大斷面公路隧道設計施工技術的研究2(2008)

1、建筑限界主要坐標點的計算建筑限界主要坐標點的計算根據(jù)上述，確定凈空斷面的輪廓線根據(jù)上述，確定凈空斷面的輪廓線考慮過去的實際，考慮過去的實際，NATMNATM施工的經(jīng)驗等，選擇扁平施工的經(jīng)驗等，選擇扁平率，及經(jīng)濟性決定凈空斷面。率，及經(jīng)濟性決定凈空斷面。 2)2)標準斷面的研究標準斷面的研究對選定的凈空斷面，根據(jù)對選定的凈空斷面，根據(jù)NATMNATM施工的要求，加以修正，選定標準斷面。施工的要求，加以修正，選定標準斷面。 3)3)標準模式的研究標準模式的研究標準支護、施工模式、參數(shù)標準支護、施工模式、參數(shù)的確定。的確定。 4)4)有限元法解析有限元法解析根據(jù)確定標準斷面和模式，按施根據(jù)確定標準斷

2、面和模式，按施工方法進行有限元解析，最后決定斷面尺寸及形式。工方法進行有限元解析，最后決定斷面尺寸及形式。 5)此外，隧道斷面要確保滿足公路設計規(guī)范及防此外，隧道斷面要確保滿足公路設計規(guī)范及防災基準等條件的要求與規(guī)定。災基準等條件的要求與規(guī)定。 隧道斷面基本形式，首先決定于隧道建筑限界。隧道斷面基本形式，首先決定于隧道建筑限界。3.2三車道標準圖的建筑限界：三車道標準圖的建筑限界： 1) 日本日本較早情況：3.5m + 3.75m + 3.5m + 兩側路肩1.0m+1.0m,共計12.75m，高度4.8m； 2)日本日本目前情況：33.75m + 左側路肩3.25m, 右側路肩2.0m,共計

3、16.5m；(相當于一般高速公路4車道)高度4.8m； 3)挪威設計標準：3.25m + 3.25m + 3.5m + 兩側路肩1.0m+1.0m,共計12.0m，高度4.6m；三車道隧道的支護結構，視圍巖狀態(tài)而異。因其斷三車道隧道的支護結構，視圍巖狀態(tài)而異。因其斷面積比雙車道大得多，故要很好地研究其支護結構的形面積比雙車道大得多，故要很好地研究其支護結構的形式和參數(shù)。式和參數(shù)。為了隧道的穩(wěn)定，支護結構的大致標準是：為了隧道的穩(wěn)定，支護結構的大致標準是：l錨桿錨桿長度應大于隧道直徑的長度應大于隧道直徑的13；（通常，按懸吊及組合拱原理）（通常，按懸吊及組合拱原理）l噴混凝土噴混凝土厚度不小于隧

4、道直徑的厚度不小于隧道直徑的1.7;l在經(jīng)驗不足的情況下，三車道的支護規(guī)模，可把雙車在經(jīng)驗不足的情況下，三車道的支護規(guī)模，可把雙車道的圍巖類別降一級做為大致標準。道的圍巖類別降一級做為大致標準。表表4是日本第二東名名神公路的三車道隧道支護結是日本第二東名名神公路的三車道隧道支護結構的基本參數(shù)。構的基本參數(shù)。從表從表4看出，支護結構是與施工方法聯(lián)系在一起?？闯觯ёo結構是與施工方法聯(lián)系在一起。結構上的一個特點是，仰拱的厚度比拱部厚，是比較結構上的一個特點是，仰拱的厚度比拱部厚，是比較合理的，錨桿也較長。在各種情況下，均沒有留變形合理的，錨桿也較長。在各種情況下，均沒有留變形富裕量，這可能與斷面大

5、有關。富裕量，這可能與斷面大有關。支護結構根據(jù)最近的三車道隧道的施工實際，按支護結構根據(jù)最近的三車道隧道的施工實際，按圍巖分級的基準設定，如表圍巖分級的基準設定，如表5。襯砌襯砌:在標準設計范圍內(nèi)，初期支護是確保圍巖穩(wěn)在標準設計范圍內(nèi)，初期支護是確保圍巖穩(wěn)定的，但對于扁平隧道，為確保長期的穩(wěn)定性，也要定的，但對于扁平隧道，為確保長期的穩(wěn)定性，也要預計長期的力學穩(wěn)定性。因沒有確定作用在上荷載的預計長期的力學穩(wěn)定性。因沒有確定作用在上荷載的方法，故按：方法，故按：相當于有限元分析的松弛區(qū)的松弛荷載，相當于有限元分析的松弛區(qū)的松弛荷載，采用容許應力法進行計算；采用容許應力法進行計算；以規(guī)范給定的荷載

6、，采用軸力極限承載以規(guī)范給定的荷載，采用軸力極限承載力進行研究。力進行研究。5.1工法選擇的注意事項：工法選擇的注意事項：隧道的施工方法要根據(jù)斷面形狀、長度、工期、隧道的施工方法要根據(jù)斷面形狀、長度、工期、地質(zhì)、涌水、周圍環(huán)境等條件、綜合確定。雙車道的地質(zhì)、涌水、周圍環(huán)境等條件、綜合確定。雙車道的施工方法，一般都選臺階法。但三車道隧道，因斷面施工方法，一般都選臺階法。但三車道隧道，因斷面大，而且扁平。因此，選擇時要注意以下幾點：大，而且扁平。因此，選擇時要注意以下幾點：地形地質(zhì)的特殊性，如洞口段，埋深小的地段，地形地質(zhì)的特殊性，如洞口段，埋深小的地段，易變形的地質(zhì)等；易變形的地質(zhì)等；是否有限制

7、條件，如對地表下沉的限制，地基承是否有限制條件，如對地表下沉的限制，地基承載力小等；載力小等； 必要時要與輔助工法配合；必要時要與輔助工法配合； 要盡量采用能避免圍巖松弛的施工方法，要盡量采用能避免圍巖松弛的施工方法，如在泥巖中可采用機械開挖；如在泥巖中可采用機械開挖； 因上部斷面扁平不能長時間放置，開挖后因上部斷面扁平不能長時間放置，開挖后要及早用臨時仰拱封閉；要及早用臨時仰拱封閉；從目前的施工技術水平出發(fā)，適合大從目前的施工技術水平出發(fā)，適合大斷面的開挖方法，主要有以下幾種（圖斷面的開挖方法，主要有以下幾種（圖10）。）。5.2大斷面主要開挖方法：大斷面主要開挖方法：5.2.1種類種類l

8、上半斷面超前臺階法；上半斷面超前臺階法；l 上半斷面臨時閉合的臺階法；上半斷面臨時閉合的臺階法；l 中隔壁法（中隔壁法（CD工法）；工法）；a)側壁導坑超前法等。側壁導坑超前法等。上半斷面超前法側導坑超前法中隔壁法:(DD工法)中隔壁法:(CD工法)圖10 大斷面隧道施工方法5.2.2上述工法適用條件：上述工法適用條件：在比較堅硬的圍巖中采用在比較堅硬的圍巖中采用a法；法；在中壁法中，圍巖單軸抗壓強度在中壁法中，圍巖單軸抗壓強度200kg/cm2的地段的地段可采用可采用b法。否則采用中壁法；法。否則采用中壁法；側壁導坑法基本上用于淺埋洞口段及未固結的圍巖。側壁導坑法基本上用于淺埋洞口段及未固結

9、的圍巖。在上述方法中通常都要與輔助工法配合；輔助工法在上述方法中通常都要與輔助工法配合；輔助工法有：有：l （鋼）插板法（鋼）插板法工程實例工程實例“越秀公園車站越秀公園車站”；l 小導管超前注漿；小導管超前注漿；l 壓漿法；壓漿法； 管棚法等。管棚法等。0.超前拱部鋼叉管及注漿加固1.左側上導洞開挖及初支2.左側中導洞開挖及初支3.左側下導洞開挖及初支4.右側上導洞開挖及初支5.右側中導洞開挖及初支6.右側下導洞開挖及初支模板臺車全斷面二次襯砌施作圖越秀公園車站主體暗挖部分單洞施工工藝流程圖5.2.3大斷面短隧道工法：大斷面短隧道工法：可采用先貫通導坑，后擴大的施工工序，施工效可采用先貫通導

10、坑，后擴大的施工工序，施工效率是很高的。率是很高的。5.3施工方法的研究施工方法的研究基本的施工方法基本的施工方法l 130m2級的三車道隧道施工方法，可在圖級的三車道隧道施工方法，可在圖10中選定中選定;l 其中，上半斷面法采用最多。在大部分條件下都可采其中，上半斷面法采用最多。在大部分條件下都可采用用;l 在承載力不足的洞口段，可采用側壁導坑法在承載力不足的洞口段，可采用側壁導坑法; 在掌子面不穩(wěn)定的隧道中，可采用中隔壁法（在掌子面不穩(wěn)定的隧道中，可采用中隔壁法（CD工工法）。法）。TBM導坑超前法：例如在湯田導坑超前法：例如在湯田2號隧道，采用號隧道，采用3.5mTBM進行上半斷面的施工

11、，其效果是顯著的。進行上半斷面的施工，其效果是顯著的。TBM導坑超前的作用可歸納為以下幾點：導坑超前的作用可歸納為以下幾點：l 圍巖調(diào)查；圍巖調(diào)查；l 因排水，使圍巖條件改善；因排水，使圍巖條件改善；l 對不穩(wěn)定地段進行事前加固；對不穩(wěn)定地段進行事前加固；l 擴大時，起到掏槽作用；擴大時，起到掏槽作用；l 可作為施工中的風道?？勺鳛槭┕ぶ械娘L道。橫斷面超前錨桿TBM導坑超前錨桿TBM導坑縱斷面上半盤下半盤圖圖12湯田湯田2號隧道號隧道TBM導坑超前法導坑超前法在清水在清水3號隧道則采用號隧道則采用5.0m的的TBM在上半斷面掘在上半斷面掘進導坑，在上半斷面修筑導坑，對拱部不穩(wěn)定問題的進導坑，在

12、上半斷面修筑導坑，對拱部不穩(wěn)定問題的解決，有很大好處。解決，有很大好處。不穩(wěn)定圍巖的施工方法不穩(wěn)定圍巖的施工方法洞口段、未固結圍巖、斷層破碎帶等不穩(wěn)定圍巖洞口段、未固結圍巖、斷層破碎帶等不穩(wěn)定圍巖中，特別市在扁平大斷面隧道中，因開挖寬度和高度中，特別市在扁平大斷面隧道中，因開挖寬度和高度都大，易于不穩(wěn)定，和拱腳處的應力集中、拱頂彎矩都大，易于不穩(wěn)定，和拱腳處的應力集中、拱頂彎矩增大等，應盡量控制圍巖松弛，為此，采取掌子面穩(wěn)增大等，應盡量控制圍巖松弛，為此，采取掌子面穩(wěn)定對策有：分割掌子面或縮短一次進尺長度，或采取定對策有：分割掌子面或縮短一次進尺長度，或采取圍巖輔助工法。圍巖輔助工法。施工技術

13、上的課題施工技術上的課題為有效、安全地進行大斷面縮短的施工，要進行為有效、安全地進行大斷面縮短的施工，要進行技術開發(fā)。這些技術開包括：技術開發(fā)。這些技術開包括：l 光面爆破、使裝藥作業(yè)省力化。特別是因下半斷光面爆破、使裝藥作業(yè)省力化。特別是因下半斷面面3和仰拱的開挖部分所占比重增大，有必要開和仰拱的開挖部分所占比重增大，有必要開發(fā)適合此部位開挖的技術。發(fā)適合此部位開挖的技術。l 長錨桿是需要的，特別是孔壁不能自穩(wěn)的圍巖中長錨桿是需要的，特別是孔壁不能自穩(wěn)的圍巖中打設長錨桿的技術是必要的。打設長錨桿的技術是必要的。l 噴混凝土的設計厚度和噴射量都變大了，因此，噴混凝土的設計厚度和噴射量都變大了，

14、因此，采用高效率的、例如采用大容量的機械和高強混采用高效率的、例如采用大容量的機械和高強混凝土，以控制厚度的增加，是必要的。凝土，以控制厚度的增加，是必要的。l 因土方量的增加，需開發(fā)大型出渣系統(tǒng)。因土方量的增加，需開發(fā)大型出渣系統(tǒng)。l 因大型機械投入施工，廢氣增多，要加因大型機械投入施工，廢氣增多，要加強通風，要研究采用強通風，要研究采用TBM導坑通風的可導坑通風的可能性。能性。l 研究采用研究采用TBM導坑施工的合理方法及可導坑施工的合理方法及可能的技術。能的技術。在大斷面隧道的開挖中，保證施工安全的監(jiān)測作業(yè)，是必不可少的。這應在設計中予以反映。為了解扁平大斷面隧道的力學特性，有必需掌握扁

15、平度對隧道力學動態(tài)的影響。扁平率定義為扁平隧道的短軸和長軸之比。在解析中，設定隧道長軸（2B）為20.00m，短軸（2A）分別取20.0010.00m。即，扁平率取1.00.5。計算情況參見表8。表表8計算情況一覽表計算情況一覽表解析采用的參數(shù)：隧道襯砌厚度：100cm彈性系數(shù)：EC=210000kgf/cm2=21GPa（200號噴砼）圍巖單位重量：=2.7t/m3=27KN/m3圍巖變形系數(shù)：Eg=3000kgf/cm2=0.3GPa垂直載荷：q=27.00t/m側壓系數(shù)取k=0。這是最不利情況。如表9，以及圖14所示。從中可以看出：1)減小（即：增大扁平率），軸力單調(diào)減小，彎矩單調(diào)增大；

16、2)總的來看，負彎矩（兩側）變大，正彎矩（拱頂）幾乎沒有變化。這說明隧道襯砌的兩側應力也變大了；因此，加大襯砌兩側的厚度，對控制隧道襯砌的應力是可行的。表表10不同圍巖變形系數(shù)的影響不同圍巖變形系數(shù)的影響 現(xiàn)取扁平率為0.75，圍巖剛性取E=50100000kgf/cm2進行解析；如表10所示，可見圍巖剛性的影響是顯著的。 由表10可知，圍巖越硬，對隧道襯砌的影響越小。當圍巖變形系數(shù)和隧道襯砌彈性系數(shù)之比（Eg/EC）大于0.1時，圍巖剛性對隧道襯砌的影響幾乎消失。而當（Eg/EC）變小，也就是說圍巖越軟弱（特別是Eg/EC小于0.03時，則必需對隧道襯砌進行詳細研究。為了適應超大斷面隧道施工的要求，對超大斷面隧道的為了適應超大斷面隧道施工的要求，對超大斷面隧道的基本開挖方法的適用性進行了深入研究。同時也提出了基本開挖方法的適用性進行了深入研究。同時也提出了開挖評價的基準。開挖評價的基準。在超大斷面隧道中，基本上選擇以