第二節(jié) 隧道計(jì)算理論簡(jiǎn)介

隧道結(jié)構(gòu)是埋藏于地面以下的建筑物，它的受力和變形與圍巖密切相關(guān)，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作為統(tǒng)一的受力體系，共同承受圍巖荷載。這一點(diǎn)正是地下工程與地面以上工程結(jié)構(gòu)物的主要區(qū)別之一。在隧道工程理論方面，傳統(tǒng)的理論是“松弛荷載理論”，但在長(zhǎng)期的隧道工程實(shí)踐中，隨著人們對(duì)地下工程理論和實(shí)際問題的不懈探索和理解的加深，也由于在對(duì)隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)（地質(zhì)、巖體和結(jié)構(gòu)）的力學(xué)研究中應(yīng)用了彈塑性理論和有限元方法，以及在隧道施工過程中對(duì)圍巖應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)態(tài)的量測(cè)、分析和總結(jié)，已經(jīng)提出了現(xiàn)代隧道工程“圍巖承載理論”，基本形成了隧道及地下工程理論體系，并表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。現(xiàn)代圍巖承載理論是對(duì)傳統(tǒng)松弛荷載理論的繼承和發(fā)展。同樣的，現(xiàn)代隧道工程施工方法和施工技術(shù)等也是對(duì)傳統(tǒng)方法和技術(shù)的改進(jìn)、繼承和發(fā)展。

一、松弛荷載理論

松弛荷載理論是20世紀(jì)20年代提出的，也稱為傳統(tǒng)隧道工程理論。其核心內(nèi)容是：穩(wěn)定的巖體有自穩(wěn)能力，不產(chǎn)生荷載；不穩(wěn)定的巖體則可能產(chǎn)生坍塌，需要用支護(hù)結(jié)構(gòu)予以支承。這樣，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載就是圍巖在一定范圍內(nèi)由于松弛并塌落（或可能塌落）的巖體重力（即最不利荷載）。其代表性的人物有太沙基（K.Terzaghi）和普氏（M.Лромобьяконоб）等人。松弛荷載理論是在總結(jié)傳統(tǒng)礦山法原理的基礎(chǔ)上提出來的，它類似于地面工程考慮問題的思路，已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)相當(dāng)高的水平，至今仍被廣泛地應(yīng)用著。

松弛荷載理論對(duì)應(yīng)的力學(xué)計(jì)算模型為荷載—結(jié)構(gòu)模型（圖1-1），又稱為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型。它將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖分開來考慮，認(rèn)為圍巖是荷載的來源，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體。隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用是通過彈性支撐對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加約束來體現(xiàn)的，而圍巖的承載能力則在確定圍巖壓力和彈性支撐的約束能力時(shí)間接考慮。圍巖的承載能力越高，它給予支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力越小，彈性支撐約束支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的抗力越大，相對(duì)來說，支護(hù)結(jié)構(gòu)所起的作用就越小。這一類計(jì)算模型主要適用于圍巖因過分變形而發(fā)生松弛和崩塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)主動(dòng)承擔(dān)圍巖松動(dòng)壓力的情況。所以說，利用這類模型進(jìn)行隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的關(guān)鍵問題是如何確定作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)荷載，其中最主要的是圍巖所產(chǎn)生的松動(dòng)壓力，以及彈性支承作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的彈性抗力，由于這個(gè)模型概念清晰，計(jì)算簡(jiǎn)便，易于被工程師們所接受，故至今仍很通用，尤其是對(duì)模筑襯砌。

二、圍巖承載理論

圍巖承載理論是20世紀(jì)60年代提出的，也稱為現(xiàn)代隧道工程理論。其核心內(nèi)容是：圍巖穩(wěn)定顯然是巖體自身有承載自穩(wěn)能力；不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)定是有一個(gè)過程的，如果在這個(gè)過程中提供必要的幫助或限制，則圍巖仍然能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，如此就更有利于“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”。其代表性人物有臘布希維茲（K.V.Rabcewicz）、米勒·菲切爾（Miller Fecher）、芬納·羅勃（Fenner Talobre）和卡斯特奈（H.Kastener）等人。圍巖承載理論是在總結(jié)新奧法原理的基礎(chǔ)上提出來的，它已經(jīng)脫離了地面工程考慮問題的思路，而更接近于地下工程實(shí)際，近半個(gè)世紀(jì)以來已被廣泛接受和推廣應(yīng)用，并且表現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景。

圍巖承載理論對(duì)應(yīng)的力學(xué)計(jì)算模型為地層—結(jié)構(gòu)模型（圖1-2），又稱為現(xiàn)代的巖體力學(xué)模型和復(fù)合整體模型。它將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系。在這個(gè)模型中圍巖是直接的承載單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)只是用來約束和限制圍巖的變形，這一點(diǎn)和第一類模型正好相反。地層—結(jié)構(gòu)模型是目前隧道結(jié)構(gòu)體系中力求采用的或正在發(fā)展的模型，因?yàn)樗犀F(xiàn)在的隧道施工技術(shù)水平。采用快速和早強(qiáng)的技術(shù)可以限制圍巖的變形，從而阻止圍巖松動(dòng)壓力的產(chǎn)生。

三、兩大工程理論的比較說明

經(jīng)長(zhǎng)期的應(yīng)用、研究和充實(shí)，這兩種理論已逐步形成為兩大理論體系，并且在原理、措施和方法上表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。表1-1是對(duì)兩大理論體系的比較說明。

由此不難看出，兩種理論的根本區(qū)別是：在解決隧道施工及地下工程問題時(shí)，傳統(tǒng)的松弛荷載理論更注重結(jié)果和對(duì)結(jié)果的處理，即將圍巖視為荷載的來源，繼而被動(dòng)接受開挖坑道后圍巖的任何變化結(jié)果，并采取直觀簡(jiǎn)單的方法和結(jié)構(gòu)來承受圍巖壓力，以期維持圍巖的穩(wěn)定。而現(xiàn)代圍巖承載理論則更注重過程和對(duì)過程的控制，即將圍巖視為隧道的結(jié)構(gòu)主體和承載主體，繼而主動(dòng)控制開挖坑道后圍巖的變化過程，并采取積極有效的方法和措施以加固圍巖，以期充分利用圍巖固有的自穩(wěn)能力。

也可以這樣來表述，現(xiàn)代圍巖承載理論與傳統(tǒng)松弛荷載理論的區(qū)別在于：開挖坑道后或預(yù)計(jì)圍巖穩(wěn)定能力不足時(shí)，究竟是對(duì)圍巖進(jìn)行外部支撐，還是對(duì)圍巖進(jìn)行內(nèi)部加固。傳統(tǒng)的松弛荷載理論由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)、材料的限制和對(duì)圍巖的認(rèn)識(shí)不透徹，主要著力研究如何對(duì)圍巖施加外部的支撐（包括臨時(shí)性的鋼木構(gòu)件和永久性的混凝土襯砌）。現(xiàn)代圍巖承載理論則是由于新技術(shù)、新材料的成功應(yīng)用和對(duì)圍巖認(rèn)識(shí)的加深，主要著力研究如何對(duì)圍巖施加內(nèi)部的加固。

應(yīng)當(dāng)注意的是，隧道工程都是在應(yīng)力巖體中開拓地下空間，在實(shí)際隧道工程中，并不介意采用什么理論和方法，而應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體工程的各方面條件綜合考慮，選擇最經(jīng)濟(jì)、最合理的設(shè)計(jì)和施工方案，甚至是多種理論、方法和措施的綜合應(yīng)用。這是一個(gè)受多種因素影響的動(dòng)態(tài)的擇優(yōu)過程。