山嶺隧道設(shè)計時的主要洞門與支護形式

（山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 266590）

山嶺隧道設(shè)計時的主要洞門與支護形式

吳家康

（山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 266590）

山嶺隧道設(shè)計計算過程較為復(fù)雜，加上復(fù)雜的現(xiàn)場情況，使得設(shè)計計算時存在諸多難點。本文通過列舉設(shè)計時的洞門形式與支護形式，總結(jié)了現(xiàn)有山嶺隧道設(shè)計計算時可選擇的洞門形式與支護形式，為山嶺隧道的設(shè)計計算提供了參考。

山嶺隧道；支護

1.研究的意義

隨著我國經(jīng)濟的高速增長，對交通設(shè)施的需求量日益增大。為了方便兩地的交通往來，拉動兩地經(jīng)濟文化交流，促進其經(jīng)濟增長，方便兩地居民的往來，國家擬定修建多眾多的山嶺隧道來方便兩地的交通通訊。我國是個多山的國家，山地、丘陵和高原等山區(qū)面積眾多，高速、鐵路的修建大多需穿過山嶺地區(qū)，修建山地盤山公路成本高，工期長，不方便兩地交流。隧道具有縮短線路長度，提高道路的可靠性和安全性，以及在國防意義上存在的隱蔽性等優(yōu)點。“逢山開道，遇水架橋”，在高速路的建設(shè)中，需修建山嶺隧道，以克服平面或高程的障礙，提高線路標準，增強運輸能力，降低運營成本。

在山嶺隧道修建之前，需先進行隧道結(jié)構(gòu)支護設(shè)計，以保證整個隧道在施工與使用期間的安全與高效性能。本問的目的和意義在于，對山嶺隧道洞門形式與支護結(jié)構(gòu)進行總結(jié)，以保證山嶺隧道的設(shè)計時的可靠性。同時設(shè)計時還要考慮環(huán)保問題，要考慮隧道施工對周圍水環(huán)境的影響，施工中廢棄物對環(huán)境的影響，隧道洞門及其他的構(gòu)造物與環(huán)境的協(xié)調(diào)等，盡量適應(yīng)地形和地質(zhì)條件，避免高填深挖。在復(fù)雜的山區(qū)地形、地貌條件下，修建隧道不僅是線路設(shè)計的需要，而且要從保護自然生態(tài)環(huán)境的角度考慮。同時還要進一步做好地質(zhì)勘探和發(fā)展地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)。加強工程中的機械化程度，努力實現(xiàn)信息化施工。并充分總結(jié)經(jīng)驗，為以后的設(shè)計施工做準備。

2.隧道設(shè)計計算的過程

隧道設(shè)計計算是個復(fù)雜的過程，其主要步驟如下：

山嶺隧道測量與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，整理工程概況。

2）山嶺隧道地質(zhì)條件分析，據(jù)此條件選擇洞門形式，并驗算洞門結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3）隧道襯砌荷載計算，即不同級別圍巖條件下的襯砌荷載以及相關(guān)的外荷載確定。

4）支護參數(shù)選擇，即通過對襯砌荷載的分析，進行支護方案對比，確定隧道支護方案參數(shù)并驗算。

5）隧道二次襯砌的鋼筋混凝土配筋計算。

6）隧道施工組織設(shè)計。

7）隧道監(jiān)測方案設(shè)計。

可見，洞門形式的選擇與支護形式的選擇在隧道設(shè)計時具有重要意義。

3.隧道洞門形式

洞門附近通常都比較破碎松軟，易于失穩(wěn)，形成崩塌。為了保護巖土體穩(wěn)定和使車輛不受崩塌、落石等威脅，確保行車安全，應(yīng)該選擇恰當?shù)亩撮T形式，并對邊、仰坡進行適宜的護坡。洞門設(shè)計主要是洞門墻的設(shè)計。洞門墻是用以阻止削坡坍塌的構(gòu)筑物，實質(zhì)上是為了加固地下建筑口部的洞門仰坡及與洞門相連的那部分路墊邊坡的擋土墻。此外，洞門墻還能把仰坡匯流的地表水引離洞口，洞門形式的設(shè)計應(yīng)抱枕運營安全，并與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)。常用的洞門形式如下：

端墻式洞門。由洞口襯砌和端墻組成的洞門稱為端墻式洞口。它用于仰坡巖層比較穩(wěn)定，不會產(chǎn)生很大的水平主動壓力時的地下建筑口部。端墻式洞門一般適用于巖質(zhì)穩(wěn)定的Ⅲ級以上圍巖和地形開闊的地區(qū)，洞口襯砌應(yīng)于洞內(nèi)襯砌連成整體，以加強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。形式簡便，施工方便，造價較低。

翼墻式洞門。由洞口襯砌和端墻，以及翼墻組成的洞門稱為翼墻式洞門。它用于巖層較差，仰坡不穩(wěn)定，可能產(chǎn)生很大水平主動土壓力的地下建筑口部。翼墻式洞門適用于地址較差的Ⅳ級以下圍巖，以及需要開挖路墊的情況。在端墻兩側(cè)設(shè)置的翼墻，能保證端墻的穩(wěn)定和支持洞口路墊邊坡，加固坡腳的作用。端墻應(yīng)與襯砌連成整體，以加強洞門結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

柱式洞門。柱式洞門是在端墻上增加對稱的兩個立柱，不但雄偉壯觀，而且可對端墻局部加強，增加洞門的穩(wěn)定性。此種形式一般適用于城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、風(fēng)景區(qū)附近的隧道。

臺階式洞門。臺階式洞門在沿溪線傍山隧道半路墊情況下長采用這種新式，為了適應(yīng)山坡地形，將端墻常做成臺階式。

環(huán)框式洞門。環(huán)框式洞門形式最簡單，一般適用于洞口地形陡峭、巖層完整、堅硬而且無風(fēng)化巖層，開挖后邊坡和仰坡穩(wěn)固，坡面無坍塌可能，坡面上匯水量少，對隧道的施工和運營無影響。環(huán)框與洞口襯砌用混凝土整體灌注。當洞口為松軟的堆積層時，通常應(yīng)避免大的仰、邊坡，一般采用接長明洞，回復(fù)原地形地貌的辦法。環(huán)框上方及兩側(cè)仍應(yīng)設(shè)置排水溝渠，以排除地表水，防止漫流。

4.支護參數(shù)選擇

圍巖壓力與結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力是隧道結(jié)構(gòu)計算的基本荷載。明洞及明挖法施工的隧道，填土壓力與結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力是結(jié)構(gòu)的主要荷載。

由于隧道設(shè)計中貫徹了“早進晚出”的原則，洞口接長明洞的邊坡都不是很高，加之落石多為滾滑、跳躍落下，直接砸落在明洞上者少極少。而當遇到大量落石和墜落高度較大的石塊，可設(shè)法避開或者采取危石加固坡面等措施，故一般情況下落石沖擊力可不考慮。

當有落石危害須檢算沖擊力時，則只計洞頂填土重力和落石沖擊力的影響。落石沖擊力的計算，目前研究還不算深入，實測資料也很少，故對其計算未做規(guī)定，具體設(shè)計時可通過現(xiàn)場測量或有關(guān)計算驗證。

設(shè)計山嶺公路隧道建筑物時，一般需考慮列車荷載及公路車輛荷載，只有當隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受公路車輛荷載及列車荷載才按有關(guān)規(guī)定進行計算。

作用在襯砌上的荷載，按其性質(zhì)也可以區(qū)分為主動荷載是因結(jié)構(gòu)變形壓縮圍巖而引起的圍巖被動抵抗力，即彈性抗力它對結(jié)構(gòu)變形起限制作用。

主動荷載包括主要荷載和附加荷載。計算荷載應(yīng)根據(jù)這兩類荷載同時存在的可能性進行組合。在一般情況下可僅按主要荷載進行計算。特殊情況下才進行必要的組合，并選用相應(yīng)的安全系數(shù)檢算結(jié)構(gòu)強度。

被動荷載主要指圍巖的彈性抗力，它只產(chǎn)生在被襯砌壓縮的那部分周邊上。其分布范圍和圖式一般可按工程類比法假定，通常可作簡化處理。

在理論計算方法中，考慮幾個主要因素，使其結(jié)果相對地接近實際圍巖壓力的情況，是目前隧道工程設(shè)計中采用較多的方法。一般來講，都是以某種簡化的假設(shè)為前提，或以實際工程的統(tǒng)計分析資料為基礎(chǔ)，因此，大都有一定程度的局限性。

隧道結(jié)構(gòu)是地下建筑結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)地層的類別、使用功能和施工技術(shù)水平等進行選擇。

按照結(jié)構(gòu)形式的不同，隧道結(jié)構(gòu)一般可分為半襯砌結(jié)構(gòu)、厚拱薄墻襯砌結(jié)構(gòu)、直墻拱形襯砌結(jié)構(gòu)、曲墻結(jié)構(gòu)、復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)和連拱隧道結(jié)構(gòu)等形式。

半襯砌結(jié)構(gòu)。在堅硬巖層中，若側(cè)壁無坍塌危險，僅頂部巖石可能有局部滑落時，可僅施做頂部襯砌，不做邊墻，噴一層不小于2cm厚的水泥砂漿護面，即為半襯砌結(jié)構(gòu)。

厚拱薄墻襯砌結(jié)構(gòu)。在中硬巖層中，拱頂所受的力可通過拱腳大部分傳給巖體，充分利用巖石的強度，使邊墻所受的力大為減少，從而減少邊墻的厚度，形成所謂的厚拱薄墻結(jié)構(gòu)。

直墻拱形襯砌結(jié)構(gòu)。在一般或較差巖層中的隧道結(jié)構(gòu)，通常是拱頂與邊墻澆筑在一起，形成一個整體結(jié)構(gòu)，即直墻拱襯砌結(jié)構(gòu)，這是一種被廣泛應(yīng)用的隧道結(jié)構(gòu)形式，如鐵路隧道等。

曲墻襯砌結(jié)構(gòu)。在很差的巖層中，巖體松散破碎且易于坍塌，襯砌結(jié)構(gòu)一般由拱圈、曲線形側(cè)墻和仰拱形底板組成，形成所謂的曲墻襯砌結(jié)構(gòu)。該種襯砌結(jié)構(gòu)的受力性能相對較好，但對施工技術(shù)要求不高，這也是一種被廣泛應(yīng)用的隧道結(jié)構(gòu)形式，在公路隧道中宜采用曲邊墻拱形斷面。

復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。復(fù)合式襯砌把襯砌結(jié)構(gòu)分成兩層或兩層以上，目前大都采用外襯和內(nèi)襯兩層。最常用的外襯是噴錨支護，內(nèi)襯是整體式混凝土襯砌。復(fù)合式襯砌的初期支護施作及時，且與圍巖結(jié)合密切，從而能保護和加固圍巖，充分發(fā)揮圍巖的自承能力。二次襯砌完成后，襯砌內(nèi)表面光滑平整，可以裝飾內(nèi)壁，增強安全感，是一種較為理想的結(jié)構(gòu)形式，目前應(yīng)用廣泛。

[1]孫鈞. 地下結(jié)構(gòu)[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 1991.

[2]韓昌瑞, 張波, 白世偉. 深埋隧道層狀巖體彈塑性本構(gòu)模型研究[J]. 巖土力學(xué), 2008, 29(9)： 2404-2414.

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1007-6344（2017）04-0094-01