连拱隧道的设计理论与动态施工力学研究.doc

.连拱隧道的设计理论与动态施工力学研究连拱隧道的设计理论与动态施工力学研究 摘要：近年来，随着高速公路的飞速发展 ,不少连拱隧道已经或正在修建 ,但由于该种隧道结构的复杂性 ,其设计施工往往采用经验类比方法 ,并结合应用有限元进行动态施工力学分析 ,再通过现场施工的监控量测成果修改设计 ,指导施工。文章分别对我国公路连拱隧道的设计理论、实施现场施工量测情况、隧道动态施工力学分析研究作了一些综合概述。最后针对目前连拱隧道设计施工中存在的问题作了一些展望。 关键词：隧道工程；连拱隧道；设计施工理论；动态施工力学 中图分类号：U455文献标识码： A 文章编号： 1连拱隧道的设计施工理论 早期隧道的设计完全是凭经验进行的 ,到十九世纪初才逐渐形成自己的计算理论 ,用于指导隧道的设计与施工。隧道设计计算理论的发展 ,大致可以分为以下几个阶段:刚性结构设计阶段 ,弹性结构设计阶段 ,考虑弹性抗力设计阶段 ,弹性地基梁设计阶段 ,连续介质设计阶段(包括解析法和数值法),现代复合支护设计与优化设计阶段。 连拱隧道的结构设计主要包括初期支护、二次衬砌、中隔墙和防水层设计。直中墙连拱隧道和曲中墙连拱隧道由于中墙设计方法不同 ,使它们具有连拱隧道的共同特性外 ,又具有各自的特点。直中墙连拱隧道的一般结构型式及施工顺序如图 1 所示。它与单洞隧道的主要区别在于直中墙和排水系统 ,其中墙在中导洞贯通后即浇筑 ,它既是初期支护和二次衬砌的支撑点 ,又是防水层的支撑结构。洞室开挖后初期支护支撑于中墙 ,而防水层则绕过初期支护与中墙的结合部越过中墙顶与洞室内其它防排水设施形成完整的排防水系统;中墙的中央纵向每隔一定间距设竖向排水管 ,以排除中墙顶凹部的积水。中导洞与中墙之间的孔洞只有在初期支护和中墙防排水层施工完成后回填。这样就由于中导洞与中墙之间的孔洞得不到及时回填造成开挖时毛洞跨高比增大 ,使洞周围岩石于较为不利的受力状态 ,从而影响施工安全和进度 ,而且由于没办法回填密实 ,也给营运安全带来隐患。再因部分围岩裂隙水经中墙顶凹部通过排水管排入排水沟 ,容易造成凹部积水 ,并且该部位排防水系统施工难度大 ,质量难以控制 ,造成隧道中墙渗水 ,影响结构耐久性和营运安全。直中墙连拱隧道施工工序如图 2 所示( 类围岩),其顺序是: (1)开挖中导洞 ,施作临时支护 及中墙砌筑 ; (2)开挖边导洞 ,施作初期支护和二次衬砌 及防水层 ; (3) 开挖拱部、施作初期支护和二次衬砌及防水层; (4) 开挖左、右底部 ,施作仰拱及回填 ,施作路面及排水系统; (5) 左右边导洞、仰拱开挖不得同时进行 ,施工中应注意及时支撑 ,并平衡推力。曲中墙连拱隧道一般结构如图 2 所示 ,它与直中墙连拱隧道的主要区别在于中墙及其处的排水处理。在中导洞贯通后即修建中墙 ,要求中墙顶部与中导洞顶紧密接触 ,这样就克服了直中墙连拱隧道中导洞与中墙之间的存在着空洞的缺点 ,使主洞开挖时毛洞跨度相对减小 ,有利于洞周围岩的稳定。其施工顺序( 类围岩) 是: (1) 开挖中导洞 、临时支护 及中墙砌筑 ; (2) 开挖左洞上导坑 及初支; (3) 开挖右洞上导坑 及初支 ; (4) 开挖左下导坑 ,施作左洞边墙及仰拱仰拱初支 ; (5) 开挖右下导坑 ,施作右洞边墙及仰拱初支 ; (6) 左洞仰拱浇筑及二次衬砌,施作路面及排水系统;(7) 右洞仰拱浇筑及二次衬砌,施作路面及排水系统。与图 1 工序相比较 ,图 2 少了两个侧导洞的开挖和支护及中墙回填三个步骤 ,从而节省了施工时间和工程费用。对于连拱隧道的洞口设计根据周围的地形条件 ,结合隧道的防排水要求 ,遵循“早进洞 ,晚出洞”的原则确定洞口位置。对于岩质稳定的 类以上围岩和地形开阔地区 ,常设计端墙式洞门;对于地质条件差的 类以下围岩以及需要开挖路堑的地方 ,采用翼墙式洞门;当洞口岩层坚硬、整体性好、节理不发育且不易风化 ,路堑开挖后仰坡极为稳定 ,并且没有较大的排水要求时采用环框式洞门; 当洞外需要设置遮光棚时 ,其入口通常外伸很远 ,此时采用遮光棚式洞门。另外还有柱式洞门和台阶式洞门 。 图 1 中墙连拱隧道一般结构 图 2 曲中墙连拱隧道一般结构 隧道洞门构造按照规范施工 ,洞门墙的厚度可按计算或结合其他工程类比确定 ,但其厚度最小不得小于 0. 5m。洞门墙必须置于稳固地基上 ,而且基底埋入土质地基的深度不应小于 1m ,嵌入岩石地基的深度不应小于 0. 5m。对于地基强度偏小的松软地基 ,可根据情况采用扩大基础、换土、桩基础、压浆加固地基等措施。 连拱隧道是埋置于岩土层中的地下结构物 ,周围被围岩所包围 ,它的受力、变形与围岩密切相关 ,支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束 ,共同工作。这种共同工作正是地下结构与地面结构的主要区别。从地下结构理论发展情况看 ,设计计算方法大致分为几种:即结构力学方法(荷载- 结构模式) 、岩体力学方法(地层 - 结构模式) 、监控设计方法、工程类比法以及目前常用的有限元设计计算法。 1963 年奥地利学者 L. 腊布兹维奇提出“新奥地利隧道施工法”(New AustriaTunneling Method),简称新奥法(NATM) 。它是以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段 ,以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法 ,理论、量测和经验相结合的一种施工方法。同时又是一系列的指导设计和施工的原则。它更多的还是一种设计概念、设计理念。由于连拱隧道形状、结构复杂 ,要得出连拱隧道的理论解析是相当困难的。因此设计时要求遵循新奥法原则 ,常采用工程类比法和监控设计方法以及有限元法设计计算。 2 连拱隧道的现场监控量测 例如，双连拱隧道在日本从 1974 年在伊祖隧道首次采用 ,我国于 20 世纪 90 年代陆续开始采用 ,目前在云南、福建、安徽、浙江、湖南和广东等省份已经和正在修建的公路连拱隧道几十座 ,如今对连拱隧道研究主要根据铁路隧道和小跨度隧道的经验。由于隧道围岩地质条件复杂 ,其物理力学参数受地质条件、支护方式、支护时间、开挖方法和地下水的影响 ,导致了隧道支护衬砌结构受力的不确定 ,隧道地下工程结构的设计目前仍以工程类比为主 ,理论计算仅作定性分析。因此对隧道进行监控量测是非常重要的 ,同时也是新奥法设计中的一个重要组成部分。而连拱隧道结构类型在国内外都是一种比较新颖的结构形式 ,从设计到施工都还处于摸索阶段 ,因此对连拱隧道进行监控量测 ,掌握围岩的动态变化及隧道结构的受力分布特征是非常重要的 ,也是为以后同类的结构隧道积累科学数据及经验。通过监控量测 ,指导施工 ,调整施工工序 ,修正支护参数 ,确保隧道的顺利贯通。 3拱隧道的研究方向展望 (1) 一步优化连拱隧道设计理论 ,为修建更多的连拱隧道提供理论依据; (2)大力开展连拱隧道现场监控量测试验研究 ,对围岩稳定性进行预测预报; (3)加大连拱隧道开挖的超前预报力度 ,确保施工安全; (4)加强连拱隧道动态施工力学研究 ,一是开展连拱隧道室内模型试验 ,二是进行隧道开挖仿真模拟分析 ,优化连拱隧道的设计施工 ,更好地指导现场施工; (5)进一步做好连拱隧道中墙防排水工作。 参考文献： 1 李国锋. 联拱隧道施工技术C. 2001 年全国公路隧道学术会议论文集. 北京:人民交通出版社 ,2001. 181187. 2 高世军. 双联拱隧道的技术性设计C. 2001 年全国