连拱隧道建设的若干关键技术问题综述

连拱隧道建设的若干关键技术问题综述

徐林生Ξ

(重庆交通学院土木建筑学院,重庆400074)

摘要:结合近年来我国修建的连拱隧道实例,对该类隧道断面形状与尺寸、工程措施、施工方法、围岩稳定性与动态施工控制和防排水等设计、施工关键技术问题作了较为详细的综述.

关　键　词:连拱隧道;设计与施工;关键技术

中图分类号:U451　　文献标识码:A　　文章编号:10012716X(2005)022*******

　　近年来,随着我国公路建设的快速发展,连拱隧道作为公路隧道的一个组成部分,由于其平面线形顺畅、占地面积少、洞口位置选择自由度大、便于运营管理等优点,故在特定条件下已越来越多地被采用.目前,我国已相继建成了广东白云山、四川崔家垭和石梯沟、云南练江、福建象山等一批连拱公路隧道.但是,由于连拱隧道跨度大、结构复杂,我国在这一方面建设的起步较晚,因而目前设计、施工难度均较大,存在的问题还很多.

1　连拱隧道断面形状与尺寸、工程措施

目前我国的连拱隧道在断面形状与尺寸、结构型式与参数等方面的差异较大,进而出现一系列问题:左、右洞结构受力不明确且相互影响,中隔墙与拱结构间存在着纵向裂缝,这不仅对整体结构的受力不利,而且是防排水的薄弱环节,因而有待于进一步的研究和改进.

111连拱隧道断面形状

对于连拱隧道而言,断面形状有着举足轻重的地位,它会影响到结构受力及防排水等一系列问题.综观我国的连拱隧道,采用的断面形式主要可分为以下两种(图1).

1)直中墙断面形式:国内已建成的连拱隧道基本上多采用了这种断面形式.这种形式的连拱隧道施工工艺较简单,断面开挖面积比较小,洞内行车道中心线与洞外路基行车道中心线偏离较小,因而被广泛的采用.但是,由于施工过程中对围岩的多次扰动,支护衬砌与中隔墙的不同步施工,所以容易造成隧道拱脚和中隔墙的开裂,另外这种结构有一个较为严重的问题:防排水十分困难,特别是中隔墙处尤为突出.

2)

曲中墙断面形式:曲中墙断面形式的出现相对较晚

,它的提出主要是针对直中墙断面形式的上述缺陷.这种断面形式虽然开挖面积比较大,但由于两洞相对比较,所以在结构整体受力与中隔墙防排水等方面有了根本的改善,而且视觉效果较好.目前在建的三福高速公路中的连拱隧道均采用了这种形式.

a)直中墙断面形式

b)曲中墙面形式

图1　连拱隧道主要断面结构形式

112连拱隧道断面尺寸规格

连拱隧道的断面尺寸一般要考虑断面形式、建筑限界高度、行车道宽、两侧路缘带宽、中隔墙宽等众多因素.双车道连拱隧道跨度一般大于20m;三车道连拱隧道跨度一般要达30m以上.由于我国连拱

Ξ收稿日期:2004204205;修订日期:2004204230

作者简介:徐林生(19-),男,浙江桐乡市人,教授,博士后,主要从事岩土力学与隧道工程教学、科研工作.

隧道研究起步较晚,目前还没有一个较为明确、统一的规范作指导.从我国已建成的连拱隧道(表1)来看,虽然同为双车道双连拱隧道,但是其断面的尺寸规格差异较大,有的断面净空面积相差达到10～15m 2,开挖断面面积差别就更大.这些重要的设计参

数不统一和不规范必将造成设计工作的盲目性和工程建设投资的不合理性,因而有必要开展这方面的系统研究工作,以探讨合理的连拱隧道标准化设计断面形式与尺寸规格,以满足目前公路隧道建设发展的迫切需要.

表1　我国部分连拱隧道实例

隧道名称所在线路结构形式简　　况

设计或施工单位相思岭隧道

同三线福泉高速公路双连拱

单洞连拱的对称型式.长406m ,内轮廓净宽2212m (单

洞净宽10140m ),净高7105m ,曲墙拱半径5165m ,拱心距路面高112m.自路面起中隔墙高410m ,厚1140m.福建省交通规划设计院

金竹林隧道沪蓉路梁万高速公路双连拱单洞连拱的对称型式.长445m ,内轮廓采用半径513m 的单心圆,净宽22132m ,净高8144m ,自路面起中隔墙高4105m ,厚1142m.

铁道部第二勘测设计院

象山隧道福州市二环路

四连拱长217m ,总宽3514m ,高8190m ,埋深3～23m.左中右三导洞同时开挖、支护、浇隔墙.

铁道部隧道局设计院

石梯沟隧道

国道108广元

段沙棋公司双连拱

单洞呈直墙拱形.长320m ,开挖宽2118m ,高8130m ,隧

道中线相距10175m ,埋深3～23m.自路面起中隔墙高4124m ,厚1150m.

四川公路规划勘察设计院科苑立交隧道

深圳深南一科苑四连拱

长76m ,开挖宽4516m ,单孔跨度分别为8115m 和

12144m ,高度7138m ,最小埋深仅0183m.

深圳市政公司一公司施工

白云隧道

广州北环高速公路三车道双连拱单洞呈直墙拱形.长242m ,开挖宽31151m ,高度

10155m ,单孔净跨度13182m ,净高7157m ,最小埋深2

～3m.自路面起中隔墙高418m ,厚2137m.

铁道部第四设计院

练江隧道

云南玉元高速公路双连拱

长180m ,开挖宽241715m ,高度10128m ,内轮廓分别采用半径514m (左洞)、6m (右洞)的单心圆,埋深815～47143m ,边墙外侧离练江河边坡不足10m.

云南公路规划勘察设计院莲花山隧道广东梅汕高速公路双连拱单洞呈直墙拱形.长400m 开挖宽2314m ,高度8117m ,埋深超过100m.采用左右洞全断面平行掘进、跳槽式开挖中隔墙的新颖施工方案.

茂盛土力工程顾问有限公司

五龙岭隧道京珠高速公路三车道双连拱

长200m ,开挖宽3215m ,开挖高度1019m ,最大埋深

40m.单洞内轮廓为二心圆,中隔墙为直墙式,两侧边墙为曲墙式.

中交第二公路勘察设计院小曼萨河隧道

元磨高速公路

双连拱

长235m ,净宽25124m ,最大埋深63196m.单孔净跨度10162m ,净高719m.自路面起中隔墙高410m ,厚210m.

单跨采用单心圆,中隔墙为直墙式,两侧边墙为曲墙式.

云南公路规划勘察设计院

113连拱隧道工程措施

目前,我国各个连拱隧道的工程措施大同小异,总体上采用了以锚杆、钢筋网喷射砼(或钢纤维砼)以及工字钢拱架(或格栅钢拱架)共同组成为初期支

护,C20～C25砼(或钢筋砼)为二次支护的复合式衬砌支护.国内普遍采用的连拱隧道主要支护衬砌参数如表2所列.

表2　二车道连拱隧道采用的一般支护衬砌参数

项　　目衬砌支护参数

Ⅱ类围岩

Ⅲ类围岩Ⅳ类围岩

Ⅴ类围岩

初

期支护

喷砼/cm

25201512锚杆Φ22

长度/m

315/410310/315215/310215间距/cm 80×80100×100120×120120×120

钢筋网间距/cm 20×2020×2020×20

格栅钢拱架/m/榀016

112

酌情设置

拱部超前小导管设置

设置

二次衬

砌砼中隔墙/cm

150～230150～230150～230150～230拱顶/边墙/仰拱/cm

60/50/50

60/40/40

45/40(可不设仰拱)

40/35(不设仰拱)

　　连拱隧道的工程措施(具体的衬砌支护参数)首先是根据围岩类别、工程水文地质条件、地形、埋深、

93第2期　　　　　　　　　　徐林生:连拱隧道建设的若干关键技术问题综述　　　　　　　　　　　　

总之,连拱隧道的工程措施要结合工程实际情况而灵活运用,以确保工程结构的安全、合理、经济. 2　连拱隧道施工方法、围岩稳定性与动态施工控制

通常连拱隧道开挖面积比较大,而且结构较复杂,所以连拱隧道施工的难度系数特别大.近年来,在连拱隧道的施工方法、围岩稳定性与动态施工控制等方面,国内的专家学者作了一些积极的探索,但总体上来说方法比较单一,许多方面都有待于进一步深入的研究.

211连拱隧道施工方法

目前,国内的连拱隧道所采用的施工方法大多为“三导坑先墙后拱法”.在施工中遵循“弱爆破、短进尺、多循环、勤测量、强支护、快衬砌”的原则.主要工序为:①中导洞开挖、支护,中隔墙浇注;②侧导洞开挖、支护、衬砌;③隧道全断面或分步开挖、支护、衬砌(先拱后核).各道工序分步进行,各工序之间要间隔一段距离、时间.这种施工方法较为安全,整体性好.与此同时,由于多次开挖对围岩的扰动及由此引起的应力重分布,所以这种施工方法存在一些较为普遍和典型的问题.相应的处理技术和方法主要集中在以下几个方面:

1)中导洞一般不对称于中隔墙设置,一侧留宽些,易做施工通道,另一侧留窄些,减少回填.开挖中导洞通常采取超前锚杆与格栅拱架支撑相结合.由于后期侧导洞的开挖会引起较大的侧压力,所以中隔墙施工时要在中墙底部增设锚杆,对后施工一侧要回填,通常采用混凝土、砂浆或土体等材料.

2)左右侧导洞的施工通常不同步进行,以免引起围岩较大变形和应力的急剧释放.特别是浅埋地段,容易引起塌方.弹塑性的数值计算和施工实践表明,岩体较差的一侧隧道要先开挖,这样变形、位移较小.

3)拱部开挖是洞身开挖的关键.岩体易塌落,遵循施工原则犹为重要,实施光面爆破,减少中墙上方三角带的塌方和对拱部围岩的扰动.同时支护与衬砌要及时、合理.

4)核部开挖应根据隧道长度、工期情况而定,一般在拱部衬砌完成后进行,现在开挖方式主要有一次性开挖和按台阶分步开挖两种.在地质条件较差、围岩类别较低时要设置仰拱.实践证明:设仰拱较不设仰拱更有利于结构受力,不过设置仰拱要适时.

施工方法的采用要综合考虑各方面因素,如果围岩类别较好、偏压较小,可考虑采用“先拱后墙法”施工.施工过程中要结合具体情况调整施工步骤、优化施工工艺.例如:象山隧道的施工工序由22步减少为15步,简化了施工步骤,提高施工进度,节约建设费用;广东莲花山连拱隧道采用了左右洞全断面平行掘进、中隔墙岩柱跳槽式开挖的新颖独特的施工方案.这种施工方案工艺先进,各施工阶段应力传递很明确,施工顺序简单,施工工期也容易得到保障,因而特别值得学习和借鉴.

212连拱隧道围岩稳定性与动态施工控制

由于连拱隧道施工的分步开挖、施工工序复杂,对围岩的多次扰动,所以把握开挖过程中围岩的稳定性显得犹为重要.对于施工过程要进行控制,以利于了解围岩稳定性并及时采取相应的工程措施.

现阶段国内相关学者对联拱隧道理论研究方面,基本上是通过2D-σ、ARCZ、3D-σ、I DE AS或ANSY S、M ARC、PH ASES、ABAQUS等软件进行二维、三维线性或非线性弹塑性、粘弹塑性等尝试性研究,对连拱隧道的结构进行模拟分析,以便了解各个开挖阶段围岩的稳定性、初期支护及二次衬砌的受力情况.目前已经取得了一些较有价值的计算成果.

施工动态控制要紧密结合施工过程,因为连拱隧道在动态施工过程中,其支护体系受力状态在不断发生着变化和调整;围岩经过多次扰动后,变形产生多次叠加;同时采用钻爆法施工时,爆破对已成型结构体系等的影响程度也是未知数.这些复杂的动态关系,都需要在施工过程中通过监控量测来加以确定和处理,以便详细地了解施工过程中的围岩一结构体系动态受力状况,为确保施工安全和优化设计提供充分的科学依据.目前施工监测项目有地表下沉、拱顶下沉、水平收敛、围岩压力及衬砌结构的接触应力、钢支撑内力、锚杆轴力、喷层应力、中隔墙表面应力等.监测重点集中在中隔墙本身及邻接拱部的受力、变形上.由于连拱隧道工序多、施工空间相对较小等原因,监测难度较大,监测成果误差较大,这些问题均需在以后的工程实践中不断的克服、解决.以利于以后对连拱隧道进行更有效的动态施工控制.

3　连拱隧道防排水技术问题

隧道的防排水问题一直是隧道建设的一大普遍性难题.连拱隧道由于其结构的特殊性、施工的复杂性,其防排水问题更加严重,特别是直中墙隧道中隔

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墙处防排水问题最为突出.设计时应遵循“以排为主,防、截、堵、排相结合”综合治理的原则,达到排水通畅、防水可靠、经济合理和不留后患的目的.

目前,连拱隧道防排水关键技术问题主要涉及以下几个方面:

1)隧道拱墙于二次支护间应铺设好封闭的防水层,并采用等面积的无纺布(或土工布)作衬层,初步将地下水拒之于二次衬砌之外,通过无纺布的毛细渗流引至边墙泄水孔,对于出水较多地段应预设由环向、纵向透水管或引水管等组成的引排水系统,最后由洞内水沟排出;

2)重点处理好中隔墙顶部的V 型汇水区的防排水问题,从目前情况来看,通常是设置透水排水管并与竖向引水管相连,将水排往洞内水沟;

3)砼结构自身防水要点在于施工缝和变形缝,施工缝可采用遇水膨胀的橡胶止水条,变形缝则不仅可铺设背贴式塑料止水带,而且还可以设置中埋式橡胶止水带;

4)各工序之间应避免相互干扰,并注意衔接,要求初期支护、防水及纵向排水管的铺设与导洞支护的架设及拆除随相关工序协调进行,以防止后期拱部开挖对超前洞已敷设的防水层的破坏.

总而言之,连拱隧道的防排水技术涉及到设计、施工等多方面因素,虽然国内有的学者和设计师在这方面作了很大的努力(例如福建、浙江等地曾采用曲中墙、二次衬砌一次性整体浇筑的方法),也取得

了一些进步,但由于对连拱隧道的整体防排水技术

尚未进行过系统的研究,因而目前还没有一个十分完善的设计、施工方案,国内已建成的连拱隧道或多或少存在着渗漏水的问题,今后有必要在现有技术基础上,侧重从地下水渗流、结构设计、防排水材料和施工工艺等方面作系统、全面的深入研究,以彻底解决连拱隧道的渗漏水难题.

4　结　　论

虽然我国连拱隧道的建设与研究起步都较晚,但近年来连拱隧道在一些特定条件下的高等级公路建设中已被较多地采用.目前总的来说,连拱隧道在设计、施工技术诸多方面还未趋于成熟,且又没有相关的统一规范作指导,因而今后仍有待于作进一步系统、全面的深入研究.参考文献:

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[J ].中国公路学报,2001,(2):54256.

Summarization of several climacteric technology about multiple 2arch tunnel

X U Lin 2sheng

(School of Civil Engineering &Architecture ,Chongqing Jiaotong University ,Chongqing 400074,China )

Abstract :Summarizing s ome multiple 2arch tunnels which were constructed in recent years in our country.E laborating several design and con 2struction climacteric technology about the section shape and size ,the measure of projects ,the method of construction ,the stability of surround 2ing rock ,the dynamic control of construction ,waterproof and drain etc.

K ey w ords :multiple 2arch tunnel ;design and construction ;climacteric technology

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