隧道支护结构荷载及组合

作用在隧道衬砌上的荷载，按其性质可分为主动荷载和被动荷载。主动荷载是主动作用于结构上，并引起结构变形的荷载；被动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力，它对结构变形起限制作用。

1．主动荷载

在《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）、《公路隧道设计规范　第一册　土建工程》（JTG 3370.1—2018）中，采用荷载结构法进行支护结构内力计算时，设计荷载可以分成三类，即永久荷载、可变荷载和偶然荷载，见表6-3-1、表6-3-2。

永久荷载也称恒载，是地下结构长期及经常承受的主要荷载，公路、铁路设计规范中差别不大，主要包括围岩压力、结构自重、水压力、混凝土收缩和徐变影响、地面建筑和设备荷载、基础变位影响力。

可变荷载是在设计基准期内，其量值随时间发生与平均值相比不可忽略的变化荷载。地铁和公路隧道设计规范中将其分为基本可变荷载和其他可变荷载两类。铁路隧道设计规范分为活载、附加荷载和特殊荷载。对比规范，可变荷载基本可以归结为两类：一类是在隧道内运行的车辆（铁路车辆、公路车辆）、人和与隧道交叉的车辆引起的荷载；另外一类是温度力、灌浆压力、冻胀力、施工荷载等。

偶然荷载是在设计基准期内不一定发生，而一旦发生，其量值很大，但历时较短的荷载，如落石冲击力、地震力、沉船和抛锚等产生的撞击力等。

铁路和公路隧道设计规范中还将上述三类荷载进一步细分为主要荷载、附加荷载和特殊荷载。主要荷载包括恒载和活载，是结构设计中重点考虑的荷载；将落石冲击力归入附加荷载，而将施工荷载归入特殊荷载。

表6-3-1 《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）的荷载分类

注：① 围岩弹性抗力不作为设计荷载；
② 围岩为膨胀性岩（土）时，应考虑所处水环境变化产生的膨胀力；
③ 其他未列荷载，应根据其对隧道结构的影响特征考虑。

表6-3-2 《公路隧道设计规范　第一册　土建工程》（JTG 3370.1—2018）的荷载分类

续表

注：编号1～10为主要荷载；编号11、12、14为附加荷载；编号13、15为特殊荷载。

荷载应根据隧道所处的地形、地质条件、埋置深度、支护条件、施工方法、相邻隧道间距等因素，按有关公式计算或进行工程类比确定。当施工和实地量测中发现与实际不符时，应及时修正。对地质复杂的隧道，必要时应通过实地量测确定荷载的计算值及其分布规律。

这些荷载中围岩压力是最主要的，可以按释放荷载（形变压力）或松动压力计算；支护结构自重可按预先拟定的结构尺寸和材料容重计算确定；回填土荷载按自重压力确定；在含水地层中，静水压力按最低水位考虑，这是由于静水压力使衬砌结构物中的轴向力加大，而弯矩没有改变，对抗弯性能差而抗压性能好的混凝土衬砌结构来说，相当于改善了它的受力状态，对结构有利；对于没有仰拱的衬砌结构，车辆活载直接传给地层，对于设有仰拱的衬砌结构，车辆活载对拱墙衬砌结构的受力影响应根据具体情况而定，一般可略去不计。

在隧道结构上可能同时出现的荷载，应按满足承载能力和正常使用要求分别进行组合，并按最不利组合进行荷载计算和结构设计，以求得的最危险截面中的最大内力值为依据选择截面。铁路隧道荷载组合情况见表6-3-3，公路隧道荷载组合情况见表6-3-4。在隧道结构上可能同时出现的荷载，按承载能力要求进行组合时，主要考虑基本组合和偶然组合；按满足正常使用要求组合时，主要考虑长期效应组合和短期效应组合。承载能力要求荷载组合适用于对结构承载能力及其稳定性进行验算，正常使用要求荷载组合适用于结构变形和开裂及裂缝宽度验算。(www.xing528.com)

表6-3-3　铁路隧道荷载组合

表6-3-4　公路隧道荷载组合

一般仅考虑主要荷载，只在以下情况下才按主要荷载和附加荷载来检算结构：如七级以上地震区，考虑地震荷载；严寒地区冻胀性土壤的洞口段衬砌，考虑冻胀力；对结构稳定性有严格要求，需要考虑温度变化和混凝土徐变的影响；结构构件在就地建造和安装时，考虑作用在构件上的施工荷载。

2．被动荷载

被动荷载是指围岩的弹性抗力，它只产生在被衬砌压缩的围岩周边上，是指由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起的围岩对支护结构的约束反力。被动荷载（弹性抗力）的计算目前主要有两种理论，即局部变形理论和共同变形理论。

目前，隧道弹性抗力的计算主要采用局部变形理论，它是以文克勒（E.Winkler）假定为基础的。该理论认为围岩的弹性抗力与围岩在该点的变形成正比，用公式表示即为

式中　δi——支护结构表面某点i的位移（即对应的围岩表面某点的压缩变形）；

σi——在该点处围岩和结构相互作用的反力；

K——围岩的弹性反力系数。

该理论相当于把围岩简化为一系列彼此独立的弹簧，每个弹簧表示一个小岩柱，某一弹簧受到压缩时所产生的反作用力只与该弹簧有关，而与其他弹簧无关，如图6-3-3（a）所示。

共同变形理论把围岩视为弹性半无限体，考虑相邻质点之间的相互影响，虽然实际的弹性体变形是相互影响的，施加于一点的荷载会引起整个弹性体表面的变形，即共同变形，更符合地层实际变形情况［图6-3-3（b）］；但这种方法所需围岩物理力学参数较多，而且计算颇为繁杂，计算模型也有严重缺陷，另外还要假定施工过程中对围岩不产生扰动等，与实际情况也不完全相符，因而在我国很少采用。

而温氏假定能反映衬砌应力-变形的主要因素，且简单明了，便于应用，且能满足一般工程设计的需要精度，故广为使用。应当指出，弹性抗力系数并非常数，它取决于很多因素，如围岩的性质、衬砌的形状和尺寸、荷载类型等，但对于深埋隧道，可取为常数。

围岩的约束作用是地下结构的一大特点，它有利于结构的稳定，限制了围岩的变形，从而改善了结构的受力条件，提高了结构的承载力。

图6-3-3　变形引起反力的计算