第二节 隧道计算理论简介

隧道结构是埋藏于地面以下的建筑物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为统一的受力体系，共同承受围岩荷载。这一点正是地下工程与地面以上工程结构物的主要区别之一。在隧道工程理论方面，传统的理论是“松弛荷载理论”，但在长期的隧道工程实践中，随着人们对地下工程理论和实际问题的不懈探索和理解的加深，也由于在对隧道围岩和支护结构（地质、岩体和结构）的力学研究中应用了弹塑性理论和有限元方法，以及在隧道施工过程中对围岩应力应变动态的量测、分析和总结，已经提出了现代隧道工程“围岩承载理论”，基本形成了隧道及地下工程理论体系，并表现出广阔的发展前景和应用空间。现代围岩承载理论是对传统松弛荷载理论的继承和发展。同样的，现代隧道工程施工方法和施工技术等也是对传统方法和技术的改进、继承和发展。

一、松弛荷载理论

松弛荷载理论是20世纪20年代提出的，也称为传统隧道工程理论。其核心内容是：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载；不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支承。这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并塌落（或可能塌落）的岩体重力（即最不利荷载）。其代表性的人物有太沙基（K.Terzaghi）和普氏（M.Лромобьяконоб）等人。松弛荷载理论是在总结传统矿山法原理的基础上提出来的，它类似于地面工程考虑问题的思路，已经发展到一个相当高的水平，至今仍被广泛地应用着。

松弛荷载理论对应的力学计算模型为荷载—结构模型（图1-1），又称为传统的结构力学模型。它将支护结构和围岩分开来考虑，认为围岩是荷载的来源，支护结构是承载主体。隧道的支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支撑对支护结构施加约束来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支撑的约束能力时间接考虑。围岩的承载能力越高，它给予支护结构的压力越小，弹性支撑约束支护结构变形的抗力越大，相对来说，支护结构所起的作用就越小。这一类计算模型主要适用于围岩因过分变形而发生松弛和崩塌，支护结构主动承担围岩松动压力的情况。所以说，利用这类模型进行隧道支护结构计算的关键问题是如何确定作用在支护结构上的主动荷载，其中最主要的是围岩所产生的松动压力，以及弹性支承作用于支护结构上的弹性抗力，由于这个模型概念清晰，计算简便，易于被工程师们所接受，故至今仍很通用，尤其是对模筑衬砌。

图1-1 荷载—结构模型

二、围岩承载理论

围岩承载理论是20世纪60年代提出的，也称为现代隧道工程理论。其核心内容是：围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力；不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能够保持稳定状态，如此就更有利于“充分发挥围岩的自承能力”。其代表性人物有腊布希维兹（K.V.Rabcewicz）、米勒·菲切尔（Miller Fecher）、芬纳·罗勃（Fenner Talobre）和卡斯特奈（H.Kastener）等人。围岩承载理论是在总结新奥法原理的基础上提出来的，它已经脱离了地面工程考虑问题的思路，而更接近于地下工程实际，近半个世纪以来已被广泛接受和推广应用，并且表现出了广阔的发展前景。

图1-2 地层—结构模型

围岩承载理论对应的力学计算模型为地层—结构模型（图1-2），又称为现代的岩体力学模型和复合整体模型。它将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系。在这个模型中围岩是直接的承载单元，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形，这一点和第一类模型正好相反。地层—结构模型是目前隧道结构体系中力求采用的或正在发展的模型，因为它符合现在的隧道施工技术水平。采用快速和早强的技术可以限制围岩的变形，从而阻止围岩松动压力的产生。

三、两大工程理论的比较说明

经长期的应用、研究和充实，这两种理论已逐步形成为两大理论体系，并且在原理、措施和方法上表现出不同的特点。表1-1是对两大理论体系的比较说明。

表1-1 两大理论体系的比较说明

续表

由此不难看出，两种理论的根本区别是：在解决隧道施工及地下工程问题时，传统的松弛荷载理论更注重结果和对结果的处理，即将围岩视为荷载的来源，继而被动接受开挖坑道后围岩的任何变化结果，并采取直观简单的方法和结构来承受围岩压力，以期维持围岩的稳定。而现代围岩承载理论则更注重过程和对过程的控制，即将围岩视为隧道的结构主体和承载主体，继而主动控制开挖坑道后围岩的变化过程，并采取积极有效的方法和措施以加固围岩，以期充分利用围岩固有的自稳能力。

也可以这样来表述，现代围岩承载理论与传统松弛荷载理论的区别在于：开挖坑道后或预计围岩稳定能力不足时，究竟是对围岩进行外部支撑，还是对围岩进行内部加固。传统的松弛荷载理论由于当时的技术、材料的限制和对围岩的认识不透彻，主要着力研究如何对围岩施加外部的支撑（包括临时性的钢木构件和永久性的混凝土衬砌）。现代围岩承载理论则是由于新技术、新材料的成功应用和对围岩认识的加深，主要着力研究如何对围岩施加内部的加固。

应当注意的是，隧道工程都是在应力岩体中开拓地下空间，在实际隧道工程中，并不介意采用什么理论和方法，而应当根据具体工程的各方面条件综合考虑，选择最经济、最合理的设计和施工方案，甚至是多种理论、方法和措施的综合应用。这是一个受多种因素影响的动态的择优过程。