大断面公路隧道设计施工技术的研究1(2008)

说明
小断面
中等断面 大断面
3.0~10.0 m2
10.0~50.0 m2 50.0~100 m2
超大断面
>100 m2
1.2 关于大断面公路隧道研究的主要内容
（1）扁平、大断面隧道的力学问题， （2）隧道断面结构形式的研究； （3）施工方法的研究； （4）施工技术的研究
2 扁平、大断面隧道的力学问题
2.1 扁平、大断面隧道的基本力学特性：
分析上可近似看作椭圆（2车道接近圆形） （1）宽度加大，高度不变的扁平拱形结构，在力学
2车道近似
3车道近似
图 1 理论分析时大断面隧道形状的简化形式
（2）开挖应力的重分布变得不利
拱顶弯矩比
图 2 拱顶发生的弯矩比 真圆率（%）
（2）开挖应力的重分布变得不利
温州－福州 福州－厦门 合肥－武汉 合计
274
298 263 356 2740
58
72 31 37 495
89
163 33 64 663
32.48％
54.80％ 14.00％ 18.00％ 24.20％
250
250 250 250 250
客运专线隧道断面
近期修建的铁路客运专线隧道，不仅数量多、 长度长、而且速度更快。如，国家“十一五”规 划重点工程武广（武汉－广州）铁路客运专线， 不仅是我国线路里程最长，隧道数量最多（达到 232座），技术标准最高、投资最多的客运专线， 而且其列车速度已达到350km／h。
2.2 扁平大断面隧道的力学分析
2.2.1 圆形隧道开挖后应力变化情况 （二次应力状态）
（1） 基本公式：
r

y
y
2
y
2
1 cos 2 （ 1 2） (1 ) （ 1 4 2 3 4）

2
1 cos2 （ 1 2） (1 ) （ 1 3 4）
大断面隧道设计与施工
大断面隧道设计、施工，与一般的2车道 公路隧道或双线铁路隧道都有明显不同：具 体讲：在隧道位置的选定、隧道断面形式、 隧道衬砌结构、施工方法、初期支护结构模 式、参数等，都要加以深入地研究。 日本以第二东名—名神高速公路为依托， 从1990年开始有系统的对超大断面公路隧道 修建技术进行大规模研究。
专题一 大断面公路隧道设计施工技术的研究
1 国内外现状及简要说明
不管是铁路隧道或公路隧 道，目前都有一种向大断面隧 道方向发展的趋势。
一般铁路隧道
在铁路隧道中，出现大断面隧道的情况大致可以 归纳为以下几种： ① 车站进入洞口，在洞口段出现不同宽度的大断 面隧道； ② 在隧道内设站； ③ 洞外线路进入隧道，形成3线或4线等多线隧道； 但不管那种情况，都是隧道的断面变大了，构成 了大断面隧道。
高速公路隧道
日本修建的第2东名高速公路，从一 开始就采用了3车道的大断面，初期建设 断面积为113～170m2 ，比一般双车道的 85m2 大1.5～2.0倍。 而后期为适应 140km/h高速度的要求，而规划的3车道公 路隧道，其断面积达170m2～200m2（较1 期工程的断面积大50％），局部断面达 230m2的超大断面、开挖宽度达23m。
其他大断面隧道情况
连拱隧道： 浙江省金丽温高速公路二期工程在地 质地形条件十分复杂的山岭重丘区通过， 为获得良好的技术经济效果，大量采用了 连拱隧道方案，在本期工程总长90余公里 的线路中，连拱隧道超过20座，连拱隧道 的建设规模和难度在我国高速公路的建设 中前所未有，开挖跨度达25m。
连拱及连体隧道
设椭圆形断面隧道长半轴为a，短半轴为b， 作用在隧道围岩上的原岩垂直应力为 P，原岩水 平应力为 , 如图 5 、 6 所示。隧道周边上任一点 的环向应力 、径向应力 r和剪应力 r 值的大 小，可根据弹性理论，按椭圆孔复变函数解得， 如下：
2.2 扁平大断面隧道的力学分析
图 5 椭圆断面隧道围岩应力计算图
（3）底脚处应力集中过大，要求较大地 基承载力
应力在侧壁处较大，开挖宽度越大，轴力也越 大；
侧压系数小时，结构受力更不利，底脚的承载
力是很重要的。
仰拱对结构稳定性的作用，改善结构受力状况，
提高承载力。 仰拱施工已上升至规范。
（4）拱顶的不稳定
隧道力学解析通常都是假定连续介质的， 这种假定对推断塑性区是合适的，但对直接推 断岩块的崩塌是无能为力的。
（ 1 ) （ 1 2 2 3 4） sin 2

rt


（2）圆形隧道开挖后应力变化情况
表 5 圆形隧道开挖后应力变化情况


0 1/3 1/2 1
边墙（0，）
应力 拱顶（/2，3/2） 边墙（0，） 拱顶（/2，3/2）
3P
8/3P
5/2P
2P
I：当隧道=0，，可求得两侧中点环向应力，如下：
2.2.2 椭圆形隧道开挖后应力变化情况
II：而当隧道= /2，3/2，则可求得顶、底板中点环 向应力，如下：
[(2b/a+1)] -1]P
从上述式子可见，当原岩应力（P、 P）为 定值时，环向应力值的大小是随轴比m而变化 的， 即轴比m是影响应力分布的唯一因素。
（2）开挖应力的重分布变得不利
静水应力场（K=1）中，开挖后隧道周边 的 （最大主应力）是初始主应力的2倍； 在（K=0）情况下，开挖扁平大断面隧道 后隧道周边的（最大主应力）是初始主应力 的 3倍及以上；
因此，与过去2车道相比，围岩就是有很 大强度，也会出现塑性化和大的变形；侧压系 数小于1时，扁平度越大，为保证无支护自稳条 件，就必须要求有较大围岩强度比。
从改善客运专线隧道内空气动力学效应、防 灾救援以及隧道内乘车舒适度等方面考虑，武广 客运专线隧道跨度及断面积较以前均明显增加。
Hale Waihona Puke 客运专线隧道断面根据施工图设计，武广铁路客运专线隧道轨面以上 （或救援通道地面以上）的有效面积均保持在 100m2以上。 为较好的满足衬砌结构受力，隧道轨面以上采用单心圆形 式，除部分II级围岩外，隧道断面均采用曲墙带仰拱形式 （仰拱与边墙顺接），其中III级围岩根据地层岩性、地 下水发育状况，采用浅仰拱或深仰拱结构，而IV～V级围 岩则采用深仰拱结构。如图1、2所示，以武广铁路客运专 线II、V级围岩隧道复合式衬砌断面设计为例，并选取所 有优化方案（包括A1、A2、B1、B2、C5个方案）中开挖 工程量最小A1方案进行说明。
•
1.1 大断面隧道的基本划分：
表3 日本隧协隧道断面划分 划分 标准断面 开挖断面积 70~80 m2 说明 双车道 有人行道的双车道， 三车道 与路面宽度相同的 三车道
大断面
超大断面
100~120 m2
>140 m2
1.1 大断面隧道的基本划分：
表4 国际隧协隧道断面划分
划分 超小断面
开挖断面积 <3.0 m2
以标准双车道断面为基准，高度不变增加宽度， 即扁平率（RBP）降低，通常双车道RBP约为0.85， 三车道为0.64~0.65）。 •真圆率定义：上半断面高度/0.5隧道宽度； •扁平率（RBP）定义：隧道高度/隧道宽度。
考察拱顶弯矩变化情况。当将仰拱变为圆形与洞 道周边连接时，则其拱顶弯矩更小。工程实例：日本 东名改建三车道隧道RBP=0.65，中国铁山坪隧道带 仰拱（III类）时，RBP取0.72，平底时（IV类）RBP 取为0.59。
客运专线隧道断面
图1 武广客运专线隧道II级围岩隧道断面
客运专线隧道断面
图2 武广客运专线隧道V级围岩隧道断面
客运专线隧道断面
从开挖断面上看，最小开挖跨度为 14.20m, 由于采用钻爆法施工，因此，为避 免欠挖，在II级围岩地段，隧道实际开挖面 积将超过130 m2，而在V级围岩地段，隧道 实际开挖面积将达到170 m2水平。按现行的 国内外大断面划分标准，武广铁路客运专 线隧道开挖面积属超大断面隧道。
客运专线隧道
为了迎接市场竞争的挑战，近期，铁道部启动了以 250km/h、300km/h和350km/h速度为目标的客运专线的 建设工程，我国的铁路建设又进入了一个新阶段。由 于速度的跨越，对构成线路的各种结构物，包括桥梁、 隧道、轨道、路基等，提出了更加严格的要求和标准， 也提出来许多前所未有的新课题。 根据国务院批准的《铁路网中长期规划》到2020 年全国铁路客运专线营业里程12500km中，客运专线隧 道的数量将超过2500km，相当于国外已通车运营的高 速铁路隧道的总长度2倍，至2004年底国家已批复开工 的客运专线的隧道就有663km，如表1所示。
图 6 椭圆的偏心角与幅角
2.2.2 椭圆形隧道开挖后应力变化情况
（1） 基本公式：
基本原则：选择隧道断面形状时，应避免在 出现拉应力情况，或降低拉应力的大小和影响范围。
2.2.2 椭圆形隧道开挖后应力变化情况
从判断隧道围岩稳定性的观点出发，只要找到隧 道周边极值点处的应力大小，看其是否超过岩体的强 度，即可判断其稳定程度。 从研究圆形隧道周边应力得知，椭圆形隧道周边 应力的两个应力极值仍然在水平轴（=0，） 和垂直轴（=/2，3/2）上 。
高速公路隧道
表2 第2东名，名神高速公路的隧道比重
座数 隧道长 上行线 <1000m 10002000m 20003000m 30004000m >4000m 合计 30 11 6 4 1 52 下行线 29 12 6 4 1 52 合计 59 23 12 8 2 104
高速公路隧道
又如,英法海峡隧道分叉处的断面的 开挖宽度达21.2m，开挖高度达15.4m， 开挖断面积为252.2m2。我国的3车道公 路隧道以及4车道的联拱型隧道都在修建， 例如铁山坪隧道的断面开挖宽度超过14m， 扁平率0.59～0.72。其他3车道公路隧道 大梅沙隧道、大宝山隧道等等。