大斷面公路隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)的研究1(2008)

1、 在鐵路隧道中，出現(xiàn)大斷面隧道的情況大致可以在鐵路隧道中，出現(xiàn)大斷面隧道的情況大致可以歸納為以下幾種：歸納為以下幾種： 車站進(jìn)入洞口，在洞口段出現(xiàn)不同寬度的大斷車站進(jìn)入洞口，在洞口段出現(xiàn)不同寬度的大斷 面隧道；面隧道； 在隧道內(nèi)設(shè)站；在隧道內(nèi)設(shè)站； 洞外線路進(jìn)入隧道，形成洞外線路進(jìn)入隧道，形成3 3線或線或4 4線等多線隧道；線等多線隧道； 但不管那種情況，都是隧道的斷面變大了，構(gòu)成但不管那種情況，都是隧道的斷面變大了，構(gòu)成了大斷面隧道。了大斷面隧道。 為了迎接市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)，近期，鐵道部啟動(dòng)了以為了迎接市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)，近期，鐵道部啟動(dòng)了以250km/h250km/h、300km/h300km

2、/h和和350km/h350km/h速度為目標(biāo)的客運(yùn)專線的速度為目標(biāo)的客運(yùn)專線的建設(shè)工程，我國(guó)的鐵路建設(shè)又進(jìn)入了一個(gè)新階段。由建設(shè)工程，我國(guó)的鐵路建設(shè)又進(jìn)入了一個(gè)新階段。由于速度的跨越，對(duì)構(gòu)成線路的各種結(jié)構(gòu)物，包括橋梁、于速度的跨越，對(duì)構(gòu)成線路的各種結(jié)構(gòu)物，包括橋梁、隧道、軌道、路基等，提出了更加嚴(yán)格的要求和標(biāo)準(zhǔn)，隧道、軌道、路基等，提出了更加嚴(yán)格的要求和標(biāo)準(zhǔn)，也提出來許多前所未有的新課題。也提出來許多前所未有的新課題。 根據(jù)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的根據(jù)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的鐵路網(wǎng)中長(zhǎng)期規(guī)劃鐵路網(wǎng)中長(zhǎng)期規(guī)劃到到20202020年全國(guó)鐵路客運(yùn)專線營(yíng)業(yè)里程年全國(guó)鐵路客運(yùn)專線營(yíng)業(yè)里程12500km12500km中，客運(yùn)專

3、線隧中，客運(yùn)專線隧道的數(shù)量將超過道的數(shù)量將超過2500km2500km，相當(dāng)于國(guó)外已通車運(yùn)營(yíng)的高，相當(dāng)于國(guó)外已通車運(yùn)營(yíng)的高速鐵路隧道的總長(zhǎng)度速鐵路隧道的總長(zhǎng)度2 2倍，至倍，至20042004年底國(guó)家已批復(fù)開工年底國(guó)家已批復(fù)開工的客運(yùn)專線的隧道就有的客運(yùn)專線的隧道就有663km663km，如表，如表1 1所示。所示。序號(hào)線別線路長(zhǎng)度km隧道數(shù)量座隧道長(zhǎng)度km隧線比設(shè)計(jì)速度kmh1武漢廣州87423216418.773502鄭州西安485387715.883503石家莊太原190277335.582504寧波溫州274588932.482505溫州福州2987216354.802506福州廈門2

4、63313314.002507合肥武漢356376418.00250合計(jì)274049566324.20250 近期修建的鐵路客運(yùn)專線隧道，不僅數(shù)量多、近期修建的鐵路客運(yùn)專線隧道，不僅數(shù)量多、長(zhǎng)度長(zhǎng)、而且速度更快。如，國(guó)家長(zhǎng)度長(zhǎng)、而且速度更快。如，國(guó)家“十一五十一五”規(guī)規(guī)劃重點(diǎn)工程武廣（武漢廣州）鐵路客運(yùn)專線，劃重點(diǎn)工程武廣（武漢廣州）鐵路客運(yùn)專線，不僅是我國(guó)線路里程最長(zhǎng)，隧道數(shù)量最多（達(dá)到不僅是我國(guó)線路里程最長(zhǎng)，隧道數(shù)量最多（達(dá)到232232座），技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最高、投資最多的客運(yùn)專線，座），技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最高、投資最多的客運(yùn)專線，而且其列車速度已達(dá)到而且其列車速度已達(dá)到350km350kmh h。 從改

5、善客運(yùn)專線隧道內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、防從改善客運(yùn)專線隧道內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、防災(zāi)救援以及隧道內(nèi)乘車舒適度等方面考慮，武廣災(zāi)救援以及隧道內(nèi)乘車舒適度等方面考慮，武廣客運(yùn)專線隧道跨度及斷面積較以前均明顯增加客運(yùn)專線隧道跨度及斷面積較以前均明顯增加。 根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)，武廣鐵路客運(yùn)專線隧道軌面以上根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)，武廣鐵路客運(yùn)專線隧道軌面以上（或救援通道地面以上）的有效面積均保持在（或救援通道地面以上）的有效面積均保持在100m2以上。以上。為較好的滿足襯砌結(jié)構(gòu)受力，隧道軌面以上采用單心圓形為較好的滿足襯砌結(jié)構(gòu)受力，隧道軌面以上采用單心圓形式，除部分式，除部分II級(jí)圍巖外，隧道斷面均采用曲墻帶仰拱形式級(jí)圍巖外

6、，隧道斷面均采用曲墻帶仰拱形式（仰拱與邊墻順接），其中（仰拱與邊墻順接），其中III級(jí)圍巖根據(jù)地層巖性、地級(jí)圍巖根據(jù)地層巖性、地下水發(fā)育狀況，采用淺仰拱或深仰拱結(jié)構(gòu)，而下水發(fā)育狀況，采用淺仰拱或深仰拱結(jié)構(gòu)，而IVV級(jí)圍級(jí)圍巖則采用深仰拱結(jié)構(gòu)。如圖巖則采用深仰拱結(jié)構(gòu)。如圖1、2所示，以武廣鐵路客運(yùn)專所示，以武廣鐵路客運(yùn)專線線II、V級(jí)圍巖隧道復(fù)合式襯砌斷面設(shè)計(jì)為例，并選取所級(jí)圍巖隧道復(fù)合式襯砌斷面設(shè)計(jì)為例，并選取所有優(yōu)化方案（包括有優(yōu)化方案（包括A1、A2、B1、B2、C5個(gè)方案）中開挖個(gè)方案）中開挖工程量最小工程量最小A1方案進(jìn)行說明。方案進(jìn)行說明。 圖1 武廣客運(yùn)專線隧道II級(jí)圍巖隧道斷面圖

7、2 武廣客運(yùn)專線隧道V級(jí)圍巖隧道斷面 從開挖斷面上看，最小開挖跨度為從開挖斷面上看，最小開挖跨度為14.20m, 由于采用鉆爆法施工，因此，為避由于采用鉆爆法施工，因此，為避免欠挖，在免欠挖，在II級(jí)圍巖地段，隧道實(shí)際開挖面級(jí)圍巖地段，隧道實(shí)際開挖面積將超過積將超過130 m2，而在，而在V級(jí)圍巖地段，隧道級(jí)圍巖地段，隧道實(shí)際開挖面積將達(dá)到實(shí)際開挖面積將達(dá)到170 m2水平。按現(xiàn)行的水平。按現(xiàn)行的國(guó)內(nèi)外大斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)，武廣鐵路客運(yùn)專國(guó)內(nèi)外大斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)，武廣鐵路客運(yùn)專線隧道開挖面積屬超大斷面隧道線隧道開挖面積屬超大斷面隧道。 日本修建的第日本修建的第2 2東名高速公路，從一東名高速公路，從一開

8、始就采用了開始就采用了3 3車道的大斷面，初期建設(shè)車道的大斷面，初期建設(shè)斷面積為斷面積為113113170m170m2 2 ，比一般雙車道的，比一般雙車道的85m85m2 2 大大1.51.52.02.0倍。倍。 而后期為適應(yīng)而后期為適應(yīng)140km/h140km/h高速度的要求，而規(guī)劃的高速度的要求，而規(guī)劃的3 3車道公車道公路隧道，其斷面積達(dá)路隧道，其斷面積達(dá)170m170m2 2200m200m2 2（較（較1 1期工程的斷面積大期工程的斷面積大5050），局部斷面達(dá)），局部斷面達(dá)230m230m2 2的超大斷面、開挖寬度達(dá)的超大斷面、開挖寬度達(dá)23m23m。 隧道長(zhǎng)隧道長(zhǎng)座數(shù)上行線下行線

9、合計(jì)4000m112合計(jì)5252104表2 第2東名，名神高速公路的隧道比重 又如又如, ,英法海峽隧道分叉處的斷面的英法海峽隧道分叉處的斷面的開挖寬度達(dá)開挖寬度達(dá)21.2m21.2m，開挖高度達(dá)，開挖高度達(dá)15.4m15.4m，開挖斷面積為開挖斷面積為252.2m252.2m2 2。我國(guó)的。我國(guó)的3 3車道公車道公路隧道以及路隧道以及4 4車道的聯(lián)拱型隧道都在修建，車道的聯(lián)拱型隧道都在修建，例如鐵山坪隧道的斷面開挖寬度超過例如鐵山坪隧道的斷面開挖寬度超過14m14m，扁平率扁平率0.590.590.720.72。其他。其他3 3車道公路隧道車道公路隧道大梅沙隧道、大寶山隧道等等。大梅沙隧道、

10、大寶山隧道等等。連拱隧道連拱隧道： 浙江省金麗溫高速公路二期工程在地浙江省金麗溫高速公路二期工程在地質(zhì)地形條件十分復(fù)雜的山嶺重丘區(qū)通過，質(zhì)地形條件十分復(fù)雜的山嶺重丘區(qū)通過，為獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，大量采用了為獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，大量采用了連拱隧道方案，在本期工程總長(zhǎng)連拱隧道方案，在本期工程總長(zhǎng)9090余公里余公里的線路中，連拱隧道超過的線路中，連拱隧道超過2020座，連拱隧道座，連拱隧道的建設(shè)規(guī)模和難度在我國(guó)高速公路的建設(shè)的建設(shè)規(guī)模和難度在我國(guó)高速公路的建設(shè)中前所未有，開挖跨度達(dá)中前所未有，開挖跨度達(dá)25m25m。 紅楓湖大扁山連拱隧道位于國(guó)道干線上海紅楓湖大扁山連拱隧道位于國(guó)道干線上海

11、至瑞麗公路（貴州境）線上，地處多山環(huán)境，至瑞麗公路（貴州境）線上，地處多山環(huán)境，開挖跨度達(dá)開挖跨度達(dá)33m33m。 馬宅頂連拱隧道馬宅頂連拱隧道 同三線連拱隧道同三線連拱隧道 馮家埡口連拱隧道馮家埡口連拱隧道 綿廣公路連拱隧道綿廣公路連拱隧道 都汶路連體隧道都汶路連體隧道BBBB 里東連拱隧道l大扁山隧道洞身大扁山隧道洞身日本東京灣海底隧道日本東京灣海底隧道盾構(gòu)機(jī) 我國(guó)第一座用礦山法修建的海底大斷面公路隧道（廈我國(guó)第一座用礦山法修建的海底大斷面公路隧道（廈門翔安海底隧道）以及穿越長(zhǎng)江、黃浦江的用盾構(gòu)法修建門翔安海底隧道）以及穿越長(zhǎng)江、黃浦江的用盾構(gòu)法修建的大直徑水底公路隧道也都在建設(shè)之中。的大

12、直徑水底公路隧道也都在建設(shè)之中。1120工程主洞庫(kù)隧道結(jié)構(gòu)模型 “直角直角”連接連接 簡(jiǎn)捷徑向連接簡(jiǎn)捷徑向連接圖圖 拱腳角部處理（以左拱腳為例說明）拱腳角部處理（以左拱腳為例說明） 從目前的鐵路、公路隧道的特點(diǎn)看，大斷面隧從目前的鐵路、公路隧道的特點(diǎn)看，大斷面隧道的斷面形狀，可能出現(xiàn)道的斷面形狀，可能出現(xiàn)2 2種情況。即：種情況。即： 斷面是連續(xù)變化的，也就是說從大斷面變化到斷面是連續(xù)變化的，也就是說從大斷面變化到標(biāo)準(zhǔn)斷面，即在縱向?yàn)槔瓤谛问降淖兓粯?biāo)準(zhǔn)斷面，即在縱向?yàn)槔瓤谛问降淖兓?斷面是不變化的，即斷面尺寸是固定的。斷面是不變化的，即斷面尺寸是固定的。 此處，大斷面隧道指此處，大斷面

13、隧道指 ：超過雙線鐵路隧道及：超過雙線鐵路隧道及2 2車道公路隧道的大斷面隧道。車道公路隧道的大斷面隧道。 原則上，為單一跨度的隧道，即不包括聯(lián)拱型原則上，為單一跨度的隧道，即不包括聯(lián)拱型隧道。但實(shí)質(zhì)上，應(yīng)包括連拱型隧道。隧道。但實(shí)質(zhì)上，應(yīng)包括連拱型隧道。 大斷面隧道設(shè)計(jì)、施工，與一般的大斷面隧道設(shè)計(jì)、施工，與一般的2 2車道車道公路隧道或雙線鐵路隧道都有明顯不同：具公路隧道或雙線鐵路隧道都有明顯不同：具體講：在隧道位置的選定、隧道斷面形式、體講：在隧道位置的選定、隧道斷面形式、隧道襯砌結(jié)構(gòu)、施工方法、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)模隧道襯砌結(jié)構(gòu)、施工方法、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)模式、參數(shù)等，都要加以深入地研究。式、參數(shù)

14、等，都要加以深入地研究。 日本以第二東名日本以第二東名名神高速公路為依托，名神高速公路為依托，從從1990年開始有系統(tǒng)的對(duì)超大斷面公路隧道年開始有系統(tǒng)的對(duì)超大斷面公路隧道修建技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模研究。修建技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模研究。 表3 日本隧協(xié)隧道斷面劃分 劃分開挖斷面積說明標(biāo)準(zhǔn)斷面7080 m2雙車道大斷面100120 m2有人行道的雙車道，三車道超大斷面140 m2與路面寬度相同的三車道表4 國(guó)際隧協(xié)隧道斷面劃分 劃分開挖斷面積說明超小斷面100 m2 （1）扁平、大斷面隧道的力學(xué)問題， （2）隧道斷面結(jié)構(gòu)形式的研究； （3）施工方法的研究； （4）施工技術(shù)的研究 2.1 扁平、大斷面隧道的基本力學(xué)

15、特性：（1）寬度加大，高度不變的扁平拱形結(jié)構(gòu)，在力學(xué) 分析上可近似看作橢圓（2車道接近圓形） 2車道近似 3車道近似圖 1 理論分析時(shí)大斷面隧道形狀的簡(jiǎn)化形式 圖 2 拱頂發(fā)生的彎矩比 真圓率（%） 拱頂彎矩比 以標(biāo)準(zhǔn)雙車道斷面為基準(zhǔn)，高度不變?cè)黾訉挾龋幢馄铰剩≧BP）降低，通常雙車道RBP約為0.85，三車道為0.640.65）。真圓率定義：上半斷面高度/0.5隧道寬度；扁平率（RBP）定義：隧道高度/隧道寬度。 考察拱頂彎矩變化情況。當(dāng)將仰拱變?yōu)閳A形與洞道周邊連接時(shí)，則其拱頂彎矩更小。工程實(shí)例：日本東名改建三車道隧道RBP=0.65，中國(guó)鐵山坪隧道帶仰拱（III類）時(shí)，RBP取0.72，

16、平底時(shí)（IV類）RBP取為0.59。 l 靜水應(yīng)力場(chǎng)（K=1）中，開挖后隧道周邊的 （最大主應(yīng)力）是初始主應(yīng)力的2倍； l 在（K=0）情況下，開挖扁平大斷面隧道后隧道周邊的（最大主應(yīng)力）是初始主應(yīng)力的 3倍及以上； l 因此，與過去2車道相比，圍巖就是有很大強(qiáng)度，也會(huì)出現(xiàn)塑性化和大的變形；側(cè)壓系數(shù)小于1時(shí)，扁平度越大，為保證無支護(hù)自穩(wěn)條件，就必須要求有較大圍巖強(qiáng)度比。 l l 應(yīng)力在側(cè)壁處較大，開挖寬度越大，軸力也越應(yīng)力在側(cè)壁處較大，開挖寬度越大，軸力也越 大；大； l l 側(cè)壓系數(shù)小時(shí)，結(jié)構(gòu)受力更不利，底腳的承載側(cè)壓系數(shù)小時(shí)，結(jié)構(gòu)受力更不利，底腳的承載 力是很重要的。力是很重要的。 l l

17、仰拱對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用，改善結(jié)構(gòu)受力狀況，仰拱對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用，改善結(jié)構(gòu)受力狀況， 提高承載力。提高承載力。 l l 仰拱施工已上升至規(guī)范。仰拱施工已上升至規(guī)范。 隧道力學(xué)解析通常都是假定連續(xù)介質(zhì)的，這種假定對(duì)推斷塑性區(qū)是合適的，但對(duì)直接推斷巖塊的崩塌是無能為力的。 開挖寬度和開挖高度越大，要求產(chǎn)生拱作用的埋深越大，在埋深小，拱作用不能發(fā)揮作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的松弛壓力。因此，預(yù)計(jì)大斷面隧道會(huì)作用有較大的松弛荷載。 這些力學(xué)特點(diǎn)，就是大斷面公路隧道設(shè)計(jì)施工的基礎(chǔ)。2.2.1 圓形隧道開挖后應(yīng)力變化情況 （二次應(yīng)力狀態(tài)） （1） 基本公式：2cos1341)1 (12422）（）（yr2sin

18、321)1242）（yrt2cos131)1 (1242）（）（y豎向應(yīng)力：P表 5 圓形隧道開挖后應(yīng)力變化情況 01/31/21應(yīng)力邊墻（0，）3P8/3P5/2P2P拱頂（/2，3/2）-P01/2P2P應(yīng)力r邊墻（0，）0000拱頂（/2，3/2）0000 分析： l 存在不利的受拉區(qū)； l 在=01 范圍內(nèi)時(shí)，拱頂受力不利，最大應(yīng)力（壓應(yīng)力）出現(xiàn)在邊墻； l =1 結(jié)構(gòu)受力最有利。2.2.2 橢圓形隧道開挖后應(yīng)力變化情況 （二次應(yīng)力狀態(tài)） 設(shè)橢圓形斷面隧道長(zhǎng)半軸為a，短半軸為b，作用在隧道圍巖上的原巖垂直應(yīng)力為P，原巖水平應(yīng)力為 ,如圖5、6所示。隧道周邊上任一點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力 、徑向應(yīng)力

19、r和剪應(yīng)力r值的大小，可根據(jù)彈性理論，按橢圓孔復(fù)變函數(shù)解得，如下： 圖 5 橢圓斷面隧道圍巖應(yīng)力計(jì)算圖 圖 6 橢圓的偏心角與幅角 l 基本原則：選擇隧道斷面形狀時(shí)，應(yīng)避免在出現(xiàn)拉應(yīng)力情況，或降低拉應(yīng)力的大小和影響范圍。（1） 基本公式： 從判斷隧道圍巖穩(wěn)定性的觀點(diǎn)出發(fā)，只要找到隧道周邊極值點(diǎn)處的應(yīng)力大小，看其是否超過巖體的強(qiáng)度，即可判斷其穩(wěn)定程度。 從研究圓形隧道周邊應(yīng)力得知，橢圓形隧道周邊應(yīng)力的兩個(gè)應(yīng)力極值仍然在水平軸（=0，）和垂直軸（=/2，3/2）上 。I：當(dāng)隧道=0，可求得兩側(cè)中點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力，如下：II：而當(dāng)隧道= /2，3/2，則可求得頂、底板中點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力，如下：(2b/a+1) -1P 從上述式子可見，當(dāng)原巖應(yīng)力（P、 P）為定值時(shí)，環(huán)向應(yīng)力值的大小是隨軸比m而變化的， 即軸比m是影響應(yīng)力分布的唯一因素。 例如：當(dāng)已知垂直方向原巖應(yīng)力為P，側(cè)壓系數(shù) = （0.25）時(shí)，