第3章地下建筑結構荷載1地下工程圍巖分級方法2地下建筑結構的荷載2地下建筑結構的荷載2.1荷載分類和組合2.2圍巖壓力2.3彈性抗力A：地下結構所承受的荷載，按其作用特點及使用中可能出現(xiàn)的情況分為以下三類：即永久荷載、可變荷載、偶然荷載2.1

荷載分類和組合2.1.1荷載分類（1）永久（主要）荷載即長期作用的恒載，主要包括：結構自重；回填土重量；圍巖壓力；彈性抗力；靜水壓力（含浮力）；混凝土收縮和徐變影響力、預加應力及設備自重等。地層壓力和結構自重是襯砌承受的主要靜荷載，彈性抗力是地下結構所特有的被動荷載。2.1

荷載分類和組合2.1.1荷載分類（2）可變（附加）荷載分為基本可變荷載和其它可變荷載兩類。

基本可變荷載，即長期的、經常作用的變化荷載，如吊車荷載、設備重量、地下儲油庫的油壓力、車輛、人員等荷重人群荷載等。其它可變荷載，即非經常作用的變化荷載，如溫度變化、施工荷載（施工機具，盾構千斤頂推力，注漿壓力）等。2.1

荷載分類和組合2.1.1荷載分類（3）偶然（特殊）荷載偶然發(fā)生的荷載，如地震力或戰(zhàn)時發(fā)生的武器爆炸沖擊動荷載。2.1

荷載分類和組合2.1.1荷載分類2.1

荷載分類和組合2.1.1荷載分類B：按存在狀態(tài)分為：靜荷載、動荷載、活荷載等

（1）靜荷載：又稱恒載。是指長期作用在結構上且大小、方向和作用點不變的荷載，如結構自重、巖土體壓力、彈性抗力和地下水壓力等；2.1

荷載分類和組合（2）動荷載：要求具有一定防護能力的地下建筑物，需考慮原子武器和常規(guī)武器（炸彈、火箭）爆炸沖擊波壓力荷載，這是瞬時作用的動荷載；在抗震區(qū)進行地下結構設計時，應計算地震波作用下的動荷載作用。2.1.1荷載分類（3）活荷載：指在結構物施工和使用期間可能存在的變動荷載，其大小和作用位置都可能變化。

如地下建筑物內部的樓板地面荷載（人群物件和設備重量）、吊車荷載、落石荷載等。地面附近的堆積物和車輛對地下結構作用的荷載以及施工安裝過程中的臨時性荷載。2.1.1荷載分類2.1

荷載分類和組合（4）其他荷載：使結構產生內力和變形的各種因素中，除有以上主要荷載的作用外，通常還有：混凝土材料收縮（包括早期混凝土的凝縮與日后的干縮）、溫度變化等受到約束而產生的內力。2.1.1荷載分類2.1

荷載分類和組合2.1

荷載分類和組合C：按照荷載的作用模式分為：主動荷載、被動荷載2.1.1荷載分類表2-1公路隧道設計規(guī)范（JTJ026-90）的隧道荷載編號荷載分類荷載名稱1永久荷載（恒載）圍巖壓力2結構自重力3填土壓力4混凝土收縮和徐變影響力5可變荷載基本可變荷載公路車輛荷載、人群荷載6立交公路車輛荷載及其所產生的土壓力7立交鐵路列車活載及其所產生的土壓力8其它可變荷載立交渡槽流水壓力9溫度變化的影響力10凍脹力11偶然荷載落石沖擊力12地震力13施工荷載注：[1]設計隧道結構時，按其可能出現(xiàn)的最不利情況組合。

表2-2鐵隧道設計規(guī)范（TB10003-2001,J117-2001）的隧道作用（荷載）分類編號荷載分類荷載名稱荷載分類1永久作用結構自重恒載主要荷載2結構附加恒載3***圍巖壓力***4土壓力5混凝土收縮和徐變的影響6可變作用列車活載活載7活載所產生的土壓力8公路車輛荷載9沖擊力10渡槽水流壓力（設計渡槽明洞時）11制動力附加荷載12溫度變化的影響13灌漿壓力14凍脹力15施工荷載（施工階段的某些外力）16偶然作用落石沖擊力附加荷載17地震力特殊荷載2.1.2荷載組合將可能同時出現(xiàn)在地下結構上的荷載進行編組在隧道結構上可能同時出現(xiàn)的荷載，應按承載能力和滿足正常使用要求的檢驗分別進行組合，并按最不利組合進行設計。舉例：水工隧洞荷載組合基本荷載：山巖壓力、襯砌自重、正常水位或宣泄設計洪水時的內水壓力和外水壓力。特殊荷載：校核水位時內、外水壓力、灌漿壓力、溫度荷載、地震力、施工荷載等。襯砌計算時常采用下列荷載組合：1、正常運行情況：山巖壓力+襯砌自重+宣泄設計洪水時內水壓力+外水壓力。不同地段巖石情況不同：計彈性抗力VS不考慮彈性抗力溫度荷載:北方考慮VS非寒冷地區(qū)不考慮溫度荷載2、施工、檢修情況：山巖壓力+襯砌自重+可能出3、非常運用情況：山巖壓力+襯砌自重+宣泄校核洪水時的內水壓力+外水壓力。正常運用情況，用以設計襯砌的尺寸和進行配筋，其它情況用來校核。舉例：水工隧洞荷載組合2地下建筑結構的荷載2.1荷載分類和組合2.2圍巖壓力2.3彈性抗力2.2.1圍巖壓力的概念

圍巖壓力：是指圍巖作用在支護結構上的壓力圍巖應力：圍巖所處的應力狀態(tài)圍巖壓力按作用力發(fā)生形態(tài)分為：⑴松散壓力：是指由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護結構的壓力。

⑵形變壓力：是指由于圍巖變形受到與之密貼的支護的抑制，使圍巖與支護結構共同變形，此時圍巖對支護結構施加的接觸壓力。

⑶膨脹壓力：是指由于圍巖膨脹崩解所引起的壓力。

⑷沖擊壓力：是指圍巖中積累了大量的彈性變性能之后，由于隧道的開挖，圍巖的約束被解除，突然施加在支護上的壓力2.2.2圍巖壓力的分類

⑴松散壓力：常通過下列三種情況發(fā)生：

①在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個別松動掉塊的巖石；②在松散軟弱的巖體中，坑道頂部和兩側片幫冒落；③在節(jié)理發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位沿弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞等局部塌落。2.2.2圍巖壓力的分類圍巖松散壓力的產生

⑴隧道開挖后，在圍巖應力重分布過程中，頂板開始沉陷，并出現(xiàn)拉斷裂紋，可視為變形階段；⑵頂板的裂紋繼續(xù)發(fā)展并且張開，由于結構面切割等原因，逐漸轉變?yōu)樗蓜?，可視為松動階段；⑶頂板巖體視其強度的不同而逐步坍塌，可視為坍塌階段；⑷頂板塌落停止，達到新的平衡，此時其界面形成一近似的拱形，可視為成拱階段。2.2.2圍巖壓力的分類⑴隧道的形狀和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，則自然拱越高，圍巖松散壓力也越大；⑵隧道的埋深：實踐證明，只有當隧道埋深超過某一臨界值時，才有可能形成自然拱。習慣上稱這種隧道為深埋隧道，否則為淺埋隧道。由于淺埋隧道不能形成自然拱，所以，它的圍巖壓力的大小與埋置深度直接相關。⑶施工因素：如爆破所產生的震動，常常是引起塌方的重要原因之一，造成圍巖壓力過大，又如分部開挖多次擾動圍巖，也會引起圍巖失穩(wěn)，加大自然拱范圍。

自然拱的范圍的大小除受上述的圍巖地質條件、支護結構架設時間、剛度以及它與圍巖的接觸狀態(tài)外，還取決于以下諸因素：

2.2.2圍巖壓力的分類深埋隧道的自然拱圈2.2.2圍巖壓力的分類淺埋隧道不能形成拱圈圍巖壓力的確定目前常用有下列三種方法：

●直接量測法●經驗法或工程類比法●理論估算法2.2.3圍巖壓力的確定圍巖壓力的確定目前常用有下列三種方法：

●

直接量測法：是一種切合實際的方法，對隧道工程而言，也是研究發(fā)展的方向；但由于受量測設備和技術水平的制約，目前還不能普遍常用。

●

經驗法或工程類比法：

是根據(jù)大量以前工程的實際資料的統(tǒng)計和總結，按不同圍巖分級提出圍巖壓力的經驗數(shù)值，作為后建隧道工程確定圍巖壓力的依據(jù)的方法。是目前使用較多的方法。●理論估算法：是在實踐的基礎上從理論上研究圍巖壓力的方法。

由于地質條件的不確定性，影響圍巖壓力的因素又非常多，這些因素本身及它們之間的組合也帶有一定的偶然性，企圖建立一種完善的和適合各種實際情況的通用圍巖壓力理論及計算方法是困難的。

在理論計算方法中，考慮幾個主要因素，使其結果相對地接近實際圍巖壓力的情況，是目前隧道工程設計中采用較多的方法。隧道圍巖松散壓力工程類比法（規(guī)范規(guī)定）公路隧道規(guī)范：2004鐵路隧道規(guī)范：2005…………①深、淺埋隧道的判定●隧道埋深不同，確定圍巖壓力的計算方法不同，應以隧道頂部覆蓋層能否形成“自然拱”為原則?！裆盥袼淼绹鷰r松散壓力值是以施工坍方平均高度(等效荷載高度值)為根據(jù)，為了形成此高度值，隧道上覆巖體就有一定的厚度。根據(jù)經驗，這個深度通常為2～2.5倍的坍方平均高度值①深、淺埋隧道的判定

Hp＝（2～2.5）hp

式中:Hp—深淺埋隧道分界深度;

hp—荷載等效高度，按下式計算：

hp＝p/γ

p—深埋隧道豎向均布壓力kN／m2；

γ

—

圍巖容重（kN／m2）。

在礦山法施工的條件下I一III級圍巖取

Hp＝2hpIV～VI級圍巖取

Hp＝2.5hp

當隧道覆蓋層厚度H≥Hp時為深埋，

H＜Hp時為淺埋⑴深埋隧道圍巖壓力的確定(工程類比法)

圍巖豎向勻布壓力p按下式計算：

p=0.45×2s-1×γω(kN/m2)

式中：S—圍巖級別，如屬II級，則S＝2；

γ—

圍巖容重，(kN/m3)；

ω＝1+i(B-5)—

寬度影響系數(shù)；

B—

隧道寬度，（m）；

i

—以B＝5m為基準，B每增減1m時的圍巖壓力增減率。當B<5m，取i＝0.2；當B>5m,取i＝0.1。

公路隧道規(guī)范：2004⑴深埋隧道圍巖壓力的確定(工程類比法)

p=0.45×2s-1×γω(kN/m2)●適用條件①H/B<1.7，式中H

為隧道高度；②深埋隧道；③不產生顯著偏壓力及膨脹力的一般隧道；④采用鉆爆法施工的隧道。

公路隧道規(guī)范：2004●

p＝γhh=0.41×1.79S

這是全國1046座鐵路隧道得出的經驗公式，其中S

—新規(guī)范圍巖的分級。注：鐵路隧道跨度小于公路隧道鐵路隧道規(guī)范：2005●圍巖的水平均布壓力e的確定，按下表中的經驗公式計算圍巖級別I、IIIIIIVVVI水平勻布壓力0<0.15p(0.15～0.3)p(0.3～0.5)p(0.5～1.0)p公路隧道規(guī)范：2004鐵路隧道規(guī)范：2005②淺埋隧道圍巖壓力的確定方法●

埋深(H)小于或等于等效荷載高度hp時，荷載視為均布豎向壓力

p=γH式中:p—勻布布豎向壓力；

γ—深度上覆圍巖容重；

H—隧道埋深，指隧道頂至地面的距離。②淺埋隧道圍巖壓力的確定方法側向壓力e，按勻布考慮時，其值為：

e=γ(H+1/2Hi)tg2(450–Φ/2)式中:e

—側向勻布壓力；

γ—圍巖容重，以kN/m3計；

H

—隧道埋深，以m計；

Hi

—隧道高度，以m計；

Φ

一圍巖計算摩擦角，可查有關規(guī)范。圍巖的物理力學參數(shù)圍巖級別重度（Kn/m3）彈性抗力系數(shù)（MPa/m）變形模量（GPa）泊松比內摩擦角（°）粘聚力（MPa）計算摩擦角（°）Ⅰ26～281800～2800＞33＜0.2＞60＞2.1＞78Ⅱ25～271200～180020～330.2～0.2550～601.5～2.170～78Ⅲ23～25500～12006～200.25～0.339～500.7～1.560～70Ⅳ20～23200～5001.3～60.3～0.3527～390.2～0.750～60Ⅴ17～20100～2001～20.35～0.4520～270.05～0.240～50Ⅵ15～17＜100＜10.4～0.5＜20＜0.230～40隧道圍巖松散壓力

基于有界破裂區(qū)的計算方法這一計算方法是將破裂區(qū)內的巖體自重作為隧洞支護上的荷載。為了確定破裂區(qū)的范圍，必須首先對破裂區(qū)的邊界線作出假定，如認為是拋物線、半橢圓形等，此外還有采用彈塑性區(qū)的分界面作為破裂區(qū)的邊界線。普氏壓力拱理論、康姆端爾的巖體破碎理論，以及卡柯彈塑性理論都屬于這一類計算方法。其中以普氏壓力拱理論在我國應用最廣。普氏假定壓力拱形狀為二次拋物線形，壓力拱高按經驗確定，它取決于隧洞跨度和巖石性質。普氏采用下式確定壓力拱高：f----巖石堅固性系數(shù)，又稱普氏系數(shù)。f=Rc/10圍巖豎向壓力為：深埋側向圍巖壓力

（1）巖柱理論考慮到隧洞兩側的巖體也可能下滑，需將可能滑動的巖柱寬度比隧洞寬度適當增大，并考慮巖柱的應力傳遞

淺埋頂部壓力為：（2）太沙基公式

太沙基認為，隧洞開挖后，巖體將沿OAB曲面滑動，作用在隧洞頂部的壓力等于滑動巖體的重量減去滑移面上摩擦力的垂直分量。為推導簡單起見，太沙基又進一步假定巖體沿垂直面AC滑動，而且假定滑動體中任意水平面上的垂直壓力為均布。取地面下埋置深度z處，滑動體的體寬為2a1，厚為dz的單元體，由垂直方向平衡條件得：

邊界條件為：平衡方程為：隧洞頂部的圍巖壓力為：——為靜止側壓力系數(shù)，太沙基取為1.0；——地面超載。

（3）側向圍巖壓力

按擋土墻理論來計算

深埋隧道形變圍巖壓力理論估算法

圍巖應力與變形的線彈性分析由于開挖，洞室周圍地層中應力大小和主應力方向發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象叫做應力的重分布，把重分布后的應力狀態(tài)叫做圍巖二次應力狀態(tài)。對于裂隙不多的堅硬巖體，或對于裂隙巖體、軟弱巖體，如果圍巖應力不高，當采用緊跟作業(yè)面的施工方法及支護向圍巖提供很大的抗力時，圍巖有可能處于彈性狀態(tài)，如再略去其各向異性的影響，那么可以應用線彈性理論分析。

1.無襯砌圓形洞室的圍巖應力與變形應力分析應力集中系數(shù)（環(huán)向應力與P0的比值）討論洞室兩側容易壓碎，頂?shù)兹菀桌瓑?/p>

圍巖位移

u——徑向位移，以向洞內方向為正；v——切向位移，以順時針方向為正；在軸對稱情況下，即2.圍巖與支護相互作用的應力與位移襯砌的應力和變形

r0、r1-------襯砌的外半徑和內半徑

襯砌材料剛度系數(shù)

由洞壁的位移與襯砌外徑的位移相等得到襯砌抗力（其反作用力

即為圍巖對支護的彈性變形壓力）3.開挖面的空間效應4.立即支護與延遲支護的計算立即支護就是緊貼開挖面進行支護，開挖面處已釋放的彈性位移較小，將來作用在支護上的壓力較大；延遲支護就是離開挖面一段距離進行支護，此時支護處已釋放的彈性位移較大，將來作用在支護上的壓力較小；由于是線彈性關系，計算圍巖與支護相互作用的應力與位移時，可采用AP0

代替上述公式中的P0，A=1-ur/ur0（ur為洞壁實際釋放的位移，ur0為無支護時洞壁所能釋放的位移）

5.