长大公路隧道断面形式的比较研究

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I 长大公路隧道断面形式的比较研究
摘要:随着现代化建设的快速发展，我国公路建设事业的规模越来越大。

交通基础设施的建设就显得由为重要。

我国在公路和铁路的发展是相对不平衡的，从目前来看，我国的公路建设还远远落后于铁路的建设，因此我国现在对公路建设的投入是越来越大，规划的里程也越来越多。

而相对于隧道而言，我国对公路隧道的研究也较落后于铁路隧道。

我国公路隧道的发展更是较晚，相比于其他的发达国家还有很大的差距。

但随着我国对公路建设的不断投入，公路隧道也就将有很大的发展和改进。

我国有三分之二的土地是山地或重丘地形，由此看来，我国公路建设对隧道的要求也是越来越大。

那么在隧道的修建中合理的隧道断面形式将对隧道的建设起着十分重要的作用。

合理的隧道断面可以减少投资，缩短施工工期，有利于保护环境等优点。

目前在我国隧道断面形式的选择上，主要有两种形式分别是连拱隧道和小净距隧道。

而各种隧道断面形式有其自身的优点和缺点。

而公路隧道单洞的断面形式又有圆形、拱形和椭圆形等。

因此，在公路隧道断面的选择上，要结合多方面的因素，选择出适应地质条件和规范要求的合理的断面形式。

本文针对隧道断面形式进行研究，详细阐述了各种断面形式的优缺点，并结合各种隧道的施工工艺对各种隧道的断面形式进行了比较研究。

如公路连拱隧道与小净距隧道的比较，隧道单洞的断面形式的比较研究。

关键词:长大公路隧道横断面圆曲线椭圆曲线非独立双洞隧道线形参数
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II Long highway tunnel section of the Comparative Study Abstract：With the modernization of rapid development, The construction of chinese highway is growing in the scale. The construction of transport infrastructure is very important. The development of Chinese road and rail is relatively uneven, from the current situation, Chinese highway construction has lagged far behind the railway construction, The investment of chinese road construction is increasing now, more and more milestone is planning. in relation to the tunnel, The research of Chinese highway tunnel has lagged far behind a railway tunnel. compared to other developed countries, The development of Chinese highway tunnel is late. But as the construction of Chinese highway on the constant input, highway tunnels will also have great development and improvement.
The two-thirds of chinese land is mountainous terrain or re-Hill.From now on, the request of the tunnel on Chinese highway construction is growing. Then the reasonable cross-section of the tunnel construction will play a very important role on the construction of the tunnel. Reasonable cross-section of the tunnel could reduce investment, reduce the construction period and raise rotection of the environment, etc. Currently the section of the tunnel option in china, there are two main forms ,arch tunnel and the tunnel on the Net Space. And various forms of the tunnel section has its own advantages and disadvantages. The highway tunnel section of the single-round there are roundness,oval and so on. Therefore, the cross-section of the highway tunnel option, it is necessary to integrate various factors, the choice to adapt to geological conditions and regulatory requirements of a reasonable cross-section form.
This thesis study the tunnel section , elaborate the advantages and disadvantages of various sections, and comparatively study various sections of the tunnel form with combination of the tunnel construction process .If the contrast of Highway arch tunnel and Small Net Space Tunnel, Comparative Study of the tunnel section of the single-A form.
Key words：long highway tunnel ,cross-sectional ,round, elliptic ,non-independent double-tunnel ,alignment parameters
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目录
第1章长大公路隧道的基本介绍 (1)
1.1 公路隧道的发展及我国公路隧道的发展概况 (1)
1.2长大公路隧道横断面的基本介绍 (2)
1.3研究课题的意义和主要内容 (4)
第2章长大公路隧道横断面的比较研究 (6)
2.1 引言 (6)
2.2 非独立双洞隧道和其断面形式的介绍 (6)
2.3小净距非独立双洞隧道 (7)
2.3.1小净距隧道的围岩破坏模式 (7)
2.3.2小净距隧道的最小净距的确定 (10)
2.3.3小净距隧道的施工工艺简介 (11)
2.4 水平连拱非独立双洞隧道 (14)
2.4.1连拱隧道的优缺点和使用适用 (14)
2.4.2连拱隧道的设计 (15)
2.4.3连拱隧道的施工 (17)
2.4.4连拱隧道的衬砌 (18)
2.4.5公路连拱隧道常见病害治理 (20)
第3章公路隧道的单洞的断面形式 (26)
3.1引言 (26)
3.2圆形隧道横断面形式的研究 (27)
3.2.1非轴对称条件下，圆形断面隧道围岩应力分布 (27)
3.3拱形隧道横断面形式的研究 (30)
3.3.1单心圆拱形断面 (30)
3.3.2坦三心圆拱形断面 (32)
3. 4椭圆形隧道横断面形式的研究 (34)
3.4.1椭圆曲线的拟合形式 (34)
3.4.2椭圆横断面形式的为围岩应力 (35)
第4章长大公路隧道横断面的形状的未来发展 (38)
结论 (39)
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IV 致谢 (41)
参考文献 (42)
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第1章长大公路隧道的基本介绍
1.1 公路隧道的发展及我国公路隧道的发展概况
交通是国家基础建设的重要组成部分，在国民经济中占有十分重要的地位。

世界各国的经济发展经验表明，快速畅通的交通网是经济发展的必不可少的条件。

目前世界上科技发展正在朝着两个引人注目的领域，一个是宇宙空间，一个是地下空间。

而作为交通基础设施一部分——隧道，在交通建设中将占有越来越重要的作用。

隧道通常指用作地下通道的工程建筑物。

隧道的产生和发展是和人类文明发展的历史相呼应的。

简而言之，隧道的发展大致经历了四个阶段：
①原始时代即人类出现到公元前三千年的新石器时代。

这个时代，隧道在人们生活中主要起着抵御自然威胁和供人们居住的作用。

这个时代，隧道的主要特点：开挖工具简单，隧道修筑在自身稳定无需支撑的岩层中。

②远古时代即公元前三千年到公元五世纪。

在这个时代隧道的功能也发生了变化，由以前的生活用途转变为军事和生活两种用途。

而且此时，隧道也开始有了砖砌结构，如公元前2180～2160年前后，在古巴比伦城幼发拉底河下面修筑的人行隧道，是迄今为止最早用于交通的隧道，为砖砌构造物。

③中世纪时代约从公元五世纪到公元十四世纪。

而这个时期隧道的发展是相当缓慢的，几乎可以说是处于停滞状态。

但这个时期，采矿业的兴起对以后隧道的发展起到了促进作用。

④近代和现代这个时代是从十六世纪产业革命开始的。

自我国的火药制作技术传到欧洲后，火药便被广泛的用于各个建设行业中。

最开始火药仅仅是用于采矿业，但自从诺贝尔发明了黄色炸药达纳马特，炸药便广泛的用于隧道的修建中，法国的兰葵达隧道是世界上最先采用火药开凿的隧道。

这个时候，隧道的开采方法是钻爆法。

而在这时也出现了两种机械开采方法：一种是盾构法，这种方法主要是用于软土地层的开挖。

另一种是机械开挖法，这种方法主要是用于中等以上坚硬岩石地层的岩石。

这三种方法是目前隧道开采中最常用的方法，钻爆法作为隧道施工的一种方法，它具有工程造价低，施工灵活方便。

但钻爆法由于采用爆炸，在城市人口密集地区不能采用，因为震动可能影响附近的建筑或居民生活，巨大的声响也是不允许的。

因此，一般短洞、地下大洞室、不是圆形的隧洞、地质条件变化大的地方都常用钻爆法。

盾构法是现在隧道施工最常用的一种方法，盾构法在隧道的施工中对地面环境具有较小的影响，隧道的衬砌、拼装等都是机械化的施工，具有经济，技
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术、安全等方面的优势。

但盾构法所需造价昂贵，灵活性不好等。

机械开挖法是采用大型的机械设备进行隧道的开挖，如TBM。

不可否认机械开挖法为隧道的施工带来了更大的方便，但机械开挖法的造价将会更高，灵活性更差。

随着交通在人们生活中占有的地位越来越重，人们的生活也越来越离不开交通，隧道将会在以后的社会进步中，取得更大的发展。

而我国的隧道起步较晚，相比于其他发达国家还较落后。

解放以前我国处于半封建、半殖民地社会中，隧道的发展基本上处于停滞状态。

建国初期，我国为了改变我国经济发展的布局，发展内地和山区经济，先后修建了几条隧道比重较大的山区铁路，从而拉开了我国隧道发展的序幕。

而公路隧道的发展更是落后于铁路隧道，近几年由于我国公路建设如火如荼的进行着，也带动了公路隧道的建设，公路隧道开始成倍的发展。

据统计，到2004年，全国已拥有公路隧道2495座，总长1245571延米。

这一时期，我国修建的长度在三千米以上的隧道就多达十一座。

随着我国高等级公路的继续发展，我国隧道的发展将会取得更大的进步，会缩小同世界先进技术的差距。

1.2长大公路隧道横断面的基本介绍
隧道横断面设计主要是指隧道内轮廓线形状及尺寸的确定，隧道内轮廓线是指二次衬砌和基底围岩或仰拱所包围的内侧部分的大小和形状。

二次衬砌是拱部、边墙及仰拱的总称。

显然，一座隧道横断面设计，关键是确定其仰拱的隧道节段的隧道内轮廓线形状及尺寸，使确定的断面形状及尺寸符合安全、经济、合理的原则。

隧道内轮廓线设计要符合机动车、非机动车、行人通行的建筑限界的要求，同时还要满足洞内路面、排水设施、装饰的要求，并为通风、照明、消防、监控、营运管理等设施提供安装空间，同时考虑围岩变形、施工方法影响的预留富裕量。

隧道横断面设计在隧道工程设计中是一个相当重要并且十分关键的环节。

只有确定了合理的隧道内轮廓线形状及尺寸，工程师们才可以根据不同的围岩分级进行超前支护、初期支护以及二次衬砌等设计工作。

隧道内轮廓线设计得是否合理，直接影响到衬砌受力的合理性、施工的难易、正常使用以及工程数量的大小。

隧道断面形状的约束条件主要有以下几个方面：
○1建筑限界控制点。

为满足限界要求，内轮廓线至少应将隧道建筑限界完全包容在内，保证限界边界的任何点均在内轮廓线内。

○2通风面积。

隧道除要考虑建筑限界控制点外，还应考虑通风的要求。

隧道净空断
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面受通风方式的影响很大，在选择通风方式时，首先需要决定隧道内所需要的通风量，然后讨论自然通风和交通通风能否满足需要。

○3受力要求。

确定隧道内轮廓线形状，即确定二次衬砌的形状应具有适应应力流和变形的合理形状，应使二次衬砌产生尽能小的弯矩并且能有效地传递轴力。

当隧道的衬砌断面设计出后，我们需要对其强度进行验算。

还要验算其偏心及安全系数均应满足规范要求。

隧道横断面设计还涉及到一个关键的问题，那就是隧道横断面设计的标准化问题。

改革开放之后，我国的隧道建设规模日益扩大，但各地、各家设计单位在隧道横断面设计时使用的标准不统一，隧道轮廓有采用单心圆、三心圆、五心圆，甚至有采用直壁边墙的，内轮廓形状五花八门，既有尖拱，也有坦拱，内轮廓线的尺寸、曲率半径更是难以统一，甚至在同一条公路上也出现几种不同内轮廓的断面，这既影响了洞内设施的布置，又不利于施工时衬砌模板的制作，实际上也造成资源上的较大浪费。

而到2004年年底，我国实施的《公路隧道设计规范》开始对两车道、三车道单向交通隧道的内轮廓标准作了一些原则性的形状规定，但无具体尺寸；条文说明中也仅对高速公路、一级公路双车道单向交通隧道的内轮廓断面形状及几何尺寸作了一些推荐。

隧道横断面设计，内轮廓形状及尺寸的确定不但与各种几何因素有关，而且与衬砌的内力分析、工程数量的比较等因素息息相关。

目前，我国公路建设事业正不断的发展着，而高速公路隧道设计的标准化问题也将在以后得到解决。

随着高等级公路的发展和交通量的逐年增加，高速公路将成为长大公路建设的首选。

高速公路多为四车道或六车道，这也为隧道的断面形式提出了更高的要求，大断面隧道也就由此而产生。

在以后，四车道公路是不能满足交通量的需求的，六车道的公路将成为长大公路的首要选择，而隧道也就多为三车道或者更多的车道。

国际上划分隧道断面的标准
划分净空断面积〔m2〕
超小断面＜3
小断面3～10
中等断面10～50
大断面50～100
超大断面＞100
3
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长大公路隧道横断面采用大断面形式也无疑给施工带来了不便和困难。

大断面隧道结构承受较大的围岩压力，并且受力条件极其复杂，极易发生围岩失稳和隧道衬砌结构开裂和破坏现象。

当然，长大公路横断面采用大断面形式后，也就具有提高车速，缩短里程，节约燃料，节省时间等明显的优点，但同时大断面公路隧道也带来了许多的复杂问题。

由于岩体是一种天然形成的非单一性质的复杂的地质材料，所以影响围岩稳定性的因素很多，主要有地质及地质构造的影响、地应力的影响、时间的影响等等。

大断面公路隧道由于开挖面积大，岩体结构面交叉组合形成不稳定结构体的机会将大大增加，这对围岩稳定性是一个很不利的因素。

目前，三车道及三车道以上的大断面公路的设计理论和施工工艺大多数是借鉴双车道理论。

但随着大断面公路的建设，工程师发现双车道理论越来越不适合三车道和三车道以上公路的要求。

因此，大断面公路建设对于横断面的要求会越来越高。

1.3研究课题的意义和主要内容
我国国土三分之二为山地或重丘，公路隧道特别是长大公路隧道作为高速公路的一个重要组成构造物，在交通运输中发挥着极其重要的作用。

由于长大公路隧道的断面多采用大断面隧道，因此，在施工中，塌方现象时有发生，有时甚至造成重大的伤亡事故。

引起隧道塌方的原因固然是多方面的，如工程地质条件、施工工艺的合理性与否等都是很重要的因素，但是，隧道结合本身断面形式的合理与否也是一个不容忽视的重要因素。

前人已对铁路隧道的受力特性及横断面设计问题做了较多的研究，而对于公路隧道特别是三车道以上的大跨度公路隧道受力特性及断面形式的研究还不够。

从现在的文献资料我们可以了解到，现在长大公路的隧道多采用六车道，且中间设有中央分隔带，而在修建隧道时，我们往往采用非独立双洞隧道来解决隧道的修建问题。

而非独立双洞隧道形式又有三种形式：并行双洞、交叉双洞、连拱双洞。

通过本文的论述，我们可以对这三种形式，有一定的了解，并对以后施工中，对这三种形式的选择有更多的依据。

而无论是采用以上哪种形式，每一个单洞也有其横断面形状，根据我国现阶段的设计和施工情况，该横断面形状主要有：圆形、拱形、矩形、椭圆形。

而这每种横断面的形状都有其优缺点，都有其适应的地质和地貌。

通过本文的研究我们也可以对每一种横断面的形状有一定的了解，并能在以后的施工中更有利于我们对横断面形状的选择。

本论文主要是对当今世界长大公路隧道横断面形式进行比较研究，系统阐述长大公路隧道横断面的形式的内容和优缺点，以及长大公路隧道横断面的特点和断面
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的约束条件，并分析研究长大公路隧道断面形式的几何参数。

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第2章长大公路隧道横断面的比较研究
2.1 引言
由于我国正在加紧公共基础设施的建设，长大公路作为国民经济发展的重要基础设施，越来越受到国家有关部门的重视。

由于我国高速公路起步较晚，离发达国家的差距还很远。

而隧道作为长大公路的一部分，它在公路建设中，占据着十分重要的地位。

目前，长大公路隧道大体分为独立隧道和非独立隧道，在这里我们所说的独立是相对于隧道的遂洞在两个或两个以上的。

本文先对非独立双洞隧道的断面形式做比较研究，接着在对隧道的单洞做比较研究。

2.2 非独立双洞隧道和其断面形式的介绍
由于高速公路的飞速发展，长大高速公路将越来越多的选择非独立双洞的形式。

长大公路隧道采用单洞的形式无疑为设计和施工带来了许多的困难，况且综合多方面的因素，可以看出，采用单洞也是不现实的。

所以现在长大公路多采取非独立双洞的形式来解决这一难题。

目前，很多学者对单洞隧道的破坏模式进行了大量的研究，并取得丰富的研究成果。

而对于非独立双洞隧道的研究还不够充分，这导致在修建长大公路隧道时，缺乏相应的资料和理论知识，对于设计和施工都是非常不便的。

非独立双洞隧道一般可以分为：
○1并行双洞，即双洞按左右平行或上下平行设置。

○2交叉双洞，即双洞在立面上按一定的交角设置。

○3连拱双洞，即双洞按左右平行且共用中壁设置，双洞呈连体状。

由于我国高速公路很少采用交叉双洞的形式，我们就主要对其余两种隧道的断面形状进行研究，并加以比较区分。

非独立双洞隧道的一般断面形式有：小净距非独立双洞隧道、水平连体（连拱）非独立双洞隧道、垂直连体非独立双洞隧道。

这几种形式都有其适应的范围，和对地质条件的要求。

由于我国目前隧道的建设中，主要还是采用小净距和水平连体两种形式，以下我们就只对这两种形式进行分别介绍并加以比较。

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图2.1 非独立双洞隧道的断面形式
2.3小净距非独立双洞隧道
小净距隧道是一种介于普通分离式双洞隧道和连拱隧道之间的一种特殊的形式。

小净距隧道最显著的特点是两隧洞的距离很近，中夹岩柱的厚度较薄，两隧道相互影响较大。

小净距隧道有许多的优点：双洞间距较小，有利于公路整体线型规划和线型优化；其造价和施工工艺同普通双洞隧道相似；与连拱隧道相比造价要低、施工工艺要简单。

由于以上优点，小净距隧道目前已成为公路隧道中最常见的一种型式。

2.3.1小净距隧道的围岩破坏模式
根据地形地貌、不同的地质条件、遂洞断面形状尺寸、两隧道的净距大小，小净距隧道的破坏模式也不尽相同。

现在通常将小净距隧道的破坏模式划分为：挤压破坏、拉伸破坏、中夹岩柱剪切破坏、爆破震动破坏、复合型破坏。

以下我们分别对其进行叙述。

○1挤压破坏当隧道埋深较大，小净距隧道在后行洞的开挖过程中，先行洞通常发生隧道四周向净空内收敛，整个隧道产生挤压变形。

这种变形的发生往往产生围岩的塑性变形和剪切变形。

这种破坏模式称为挤压破坏。

如下图：
图2.2挤压破坏模式
当隧道产生挤压破坏时，往往存在以下几种情况：○1先行洞围岩压力明显增大，隧道周围压应力增大。

当压应力大于隧道周围的抗压强度时，岩体出现压碎现象，并产生剪切破坏。

隧道周围塑性区增大，当塑性区扩展到一定的成都时，隧道发生破坏。

○2当先行洞的二衬在后行洞开挖前未施作时，由于隧道向净空内收敛，整个隧道断面变小，有可能出现二衬截面达不到设计要求。

即隧道开挖预留宽度不够的情况。

○3当先行洞的二衬在后行洞开挖前已经施作时，由于隧道围岩向净空内收敛，使得二衬所受压力增加。

有可能使得二衬的安全储备不够。

当二衬强度达不到抵抗
由于后行洞开挖引起增加的围岩压力时，二衬就会开裂，从而整个隧道失稳破坏。

○2拉伸破坏拉伸破坏有两种情况：一种是先行隧道远离后行隧道的拉伸破坏，即远离型拉伸变形破坏模式；另一种是靠拢型拉伸变形破坏模式。

这两种破坏形式分别是对于先行洞还是后形洞所处的埋深而产生的。

前一种是先行洞在埋深较深的一侧，而后行洞在埋深较浅的一侧时，由于后行洞的开挖使得先行洞出现靠拢后行洞的拉伸变形模式。

后一种是指先行洞在埋深较浅的一侧，而后行洞在埋深较深的一侧，由于后行隧道的开挖似的先行隧道出现远离后行隧道的拉伸变形模式。

发生远离型拉伸变形破坏这种情况时，隧道往往还存在偏压。

这是由于后行隧道对先行隧道的拉伸作用，使得先行隧道产生偏压。

当隧道存在偏压破坏时，常常还出现以下的情况：当先行洞的二衬在后行洞开挖前未施作时，由于隧道向一边倾斜，必然使得隧道围岩一侧切向拉应力增加，另一侧切向压应力增加；当先行洞的二衬在后行洞开挖前已经施作时，由于隧道向一边倾斜，必然使得一侧二衬弯矩增大，另一侧减小。

对于前一种情况，如果单洞开挖情况下围岩侧边的压应力小于增加的拉应力，那么围岩受拉，容易产生拉破坏。

同样，增加压应力围岩可能产生剪切破坏。

而对于后一种情况，隧道的先行洞甚至出现拉应力，也有可能使得二衬的安全储备不够，二衬开裂，从而整个隧道结构失稳破坏。

图2.3靠拢型拉伸变形破坏模式
图2.4远离型拉伸变形破坏模式
○3中夹岩柱剪切破坏小净距隧道最重要的一个特点是中夹岩柱厚度较薄，特别是当中夹岩柱厚度小于0.7B洞跨度时，通常隧道围岩破坏从中夹岩柱破坏开始。

中夹岩柱较薄，由于隧道的开挖，围岩应力重分布，竖向应力向中夹岩柱转移，使得中夹岩柱压应力集中。

如果侧壁支护结构强度不够或者没有采取很好的支护措施，那么岩柱由原来的三向受力状态转变为双向受力状态。

大量实验资料表明，围岩双向受力状态的承载能力，要低于三向受力状态，且中夹岩柱竖直方向产生较大压应力而水平方向则出项很大的卸荷区。

侧向产生很大的塑性膨胀，极大程度降低其承载能力，中夹岩柱发生塑性流动，产生剪切破坏。

图2.5是近距大跨隧道在岩柱厚度较小的情况下，整个中夹岩柱出现塑性区。

其左右两侧塑性区贯通，从而发生剪切破坏。

图2.5中夹岩柱剪切破坏模式
○4爆破震动破坏爆破震动是小净距隧道施工的一个关键环节。

《公路隧道设计规范》规定，为了确保小净距隧道的安全，应对相邻双洞最大临界震动速度按净距、围岩级别、支护实施阶段分别进行控制。

最大临界震动速度可通过试验确定。

现场测试及分析表明，在后行隧道开挖中，靠近后行隧道的先行隧道侧墙围岩的爆破震动加速度、速度、位移明显大于切向最大位移。

如果在施工中，没有考虑到后行隧道施工对先行隧道爆破震动的影响，爆破药量过大，那么很可能由于爆破震动使得先行隧道围岩受到较大的干扰。

当爆破震动速度超过规范值或围岩的承受能力时，围岩发生破坏。

如果后行洞开挖前先行洞已经施作了二衬，那么也可能使先行隧道防水层开裂、二衬结构层开裂破坏。

○5复合型破坏由于隧道施工面对的施工条件是各种各样的，从而隧道的围岩破坏模式也是多样的。

小净距双洞隧道的破坏模式也不可能是以上叙述中的任何一种单一破坏。

如双洞变形破坏往往伴随着单洞的破坏模式。

而双洞的破坏模式往往也是几种变形模式的组合。

如挤压破坏通常伴随着拉伸变形破坏或震动破坏。

所以在小净距隧道的施工，往往是这些破坏的组合，即复合型破坏。