大断面公路隧道设计施工技术的研究1(2008)

1、 在铁路隧道中，出现大断面隧道的情况大致可以在铁路隧道中，出现大断面隧道的情况大致可以 归纳为以下几种：归纳为以下几种： 车站进入洞口，在洞口段出现不同宽度的大断车站进入洞口，在洞口段出现不同宽度的大断 面隧道；面隧道； 在隧道内设站；在隧道内设站； 洞外线路进入隧道，形成洞外线路进入隧道，形成3 3线或线或4 4线等多线隧道；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。了大断面隧道。 为了迎接市场竞争的挑战，近期，铁道部启动了以为了迎接市场竞争的挑战，近期，铁道部启动了以 250km/h250km/h、300km/h30

2、0km/h和和350km/h350km/h速度为目标的客运专线的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、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，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。也提出来许多前所未有的新课题。 根据国务院批准的根据国务院批准的铁路网中长期规划铁路网中长期规划到到20202020 年全国铁路客运专线营业里程年全国铁路客运专线营业里程12500km1250

3、0km中，客运专线隧中，客运专线隧 道的数量将超过道的数量将超过2500km2500km，相当于国外已通车运营的高，相当于国外已通车运营的高 速铁路隧道的总长度速铁路隧道的总长度2 2倍，至倍，至20042004年底国家已批复开工年底国家已批复开工 的客运专线的隧道就有的客运专线的隧道就有663km663km，如表，如表1 1所示。所示。 序号线别 线路长度 km 隧道数量 座 隧道长度 km 隧线比 设计速度 kmh 1武汉广州87423216418.77350 2郑州西安485387715.88350 3石家庄太原190277335.58250 4宁波温州274588932.48250 5

4、温州福州2987216354.80250 6福州厦门263313314.00250 7合肥武汉356376418.00250 合计274049566324.20250 近期修建的铁路客运专线隧道，不仅数量多、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，国家长度长、而且速度更快。如，国家“十一五十一五”规规 划重点工程武广（武汉广州）铁路客运专线，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（达到不仅是我国线路里程最长，隧道数量最多（达到 232232座），技术标准最高、投资最多的客运专线，座），技术标准最高、投资最多的客运专线， 而且其

5、列车速度已达到而且其列车速度已达到350km350kmh h。 从改善客运专线隧道内空气动力学效应、防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客运专线隧道跨度及断面积较以前均明显增加。 根据施工图设计，武广铁路客运专线隧道轨面以上根据施工图设计，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（或救援通道地面以上）的有效面积均保持在100m2以上。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为较好的满足衬砌结构受力，隧道轨面以上采用单

6、心圆形 式，除部分式，除部分II级围岩外，隧道断面均采用曲墙带仰拱形式级围岩外，隧道断面均采用曲墙带仰拱形式 （仰拱与边墙顺接），其中（仰拱与边墙顺接），其中III级围岩根据地层岩性、地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，而下水发育状况，采用浅仰拱或深仰拱结构，而IVV级围级围 岩则采用深仰拱结构。如图岩则采用深仰拱结构。如图1、2所示，以武广铁路客运专所示，以武广铁路客运专 线线II、V级围岩隧道复合式衬砌断面设计为例，并选取所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（包括有优化方案（包括A1、A2、B1、B2、C5个方案）中开挖个方案）中开挖 工程量

7、最小工程量最小A1方案进行说明。方案进行说明。 图1 武广客运专线隧道II级围岩隧道断面 图2 武广客运专线隧道V级围岩隧道断面 从开挖断面上看，最小开挖跨度为从开挖断面上看，最小开挖跨度为 14.20m, 由于采用钻爆法施工，因此，为避由于采用钻爆法施工，因此，为避 免欠挖，在免欠挖，在II级围岩地段，隧道实际开挖面级围岩地段，隧道实际开挖面 积将超过积将超过130 m2，而在，而在V级围岩地段，隧道级围岩地段，隧道 实际开挖面积将达到实际开挖面积将达到170 m2水平。按现行的水平。按现行的 国内外大断面划分标准，武广铁路客运专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

8、隧道线隧道开挖面积属超大断面隧道。 日本修建的第日本修建的第2 2东名高速公路，从一东名高速公路，从一 开始就采用了开始就采用了3 3车道的大断面，初期建设车道的大断面，初期建设 断面积为断面积为113113170m170m2 2 ，比一般双车道的，比一般双车道的 85m85m2 2 大大1.51.52.02.0倍。倍。 而后期为适应而后期为适应 140km/h140km/h高速度的要求，而规划的高速度的要求，而规划的3 3车道公车道公 路隧道，其断面积达路隧道，其断面积达170m170m2 2200m200m2 2（较（较1 1 期工程的断面积大期工程的断面积大5050），局部断面达），局部

9、断面达 230m230m2 2的超大断面、开挖宽度达的超大断面、开挖宽度达23m23m。 隧道长隧道长 座数 上行线下行线合计 4000m112 合计5252104 表2 第2东名，名神高速公路的隧道比重 又如又如, ,英法海峡隧道分叉处的断面的英法海峡隧道分叉处的断面的 开挖宽度达开挖宽度达21.2m21.2m，开挖高度达，开挖高度达15.4m15.4m， 开挖断面积为开挖断面积为252.2m252.2m2 2。我国的。我国的3 3车道公车道公 路隧道以及路隧道以及4 4车道的联拱型隧道都在修建，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例如铁山坪隧道的断面开挖宽度超过14

10、m14m， 扁平率扁平率0.590.590.720.72。其他。其他3 3车道公路隧道车道公路隧道 大梅沙隧道、大宝山隧道等等。大梅沙隧道、大宝山隧道等等。 连拱隧道连拱隧道： 浙江省金丽温高速公路二期工程在地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，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，在本期工程总长连拱隧道方案，在本期工程总长9090余公里余公里 的线路中，连拱隧道超过的线路中，连拱隧道超过2020座，连拱隧道座，连拱隧道 的建设规模和难度在我国高速公路的建设的建设规模和难度

11、在我国高速公路的建设 中前所未有，开挖跨度达中前所未有，开挖跨度达25m25m。 红枫湖大扁山连拱隧道位于国道干线上海红枫湖大扁山连拱隧道位于国道干线上海 至瑞丽公路（贵州境）线上，地处多山环境，至瑞丽公路（贵州境）线上，地处多山环境， 开挖跨度达开挖跨度达33m33m。 马宅顶连拱隧道马宅顶连拱隧道 同三线连拱隧道同三线连拱隧道 冯家垭口连拱隧道冯家垭口连拱隧道 绵广公路连拱隧道绵广公路连拱隧道 都汶路连体隧道都汶路连体隧道BBBB 里东连拱隧道 l大扁山隧道洞身大扁山隧道洞身 日本东京湾海底隧道 日本东京湾海底隧道盾构机 我国第一座用矿山法修建的海底大断面公路隧道（厦我国第一座用矿山法修建

12、的海底大断面公路隧道（厦 门翔安海底隧道）以及穿越长江、黄浦江的用盾构法修建门翔安海底隧道）以及穿越长江、黄浦江的用盾构法修建 的大直径水底公路隧道也都在建设之中。的大直径水底公路隧道也都在建设之中。 1120工程主洞库隧道结构模型 “直角直角”连接连接 简捷径向连接简捷径向连接 图图 拱脚角部处理（以左拱脚为例说明）拱脚角部处理（以左拱脚为例说明） 从目前的铁路、公路隧道的特点看，大断面隧从目前的铁路、公路隧道的特点看，大断面隧 道的断面形状，可能出现道的断面形状，可能出现2 2种情况。即：种情况。即： 断面是连续变化的，也就是说从大断面变化到断面是连续变化的，也就是说从大断面变化到 标准断

13、面，即在纵向为喇叭口形式的变化；标准断面，即在纵向为喇叭口形式的变化； 断面是不变化的，即断面尺寸是固定的。断面是不变化的，即断面尺寸是固定的。 此处，大断面隧道指此处，大断面隧道指 ：超过双线铁路隧道及：超过双线铁路隧道及2 2 车道公路隧道的大断面隧道。车道公路隧道的大断面隧道。 原则上，为单一跨度的隧道，即不包括联拱型原则上，为单一跨度的隧道，即不包括联拱型 隧道。但实质上，应包括连拱型隧道。隧道。但实质上，应包括连拱型隧道。 大断面隧道设计、施工，与一般的大断面隧道设计、施工，与一般的2 2车道车道 公路隧道或双线铁路隧道都有明显不同：具公路隧道或双线铁路隧道都有明显不同：具 体讲：在

14、隧道位置的选定、隧道断面形式、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。式、参数等，都要加以深入地研究。 日本以第二东名日本以第二东名名神高速公路为依托，名神高速公路为依托， 从从1990年开始有系统的对超大断面公路隧道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。修建技术进行大规模研究。 表3 日本隧协隧道断面划分 划分开挖断面积说明 标准断面7080 m2双车道 大断面100120 m2 有人行道的双车道， 三车道 超大断面140 m2 与路面宽度相同的 三车道 表4 国

15、际隧协隧道断面划分 划分开挖断面积说明 超小断面100 m2 （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 2.1 扁平、大断面隧道的基本力学特性： （1）宽度加大，高度不变的扁平拱形结构，在力学 分析上可近似看作椭圆（2车道接近圆形） 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 图 2 拱顶发生的弯矩比 真圆率（%） 拱顶弯矩比 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0.640.65）。 真圆率定义：上半断面高度/0.5隧道宽度；

16、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。 l 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； l 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； l 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

17、大围岩强度比。 l l 应力在侧壁处较大，开挖宽度越大，轴力也越应力在侧壁处较大，开挖宽度越大，轴力也越 大；大； l l 侧压系数小时，结构受力更不利，底脚的承载侧压系数小时，结构受力更不利，底脚的承载 力是很重要的。力是很重要的。 l l仰拱对结构稳定性的作用，改善结构受力状况，仰拱对结构稳定性的作用，改善结构受力状况， 提高承载力。提高承载力。 l l 仰拱施工已上升至规范。仰拱施工已上升至规范。 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。 开挖宽度和开挖高度越大，要求产生拱作 用的埋深越大，在埋深小，拱作用不能发挥作 用时

18、，就会产生很大的松弛压力。因此，预计 大断面隧道会作用有较大的松弛荷载。 这些力学特点，就是大断面公路隧 道设计施工的基础。 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： 2cos1341)1 (1 2 422 ）（）（ y r 2sin321)1 2 42 ）（ y rt 2cos131)1 (1 2 42 ）（）（ y 竖向应力：P 表 5 圆形隧道开挖后应力变化情况 01/31/21 应力 边墙（0，） 3P8/3P5/2P2P 拱顶（/2，3/2） -P01/2P2P 应力r 边墙（0，） 0000 拱顶（/2，3/2） 0000 分析： l 存在不利的

19、受拉区； l 在=01 范围内时，拱顶受力不利，最 大应力（压应力）出现在边墙； l =1 结构受力最有利。 2.2.2 椭圆形隧道开挖后应力变化情况 （二次应力状态） 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： 图 5 椭圆断面隧道围岩应力计算图 图 6 椭圆的偏心角与幅角 l 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。 （1） 基本公式： 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 。 I：当隧道=0，可求得两侧中点环向应力，如下： 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) -1P 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。 例如：当已知垂直方向原岩应力为P，侧压系数 = （0.25）时，计算环向