連拱隧道的設計理論與動態(tài)施工力學研究

1、<p>　　連拱隧道的設計理論與動態(tài)施工力學研究</p><p>　　摘要：近年來，隨著高速公路的飛速發(fā)展 ,不少連拱隧道已經(jīng)或正在修建 ,但由于該種隧道結構的復雜性 ,其設計施工往往采用經(jīng)驗類比方法 ,并結合應用有限元進行動態(tài)施工力學分析 ,再通過現(xiàn)場施工的監(jiān)控量測成果修改設計 ,指導施工。文章分別對我國公路連拱隧道的設計理論、實施現(xiàn)場施工量測情況、隧道動態(tài)施工力學分析研究作了一些綜合概述。最后針對目

2、前連拱隧道設計施工中存在的問題作了一些展望。 </p><p>　　關鍵詞：隧道工程；連拱隧道；設計施工理論；動態(tài)施工力學 </p><p>　　中圖分類號：U455文獻標識碼： A 文章編號： </p><p>　　1連拱隧道的設計施工理論 </p><p>　　早期隧道的設計完全是憑經(jīng)驗進行的 ,到十九世紀初才逐漸形成自己的計算理論 ,用

3、于指導隧道的設計與施工。隧道設計計算理論的發(fā)展 ,大致可以分為以下幾個階段:剛性結構設計階段 ,彈性結構設計階段 ,考慮彈性抗力設計階段 ,彈性地基梁設計階段 ,連續(xù)介質設計階段(包括解析法和數(shù)值法),現(xiàn)代復合支護設計與優(yōu)化設計階段。 </p><p>　　連拱隧道的結構設計主要包括初期支護、二次襯砌、中隔墻和防水層設計。直中墻連拱隧道和曲中墻連拱隧道由于中墻設計方法不同 ,使它們具有連拱隧道的共同特性外 ,又具

4、有各自的特點。直中墻連拱隧道的一般結構型式及施工順序如圖 1 所示。它與單洞隧道的主要區(qū)別在于直中墻和排水系統(tǒng) ,其中墻在中導洞貫通后即澆筑 ,它既是初期支護和二次襯砌的支撐點 ,又是防水層的支撐結構。洞室開挖后初期支護支撐于中墻 ,而防水層則繞過初期支護與中墻的結合部越過中墻頂與洞室內(nèi)其它防排水設施形成完整的排防水系統(tǒng);中墻的中央縱向每隔一定間距設豎向排水管 ,以排除中墻頂凹部的積水。中導洞與中墻之間的孔洞只有在初期支護和中墻防排水層

5、施工完成后回填。這樣就由于中導洞與中墻之間的孔洞得不到及時回填造成開挖時毛洞跨高比增大 ,使洞周圍巖石于較為不利的受力狀態(tài) ,從而影響施工安全和進度 ,而且由于沒辦法回填密實 ,也給營運安全帶來隱患。再因部分圍巖裂隙水經(jīng)中墻頂凹部通過排水管排入排水溝 ,容易造成凹部積水 ,并且該部位排防水系統(tǒng)施工難度大 ,質量難以控制 ,造成隧道中墻滲水 ,影響結構耐久性和營運安全。直中墻連拱隧道施工工序如圖 2 </p><p&g

6、t;　　圖 1 中墻連拱隧道一般結構 </p><p>　　圖 2 曲中墻連拱隧道一般結構 </p><p>　　隧道洞門構造按照規(guī)范施工 ,洞門墻的厚度可按計算或結合其他工程類比確定 ,但其厚度最小不得小于 0. 5m。洞門墻必須置于穩(wěn)固地基上 ,而且基底埋入土質地基的深度不應小于 1m ,嵌入巖石地基的深度不應小于 0. 5m。對于地基強度偏小的松軟地基 ,可根據(jù)情況采用擴大基礎、換土

7、、樁基礎、壓漿加固地基等措施。 </p><p>　　連拱隧道是埋置于巖土層中的地下結構物 ,周圍被圍巖所包圍 ,它的受力、變形與圍巖密切相關 ,支護結構與圍巖作為一個統(tǒng)一的受力體系相互約束 ,共同工作。這種共同工作正是地下結構與地面結構的主要區(qū)別。從地下結構理論發(fā)展情況看 ,設計計算方法大致分為幾種:即結構力學方法(荷載- 結構模式) 、巖體力學方法(地層 - 結構模式) 、監(jiān)控設計方法、工程類比法以及目前常用

8、的有限元設計計算法。 </p><p>　　1963 年奧地利學者 L. 臘布茲維奇提出“新奧地利隧道施工法”(New AustriaTunneling Method),簡稱新奧法(NATM) 。它是以控制爆破或機械開挖為主要掘進手段 ,以錨桿、噴射混凝土為主要支護方法 ,理論、量測和經(jīng)驗相結合的一種施工方法。同時又是一系列的指導設計和施工的原則。它更多的還是一種設計概念、設計理念。由于連拱隧道形狀、結構復雜 ,

9、要得出連拱隧道的理論解析是相當困難的。因此設計時要求遵循新奧法原則 ,常采用工程類比法和監(jiān)控設計方法以及有限元法設計計算。 </p><p>　　2 連拱隧道的現(xiàn)場監(jiān)控量測 </p><p>　　例如，雙連拱隧道在日本從 1974 年在伊祖隧道首次采用 ,我國于 20 世紀 90 年代陸續(xù)開始采用 ,目前在云南、福建、安徽、浙江、湖南和廣東等省份已經(jīng)和正在修建的公路連拱隧道幾十座 ,如今對

10、連拱隧道研究主要根據(jù)鐵路隧道和小跨度隧道的經(jīng)驗。由于隧道圍巖地質條件復雜 ,其物理力學參數(shù)受地質條件、支護方式、支護時間、開挖方法和地下水的影響 ,導致了隧道支護襯砌結構受力的不確定 ,隧道地下工程結構的設計目前仍以工程類比為主 ,理論計算僅作定性分析。因此對隧道進行監(jiān)控量測是非常重要的 ,同時也是新奧法設計中的一個重要組成部分。而連拱隧道結構類型在國內(nèi)外都是一種比較新穎的結構形式 ,從設計到施工都還處于摸索階段 ,因此對連拱隧道進行監(jiān)

11、控量測 ,掌握圍巖的動態(tài)變化及隧道結構的受力分布特征是非常重要的 ,也是為以后同類的結構隧道積累科學數(shù)據(jù)及經(jīng)驗。通過監(jiān)控量測 ,指導施工 ,調(diào)整施工工序 ,修正支護參數(shù) ,確保隧道的順利貫通。 </p><p>　　3拱隧道的研究方向展望 </p><p>　　(1) 一步優(yōu)化連拱隧道設計理論 ,為修建更多的連拱隧道提供理論依據(jù); </p><p>　　(2)大力開

12、展連拱隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測試驗研究 ,對圍巖穩(wěn)定性進行預測預報; </p><p>　　(3)加大連拱隧道開挖的超前預報力度 ,確保施工安全; </p><p>　　(4)加強連拱隧道動態(tài)施工力學研究 ,一是開展連拱隧道室內(nèi)模型試驗 ,二是進行隧道開挖仿真模擬分析 ,優(yōu)化連拱隧道的設計施工 ,更好地指導現(xiàn)場施工; </p><p>　　(5)進一步做好連拱隧道中墻防排水

13、工作。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1] 李國鋒. 聯(lián)拱隧道施工技術[C]. 2001 年全國公路隧道學術會議論文集. 北京:人民交通出版社 ,2001. 181～187. </p><p>　　[2] 高世軍. 雙聯(lián)拱隧道的技術性設計[C]. 2001 年全國公路隧道學術會議論文集. 北京:人民交