拱顶塑性压力 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.05 0.1 0.15
u/m
拱顶塑性压力
拱顶松动力
Pi/P0
Ps/P0
0.006 0.004 0.002 0
0.2
0.25
0
0.05
0.1
u/m
0.15
0.2
0.25
拱顶塑性收敛线
拱顶松动压力线
拱顶塑性收敛和松动压力线
初支与二衬最不利组合为初支在地应力释放70％时施作， 二衬在释放85％时施作。
3、F7断层区段计算结果汇总
F7断层区段部分断面计算配筋及安全度评价
断面 圆形 圆形增 强 导坑 马蹄形 阶段 初衬 二衬 初衬 规范荷载（考虑 实测荷载 设计配筋 高地应力影响） 400 1000 900 1077.6 1600 4459 1900 评价 安全 安全 安全
二衬
初衬 初衬 二衬
1000
随着隧道周边位移的增大，塑性区将不断增大，而松动压力也将
不断增加，当松动压力发展到一定程度时，由形变压力和松动压力决 定的围岩特征曲线将出现拐点，而拐点后区可理解为由于围岩的过分
松动而导致洞室失稳。
因此，毛洞的极限状态定义为围岩特征曲线的拐点，对应的位移 则为毛洞的极限位移。
（2）支护后隧道
初期支护一般由喷混凝土和锚杆组成，必要时可加设钢
毛洞隧道、支护后隧道（包括支护前的隧道位移)和二衬后
隧道 (包括支护前和二衬前的隧道位移)极限位移如表6-4所示。
F7断层区段隧道极限位移(mm)
极限位移性质
毛洞 拱顶下沉 400
表6-4
墙腰水平位移 330
支护后
二衬后
136
140
136
140
9、F4断层区段模拟结果
毛洞计算塑性收敛线和松动压力线分别见下图。
隧道是围岩与支护结构的综合体。
2、确定隧道极限位移的途径
实际围岩参数、支护结构参数和实际施工方法为输入 参数，采用弹塑性有限元数值方法，进行隧道极限状态的 计算模拟，确定极限状态时的隧道位移，即为隧道的极限 位移。
3、隧道极限状态的定义
（1）毛洞隧道
开挖后的隧道，随着洞室变形的增加，围岩应力不断向深层重分 布，围岩压力逐渐减小。但洞室周边一定范围内的围岩，因应力达到 或超过其强度后进入塑性屈服状态；塑性区发展到一定程度时，洞室 周围的地层会对隧道结构产生松动压力，作用在隧道结构上的地层压 力则为形变压力与松动压力之和。
F4断层区段隧道围岩极限位移(mm) 极限位移性质 毛洞 初支后 二衬后 拱顶下沉 227 92.8 98.1 拱脚水平位移 墙 腰水平位移 244 151 159 285 171 181
10、岭脊千枚岩区段模拟结果
毛洞计算塑性收敛线和松动压力线分别见下图。
拱顶塑性压力
1 0.8
Pi/P0 0.6
上述支护施作和支护作用时机，在乌鞘岭隧道岭脊
段施工实践中也证明，每步洞室开挖后及时施作支 护，支护封闭滞后时间较长，支护体系应力测试所 获得的围岩压力一般均在2.0MPa以下，与10MPa 以上的原始地应力相比，实际支护作用时机较迟。
5、钢筋混凝土截面极限承载力的确定
以截面内力M、N定义的极限状态：
2、岭脊千枚岩段区段计算结果汇总
岭脊千枚岩区段部分断面计算配筋及安全度评价
断面 YDK175 +290 YDK175 +410 YDK175 +450 YDK175 +210 YDK175 +200 YDK175 +475 阶段 初衬 二衬 初衬 二衬 初衬 二衬 初衬 二衬 初衬 二衬 初衬 二衬 规范荷载（考虑 实测荷载 设计配筋 高地应力影响） 3116 1000 1177 1900 3116 3351 1000 1300 1900 3116 1000 1000 1900 3116 1000 1000 1900 500 1000 1000 1900 500 2768 1000 1304 1900 评价 安全 安全 安全 安全 安全 安全 安全 安全 安全 安全 安全 安全
（2）F4断层、岭脊和F7断层区段，地应力大，围岩软弱，
通过多次断面形式、多次支护和多次衬砌方式的优化设计，
经《规范》荷载（考虑高地应力影响时）的Ⅵ级围岩和实 测围岩压力及二衬接触压力荷载的综合分析，支护、衬砌
结构配筋小于实际设计配筋，设计合理、结构安全。
三、隧道极限位移和变形控制基准
1、隧道的定义
筋格栅、 型钢拱架或钢筋网等。喷层和锚杆都和围岩紧密联 结，喷层开裂或局部压坏，只要其后边围岩未坍塌，还不致影
响支护系统的稳定。因此初期支护后的隧道极限状态，可按支
护构件多处被压坏，或因围岩屈服区域发展形成破坏楔体向坑 道滑移，使初期支护被剪坏来确定其承载能力极限状态，对应
的隧道位移为支护后隧道的极限位移。
f（Mu，Nu）＝A· u2＋B· u＋Mu＋C N N
当f（Mu，Nu）＝0时，截面恰处于极限状态； 当f（Mu，Nu）＜0时，截面仍未达到极限状态； 当f（Mu，Nu）＞0时，截面超过极限状态，已破坏。
Mu
O
Nu
弯矩轴力包络图
6、计算参数
围岩及支护计算参数
围岩类别及支护 F4断层区段围岩 F7断层区段围岩 岭脊千枚岩地层围岩 初衬喷混凝土 二衬钢筋混凝土 锚杆
F4段：断层主带断面和断层影响带断面。 计算荷载：Ⅴ级规范荷载、高地应力荷载以及实测荷载 侧压力系数：0.4、0.5、0.75、1.0 计算组合模型：达150个以上。
二、结构安全性分析


计算模型
采用荷载-结构模式，结构采用平面梁单元模拟。围岩抗力 采用弹簧单元模拟，并根据结构的变形情况进行调整和优化； 计算荷载按规范推荐荷载公式计算,高地应力荷载采用降低 一级围岩级别计算坍落拱高度的办法进行处理;实测荷载实 测结果取值，除仰拱下设臵弹簧支撑外，其余截面不另外考 虑弹性抗力作用。
拱脚水平位移
589 357 371
墙腰水平位移 652 385 406
11、岭脊段变形控制基准
乌鞘岭隧道岭脊段位移控制基准(mm) 管理等级 Ⅲ Ⅱ Ⅰ 管理位移 U＜150 150≤U≤300 U≥300 施工状态 可正常施工 应加强支护或二次衬砌 停工，并及时采取加固措施
注：U-隧道开挖后围岩总变形量
式依次施作，再加上施工中分步开挖、分步支护，支护体系形成封闭
结构的时间较长，其过程也较为复杂，如下图所示，也就是说支护施 作时机较早，实际支护作用时机仍然较迟。
Pi/P0
围岩特征曲线
支护特征曲线
K i O O΄ M P C L u
j
围岩特征曲线与支护特征曲线关系 注：o’i为拱部支护段，jk为边墙支护段，LM为底部支护段，oo’、 ij、jk为对应上部、下部及基底开挖。
结构安全性评价及 变形控制基准研究
石家庄铁道学院 二○○四年十二月
汇报内容
工作进展综述
结构安全性分析
• F4断层段隧道结构安全性分析
• 9＃斜井段隧道结构安全性分析
• F7断层段隧道结构安全性分析
隧道极限位移的计算模拟和变形控制基准研究
一、工作进展综述
实施时间：2004年4月
4～5月份：规范荷载下结构安全性分析;
6月份以后：高地应力作用下结构安全性分析； 实测荷载下结构安全性分析； 极限位移计算模拟。
截至11月底，已经实施安全性评价的隧道试验断面有16个：

岭脊千枚岩区段：一个原设计断面、两个优化断面和4个优选试验断
面； F7段：圆形断面、圆形增强断面、优化椭圆形断面、迂回导坑断面、

导坑正洞试验断面；



荷载分配
初支分配荷载分别按50％和60％考虑； 二衬分配荷载分别按60％和70％考虑。
1、F4断层区段计算结果汇总
F4断层部分断面计算配筋及安全度评价
断面 阶段 初衬 断层主带 二衬 断层影响带 初衬 二衬 1339.3 1111.7 1079.6 1000.0 1900 1900 安全 安全 安全 规范荷载（考虑 高地应力影响） 4523.9 实测荷载 3003.5 设计配筋 评价 安全
4704.7 3460.65 1453
1521
1829 2552 700
1900
安全
安全 安全 安全
4、小结
（1）根据各种试验、分析手段获得的围岩物理力学参数
成果，铁路隧道规范建议的围岩物理力学参数，现场隧
道施工实践，对各数据综合分析，确定乌鞘岭隧道岭脊 段围岩物理力学参数的建议值，具体如下：F4断层段， 围岩重度24.0kN/m3，侧压力系数0.75，坍落拱按Ⅵ 级围岩考虑；岭脊千枚岩地层区段，围岩重度 24.01kN/m3，侧压力系数0.75，坍落拱按Ⅵ级围岩 考虑；F7断层段，围岩重度24.79kN/m3，侧压力系 数1.0，坍落拱按Ⅵ级围岩考虑。按照上述围岩参数计 算所得结果，与按实测围岩压力计算结果相近，基本反 映了工程结构的实际工作状态。
（3）二衬后隧道
二次衬砌一般为模筑混凝土，用防水板与初期支护隔开，承受初 期支护传来的形变压力。因截面较厚、刚度较大，可看作相对独立的 结构，又由于围岩约束的存在，衬砌结构本身为多次超静定的无铰拱 形结构。当屈服截面个数增多致使超静定结构转变为机动结构时，一 旦被扰动，结构就会破坏，丧失稳定，它也是结构承载能力的极限状 态。 在实际工程中，考虑到二衬运营安全和耐久性要求，可将二衬结 构出现一个屈服截面定义为二衬后隧道的极限状态，对应的隧道位移 为二衬后隧道的极限位移。
4、支护时机的确定
支护施作时机是指洞室开挖后开始施作锚杆、喷射混凝土等的时间，
在特征曲线上表现为洞室某一位移或某一围岩压力下开始施作支护的