整理大断面隧道和双联拱隧道.docx
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整理大断面隧道和双联拱隧道
十三大断面隧道和双双联拱隧道
施工要点1·大断面隧道
一概述
由于经济建设的需求,迫切要求公路运输业的发展。
作为"世界和平高速公路计划"的一部分的京（北京）丹（丹东）国际高速公路（850公里）,已开始规划。
京（北京）广（广州）高速公路,基本与京广铁路线平行,全长2300公里.已于去年开工兴建。
哈（尔滨）甬（宁波）高速公路也将兴建（全长3500公里）。
我国在2000年之前优先发展的“两纵两横三条路”的重点公路建设已经开始实施。
日本也在整建新的高速公路网,如时速达140公里的第二东名.名神高速公路,长490公里.目前正在建设中.第二名神高速公路,一开始就是按六车道（双孔3车道）的大断面建设的。
隧道宽度与明线路面宽度同.在303公里的一期工程中隧道比例占全长20%,都是典型的山岭隧道.隧道的概况见表1。
表1第2东名.名神高速公路的隧道比重
隧道长
座数
上行线
下行线
合计
<1000m
30
29
59
1000~2000m
１１
１２
２３
2000~3000m
６
６
１２
3000~4000m
４
４
８
>4000m
１
１
２
合计
５２
５２
１０４
目前我国大断面（三车道）公路隧道已开始修建，如联络重庆市的几条高速公路也从一开始就决定采用3车道的大断面隧道，如铁山坪隧道），即将修建的大梅沙隧道和已建成的大宝山隧道等都是三车道大断面的。
由于3车道公路隧道的断面积比双车道大得多,例如,第二东名公路初期建设的三车道隧道的断面积从113～170m2比一般双车道的85m2大1.5～2.0倍。
而近期为适应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，局部断面达230m2的超大断面、开挖宽度达23m。
较初期三车道隧道断面又增加了1·3～1·5倍。
英法海峡隧道分叉处断面的开挖宽度达21·2m，开挖高度达15·4m，开挖断面积为252·2m2。
又如，日本的第二布引隧道，在分叉段是从2车道（净空断面积59m2）变化到3～4车道的断面（最大开挖宽度24m、开挖断面积240m2）。
因此,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2东名－名神高速公路的建设为依托，从1990年起，开始了有系统的、对超大断面公路隧道修建中的技术关键问题进行大规模的研究工作。
这里所谓的大断面隧道的基本划分可参考表2和表3的划分标准。
表2是日本的隧道断面划分和开挖断面积的关系。
隧道断面划分和开挖断面积表2
划分
开挖断面积（m2）
说明
标准断面
70~80
双车道
大断面
100~1４0
有人行道的双车道车道
超大断面
>140
与路面宽相同的三车道
国际隧道协会的断面划分的建议列于表3。
国际隧协的断面划分表3
划分
净空断面积（m2）
超小断面
<3.0
小断面
3.0~10.0
中等断面
10.0~50.0
大断面
50.0~100.0
超大断面
>100.0
目前日本已把大断面公路隧道的修建技术列为重大研究课题予以实施.研究的主要内容是:
（1）扁平、大断面隧道的力学问题：
由于车道数的增加，宽度加大了，而高度变化不大，使建筑限界变得扁平。
因此，大断面隧道就不得不做成具有扁平形状的拱形结构，这样一来，使开挖后的应力重分布变差，底脚处的应力集中过大，因而要求较大的地基承载力，拱顶范围不稳定，会形成较大的松弛地压等。
（2）隧道断面结构的研究：
如隧道断面的研究、初期支护结构的研究、衬砌结构的研究等。
（3）施工方法的研究：
其中包括基本的施工方法、TBM导坑超前法、不稳定围岩的施工方法及各种辅助工法的研究等。
（4）施工技术的研究：
如减小超欠挖技术的研究、长锚杆技术的研究、大容量喷射机的研制、连续出碴运输系统的研究、湿喷钢纤维混凝土技术的研究、不良地质地段的辅助工法的研究等等。
在大断面隧道施工中，首先，也是最重要的是要认识和了解大断面隧道的特点。
二偏平、大断面隧道的力学问题
扁平.大断面隧道的力学问题由于车道数的增加，宽度加大了，而高度变化不大，使建筑限界变得扁平。
因此，大断面隧道就不得不做成具有扁平的拱形结构。
与接近圆形的2车道断面比,具有以下特征:
1·开挖应力的重分布变得不利，见图1。
图1拱顶发生的弯矩比（K＝1·0，真园率88·2％时设定为1）
大家知道，对圆形断面隧道来说，在弹性介质、静水压力场中，开挖后坑道周边的最大主应力是初始应力的2倍。
如围岩的单轴抗压强度比重分布的应力小，隧道周边围岩将出现塑性化，为此，需要强大的支护结构来控制变形。
而对偏平的大断面隧道来说，根据有限元解析，开挖后最大主应力为侧压系数K＝1的初始应力的3倍，K＝0·7时的4倍。
因此与过去的2车道隧道相比，就是有很大的强度，也会出现塑性化和大的变形。
也就是说，侧压系数比1小时，偏平度越大，为保证无支护的自稳条件，就必需要求有较大的围岩强度比。
2·底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力
从解析结果的分析中，已经知道开挖后的应力在侧壁处比较大，开挖宽度越大，轴力也越大。
特别是侧压系数小时，净空宽度有扩大的可能。
因此，底脚的承载力是很重要的。
3·拱顶不稳定
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。
因此，在水电大型工程中，对大断面洞室，多采用块体理论进行解析。
例如1994年冬季奥林匹克运动会的冰球场，是在地下岩层中开挖的宽62m，高24m的偏平地下洞室曾采用多种方法进行设计。
该项研究认为：
在开挖宽度为2倍高度的情况下，目前采用的支护结构可以有效地防止岩块的崩塌。
4·较大的松弛地压
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，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。
5·支护结构的承载力相对较小
跨度越大，偏平形状的拱形支护结构的承载力也小。
这些力学特点，就是大断面公路隧道设计施工的基础。
三.隧道断面形式的确定
隧道断面形式要确保满足公路设计规范及防灾基准等条件的要求和规定的隧道建筑限界。
日本新建的3车道隧道的标准图的建筑限界如图2所示。
除满足3车道的要求外，还设置了路肩及两侧监视员通道。
建筑限界最大宽度达16.50m（3车道3×3·75m＋左侧路肩3·25m，右侧路肩2·0m），高度为4·8m。
此建筑限界是为满足140km/h速度规定的。
实质上，此建筑限界，在一般高速公路隧道中，与4车道的隧道限界相当。
此前规定的建筑限界最大宽度为12·75m（3车道3·5m＋3·75m＋3·5m,两侧路肩1·0m＋1·0m），高度为4·8m。
挪威设计标准规定的3车道建筑限界为3·25m＋3·25m＋3·50m，两侧路肩各为1·0m。
总宽度为12·0m，高度为4·6m，见图3。
总之国外的三车道隧道的断面比我们的大，运行的舒适性和安全性，都要好一些。
图2隧道建筑限界
图３挪威的三车道建筑限界
日本公路隧道的建筑限界高度，一般为4·8m，因此，当车道数增加时，势必增加建筑限界的宽度。
这样，建筑限界就势将成为偏平的形状。
这是大断面公路隧道所以选择偏平形状的基本依据。
第二东名.名神公路三车道隧道的标准断面的形状示于图4。
与140km/h速度相适应的隧道标准断面示于图6。
图４一般公路隧道标准断面
图６ 适用１４０ｋｍ／ｈ的三车道公路隧道标准断面
断面的偏平率是大断面隧道的一个重要技术指标。
在2车道的情况下，偏平率约为0·85。
在3车道的情况下，大都变为0.64～0·65。
是很小的.作为参考三车道隧道断面和偏平率与其他隧道的比较示于图7。
图7隧道净空断面和偏平率
最近在东名三车道隧道的改建中，采用了图9的隧道断面，其偏平率为0·65（＝隧道高度隧道宽度）真园率（＝上半断面高度0·5隧道宽度）为88％左右。
图9清水3号隧道计划断面
考虑到侧壁和衬砌拱脚处应力较大，仰拱的半径取上半半径的2倍（通常的2车道隧道取2·6～2·7倍），侧壁和仰拱的连接曲线半径取2·5m（2车道时取1·0M）为避免应力集中，就是在围岩良好的情况下也应设置仰拱。
四·隧道支护结构模式的研究
三车道隧道的支护结构，视围岩状态而异。
因其断面积比双车道的大得多,故要很好地研究其支护结构的形式和参数。
为了隧道的稳定,支护结构的大致标准是:
锚杆---长度应大于隧道直径的1/3；
喷混凝土---厚度不小于隧道直径的1.7%；
在经验不足的情况下,三车道的支护规模,可把双车道的围岩类别降一级作为大致标准。
表4是日本第二东名、名神公路的初期的三车道隧道支护结构的基本参数,可供参考。
三车道隧道的支护结构.开挖模式表4
从表4可以看出，支护结构是与施工方法联系在一起的。
结构上的一个特点是,仰拱的厚度比拱部厚，这是比较合理的。
锚杆也比较长。
在各种情况下都没有留变形富裕量，这可能与断面大有关。
支护结构，根据最近的三车道隧道的施工实绩，按围岩分级的基准设定,见表5。
表5高速公路隧道标准支护模式
围岩级别
锚杆
钢支撑
喷混凝土
长度m
间隔m
cm
环向
纵向
B
4·0
1·5
1·5
H－150
15
C
6·0
1·2
1·5
H－200
20
C
6·0
1·2
1·2
H－200
25
D
6·0
1·0
1·0
H－200
30
D
6·0
1·0
1·0
H－200
30
与表4比较，支护结构参数有了不同程度的变化，如锚杆程度增加了，而喷混凝土厚度减小了。
衬砌，在标准设计范围内，初期支护是确保围岩稳定的，但对偏平隧道，为确保长期的稳定性，也要预计长期的力学稳定性。
因没有确定作用在衬砌上荷载的方法，故按：
1·相当与有限元分析的松弛区的松弛荷载，采用容许应力法进行研究；
2·以规范给定的荷载，采用轴力极限承载力进行研究。
根据容许应力法，围岩级别为B、C、C和D模式，在侧压系数K＝1·0时，能满足容许应力的要求。
D则不满足拉应力的要求。
按轴力研究，都满足最终承载力的要求。
根据这些研究结果，设定了表6的标准设计。
其标准断面图见图9。
与表4比较，就是在给定的围岩条件下，均设置了仰拱。
这是为保证结构总体稳定性而采取的结构措施。
六·大断面隧道施工方法
隧道的施工方法要根据断面形状、长度、工期、地质、涌水、周围环境等条件，综合确定。
双车道隧道的施工方法，一般都选台阶法。
但三车道隧道，因断面大而且偏平，选择时要注意以下几点：
1·地形地质的特殊性,如洞口段.埋深小的地段.易变形的地质等；
2·是否有限制条件,如对地表下沉的限制,地基承载力小等；
3·比要时要与辅助工法配合；
4·要尽量采用能避免围岩松弛的施工方法,如在泥岩中可采用机械开挖；
5·因上部断面偏平不能长时间放置,开挖后要及早用临时仰拱封闭；
从目前的施工技术水平出发,适合大断面的开挖方法,主要有以下几种：
·上半断面超前短台阶法；
·CD（中壁）法
·双侧导（眼镜）法
·TBM导坑掘进法。
其中，前4种方法是既有技术的应用。
后一种方法是新技术的应用。
将在后面加以介绍。
各种施工方法的概况示于图１２。
图12各种施工方法的概况
其中，上半断面法采用最多
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