分岔隧道设计施工关键技术分析(新)

1、郭小红中交第二公路勘察设计研究院开始沪蓉国道主干线湖北省宜昌至恩施段高速公路分岔隧道设计施工关键技术分析1 介绍的主要内容1、什么是分岔隧道？2、为什么要设置分岔隧道？3、分岔隧道有什么特点和难点？4、分岔隧道设计施工概况5、分岔隧道设计施工关键技术6、分岔隧道科研概况 两洞间距2040m，一般用于长大隧道，同等地质条件下造价最低，施工最易。 两洞室间距510m，一般用于地形较狭窄的中短隧道，造价稍高，施工速度稍慢。 中隔墙厚2.02.5m，中央分隔带宽4.05.0m，用于中短隧道，能很好解决中隔墙的防排水问题。 中隔墙厚1.02.0m，中央分隔带宽2.03.0m，用于中短隧道，防排水存在一定

2、问题。2.1 公路隧道的一般设置型式2.2 分岔隧道的平面布置 分岔隧道是目前在更为复杂地形地质条件下修建山区高速公路过程中提出的一种新的隧道建设型式，他由四车道大拱隧道或连拱隧道逐渐过渡到上下行分离双洞，因此它同时具备标准间距的分离隧道、小间距隧道、连拱隧道以及四车道大拱等多种型式隧道的特点。 2.3 分岔隧道分类型分岔隧道 型分岔隧道：洞口段衬砌先设置为四车道大拱，然后逐渐过渡为整体式中隔墙连拱隧道、夹心式中隔墙连拱隧道、小间距隧道，最后转变为标准的上下行分离隧道。 2.4 分岔隧道分类型分岔隧道 型分岔隧道：洞口段衬砌先设置为整体式中隔墙连拱隧道，然后逐渐过渡为夹心式中隔墙连拱隧道、小间

3、距隧道，最后为标准的上下行分离隧道 。3.1 八字领隧道地形与地貌3.2 庙垭及漆树槽隧道地形与地貌3.3 设置分岔隧道的理由 四渡河大桥与支井河大桥均为单孔跨度在400m以上特大跨度特殊桥梁，受结构稳定及经济因素的影响，左右幅桥均必须建造为整体； 与其紧邻的隧道长度也均超过1000m，由于桥梁紧接隧道，两者之间缺少足够的过渡路基，因此紧邻桥梁一端的洞口必须设置为连拱隧道甚至四车道大拱； 长大隧道全部设置为连拱又不经济，因此在隧道内有必要将左右洞室逐渐分离，这样就形成了分岔隧道。 4.1 分岔隧道的特点 1、分岔隧道一般紧邻特大桥梁，洞口地形条件较差，施工场地狭小； 2、为保证结构及运营安全，

4、从桥梁到分岔隧道，在路线平面上应合理过渡； 3、分岔隧道的洞口段不仅隧道结构复杂多变，而且埋置深度浅，地质条件差； 4、间距处于变化过程中的左右洞室，合理划分各类衬砌，协调这种变化十分重要； 5、大拱与连拱过渡地段、连拱与小间距过渡地段支护方法、施工方法、稳定性评价是工程成败的关键； 6、分岔隧道一般为长大隧道，相距较近的洞口送排风的相互窜流对通风方案的影响不能忽视。4.2 分岔隧道的难点（1/2） 分岔隧道洞口由整体式路基的隧道过渡为分离式路基的隧道。从理论上分析，该过渡段（分岔段）越短，则造价越低，施工难度越小。但是平面线形的过渡不仅要满足规范要求，而且要满足运营安全与隧道结构的需要。因此

5、过渡段的平面线形应结合该路段的纵坡、地质状况及运营安全需要综合确定。 由于地形陡峻，场地狭小，如何同时满足特大桥梁与长大隧道施工场地的需要、如何保证施工过程中的安全、如何合理安排桥梁与隧道的各道施工工序，对隧道与桥梁的顺利建设十分重要。 分岔隧道洞口段的四车道大拱（全幅高速公路隧道）的开挖跨度达到2425m。当前建成的四车道大拱隧道很少，因此其设计施工经验十分缺乏。如何结合洞口段地形地质条件差的特点合理地优化支护参数、施工方案以及搞好洞室稳定性评价很重要。 中隔墙（中间岩柱）处于渐变中的连拱隧道与小间距隧道的支护设计以及施工方法。由于“渐变”这一因素，使得合理确定连拱隧道最小中隔墙和小间距隧道

6、的中间岩柱很重要，同时合理确定不同地质与结构条件下的施工方法也很重要，因为这直接关系到工程造价与施工效率，也关系到施工安全与结构的永久安全。 4.3 分岔隧道的难点（2/2） 四车道大拱隧道与连拱隧道的过渡地段、连拱隧道与小间距隧道的过渡地段不仅结构形式变化大，施工工序多，在施工中容易受到意外损伤，而且受力状态复杂，容易引起安全问题。 在连拱隧道与小间距隧道的起点段，中隔墙及中间岩柱均比通常条件下更薄，加上施工工序较多，如何采用合理的施工工序及爆破方法来最大限度地保护他们是施工的关键。 分岔隧道两洞口相距较近时，必然会有部分排出的污染空气被另一洞口重新吸入。对于采用机械通风的长大隧道，该影响不

7、能忽略，必要的情况下还应考虑改变通风方案。 分岔隧道是一种特殊形式的隧道建设方式，与同类地质条件下的隧道相比，其结构复杂多变，对施工技术要求较高，施工效率相对较低，造价相对偏高，因此应是不得已而为之。在选择该类隧道方式时应特别注意其建设的必要条件：隧道洞口是否存在必须设置为整体式桥梁；加宽中央分隔带比缩小隧道间距造价更高、风险更大。5.1 分岔隧道设计四车道大拱1八字岭隧道设计条件：类围岩，净埋深1030m，地面横坡1：31：4 类围岩，净埋深3050m，地面横坡1：4庙垭隧道设计条件：类围岩，净埋深1030m，地面为平坡 类围岩，净埋深3050m，地面为平坡漆树槽隧道设计条件：类围岩，净埋深

8、1030m，地面横坡为1：1.251.75 类围岩，净埋深3070m，地面横坡为1：1.251.75 三座隧道洞口段岩体均为弱微风化灰岩，表层风化较严重，岩体内节理、裂隙较发育，裂隙面溶蚀较严重，但是洞身范围，特别是基础附近岩质坚硬，岩体体完整性较好。因此，尽管洞口部分衬砌处于类围岩之中，但是均未设置仰拱。 5.2 分岔隧道设计四车道大拱2 无分隔墙的四车道大拱设计采用双层复合衬砌。初期支护为25cm厚喷射混凝土，内置双层8钢筋网及20b工字钢，系统锚杆为3.5与6.0m预应力锚杆交错布置，间距1.0*1.0m；二次衬砌为80cm厚钢筋混凝土，在初期支护与二次衬砌之间设置复合防水层。初期支护与

9、二次衬砌共同承受周边围岩压力。 有分隔墙的四车道大拱采用三层复合衬砌。初期支护与无分隔墙的四车道大拱相同，二次衬砌为60cm厚钢筋混凝土，三次衬砌为连拱形钢筋混凝土结构，在二次衬砌与三次衬砌之间设置复合防水层。初期支护与二次衬砌为受力结构，而三次衬砌则主要起分隔作用，在设计上不考虑其承受周边围岩压力。 对于大跨度的隧道，支护结构在通过支护手段稳定洞室的同时，应充分考虑怎样发挥围岩的自身承载能力。设计上均采用了较长的预应力系统锚杆以及有一定强度的柔性喷射混凝土层，在保证洞室稳定的前提下吸收洞室周边变形，以充分发挥围岩的自身承载能力。在设计过程中还对同时系统锚杆形成的承载拱、喷射混凝土及钢拱架、二

10、次衬砌等的承载能力进行计算，对开挖过程中以及洞室支护完成后洞室围岩的应力状态及稳定状态进行了分析，结论比较满意。5.3 分岔隧道设计连拱段衬砌5.4 分岔隧道设计过渡段（1/2）1、由四车道大拱隧道过渡到连拱隧道2、由连拱隧道过渡到小间距隧道 在分岔段内，由于大拱段的长度取决与连拱隧道起点中隔墙的最小厚度，连拱隧道的长度取决于小间距隧道起点中间岩柱的最小厚度，因此合理确定分岔隧道内连拱隧道中隔墙和小间距隧道中间岩柱的最小厚度应是设计首先考虑的问题。 5.5 分岔隧道设计过渡段（2/2） 在设计过程中应尽可能缩短分岔段的长度，在分岔段内尽可能缩短四车道大拱段与连拱段的长度，不仅关系到工程造价，而

11、且关系到工程安全与施工效率。实际上，隧道平面线形一旦确定，分岔段的长度也就基本确定，设计的关键点在于分岔段内的衬砌优化调整。 四渡河东岸的八字岭隧道，支井河东西两岸的漆树槽隧道与庙垭隧道，洞口附近地形均十分陡峻，基本上位于悬崖绝壁之上，施工场地十分有限。为了克服洞口陡峻的地形给隧道与桥梁施工带来的不良影响，在这三座隧道的洞口段均设置了施工横洞，为隧道与桥梁施工创造良好条件，避免桥隧施工的相互影响。 八字岭隧道：横洞长490m，距离洞口450m 不仅为施工服务，而且为右洞通风服务 漆树槽隧道：横洞长220m，距离洞口150m 仅为施工服务 庙垭隧道 ：横洞长390m，距离洞口370m（施工中有调

12、整） 仅为施工服务5.6 分岔隧道施工施工横洞 施工横洞的断面根据使用功能拟定：八字岭隧道横洞由于需要为后期运营通风服务，因此断面较大，且施作二次衬砌，以有效地减少通风摩阻力。漆树槽隧道与庙垭隧道横洞仅为施工服务，因此断面较小，断面与行车横洞相当，仅施作初期支护。 当横洞较长，还考虑了在一定距离设置错车道。 从施工安排上考虑，应首先考虑尽快进行隧道洞口段施工，当隧道洞口施工完成后，则将隧道洞口施工场地转让给桥梁施工单位使用。 5.7 分岔隧道施工横洞横断面八字岭隧道施工横洞5.8 分岔隧道施工横洞平面布置5.9 分岔隧道施工大拱开挖5.10 分岔隧道施工连拱及小间距开挖 设计上要求连拱隧道在类

13、围岩地段采用三导坑法开挖，在类围岩地段采用中导坑法开挖；小间距隧道一般在类围岩地段左右洞均采用侧壁导坑法开挖，在类围岩地段后施工的洞室采用侧壁导坑法开挖，及时加固中间岩柱；在类围岩地段采用台阶法开挖。 5.11 分岔隧道施工主洞开挖照片15.12 分岔隧道施工主洞开挖照片26.1 分岔隧道设计施工关键技术 分岔隧道设计重点与难点较多，有些方面只要在设计施工过程中加以重视即可，如施工场地安排问题、线形布设问题、经济技术比较问题等。甚至对于其中的连拱隧道与小间距隧道的设计与施工的技术问题，由于该方面经验较多，理论也已相对成熟，且有相关单位在进行系统研究，均不构成分岔隧道的关键技术问题。只有对那些既

14、缺乏设计施工经验，又缺乏系统分析研究的问题才是重中之重，即关键技术。总结起来主要有如下三个方面： 四车道大拱隧道的设计方法与施工方法； 过渡段（四车道大拱隧道到连拱隧道、连拱隧道到小间距隧道）的设计方法、施工方法以及围岩与支护结构的保护方法； 小间距隧道左右洞口送排风的相互影响规律以及对分岔隧道通风方案影响。 6.2.1 关键技术1 大拱的设计 1、节理化岩体对于特大跨度洞室稳定的影响。围岩分类主要基于岩石的强度以及岩体的完整程度。对于同一类围岩，不同跨度的隧道其稳定能力相差较大。对于深埋及浅埋特大跨隧道，作用在支护结构上的荷载还能够直接应用传统的计算方法吗？ 2、特大跨度隧道支护护结构的设计

15、方法。由于洞室跨度大，支护结构对各项作用特别敏感，如果在设计与施工过程中所采用的评价方法不准确，如果评价参数偏离真实情况较远，就可能造成工程建设的较大浪费。因此如何拟定各类地质条件下的支护参数、如何进行结构内力及强度分析、如何进行结构可靠性评价以及如何进行洞室围岩稳定性评价等方面就显得特别重要。6.2.2 关键技术1 大拱的施工 1、特大跨度隧道施工过程中对支护结构的稳定状况评价方法。这包括施工过程中的稳定与设计使用寿命期间的稳定等，是同等重要的两个问题。设计过程带有一定的假设条件，施工过程则针对实际状况，特别是对异常情况的处理：收敛过大、支护下沉、结构开裂或局部破坏等，是正常还是异常？是局部

16、问题还是整体失效？是加强初期支护还是提前施作二次衬砌？在关键时刻，处理方案要准确有效，其前提条件是评价参数要准确，评价方法要正确。 2、特大跨度隧道施工方法。对于大跨度隧道，仅仅进行支护结构设计是不行的，还应进行施工开挖方法设计。作用在隧道结构上的荷载不仅与隧道跨度及地质条件有关，而且与施工方法有关，与支护结构的强度有关，这一点隧道跨度越大表现越明显。因此，大跨度隧道设计就是施工方法设计。怎样针对不同的地形地质条件、不同的支护结构参数寻求最优的开挖方法十分重要，这就需要在设计过程中进行多方面分析。6.3.1 关键技术2过渡段 1、过渡段洞室不仅洞室跨度大，且形态复杂多变，支护结构与周边围岩的受

17、力更接近复杂的三维状态。针对不同的地质条件及针对不同的过渡地段，如何采用合理的分步开挖方法对于保证施工过程中的安全与结构的永久安全十分关键。设计过程中针对不同的条件给出了相应处理方案，但是，在保证隧道施工安全的前提下，为了提高施工效率，隧道施工开挖方法是否可以进一步优化？怎样根据施工现场的条件与监控量测数据进行调整？ 6.3.2 关键技术2过渡段 2、在相同的地形与地质条件下，单位长度的四车道大拱造价要高于连拱隧道，连拱隧道造价要高于小间距隧道，小间距隧道造价要高于完全分离隧道，施工过程中的安全度与结构受力条件也具有上述相同的比较优势。因此在设计过程中应尽可能缩短分岔段的长度，在分岔段内尽可能

18、缩短四车道大拱段与连拱段的长度，不仅关系到工程造价，而且关系到工程安全与施工效率。隧道平面线形一旦确定，分岔段的长度也就基本确定，设计的关键点在于分岔段内的优化调整。在分岔段内，由于大拱段的长度取决与连拱隧道起点中隔墙的最小厚度，连拱隧道的长度取决于小间距隧道起点中间岩柱的最小厚度，因此合理确定分岔隧道内连拱隧道中隔墙和小间距隧道中间岩柱的最小厚度应是设计首先考虑的问题。6.3.3 关键技术2过渡段 3、在分岔隧道设计过程中，针对具体的地质条件、隧道平面布置情况以及前期大量的隧道设计施工经验，将连拱隧道隔墙最小厚度取为1.5m，将小间距隧道中间岩柱最小厚度取为2.5m。如何根据地质条件合理选取

19、以及如何根据施工条件的变化而调整该值得深入研究。因此需要对在不同地质条件下中隔墙厚度分别为1.2m,1.5m,1.8m,2.0m时的整体式中隔墙连拱隧道的洞室稳定性能与结构受力变化进行研究，同时也需要对在不同地质条件下中间岩柱厚度分别为1.5m、2.0m、2.5m、3m的小间距隧道的洞室稳定性能与结构受力变化进行研究，以便寻找到一些规律性的结论。 一般条件下，整体式中隔墙连拱隧道的中隔墙厚度为1.6m2.0m，小间距隧道中间岩柱柱厚度为4.05.0m。现在，分岔隧道内连拱隧道与小间距隧道不仅比一般条件下取值更小，而且处于过渡段内的连拱隧道与小间距隧道的周边围岩的应力分布和结构受力状态更为复杂，

20、中隔墙及中间岩柱将承受更大的围岩压力，因此在同样地质条件下，过渡段洞室支护参数的确定与优化将与一般条件下同类洞室存在较大差别，技术要求更高。6.3.4 关键技术2过渡段 4、由于过渡段结构形式比较特殊，不仅初期支护需要边开挖边施工，甚至二次衬砌也需要分步施工，且支护结构在一定程度上还必须紧跟开挖面，这样施工爆破对已施工完成的结构的影响就不能忽视。在大拱与连拱过渡段，要求大拱段二次衬砌施作完成并达到设计强度后才能对连拱段进行导坑开挖，连拱隧道中隔墙施作完成并达到设计强度后才能对左右主洞进行开挖；在连拱与小间距过渡段，要求连拱隧道中隔墙施作完成并达到设计强度后，才能对小间距隧道的内侧导坑进行开挖。

21、这样在开挖爆破过程中如何保护已施作的结构是很重要的。 这里面包含对初期支护的保护与对二次衬砌的保护、为了达到保护的目的而需要采取的爆破装药方法与装药结构、各类支护结构的震动控制标准等几个方面的内容。 本路段共有三座分岔隧道，隧道纵坡均较大，如八字岭隧道纵坡接近2.5%，根据本路段预测交通量及组成分析，各隧道均必须采用机械通风，因此需要考虑洞口送排风的相互影响。 6.4.1 关键技术3隧道通风方案 对于高速公路隧道，为了充分利用汽车通过隧道时产生的活塞风力，隧道内的通风风流方向一般与行车方向一致，以节约运营期间的通风费用。因此，同一端的两个洞口，一个排出的是污染空气，另一个则要求吸入新鲜空气。当

22、两洞口相距较近时，必然会有部分排出的污染空气被另一洞口重新吸入。尽管连拱隧道与小间距两洞口相距较近，但由于隧道长度一般较短,且采用自然通风，因此基本上可以不考虑其相互影响，特别是对运营管理费用的影响不大。分岔隧道长度一般大于1000m，且采用机械通风，上下行隧道洞口相距较近所产生的影响则不能忽略。6.4.2 关键技术3洞口风流相互影响6.4.3 关键技术3左右洞的相互影响 目前国内外对近距离双洞送排风相互影响的相关研究还是处于空白状态。为了做好分岔隧道通风设计，同时为今后洞口距离较近的其他隧道通风设计提供依据，必须对近距离双洞洞口送排风的相互影响程度进行研究。拟采用三维流体分析软件模拟不同间距

23、的双洞隧道在不同的送风与排风状态下隧道口部的空气的流动和扩散规律，给出近距离双洞隧道对相邻隧道的影响程度。 对于洞口为四车道大拱的分岔隧道，由于洞口段双洞合一，送排风流完全交织在一起，一般应考虑设置排风（送风）横洞，以提高通风效率。 要完全消除两洞口的相互影响，可以考虑某一隧道的全部废气（新鲜空气）从横洞中排出或送入，但是该方案的缺点是少部分地段隧道内风流方向与行车方向反向，不仅通风功耗更高，而且当交通量变化较大是风流不易控制。 6.4.4 关键技术3洞口为大拱的隧道通风措施 洞口为连拱的分岔隧道通风方案，一般情况下可以考虑左右洞均采用全纵向通风。但是，由于洞口的相互影响，当隧道长度较长、需风

24、量较大时，可能会变得不经济，也不合理。此时应考虑对需风量较大的隧道设置送风或排风横洞，仅让少量废气或新风经过洞口，以减少相互影响。 6.4.5 关键技术3洞口为连拱的隧道通风措施 在减少分岔洞口送排风相互影响的措施上，总体上看一般可以从三方面考虑： 如果洞口相互影响对通风运营费用影响不大时可不必采取防范措施。 如果洞口相互影响对通风风机配置影响较大，则应首先考虑采用建筑手段将左右洞口尽可能隔离起来。 如果隧道送排风量大，洞口相互影响对通风风机配置影响很大，应结合施工横洞等优化通风方案，以达到减少洞口送排风影响的目的。 根据上述原则，对于本路段的三座分岔隧道，漆树槽隧道可不必采取措施，庙垭隧道可

25、考虑在洞口采取适当隔离措施，而八字岭隧道则应以优化通风方案为主。 6.4.6 关键技术3 减少分岔隧道通风相互影响的措施 对分岔隧道的研究已列入交通部西部科研项目 （1）分岔隧道在不同围岩条件下支护参数的确定方法和岩柱宽度的留设方法。 （2）分岔隧道在不同围岩条件下的合理施工工法。 （3）怎样减少施工过程中施工爆破对中间岩柱及已施作结构的破坏。 （4）近距离双洞洞口送排风相互影响效应，有效地指导分岔隧道、小间距隧道的通风设计。 （5）分岔隧道施工及运营期间围岩和衬砌结构可靠性的总体评价方法。 7.1 分岔隧道科研介绍研究内容 调查分析 数字计算 现场监控量测 模型实验 7.2 分岔隧道科研介绍研究手段首先完成六个子报告： 分岔隧道设计、施工与研究现状调研报告 分岔隧道围岩稳定与支护参数优化计算分析综合报告 分岔隧道模型实验及其计算分析综合报告 分岔隧道爆破震动与损伤计算分析及现场监测分析 综合报告 分岔隧道现场监控量测及其反分析综合报告 分岔隧道左右洞口送排风相互影响计算分析综合报告在上述六个子报告的基础上形成本课题的最终研究成果： 分岔隧道设计与施工关键技术研究综合报告 分岔隧道设计施工指南 7.3 分岔隧道科研介绍预期研究成果7.4 分岔隧道科研介绍模型实验 三维模型可以较好地模拟分岔隧道关键部位的变形机理、