城市矿山法铁路隧道的设计标准.doc

城市矿山法铁路隧道的设计标准 日本铁道综合技术研究所编制的“铁道结构物设计标准城市矿山法修筑的铁路隧道”，于2002年3月公开发行。作为第1个指导用矿山法修整城市铁路隧道的指导性标准。现简要说明该标准的大致内容。 1编制原则 在城市隧道的建设中，一般都采用明挖法和盾构法，但由于技术的进步，采用矿山法的事例越来越多。特别是在断面变化的区间以及施工距离短的场合，从经济上的理由也有采用矿山法的趋势。而城市的地质条件通常都是掌子面自稳性差的，固结度低的围岩。同时要求极力控制地表面下沉和地下水位降低等对周边的影响这样严酷的制约条件之下。因此，根据以下原则编制了此标准。 最大限度地利用围岩的支护能力是最基本的原则，其中积极地控制围岩的松弛和地表下沉的影响是最重要的。 以城市的围岩为对象，采用新的围岩分级标准。 在隧道施工过程中采用超前支护、一次支护来确保周边围岩的稳定。二次衬砌应考虑地下水复水后的水压、地震力和近接施工的影响。二次衬砌采用极限状态设计方法。 根据施工实绩编制了一次支护和二次衬砌的标准设计。是能可适应多种条件的设计。 为确保掌子面的稳定和控制对周边的影响，采用超前支护、降低地下水位及地层改良等作为隧道施工的基本措施，不是辅助性的的措施。 2围岩分级 围岩分级，虽然基本上仍然采用原来的分级，但比过去深化了。重新设定了分级指标（表1、2）。 表1 粘性土的围岩分级 围岩分级 围岩强度比（Cf） 浸水崩解度 粘性土 IN 掌子面基本稳定的围岩 Cf≥2.0 ILc 掌子面不稳定，有很小的变化就有正面挤出可能性的围岩 1.5≤Cf2.0 0.5≤Cf1.5 AC 特LC 掌子面稳定性特别低，对开挖有重大影响的围岩 D Cf0.5 注1）围岩分级符号 一般围岩（N） 未固结围岩（LC ） 2）210-6m以下的颗粒含有率大于30，液限WL大于100的场合，降1级。 3）围岩状态表示粘性土围岩掌子面的自稳性。 4Cfσc/γH（σc围岩单轴抗压强度）。 一般说，黏性土围岩存在发生因塑性地压而产生的变形问题。在城市中这类地层以薄层、厚层以及互层等形态出现，比较均质。 与流动化比较显著的砂质土比较是相对稳定的地层，其强度较低。其评价指标主要采用围岩强度比。 表2 砂质土的围岩分级 围岩分级 相对密度（Dr） 细颗粒含有率（Fc） 砂质土 IN 掌子面基本稳定的围岩 Dr≥80 Fc≥10 ILs 掌子面不稳定，有很小的变化就有流出可能性的围岩 Fc10 特LS 掌子面稳定性特别低，预计对开挖有重大影响的围岩 Dr80 注1）围岩分级符号 一般围岩（N） 未固结围岩（LS ） 2）围岩状态表示砂质土围岩掌子面的自稳性。 3）细颗粒含有率土中含有小于75μm的颗粒比率。 4）本分级适合开挖时掌子面前方压力水头距掌子面中心小于10m的条件。在10m以上的场合，要研究降低水位等方法。 砂质土围岩具有粒状土的特性，抗剪强度低，地层承载力也低，遇水会流失，很难保证掌子面的稳定性。其评价指标主要采用细颗粒含有率和均质系数。 这样分级的主要原因是因掌子面发生塑性化和流动化２种不同的现象而进行的。 3设计原则 本标准分为基本设计和详细设计2种。基本设计以大致掌握安全性、施工性、对周边的影响等为主要目的。基本设计的项目以表3中的①④为主要对象。详细设计是根据施工的实际情况，修正基本设计决定的项目和对表3中的⑤以下的项目进行设计。 表3 基本设计、详细设计的设计项目 设计项目 基本设计 详细设计 ①断面形状 ◎ △ ②开挖方法 ◎ △ ③对策 ◎ △ ④超前支护 ◎ △ ⑤一次支护 ○ ◎ ⑥二次衬砌及仰拱 ○ ◎ ⑦防排水 ◎ ⑧洞口部 ◎ ⑨量测 ◎ ◎ 详细研究 ○以需要的精度研究 △有必要时修正 有必要时研究 设计方法根据围岩级别、设计对象采用以下方法进行设计。 类比设计 标准设计 解析设计。 图1是选择设计方法的流程图。 图1 设计方法的选择流程图 4基本设计 基本设计包括断面形状、开挖方法和对策３部分内容。与过去不同的是把对策列入基本设计的内容。也就是说，把掌子面稳定、地下水、地表下沉、近接施工等项目列入基本设计之中。 在砂质土和黏性土中确定的断面形状，示于图２和3。断面形状的按抗水压进行设计的。 图２ 砂质地层的双线断面形状例 图３ 黏性土地层双线断面形状例 开挖方法可根据地层条件采用图４～８等方法。各种方法的基本情况列于表４。 表４城市条件下的主要开挖方法 工法 内容 全断面法 台阶法 长台阶法 短台阶法 超短台阶法 中壁法 CD法 CRD法 导坑超前法 图４ 短台阶法例 图５ 中壁法（CD）例 图６ 中壁法（CRD）例 图７ 上半断面中壁法例 图８ 超前导坑法（眼镜法）例 对策中有掌子面稳定对策、地下水对策和地表下沉、近接施工的影响等对策。 掌子面稳定对策中，首先要决定在开挖后支护前这一段时间内，掌子面是否稳定。因此，应对掌子面稳定性进行评价。 一般说，掌子面稳定性决定于围岩的力学性质及物理性质、埋深、涌水状况等。 掌子面稳定性的判定方法有根据物性判定的方法和力学上的判定方法。前者是从崩塌数据的统计中求出的，一般用于砂质土围岩的判定。当细颗粒含有率小于１０％，相对密度小于８０％或均质系数在４～６以下，掌子面附近动水坡度大的场合８，掌子面是很难稳定的。黏性土可采用力学方法进行判定。 掌子面对策通常采用超前小导管、缩短一次开挖进尺、弧形开挖、临时闭合、正面支护等能够在开挖循环中采用的对策和不能在开挖循环中３采用的对策，如超前支护、压浆、垂直锚杆等。前者主要用于掌子面的稳定，后者则主要用于拱顶的稳定。表５列出掌子面稳定的主要对策的概况。 表５掌子面稳定的主要对策 在地表下沉和近接施工影响对策中。首先要了解影响因素，主要有因开挖引起的下沉和因地下水位降低引起的下沉。前者是因开挖使围岩内应力释放，隧道周边围岩松弛或变形，此变形向近接结构物附近的围岩传递，而影响结构物的功能。或者是因地下水位降低使籀补围岩和近接结构物的围岩的孔隙水压降低，黏性土层和腐值土层的有效应力增加，引起压密下沉及近接结构物的位移。 图９表示城市条件下矿山法施工的地表下沉和埋深的关系。根据地表下沉的调查，如埋深在1D（约10m）以上，采用适当对策可以控制地表下沉在50mm以下，如增强对策可以控制在20mm以下。 图９地表下沉与埋深的关系 超过容许值时，应采取对策，其中包括新设隧道的对策、近接结构物的对策和中间围岩的对策等。 指南中明确提出预测地表下沉和近接结构物影响的方法。 １） 开挖中地表下沉的预测 表６表示预测方法的分类。 表６隧道开挖时预测围岩位移的方法的分类 预测方法的分类 例 备注 类似事例的预测 类似的围岩条件、埋深、工法的事例、 统计数据的预测 Pｅｃｋ公式等 下沉影响范围、下沉分布、下沉坡度等的预测 模型试验及统计数据的预测 岛田公式等 解析方法预测 数值解析 线弹性 非线弹性 弹塑性 可以考虑复杂地层和隧道形状、施工步骤 弹性理论解析 Lｉｍａｎｏｖ方法 均质地层，圆形断面 最近多采用数值解析的有限元法。图１０表示下沉值的预测值与实测值的关系。 图１０ 下沉值的预测值与实测值的关系 ２） 近接结构物影响的预测 预测方法有围岩与近接结构物为一体的解析方法和不考虑近接结构物求出围岩位移或围岩应力，而后把位移或应力作为荷载、位移作用在结构物上的解析方法（图１１）。 图１１ 近接结构物的位移和应力的预测方法 另外一个重要稳态是设定容许值及管理值。 表７和表８是容许值和管理值的大致标准。 表７建筑物的容许值、管理值设定例 压密黏性土层上的建筑物限界值 结构类型 基础形式 变形角（１０－３ｒａｄ） 相对下沉值ＳＤＭＡＸ（ｃｍ ） 总下沉值ＳＭＡＸ（ｃｍ） 下限 上限 混凝土块 布 ０．３（１．０） １．０（２．０） ２ ４ 钢筋混凝土框架） 独立 ０．７（１．０） １．５（２．０） ３ １５ 布、垡 ４ ２０ 钢筋混凝土壁体） 布 ０．８ １．８ ４ ２０ 即时下沉的建筑物的限界值 围岩 结构类型 基础形式 变形角（１０－３ｒａｄ） 相对下沉值ＳＤＭＡＸ（ｃｍ ） 下限 上限 下限 上限 风化花岗岩 钢筋混凝土（框架） 独立 ０．６ １．４ １．５ ２ 钢筋混凝土（壁体） 布 ０．７ １．７ １．５ ２ 洪积粘土 钢筋混凝土（框架） 独立 ０．５ １．０ ０．７ １．６ 表８轨道面的容许值、管理值的设定例 位移方向 列车速度（ｋｍ／ｈ） 错动值（ｍｍ） 折角（１／１０００） 平行移动 折曲 Ｌ３０ｍ ３０ｍ≤Ｌ Ｌ３０ｍ ３０ｍ≤Ｌ 垂直 ７０ ２ ９ ９ ９ ９ １１０ ７．５ ９ ９ ９ １６０ ５ ６ ６．５ ７ ２１０ ４．５ ４ ５．５ ４．５ ２６０ ３．５ ３ ４ ３ 水平 ７０ ２ ６ ６ ６ ６ １１０ ４ ５．５ ５ ６ １６０ ３ ３ ３．５ ４ ２１０ ２．５ ２ ３ ２．５ ２６０ １．５ ２ １．５ ２．５ ２ 表中的错动、平行移动、折角见下图１２。 图１２ 表８的注解 5标准设计 在设计方法中，推荐了类似设计、标准设计及解析设计３种方法。下面仅将标准设计的情况加以介绍。 １） 标准设计的适用条件 一般说标准设计使用于围岩等级为I、I的围岩。即能够满足表９一般设计条件的情况。 表９一般的设计条件 设计对象 项目 条件 共同的 断面形状 标准的单线、双线、新干线断面 地形 没有产生偏压的地形 埋深 １D以上（D隧道直径） 初期支护 对策 不需要特殊的对策 不需要超前支护 对周边的影响 对周边围岩的位移限制不严格 二次衬砌及仰拱 防水、排水构造 防水型隧道 水压 完成水位恢复后的水位距拱顶高度小于１０ｍ 其他荷载 不考虑自重以外的荷载（不考虑土压、地震的影响） ２） 初期支护 初期支护的模式与围岩的关系大致列于表１０。 表１０围岩与初期支护 围岩 初期支护的目的 主要的初期支护 辅助的初期支护 固结度低点软岩 支持部分初期土压 内压效果 喷混凝土 钢支撑 锚杆 短超前支护 金属网 土砂围岩 支持松弛土压 内压效果 控制下沉 喷混凝土 钢支撑 锚杆 短超前支护 金属网 根据围岩分级和对既有资料的分析，初期支护的标准示于表１１和表１２。 表１１双线隧道的标准初期支护参数 支护模式 INP ILCP ILSP 围岩级别 IN ILC ILS 喷混凝土 上下半断面 200mm 250mm 250mm 仰拱 200mm 250mm 250mm 钢支撑 间距 1m 1m 1m 上下半断面 125H 150H 150H 仰拱 125H 150H 150H 锚杆 长度 3m 3m 3m 根数 12根 12根 10根 短超前支护 长度 2m 3m 3m 间距（环向） 0.6m 0.6m 0.6m 表１２单线隧道的标准初期支护参数 支护模式 INP ILCP ILSP 围岩级别 IN ILC ILS 喷混凝土 上下半断面 １５0mm 2０0mm 2０0mm 仰拱 １５0mm 2０0mm 2０0mm 钢支撑 间距 1m 1m 1m 上下半断面 1００H 1２5H 1２5H 仰拱 1００H 1２5H 1２5H 锚杆 长度 3m 3m 3m 根数 1０根 1０根 10根 短超前支护 长度 2m 3m 3m 间距（环向） 0.6m 0.6m 0.6m 各类标准设计的模式示于图１３。 图１３（ａ） 标准支护模式图 图１３（ｂ） 图１３（ｃ） 在一次支护中，从城市的条件看，其作用有一些限制。特别是锚杆，在土砂地层中因不容许围岩松弛，也就是说，发挥锚杆作用的位移都不容许，因此锚杆的作用得不到发挥，原则上可以取消。 此外，在开挖中如变形过大，最好不去增加喷混凝土的厚度，采用钢纤维喷混凝土比较合适。 表中的短超前支护通常指我们所谓的小导管、钢插板等。它与超前支护不同，仅能控制小范围的围岩松弛和拱部崩塌。其模式图参见图１４。 图１４ 压浆方式的短超前支护 ４）二次衬砌和仰拱 在城市条件下，考虑环境要求要采用防水型隧道，也要考虑近接施工的影响，因埋深小易受地震的影响等，因此本标准以防水型钢筋混凝土结构为对象，而且以隧道全都设置仰拱为原则。 图１５和表１３是二次衬砌和仰拱的标准设计。 表１３（ａ） 二次衬砌和仰拱的标准设计（双线） 名称 围岩级别 设计荷载（水压）距衬砌拱顶的高度（m） 标准设计断面 记事 二次衬砌 仰拱 近接施工的可能范围 防排水形式 厚度（cm） 配筋 厚度（cm） 配筋 加载 σmax KPa 卸载（hmin/H） INL IN 无 30 无 45 无 － － 排水型 INL- 无 50 D19250mm 50 D19250mm 40 0.９ 排水型 INL0 0m 50 D19250mm 50 D19250mm 95 0.８ 防水型 INL5 5m 50 D19250mm 50 D19１25mm 125 0.７ INL10 10m 60 D19250mm 60 D19１25mm 150 0.７ ILL IL 无 30 无 45 无 － － 排水型 ILL- 无 50 D19250mm 50 D19250mm 15 0.９ 排水型 ILL0 0m 50 D19250mm 50 D19250mm 60 0.９ 防水型 ILL5 5m 50 D19250mm 50 D19１25mm 75 0.９ ILL10 10m 60 D19250mm 65 D19１25mm 55 0.９ 表１３（ｂ） 二次衬砌和仰拱的标准设计（单线） 名称 围岩级别 设计荷载（水压）距衬砌拱顶的高度（m） 标准设计断面 记事 二次衬砌 仰拱 近接施工的可能范围 防排水形式 厚度（cm） 配筋 厚度（cm） 配筋 加载 σmax KPa 卸载（hmin/H） INL IN 无 ４0 无 4０ 无 － － 排水型 INL- 无 ４0 D19250mm ４0 D19250mm ６５ 0.８ 排水型 INL0 0m ４０ D19250mm ４0 D19250mm １０５ 0.８ 防水型 INL5 5m ４0 D19250mm ４0 D1925０mm ６５ 0.９ INL10 10m ４0 D19250mm ４0 D1925０mm ２5 0.９ ILL IL 无 30 无 ３０ 无 － － 排水型 ILL- 无 ４0 D19250mm ４0 D19250mm ３5 0.８ 排水型 ILL0 0m ４0 D19250mm ４0 D19250mm ７５ 0.９ 防水型 ILL5 5m ４0 D19250mm ４0 D1925０mm ５5 0.８ ILL10 10m ４0 D19250mm ４０ D19１25mm ２5 0.９ 图１５ 标准设计图 表１３的标准设计的设计条件，与以往的设计条件有所不同。一个是考虑了近接施工的影响，一个是按抗水压衬砌采用机械极限状态法进行设计。 设计中考虑的地下水位取距拱顶高度H0、5、10m的范围。 近接施工的影响可能的范围考虑了２种情况。一种是加载的情况，一种是卸载的情况。 上部加载的可能范围（σmax）（图１６） 表中的σmax是在比较窄的范围上部荷载增加垂直荷载的容许值。核查时要确认垂直荷载增加值要在容许值以下。表中的σmax是按侧压系数０．５和０计算的。 卸载的情况（图１７），表中的hmin/H是上部挖土残存的埋深比的容许值。核查时，要确认残存埋深比要在容许值以上。 图１６ 上部荷载的模式 图１７ 上部卸载的模式 应该指出，在二次衬砌和仰拱中，是仰拱和边墙的连接部分的形状。图１８是一些工程事例。 图１８ 仰拱构造例 关于保护层的规定，考虑碳化、钢材腐蚀、冻融和化学作用等的影响以及耐久性的要求等，保护层要大一些。在明挖结构的顶板和底板规定是５０ｍｍ，明挖结构是平板的，而城市隧道的拱形的，理应大一些。因此，规定保护层厚度要确保７０ｍｍ。 ５超前支护 在城市施工时，超前支护是必不可少的。所谓超前支护就是在开挖前先期进行支护，也就是我们所谓的“先支后挖”。超前支护有横断方向刚度大的拱形构造的予衬砌和纵向刚度大的梁构造的水平旋喷等方法。本指南为此增加了一章“超前支护”。其中说明超前支护的类型、设计方法等。 在城市中要想安全施工必须确保掌子面的稳定和极力控制对地表面住宅和近接结构物的影响。超前支护就是为此目的而采取的措施。一般说，超前支护有３种类型 槽式混凝土方式； 水平喷射注浆方式； 长钢管注浆方式。 （１） 槽式混凝土方式 槽式混凝土方式是开挖前沿掌子面的隧道外周开挖厚约１５～５０ｃｍ的拱形槽，开挖后立即用混凝土或砂浆充填。 此方式因在隧道横断方向形成连续的刚性大的拱形结构，故在下列制约条件严格的场合采用。 土砂等强度极低的场合； 埋深浅，需控制地表下沉的场合； 近接重要结构物会受到开挖影响的场合。 （２） 水平喷射注浆方式 此方式是在开挖前于掌子面前方的隧道外周形成长约１０ｍ左右的管状拱形结构体。 结构体的形成，是与钻孔的同时用高压喷射搅拌硬化材（水泥砂浆）形成的。可以形成一个沿燧道横向的拱形连续的结构。但与槽式混凝土方式比，连续体差一些。 （３） 长钢管注浆方式 此方式，是开挖前在掌子面前方沿隧道外周配置长１０～１５ｍ的钢管，形成拱形结构。 为使钢管和围岩间形成一体，应在其间 充填水泥浆； 压注水泥浆和其他压注材。 超前支护的的设计，目前还在研究之中，下面是根据工程实际，建议的设计参数。 槽式混凝土方式 槽式混凝土方式的预衬砌可用厚约２０ｃｍ混凝土壳或砂浆壳，比较柔软的拱壳，也可以用厚约３０ｃｍ的比较刚性大的拱壳。柔软的拱壳主要用于稳定掌子面，刚性大的拱壳用于控制地表下沉。 其标准参数如下。 预衬砌厚度１７０ｍｍ 设置范围１２０（１１５～１２５） 设置角度７（５～１０） 纵断方向钻孔长度４．０ｍ 纵断方向充填长度３．５ｍ 搭接长度０．５ｍ 超前残余长度１．０ｍ（１．０～２．０ｍ）． 铁道和公路隧道的横断面的标准模式和纵向的标准模式示于图１９。 图１９ 设计断面 水平喷射注浆方式 其标准断面如下 喷射改良体直径６００ｍｍ 设置范围１２０（１２０～１８０） 设置角度５（５～１０） 纵断方向钻孔长度１３．０ｍ（９～４８ｍ） 纵断方向改良长度１０ｍ 搭接长度１．０ｍ 超前残余长度４．０ｍ（３．０～４．０ｍ）． 设置间距６００ｍｍ（４００～１６００ｍｍ） 标准设计断面示于图２０。 图２０设计断面 ３长钢管压浆方式 标准断面如下 钢管直径１１４３ｍｍ 设置范围１２０（５０～１８０） 设置角度５（４～３０） 纵断方向钻孔长度１２．５ｍ（４～４０ｍ） 纵断方向注浆长度１２５ｍ（４～４０） 搭接长度３．５ｍ 超前残余长度３．５ｍ（１．０～７．５ｍ）． 设置间距４５０ｍｍ（２００～１０００ｍｍ） 标准设计断面示于图２１。 图２１ 设计断面 ６极限状态设计法 二次衬砌和仰拱是采用极限状态法进行设计的。 １） 隧道衬砌的变形特征 一般的钢筋混凝土构件的动态如图２２所示，发生弯曲拉伸开裂（点）、钢筋屈服（点）后，同一地点的压缩侧的混凝土达到最终应变（点），从而荷载减少。但隧道衬砌这样以压应力为主的，由受到地层反力约束的拱型结构，即使因弯曲拉伸开裂和钢筋屈服使构件刚性降低，弯矩也会向没有降低的构件传递，一部分构件破坏不会造成整个结构体系的破坏。在衬砌上的荷载P和净空位移u的关系，如图２３所示，因荷载P在一处开裂（A点），钢筋屈服（B点），接着即使混凝土达到最终应变（C点），结构也多会保持稳定的状态，达到最大荷载（D点）的位移，承载力也还有一定的富裕。 因此，在设计中要考虑这种的变形特征。 图２２ 构件弯曲和回转角的关系 图２３ 荷载与位移的关系 ２）极限状态 根据衬砌的这种特征，按表１４定义了二次衬砌和仰拱的极限状态。其对应的现象列于图２４及表１５。通常的RC结构的使用限界定义为图中的b点，但仰拱可以缓和一些。同样地，最终极限状态，通常的RC结构定义为c点，而衬砌可定义为d点。 表1４ 二次衬砌和仰拱的极限状态 名称 定义 使用极限状态 对水压、近接施工产生的荷载等，主要是长期持续作用的荷载，丧失使用性和耐久性的状态 最终极限状态 对除地震以外作用的荷载（异常的水位上升等），丧失稳定和功能的状态 图２４ 极限状态和现象 表１５ 各极限状态和现象 名称 现象 备注 使用极限状态 二次衬砌 开裂造成钢筋腐蚀和衬砌掉块 以钢筋混凝土结构为对象 仰拱 拉伸钢筋屈服、耐久性降低 最终极限状态 达到极限状态（混凝土压缩应变达到最终应变（０００３５），断面产生破坏，发生混凝土块掉落 铁路隧道的使用极限状态主要指 衬砌掉块，妨碍运行； 发生对列车运行安全性有影响的轨道变异； 产生妨碍建筑限界的变形。 而最终极限状态指 衬砌断面破坏，混凝土块体崩落； 隧道结构体系丧失稳定性而崩塌； 产生需要改建隧道的轨道变异； 净空断面缩小，与列车接触。 ３）二次衬砌和仰拱的安全系数 二次衬砌和仰拱的安全系数列于表１６。 表１６ 二次衬砌和仰拱的安全系数 极限状态 安全系数 使用极限状态 最终极限状态 材料系数 混凝土 １．０ １．３ 钢筋 １．０ １．０ 荷载系数 １．０ １．０ 结构解析系数 １．０ １．０ 构件系数 １．０ １． １５ （１．３）＊ 结构物系数 １．０ １．１ 地层调查系数 １．０ １．０ ４）设计荷载 作用在衬砌和仰拱上的荷载一般有自重，地下水位恢复的水压、近接施工影响的荷载。 在设计时，因衬砌是在净空位移收敛后施做的，因此一般不考虑土压。但根据情况可按附加荷载考虑。在极限状态法设计中，荷载组合例示于表１７。 表１７ 各种极限状态的荷载组合例 极限状态 荷载 使用限界 最终限界*1 备注 自重 ○ ○ ○ ○ ○ ○ 土压 △ △ △ △ △ △ 考虑衬砌完成后的增加 水压 低水位 ○ 可以考虑 高水位 ○ ○ 高水位 ○ ○ 异常时 近接施工的影响 长期的 ○ ○ ○ 近接施工后残留的影响 短期的 ○ 近接施工中的影响 其他 △ △ △ △ △ △ 考虑内部荷载、冻结压力等 备注 常时或长期间持续作用的荷载 除地震*2外作用的荷载 注○原则考虑；△必要时考虑； *1，一般不研究 *2地震的影响另行考虑。 ８有关地表下沉的一些数据及研究成果 １） 城市隧道的地表下沉值的统计 图２５是根据地表下沉值和埋深比的关系整理出来的，由图可见 埋深比越小，地表下沉值越大； 埋深比大于１以上，下沉值大致在３０ｍｍ左右； 埋深比小于１，特别是在０．５以下，下沉值急剧增加。 图２５ 地表下沉值与埋深比 ２） 地表制约条件不同时的下沉值 在城市条件下，地表制约条件严格时和不严格时的下沉值示于图２６。由图可见 埋深比在１．５以下时，下沉值变化在１０ｍｍ～８０ｍｍ之间； 制约条件不严格时的下沉值比较大； 制约条件严格时，下沉值可以控制在２０ｍｍ以下。 图２６地表下沉值与埋深比 ３） 隧道上部地层不同时的下沉值 图２７是掌子面地层为砂质土的双线隧道的拱顶下沉值的量测值，因上部地层条件不同而整理的结果。由图可见 拱顶及地表的下沉值都是向下的，用埋深和半断面高度的无量纲值表示，可分为地表下沉和拱的下沉共同向下的区域、地表下沉大的区域（地表下沉／埋深比００１０）及地表下沉／埋深比００１５～００２０的区域。 地表下沉值与拱顶下沉值差异最大的地点，是在凝灰质粘土、地表下沉／埋深比为００１０处。因此，如果上部有软弱地层，地表下沉值是很大的。 图２７拱顶下沉值和地表下沉值 ４） FEM法的下沉影响预测 解析条件 采用２维非线性弹性解析。解析模式示于图２８，网络图示于图２９。 图２８解析模式 图２９网络图 地层由隧道掌子面（砂质土）和表层土（黏性土）构成。地层物性值列于表１８。 表１８ 地层物性值 地层模式 表层部 掌子面部 围岩级别 未固结黏性土 未固结黏性土S２ 单位体积重量（ｋＮ／ｍ） １５ １８ 初期变形系数（ＭＰａ） ２０ ５０ 凝聚力（ＭＰａ） ０．０３ ０．０２ 内摩擦角 １５ ３５ 初期泊松比 ０．３５ ０．３５ 弹性限界ＲＥＬ １．０ １．０ 非线性变量ｎ ２ ２ 备注 相当N3050 采用台阶法开挖。 解析步骤自重解析上半断面开挖－上半断面支护－下半断面开挖－下半断面支护 开挖释放率开挖４０％，支护６０％。 支护模式参见表１９。 表１９ 支护单元 支护构件 弹性系数 断面惯性矩 断面积 备注 E（Ｎ／ｍｍ） Ｉ（ｍ／ｍ） Ａ（ｍ／ｍ） 喷混凝土 ２５０ｍｍ ３４００ ０．２５ 棒单元 钢支撑 １５０Ｈ ２１０００ ０．００００１６２ ０．００３９６５ 梁单元 解析组合及对策模式 采用的对策有压注及超前支护，分别提高了凝聚力和刚性。解析组合及改良范围列于表２０。 表２０ 解析组合 解析组合 对策 模式 改良范围 输入值 备注 改良前 改良后 １ 无 － － － － ２ 压注 提高凝结力ｃ 上半断面１ｍ ００１ ００２ ３ 全周１ｍ ４ 全周２ｍ ５ 全周３ｍ ６ 超前支护 提高刚性 拱部１２０ ５０ １０００ 提高２０倍 模式图示于图３０。 图３０模式图 解析结果 （１） 压注范围的影响 图３１是压注范围不同的结果。 图３１压注范围不同的地表下沉值 可见 提高凝聚力控制下沉是有效的； 压注范围控制着最大下沉值及对周边的影响，全改良的场合比上半断面的改良效果好； （２） 与量测数据的比较 图３２是上半断面压注的场合的界析值与量测值的比较。可以看出 图３２界析值与量测值的关系 下沉值的界析值比量测值大，是偏于安全的； 施工中在距中心线５～１０范围内，下沉大，其他部位影响不大， 隧道拱顶正上方的下沉值，本解析也可以掌握； 图３３是超前支护的解析值与量测值的比较。 图３３解析值与量测值的比较 下沉值的界析值比量测值大，是偏于安全的； 隧道拱顶正上方的下沉值，本解析也可以掌握； 超前支护的场合，控制掌子面前方围岩的变化效果比较大，应采用３维的解析方法。 ９仰拱和连接部的半径的影响 １解析条件 表２１列出解析条件 表２１解析条件 断面 新干线标准断面 衬砌 设计基准强度＝２４Ｎ／ｍｍ２ 衬砌厚度 ５００ｍｍ 钢筋 二次衬砌 D１９２５０ｍｍ设定２９５ 仰拱 D１９２５０ｍｍSD295 地层反力系数 ３０１０ｋＮ／ｍ３ 荷载 土压 无 水压 水位５ｍ，全周作用 研究半径 仰拱半径R3 ６种组合 ３４．６３ｍ １７．５０ｍ １２．６９ｍ标准断面 １０．７２ｍ ９．６９ｍ ８．６６ｍ 连接部半径R4 ３种组合 １ｍ １． ５ｍ标准断面 ２ｍ 图３４解析模式 ２仰拱半径的影响 参考表２２表示以连接部半径１．５ｍ为准，仰拱半径３４６３（最大）、１２６９、８６６（最小）的各种组合的断面力图（轴力图、弯矩图）。仰拱形状偏平（半径大）仰拱中央的弯矩也大。另外，仰拱形状偏平，轴力变小。 表２２断面力比较 图３５是仰拱半径和最大弯矩的关系，图３６是仰拱半径和最大轴力的关系。 图３５仰拱半径和最大弯矩的关系 图３６仰拱半径和最大轴力的关系 ３连接部半径的影响 表２３表示以仰拱半径１２６９为准，连接部半径１、１５、２变化的断面力图。 表２３断面力比较 连接部半径对断面力的影响，与仰拱半径比较是不大的。 图３7是连接部半径和最大弯矩，图３8是连接部半径和最大轴力的关系。 图３7连接部半径和最大弯矩的关系 图３8连接部半径和最大轴力的关系 ４核查结果 采用得到的断面力进行核查的结果列于表２４和表２５。 表２４断面核查结果 仰拱位置ＦＬ下 （ｍｍ） ２５０ ５００ ７５０ １０００ １２５０ １５００ 仰拱半径（ｍ） ３４．６３ １７．５０ １２．６９ １０．７２ ９．６９ ８．６６ 应力核查结果 不合适 不合适 合适 合适 合适 合适 钢筋量 － － D２５２５０ｍｍ D２５２５０ｍｍ D２２２５０ｍｍ D１９２５０ｍｍ 开挖量 （ｍ３） ８６．３ ８７．９ ８９．７ ９１．６ ９３．７ ９５．６ 混凝土量（ｍ３） １５．２ １５．３ １５．４ １５．５ １５．７ １５．８ 备注 标准断面 表２５连接部半径的核查结果 连接部半径（ｍ） １ １．５ ２ 应力核查结果 不合适 合适 合适 钢筋量 － D２５＠２５０ｍｍ ｄ２２＠２５０ｍｍ 开挖量（ｍ３） ８６．９ ８９．７ ８９．４ 混凝土量（ｍ３） １５．４ １５．４ １５．３ 备注 标准断面 ９结束语 本设计标准共分４篇。第１篇总则（３条），第２篇规划和调查（１０条），第３篇设计（３０条），第４篇观察和量测（１０条）。并附有参考资料４６篇。上面所说的内容是与过去的标准有所不同之处摘译出来，仅供参考。