约束和限制围岩向隧道内变形。第一类模型又称为传统的结构力学模型。它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，故又可称为荷载—结构模型(图2-1a)。在这类模型中隧道支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接地考虑。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支承约束支护结构变形的抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就变小了。这一类计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩“松动”压力的情况。所以说，利用这类模型进行隧道支护结构设计的关键问题，是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的是围岩所产生的松动压力，以及弹性支承结支护结构的弹性抗力。一旦这两个问题解决了，剩下的就只是运用普通结构力学方法求出超静定体系的内力和位移了。由于这个模型概念清晰，计算简便，易于被工程师们所接受，故至今仍很通用，尤其是对模注衬砌。属于这一类模型的计算方法有：弹性连续框架(含拱形)法，假定抗力法和弹性地基梁(含曲梁和圆环)法等。当软弱地层对结构变形的约束能力较差时(或衬砌与地层间的空隙回填、灌浆不密实时)，地下结构内力计算常用弹性连续框架法，反之，可用假定抗力法或弹性地基法。弹性连续框架法即为进行地面结构内力计算时的力法与变形法，假定抗力法和弹性地基梁法则已形成了一些经典计算方法。经典计算方法按所采用的地层变形理论不同，荷载结构法又可区分为两类：局部变形理论计算法和共同变形理论计算法。图2-1隧道计算模型第二类模型又称为现代的岩体力学模型。它是将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为地层－结构模型或整体复合模型(图2-1b)。在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，这一点正好和第一类模型相反。复合整体模型是目前隧道结构体系设计中力求采用的或正在发展的模型，因为它符合当前的施工技术水平，采用快速和早强的支护技术可以限制围岩的变形，从而阻止围岩松动压力的产生。在围岩—结构模型中可以考虑各种几何形状、围岩和支护材料的非线性特性、开挖面空间效应所形成的三维状态以及地质中不连续面等等。在这个模型中有些问题是可以用解析法求解，或用收敛—约束法图解，但绝大部分问题，因数学上的困难必须依赖数值方法，尤其是有限单元法。利用这个模型进行隧道结构体系设计的关键问题，是如何确定围岩的初始应力场以及表示材料非线性特性的各种参数及其变化情况。2.2.2荷载－结构计算模型“荷载－结构”模式的思想是：支护结构承受围岩产生的荷载，围岩约束支护结构的变形而产生被动抗力。我国应用这一理论模式设计了几千座隧道，在结构设计方面未发生重大问题。在施工中常会发生顶部塌方，说明松弛荷载是客观存在的，因此，“荷载－结构”模式大体上能反映衬砌受力的客观实际。当前，多数中、小隧道的施工条件还未发生根本变化，传统矿山法仍在大量采用。因此，按“荷载－结构”模式来分析模注衬砌的结构可靠度具有重要的现实意义，并且可为应用该模式进行基于可靠度理论的隧道设计规范修订提供理论依据。由于隧道衬砌多为曲墙式，而且所受荷载十分复杂，因此，不易用解析的方法得到衬砌各个截面的荷载效应，一般情况下都要用数值法进行求解。按“荷载－结构”模式分析衬砌荷载效应的计算模型如图2-2所示。衬砌顶部作用着竖向围岩松弛荷载，其荷载形式可能是均匀分布、梯形分布或马鞍形分布。衬砌的两侧作用水平荷载，其荷载形式一般是均匀分布或梯形分布。在竖向荷载和水平荷载的作用下，衬砌将发生变形，若衬砌变形朝向围岩则围岩约束衬砌的变形而产生弹性抗力，这种弹性抗力在计算模型中以弹簧代替。弹簧的布置方式可以有两种：一种是水平布置;另一种是径向布置。具体方法是:第一次计算时，在每个节点处都设置弹簧，若计算发现某个节点向洞内变形，则取消该节点的弹簧再进行计算，如此反复，直到所有设置弹簧的节点都朝向围岩变形为止。另外，在墙脚节点处设置水平刚性连杆和竖向弹簧，并且计算中不考虑仰拱的影响。以此计算模型进行有限元离散后得到衬砌的梁单元和模拟弹性抗力的弹簧单元。图2-2衬砌结构计算简图2.2.3地层-结构计算模型地层-结构模型主要用于隧道喷锚、复合式衬砌的计算分析。采用喷锚、复合衬砌的出发点是要充分发挥和利用围岩的自承能力;及时施作柔性密贴的喷锚支护，与围岩形成整体共同受力的统一体系：用二次衬砌加强支护体系，进一步约束围岩变形，共同承受地层形变或松散压力，复合式衬砌在我国的隧道工程中占有重要的地位，复合式衬砌的出发点是要充分发挥和利用围岩的自承能力，及时施作柔性密贴的喷锚支护，使它与围岩形成整体共同受力的统一体系，用二次衬砌加强支护体系，进一步约束围岩变形，共同承受地层流变或松散压力。在定值设计法中，用现有的连续介质计算模式，弹塑性或粘弹塑性本构关系，二维或三维有限元数值方法相结合能较好地体现出上述指导思想，在铁路设计规范中明确规定喷锚、复合衬砌“可采用弹塑性数值法或近似解析法进行计算，并结合工程类比法和监控量测法进行修正”。2.2.4ABAQUS在隧道计算模型中的应用本节采用ABAQUS软件对于圆形隧道的衬砌受力和变形分别采用荷载－结构法和地层－结构法进行计算分析。1．荷载－结构法模型介绍：如图2-3：计算中，隧道的地面荷载取为20kN/m3，隧道埋深9.0m，容重为20kN/m3，侧压力系数取0.3，围岩弹性抗力系数30MPa/m。隧道内径为8m，衬砌厚度30cm，衬砌的容重为25kN/m3。图2-3荷载－结构模型力学模式计算模拟：隧道衬砌采用梁单元模拟，围岩与衬砌之间采用弹簧模拟，弹簧的刚度可根据弹性抗力系数换算求得。弹簧不与衬砌相连的节点二维X、Y方向自由度约束，衬砌的受力采用节点力施加。计算模型如图2-4：图2-4计算模型1）节点、单元定义*Node1,3.86370325,1.035276172,4.82962894,1.294095283,4.,0.4,3.46410155,2.5,5.,0.6,2.82842708,2.828427087,3.86370325,-1.035276178,2.,3.464101559,4.33012724,2.510,4.82962894,-1.2940952811,1.03527617,3.8637032512,3.53553391,3.5355339113,3.46410155,-2.14,0.,4.15,2.5,4.3301272416,4.33012724,-2.517,0.,5.18,1.29409528,4.82962894……………………………………………………………………………………144,-1.23606801,-3.80422616弹簧单元采用SPRINGA单元定义：*Element,type=SPRINGA,elset=spring1,2,112,5,328,9,429,10,735,12,646,15,847,16,1348,17,1449,18,1160,21,1976,25,2077,26,2383,28,2294,31,2495,32,29101,34,27112,37,30113,38,35119,40,33130,43,36131,44,41137,46,39143,47,42144,48,45衬砌单元采用梁单元定义：*Element,type=B212,3,493,49,504,50,515,51,526,52,17,1,538,53,549,54,5510,55,5611,56,413,4,5714,57,5815,58,5916,59,6017,60,618,7,6119,61,6220,62,6321,63,6422,64,3……………………………………142,144,41*********************************************2）材料定义弹簧单元：*Spring,elset=spring<此处空格>31.4e6梁单元：*BeamSection,elset=chenqi,material=guanpian,section=RECT1.0,0.30.0,0.0,-1.0*MATERIAL,NAME=liner*DENSITY2500*ELASTIC,TYPE=ISOTROPIC34.5E9,0.23）边界约束条件对不与衬砌相连的弹簧节点1、2方向自由度约束，另将衬砌水平和竖直共四个对称点进行单自由度约束。*boundarySet-bound,1,633,23,214,135,14）荷载施加衬砌上半部分竖直荷载：*CLOAD***UPLOADFORVERTICAL1,2,-14055.602173,2,04,2,-25132.728796,2,-33089.290558,2,-38219.9807111,2,-41012.0373314,2,-41887.8666720,2,-41012.0373322,2,-38219.9807124,2,-33089.2905527,2,-25132.7287930,2,-14055.6021733,2,049,2,-3023.24603450,2,-5946.79241451,2,-8763.7698952,2,-11468.2928453,2,-16521.7199654,2,-18863.9429755,2,-21080.4198156,2,-23169.9750657,2,-26969.2045658,2,-28680.7202859,2,-30269.4815760,2,-31737.943465,2,-34326.9990766,2,-35454.8160867,2,-36476.8149568,2,-37397.1107269,2,-38949.5231570,2,-39589.7843271,2,-40144.6565872,2,-40617.6294277,2,-41330.6563578,2,-41575.914379,2,-41749.6742280,2,-41853.3838585,2,-41853.3838586,2,-41749.6742287,2,-41575.914388,2,-41330.6563589,2,-40617.6294290,2,-40144.6565891,2,-39589.7843292,2,-38949.5231597,2,-37397.1107298,2,-36476.8149599,2,-35454.81608100,2,-34326.99907101,2,-31737.9434102,2,-30269.48157103,2,-28680.72028104,2,-26969.20456109,2,-23169.97506110,2,-21080.41981111,2,-18863.94297112,2,-16521.71996113,2,-11468.29284114,2,-8763.76989115,2,-5946.792414116,2,-3023.246034衬砌下半部分竖直荷载：*CLOAD***DOWNLOADFORVERTICAL3,2,07,2,15380.0446913,2,27691.345319,2,36707.7194523,2,42651.6324329,2,45954.9016433,2,035,2,47005.097936,2,15380.0446939,2,27691.345341,2,45954.9016442,2,36707.7194545,2,42651.6324361,2,12532.2254362,2,9564.2820663,2,6481.68859564,2,3291.06132373,2,25493.1453774,2,23161.789875,2,20697.7933676,2,18103.0322481,2,35162.0372882,2,33489.8607283,2,31688.5512684,2,29756.2532493,2,41688.7788394,2,40616.7434995,2,39431.650796,2,38129.84493105,2,45484.40525106,2,44922.00398107,2,44264.60565108,2,43509.01163117,2,46963.60209118,2,46838.87274119,2,46630.14379120,2,46336.06372121,2,3291.061323122,2,6481.688595123,2,9564.28206124,2,12532.22543125,2,18103.03224126,2,20697.79336127,2,23161.7898128,2,25493.14537129,2,46336.06372130,2,46630.14379131,2,46838.87274132,2,46963.60209133,2,29756.25324134,2,31688.55126135,2,33489.86072136,2,35162.03728137,2,38129.84493138,2,39431.6507139,2,40616.74349140,2,41688.77883141,2,43509.01163142,2,44264.60565143,2,44922.00398144,2,45484.40525衬砌左侧水平荷载：*CLOAD*****LEFTLOADFORHORIZON14,1,020,1,3296.75766822,1,6619.89793124,1,9926.78716427,1,13059.3428730,1,15736.7949133,1,17592.90435,1,036,1,18250.0754139,1,17412.4571641,1,5810.03817642,1,14953.3362745,1,10973.0122285,1,658.033114586,1,1316.41993787,1,1975.49549888,1,2635.53168389,1,3959.24272790,1,4623.0232791,1,5287.96607792,1,5953.71891397,1,7285.80814398,1,7950.57882499,1,8613.228493100,1,9272.440058101,1,10574.57921102,1,11213.90211103,1,11842.69994104,1,12458.64945109,1,13642.1209110,1,14204.18239111,1,14742.68722112,1,15254.57848113,1,17552.56107114,1,17560.18807115,1,17569.95915116,1,17581.11389121,1,17581.11389122,1,17569.95915123,1,17560.18807124,1,17552.56107125,1,18209.11158126,1,18106.09778127,1,17939.63881128,1,17708.67778129,1,4680.011864130,1,3528.783323131,1,2361.497569132,1,1183.450473133,1,17050.63069134,1,16623.22706135,1,16130.59981136,1,15573.5853137,1,14271.44615138,1,13529.92619139,1,12731.10594140,1,11877.78938141,1,10020.2758142,1,9023.422499143,1,7986.43383144,1,6913.775825衬砌右侧水平荷载：*CLOAD*****RIGHTLOADFORHORIZON1,1,-15736.794913,1,-17592.9044,1,-13059.342876,1,-9926.7871647,1,-18250.075418,1,-6619.89793111,1,-3296.75766813,1,-17412.4571614,1,-019,1,-14953.3362723,1,-10973.0122229,1,-5810.03817635,1,-049,1,-17306.0848450,1,-16973.9894651,1,-16599.6617952,1,-16186.2164653,1,-15254.5784854,1,-14742.6872255,1,-14204.1823956,1,-13642.120957,1,-12458.6494558,1,-11842.6999459,1,-11213.9021160,1,-10574.5792161,1,-18230.6966462,1,-18152.9496163,1,-18019.067164,1,-17831.502265,1,-9272.44005866,1,-8613.22849367,1,-7950.57882468,1,-7285.80814369,1,-5953.71891370,1,-5287.96607771,1,-4623.0232772,1,-3959.24272773,1,-17708.6777874,1,-17939.6388175,1,-18106.0977876,1,-18209.1115877,1,-2635.53168378,1,-1975.49549879,1,-1316.41993780,1,-658.033114581,1,-15573.585382,1,-16130.5998183,1,-16623.2270684,1,-17050.6306993,1,-11877.7893894,1,-12731.1059495,1,-13529.9261996,1,-14271.44615105,1,-6913.775825106,1,-7986.43383107,1,-9023.422499108,1,-10020.2758117,1,-1183.450473118,1,-2361.497569119,1,-3528.783323120,1,-4680.011864*****************************************5）结果分析（1）初次计算结果分析计算结果如图2-5～2-9，衬砌在外界施力后向两侧变形，上下拱受到挤压变形，与此同时，弹簧上下部分受拉，两侧受压。因此需去除受拉弹簧单元，重新计算。图2-5衬砌第一次变形图图2-6衬砌轴应力分布图图2-7轴力分布云图图2-8衬砌弯矩分布图图2-9弹簧轴向受力分布图（2）去除受拉弹簧后计算结果在ABAQUS中，去除受拉弹簧采用*modelchange实现。首先定义受拉弹簧的单元集合，见指令：*elset,elset=springkill35,46,49,48,76,83,94,143,144,131,113,95,77,60然后在分析步中将其杀死：*modelchange,removeSpringkill重新计算的模型和计算结果为图2-10～2-15：图2-10新的计算模型图2-11变形图/m图2-12衬砌轴应力分布图/MPa图2-13轴力分布云图.图2-14衬砌弯矩分布图/N.m图2-15受压弹簧受力分布图/MPa2.地层－结构法计算模拟：本部分采用地层-结构法计算隧道开挖支护后的衬砌受力和变形情况。模型如图2-16，隧道顶拱距离模型上表面9m，整个模型横向尺寸60m，竖向尺寸46.75m，衬砌采用梁单元模拟。图2-16模型网格图1）节点、单元定义******节点定义*******NODE1,0.0,-0.252,0.0,3.753,-4.0,3.754,-2.65745544,0.7603627445,-30.0,-30.06,0.0,-30.07,-30.0,3.758,0.0,7.759,-3.67022252,5.3404297810,-30.0,16.7511,0.0,16.7512,4.0,3.7513,2.65745544,0.76036274414,30.0,-30.015,30.0,3.7516,3.67022252,5.3404297817,30.0,16.7518,0.0,0.28056454719,0.0,0.78647589720,0.0,1.27836204……………………………………………………………………………………539,4.27109528,15.1863441******围岩体单元定义*******ELEMENT,TYPE=CPE4R1,35,36,172,1682,36,37,171,1723,37,38,170,1714,38,39,169,1705,39,1,18,1696,18,19,179,1697,19,20,180,1798,20,21,181,1809,21,22,182,18110,22,23,183,18211,23,24,184,18312,24,2,25,18413,169,179,185,17014,179,180,186,18515,180,181,187,18616,181,182,188,18717,182,183,189,18818,183,184,190,18919,184,25,26,19020,170,185,191,171……………………………………………………………………………………516,539,167,11,100******衬砌单元定义*******ELEMENT,TYPE=B21,ELSET=LINER517,8,76518,76,77519,77,78520,78,79521,79,80522,80,9523,9,81524,81,82525,82,83526,83,3527,3,30528,30,31529,31,32530,32,33531,33,34532,34,4533,4,35534,35,36535,36,37536,37,38537,38,39538,39,1539,1,106540,106,107541,107,108542,108,109543,109,110544,110,13545,13,111546,111,112547,112,113548,113,114549,114,115550,115,12551,12,145552,145,146553,146,147554,147,16555,16,148556,148,149557,149,150558,150,151559,151,152560,152,8*ncopy,oldset=nodeliner,newset=nodelin