连拱隧道

连拱隧道结构选型与设计

公路连拱隧道从20世纪90年代初伴随着我国公路隧道的建设而开始采用，由于我国交通基础设施建设规模的逐步扩大和连拱隧道设计经验的积累，连拱隧道的数量和规模不断增加，特别是在200 0年以后，连拱隧道更是普遍采用。

由于在公路建设中对环保要求的提高，中短隧道在一条线中的数量增多，因为连拱隧道在布线、洞口接线等的优点，所以中短隧道常采用连拱隧道。如福建、浙江、湖南、河南、云南、贵州等省目前正在建设或在2000年以后建设的高速公路中；连拱隧道数量所占隧道总数量的比例很高。元磨高速公路全线23座隧道中，连拱隧道数量有16座，占70％；思小高速公路全线15座隧道中，连拱隧道有13座，占87％；贵州玉凯高速公路全线25座隧道有12座为连拱隧道，河南宛坪高速公路几乎所有的隧道均为连拱隧道。今后连拱隧道仍是牛短隧道所采用的一种主要结构型式。本文主要根据贵州在连拱隧道建设过程中的现状，介绍对连拱隧道一些设计总结。

2 连拱隧道的适用性及结构选型

2.1 连拱隧道的适用性

通过国内对连拱隧道的研究总结，目前连拱隧道建设中的一些关键问题已基本得到解决，但毕竟连拱隧道结构和分离式隧道差异较大，所以分析连拱隧道的优缺点对于是否采用连拱隧道具有重要的意义。连拱隧道的主要优点为：在短隧道中避免洞口分幅；线路布线方便；洞口占地面积较少；可保持路线线型流畅；城市中连拱隧道可以大大减少拆迁，降低工程造价；便于和隧道外的桥梁或特殊工程的相连。缺点为：隧道结构复杂；施工工序多、进度慢；洞口的边仰坡处理较困难，特别是偏压陡坡地段；浅埋偏压地形段处理较复杂；就隧道而言造价相对较高。根据连拱隧道的优缺点，认为连拱隧道适用于以下条件：隧道长度较短；工程地质条件较好；隧道洞口地形条件较好；采用分离式隧道时布线困难；结合隧道洞外工程综合分析，采用连拱隧道造价较低。

2.2 连拱隧道结构选型

目前国内常采用的连拱隧道结构型式的区别主要表现在中墙上。按中墙形状的不同，可分为直中墙和曲中墙连拱隧道，从中墙结构型式可分为整浇中墙和三层中墙连拱隧道。目前国内在建的隧道大部分都采用三层曲(直)中墙结构型式。最近几年来，全国已经建成了很多三层曲中墙和一些三层直中墙的连拱隧道，从修建过程中和建成后的效果看，彻底解决了原来连拱隧道的渗漏水情况，并且在施工过程中未发现结构存在稳定的问题，从实际建设效果来看，采用三层中墙的连拱隧道是一种理想的结构型式。图1为三层直中墙和整浇直中墙连拱隧道的中墙构造对比图，三层曲中墙连拱隧道与其类似。

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2.2.1 三层中墙和整浇中墙结构型式相比的主要优缺点

优点为：

a．三层中墙结构使得连拱隧道的防排水设计更加完善，并且从结构本身的施工工序方面较好地保证了连拱隧道防排水的施工质量，从而彻底解决了以往连拱隧道普遍渗漏水的问题。具体表现在防水板是在二次衬砌中墙处延伸至隧道边墙底，且在二次衬砌施工前一次铺设完毕，二次衬砌在中墙顶处无施工缝。

b. 三层中墙结构的中墙顶．回填密实度更易保证。由于中间墙只相当于分离式隧道的初期支护，不需要和二次衬砌相连，中墙顶也没有其他的防排水等措施，所以三层中墙顶的回填密室度更易保证。 c．三层中墙结构更利于结构受力。从图1可看出，三层中墙的顶部支撑范围远大于单层直墙的连拱隧道，三层中墙结构的中隔墙可形成对隧道围岩的有效支撑，可有效控制中导坑洞顶围岩的变形，改善了隧道的受力状态；有效地控制了隧道中墙顶围岩变形及松动区的发展。

d．三层直中墙结构在隧道的整个建设过程中所反映的结构稳定性更好，解决了隧道在建设过程中由于中墙位移所引起的结构开裂等病害问题；由于单层中墙的连拱隧道中墙在力学体系转换的过程中，中墙承受了支护和二衬所带来的压力和不平衡推力，所以在施工过程中容易引发中墙位移和开裂；同时中墙顶部施工时对围岩的支撑宽度较窄，回填不容易密实，所以中墙自身抗稳定的能力也较弱。而三层中墙结构的中隔墙稳定性较好，首先在施工力学体系转换中，中隔墙只承受初期支护的不平衡压力；二次衬砌所传递的力有限，同时中墙顶部的支撑和回填有利于中墙稳定，中隔墙所受的力同单层直中墙的中墙相比，其所受的压力更有利于稳定(三层中墙的中间墙所受的支护和二衬压力的力臂较单层中墙的有利)。

e．对三层直中墙结构的中隔墙的侧向约束可减弱，贵州的三层直中墙和三层曲中墙连拱隧道在施工过程中只设横向钢支撑或未进行横向支撑，隧道也没有出现较大位移，降低了隧道造价。

缺点为：

a．三层中墙连拱隧道的缺点主要为，三层中墙的总厚度要大于单层直中墙的结构型式，这是因为中墙的三层哪一层都不能太薄，每一层在施工过程中和建成后都存在力学体系的转化，具有着不同的作用；而单层直中墙结构在施工过程中和建成后其作用基本未发生变化。

b．同样厚度的单层直中墙的抗弯刚度一般大于三层直中墙的刚度，就中墙的承载能力而言，单层直中墙的墙体承载力更好。

2.2.2 三层直中墙和三层曲中墙的结构型式对比，

目前国内连拱隧道的设计以三层中墙结构为主，三层中墙结构中又以三层曲墙的连拱隧道为主。三层直中墙结构和三层曲中墙结构的设计、施工和防排水等方面基本类似，但由于三层直中墙结构中间路面边缘间的距离墙较三层曲中墙连拱隧道窄2m左右，所以三层直中墙结构较曲墙结构体现连拱隧道结构的优点更加充分，而缺点主要为美观性较差。具体为采用三层直中墙结构时，洞口段的路基宽度一般都能满足最小要求，可不进行加宽，而只需对中央分隔带的宽度按有关要求过渡即可；而对于三层曲中墙结构，由于左右路面中间边缘间的距离为4.5m左右，一般情况下洞外路基必须加宽，才能满足最小的路基宽度要求，同时洞外的中央分隔带过渡长度也远大于三层直中墙结构。

2.2.3 总结

通过以上分析，目前连拱隧道在建设中的一些关键技术问题基本得到解决，但隧道的施工工艺仍没有较大的突破，所以建议在高速公路中的一些中短隧道，特别是短隧道采用连拱隧道结构型式是可行的，但要处理好隧道洞口的接线问题。隧道的结构型式首选三层曲中墙和三层直中墙；当洞外路基宽度和接线不受连拱隧道影响时，宜采用三层曲中墙的连拱隧道；若隧道对洞外路基宽度和接线影响较大时，应采用三层直中墙的连拱隧道。

3 连拱隧道设计要点

连拱隧道设计的重点为隧道断面型式、中导坑及中墙、施工工序的设计。下面根据自己的一些体会，谈谈三层中墙的连拱隧道在设计时的考虑。

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3.1 连拱隧道合理的结构断面设计

总体上隧道断面型式按三种地质情况进行确定，为土质、软岩或断层破碎带(围岩级别为Ⅴ、

Ⅵ级)；较软岩、硬岩(围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级)；硬岩(围岩级别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级)。下面就以上

情况进行分别说明：

a．土质、软岩或断层破碎带(围岩级别为Ⅴ、Ⅵ级)衬砌断面结构型式

这种地层的特点为：隧道所受的竖向及水平压力大，基底承载力及围岩的弹性抗力较小，

围岩软弱遇水易软化，因此要求结构要有足够的承载力，支护体系应有足够的稳定性，在

施工过程中不应产生大的变形及位移。因此在这种地质情况下；隧道开挖后支护应及时封

闭，同时隧道开挖轮廓应尽量圆顺，避免一些直线的开挖，初期支护在底部应封闭。

b．较软岩、硬岩(围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级)的衬砌断面结构型式

这种地层的特点为：隧道所受的竖向及水平压力较小，基底承载力及围岩的弹性抗力较大，

因此就断面型式而言，针对土质、软岩或断层破碎带衬砌断面结构型式的一些要求，在这

种围岩情况下可以弱化。在这种地质情况下，底部的初期支护可不封闭，但设计时要求隧

道的仰拱能及时跟进，以达到隧道支护及时封闭的要求，同时也自然地提高了仰拱的作用。