公路工程中浅埋隧道设计与计算研究
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摘要
公路工程中存在大量深挖方路堑，如果工程选择不合理将会造成环境破坏，引起后
期潜在灾难性问题（如滑坡等）。本文总结了深挖方路堑存在的问题。阐述了目前公路设
计的指导思想。对浅埋隧道方案和深挖方路堑方案从直接工程费用、长期经济效益、生
态环保等方面进行了比较分析，探讨了浅埋隧道方案替代深挖方路堑方案的可能性以及
优越性。
本文从工程经济角度出发，由深挖方路堑与浅埋隧道方案工程费用相等得出深挖方
路堑的临界挖深hL为下限值。当深挖方路堑挖深小于临界挖深hL时采用深挖方路堑方案，
当深挖方路堑挖深大于 hL时采用隧道方案。
总结了浅埋隧道的围岩压力及衬砌内力的计算方法。用荷载结构模型中的假定抗力
法推导了偏压荷载情况时半圆衬砌的计算公式。指出偏压荷载作用下的隧道衬砌内力计
算可以采用基于假定抗力法的荷载结构模型进行计算。本文假定弹性抗力按二次抛物线
分布，取全拱为基本结构，由拱顶截面的相对转角、相对水平位移和相对垂直位移为零
的条件列出变形协调方程，再增加最大弹性抗力处的变形协调条件和弹性抗力为零处径
向位移为零的变形协调条件，解方程组求解得出衬砌结构的弹性抗力分布及内力。阐述
了基于假定抗力法的偏压荷载作用下衬砌内力计算的一般方法，指出用此法的关键在于
弹性抗力分布规律假定的正确性。根据推导的公式编制了相应的程序，以对称荷载和偏
压荷载的简单情况为算例计算得出了衬砌结构的弹性抗力分布及内力图，当荷载对称时
求得弹性抗力分布及内力图对称，表明推导公式的正确性。指出从偏压隧道实际工程中
总结其弹性抗力分布规律是假定抗力法付诸应用的一个简单有效的方法。利用荷载结构
模型数值方法研究了一般曲墙式衬砌在土质浅埋偏压情况下随着围岩弹性抗力系数减小
的位移和变形特点，给出一个在围岩弹性抗力系数较小时的改进的隧道衬砌结构形式。
There are mang heavy cuttings in highway engineering.If the choice is illogicality ,
environmental disruption will arose ,bringing late stage tragic problems(such as landslide). This
paper summarizes the problems of the heavy cutting projects. And the design philosophy of
environmental protection and sustainable development in the highway design is introduced.
Heavy cutting project is compared with shallow buried tunnel project in engineering cost,
long-lasting economic benefit, environmental protection. And this paper advises that shallow
buried tunnel be used in the highway building.
From heavy cutting is equal to shallow buried tunnel ,this paper gets the critical deepening
engineering cost hL as lower limit. Heavy cuttings are used when deepening is less than hL;
Deep buried tunnel is used when deepening is more than hL.
The wall rock pressure and lining internal force computing method of the shallow buried
tunnel is summarized. Assumed resisting power method of load-structure model is used to
calculate hemicycle lining under bias load.And this paper assumes that resisting power is accord
with parabola, gets all arch as basic configuration, gets formulation from the condition that the
relative corner , horizontal displacement and vertical displacement of vault section is
zero,adds deformation condition of maximum resisting power and zero resisting power, solves
equation group to get the internal force of lining . And lining internal force computing method
under bias load based on assumed resisting power method is formulized.And this paper points
out the key of this method is if the assumed regularities of distribution of wall rock resisting
power is correct.According to the deductive formulas programme is written to calculate the
resisting power and internal force of the lining under symmetrical load and bias load.The
resisting power and internal force is symmetrical when the load is symmetrical which indicates
that the formula is correct.This paper indicates that a simple effective method to apply the
formula is to summarize the rule of the resisting power from the bias tunnel engineering.Finally
numerical method of load-structure model is used to study on the displacement and deformation
of bend liner with the minishing wall rock resisting power modulus,and a ameliorated liner is
given when the wall rock resisting power modulus is small.
期潜在灾难性问题（如滑坡等）。本文总结了深挖方路堑存在的问题。阐述了目前公路设
计的指导思想。对浅埋隧道方案和深挖方路堑方案从直接工程费用、长期经济效益、生
态环保等方面进行了比较分析，探讨了浅埋隧道方案替代深挖方路堑方案的可能性以及
优越性。
本文从工程经济角度出发，由深挖方路堑与浅埋隧道方案工程费用相等得出深挖方
路堑的临界挖深hL为下限值。当深挖方路堑挖深小于临界挖深hL时采用深挖方路堑方案，
当深挖方路堑挖深大于 hL时采用隧道方案。
总结了浅埋隧道的围岩压力及衬砌内力的计算方法。用荷载结构模型中的假定抗力
法推导了偏压荷载情况时半圆衬砌的计算公式。指出偏压荷载作用下的隧道衬砌内力计
算可以采用基于假定抗力法的荷载结构模型进行计算。本文假定弹性抗力按二次抛物线
分布，取全拱为基本结构，由拱顶截面的相对转角、相对水平位移和相对垂直位移为零
的条件列出变形协调方程，再增加最大弹性抗力处的变形协调条件和弹性抗力为零处径
向位移为零的变形协调条件，解方程组求解得出衬砌结构的弹性抗力分布及内力。阐述
了基于假定抗力法的偏压荷载作用下衬砌内力计算的一般方法，指出用此法的关键在于
弹性抗力分布规律假定的正确性。根据推导的公式编制了相应的程序，以对称荷载和偏
压荷载的简单情况为算例计算得出了衬砌结构的弹性抗力分布及内力图，当荷载对称时
求得弹性抗力分布及内力图对称，表明推导公式的正确性。指出从偏压隧道实际工程中
总结其弹性抗力分布规律是假定抗力法付诸应用的一个简单有效的方法。利用荷载结构
模型数值方法研究了一般曲墙式衬砌在土质浅埋偏压情况下随着围岩弹性抗力系数减小
的位移和变形特点，给出一个在围岩弹性抗力系数较小时的改进的隧道衬砌结构形式。
There are mang heavy cuttings in highway engineering.If the choice is illogicality ,
environmental disruption will arose ,bringing late stage tragic problems(such as landslide). This
paper summarizes the problems of the heavy cutting projects. And the design philosophy of
environmental protection and sustainable development in the highway design is introduced.
Heavy cutting project is compared with shallow buried tunnel project in engineering cost,
long-lasting economic benefit, environmental protection. And this paper advises that shallow
buried tunnel be used in the highway building.
From heavy cutting is equal to shallow buried tunnel ,this paper gets the critical deepening
engineering cost hL as lower limit. Heavy cuttings are used when deepening is less than hL;
Deep buried tunnel is used when deepening is more than hL.
The wall rock pressure and lining internal force computing method of the shallow buried
tunnel is summarized. Assumed resisting power method of load-structure model is used to
calculate hemicycle lining under bias load.And this paper assumes that resisting power is accord
with parabola, gets all arch as basic configuration, gets formulation from the condition that the
relative corner , horizontal displacement and vertical displacement of vault section is
zero,adds deformation condition of maximum resisting power and zero resisting power, solves
equation group to get the internal force of lining . And lining internal force computing method
under bias load based on assumed resisting power method is formulized.And this paper points
out the key of this method is if the assumed regularities of distribution of wall rock resisting
power is correct.According to the deductive formulas programme is written to calculate the
resisting power and internal force of the lining under symmetrical load and bias load.The
resisting power and internal force is symmetrical when the load is symmetrical which indicates
that the formula is correct.This paper indicates that a simple effective method to apply the
formula is to summarize the rule of the resisting power from the bias tunnel engineering.Finally
numerical method of load-structure model is used to study on the displacement and deformation
of bend liner with the minishing wall rock resisting power modulus,and a ameliorated liner is
given when the wall rock resisting power modulus is small.
引文
[1]杨绍波，焦云霞.祁临高速公路介休—霍州段初步设计综述.山西交通科技，2002.12
[2]李铀，周平，白世伟等. 汉十高速公路武—许段边坡稳定性分类研究.岩土力学，2004.4，
23(2)：236
[3]江苏省交通厅编.江苏省高速公路建设论文集.北京：人民交通出版社，2002，72～74
[4]交通部公路司编.全国优秀高速公路勘察设计技术交流成果汇编.北京：人民交通出版
社，2001，117～127
[5]霍明.山区高速公路勘察设计指南.北京：人民交通出版社，2003.7
[6]高速公路从书编委会编著.高速公路路基设计与施工.北京：人民交通出版社，1998.8，
78～80
[7]李闯平，孔辉.浅议西部山区高等级路建设与环境保护.陕西公路科技，2002（1）
[8]刘宝兴.路基工程新技术实用全书.海潮出版社，2397
[9]杨航宇，颜志平等.公路边坡防护与治理.北京：人民交通出版社，2002.10，29
[10]交通部颁.公路环境保护设计规范(JTJ/T006-98).北京：人民交通出版社，1999
[11]浙江省交通设计院主编.公路隧道设计规范.北京：人民交通出版社，1990
[12]Xie Jinchang,Tan Zhongsheng.Optimum fit for the pobability distribution function of
loosened rock load on railway tunnel lining in China.The ITAAnnual Meeting,Chengdu,1990
[13]W.Wittke,Shallow Tunnel in Soft Rock Subjected to High in-situ Stresses.Proceeding
Symposium on Rock Mechanics. A.A.Balkema.location varies,United States.1986
[14]C.K. Overview of Soft Ground Tunneling in the Himalayas,Tunnels and Tunneling,1982
[15]杨子敏.公路工程造价指南.北京：人民交通出版社，1997
[16]交通部颁.公路隧道施工技术规范.北京：人民交通出版社，1995
[17]王毅才.隧道工程.北京：人民交通出版社，2000.8
[18]孙钧、侯学渊.地下结构（上册）.北京：科学出版社，1987，14～25
[19]中国岩石力学与工程学会主编. 中国岩石力学与工程学会第六次学术大会论文集.北
京：中国科学技术出版社，2000.10
[20]贺永年,刘志强.隧道工程.徐州：中国矿业大学出版社，2002
[21]胡振瀛、刘洁. 地下结构的设计与施工.地下空间，1998.9，18(3)
[22]徐干成、白洪才、郑颖人等著.地下工程支护结构.北京：中国水利水电出版社，2002.1
[23]罗固源.隧道工程.重庆：重庆大学出版社，2001.12，104～109
[24]浙江省交通设计院主编.公路隧道设计规范.北京：人民交通出版社，1990
[25]谭忠盛、高波、关宝树. 偏压隧道衬砌结构可靠度分析.西南交通大学学报，1996， 31
62
参考文献
（6）：595～596
[26]Makotoj Suzuki. Stochastic finite element method for slope stability analysis. Structural
Safety,1987
[27]Teodor Iftimie,Prefabricated Linining,Conceptional Analysis and Comparative Studies for
Optimal Solution,Tunnelling and Ground Conditions,Abdel Salam(ed.),1994
[28]Duddeck,H.Structural Design Models for Tunnels,Tunneling’82,Institution of Mining and
Metallury,London,U.K.,1982
[29]G.Giod and L.Jurina: Numerical identification of soil-structure interaction pressures. Int,
J.Num.mech.Geomech.1981(5):33~56
[30]于书翰、杜谟远.隧道施工.北京：人民交通出版社，1996
[31]胡振瀛、朱作荣. 岩石地层地下结构的设计方法.地下空间，1999.3，19(1)
[32]邓刚. 半荷载结构法检算浅埋（偏压）隧道结构之探讨.现代隧道技术，2002.6，39(3)
[33]交通部公路司编.全国优秀高速公路勘察设计技术交流成果汇编.北京：人民交通出版
社，2001，117～127
[34]张厚美、吕国梁. 圆形隧道衬砌结构计算模型综述.世界隧道，2002.2
[35]陈少华、易亚滨. 偏压隧道复合式衬砌的相互作用和结构计算.世界隧道，1999.2，20～
24
[36]钟万勰等著. 计算杆系结构力学.北京：水利水电出版社，1982
[2]李铀，周平，白世伟等. 汉十高速公路武—许段边坡稳定性分类研究.岩土力学，2004.4，
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[12]Xie Jinchang,Tan Zhongsheng.Optimum fit for the pobability distribution function of
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24
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