大斷面市政隧道洞口段設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

王罡

中國葛洲壩集團(tuán)第三工程有限責(zé)任公司 陜西 西安 710000

引言

隨著我國交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸量的不斷提高，大斷面市政隧道也將會越來越多，大斷面隧道所承受的壓力大，受理?xiàng)l件復(fù)雜，非常容易出現(xiàn)圍巖不穩(wěn)定，隧道內(nèi)部開裂等諸多問題。同時在大斷面隧道洞口段設(shè)計(jì)施工的過程中也經(jīng)常會出現(xiàn)塌方問題，甚至造成重大傷亡。造成大斷面隧道洞口塌方的原因也是各種各樣，比如地質(zhì)環(huán)境、工藝結(jié)構(gòu)、斷面形式等等都會造成隧道的塌方。本文就對大斷面市政隧道洞口的受力特性進(jìn)行分析，找出造成斷面的原因，為其斷面形式的確定提供幫助。

1 大斷面隧道的特點(diǎn)

在大斷面的隧道中有著很多優(yōu)點(diǎn)，既能夠節(jié)約時間、減少距離，還能夠使車速加快節(jié)約燃料，可是在大斷面隧道洞口段的設(shè)計(jì)中還有著大量的問題。隧道所處的位置中巖體地質(zhì)并非具有單一性，成分十分復(fù)雜，而正由于復(fù)雜性而增加了巖體情況的多變性，使得其穩(wěn)定性被影響。在建設(shè)大斷面隧道洞口時，因?yàn)槠渫陂_的面積較大，極大地增加了巖體結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，目前，主要是按照雙車道隧道的方式來規(guī)劃大斷面隧道的施工，但是大斷面隧道普遍為四車道的，與雙車道的公路隧道相比，跨度差不多為其兩倍，要是還是根據(jù)雙車道的方案設(shè)計(jì)，就會加大挖開的斷面面積，增加了工程的造價(jià)費(fèi)用，還降低了利用率。而要想合理的處理這個問題，就得降低隧道的扁平率，但又會影響到圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，特別是在主要為重應(yīng)力場的隧道中，更多的問題也將持續(xù)出現(xiàn)。因此，不能將雙車道隧道的設(shè)計(jì)運(yùn)用在大斷面隧道的建設(shè)中[1]。

2 隧道斷面形式的制約

（1）通風(fēng)面積。在設(shè)計(jì)隧道時，不僅需要讓里面的高度達(dá)到隧道規(guī)定高度，還應(yīng)該將隧道內(nèi)的通風(fēng)考慮進(jìn)去。通風(fēng)方式能夠給隧道凈空斷面帶來極大的影響，首先應(yīng)該計(jì)算好隧道當(dāng)中大概所需的通風(fēng)量，接著思考自然通風(fēng)與交通通風(fēng)是否能夠達(dá)到需求目的。

（2）建筑限界控制點(diǎn)。應(yīng)該將隧道的全部建筑限界涵蓋在隧道內(nèi)輪廓線中，保證邊界上的一切控制點(diǎn)在其中以滿足限界的要求。

（3）受力標(biāo)準(zhǔn)。隧道洞口內(nèi)輪廓的形狀除了被上述條件所約束外，還會被受力標(biāo)準(zhǔn)影響，因此需要對其檢算強(qiáng)度、安全系數(shù)與偏心進(jìn)行嚴(yán)格控制，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

（4）施工技術(shù)。施工技術(shù)的優(yōu)劣也會給隧道斷面造成影響。在巖體施工項(xiàng)目中，特別是大規(guī)模的開挖工程，從開工到竣工的整個施工期間會花費(fèi)較長的時間，而這些操作大多數(shù)都會破壞以往的平衡性，從而構(gòu)建全新的平衡與穩(wěn)定，會在此期間轉(zhuǎn)換與調(diào)整巖體的力學(xué)與物理狀態(tài)[2]。

3 斷面形式的選擇

就當(dāng)前的隧道洞口段設(shè)計(jì)來看，大部分是采用了單心圓、三心圓或是五心圓的拱形斷面，但是大斷面隧道的拱形結(jié)構(gòu)就要保持扁平，因?yàn)檐嚨罃?shù)量多，寬度大，為了節(jié)省工程成本，高度變化很小，所以就變得扁平。下面就Ⅲ級和Ⅳ級的圍巖，對三心圓和五心圓從多方面進(jìn)行了對比分析。

（1）圍巖位移。在Ⅲ級圍巖下，兩種斷面的圍巖位移有相類似的規(guī)律，都是拱頂沉降，拱底隆起，洞邊向洞里收斂。由于三心圓與五心圓在Ⅲ級圍巖中各項(xiàng)特征都很相似，從圍巖位移來說，兩種均可。

在Ⅳ級圍巖下，兩種斷面的圍巖位移有相類似的規(guī)律，都是拱頂沉降，拱底隆起，洞邊向洞里收斂，但位移分布的規(guī)律略有不同，三心圓斷面會更好一些。

（2）圍巖應(yīng)力。在Ⅲ級圍巖下，兩種斷面的圍巖應(yīng)力和分布有相類似的規(guī)律，兩種斷面的各項(xiàng)特征以及主應(yīng)力的值差別也非常小。主應(yīng)力的分布均是拱底大，拱腳小。所以從圍巖應(yīng)力這一方面來說，這兩種斷面的形式都可以。

在Ⅳ級圍巖下，兩種斷面的圍巖應(yīng)力和分布有相類似的規(guī)律，兩種斷面的各項(xiàng)特征以及主應(yīng)力的值差別也非常小。主應(yīng)力的分布均是拱底大，拱腳小。所以從圍巖應(yīng)力這一方面來說，這兩種斷面的形式都可以。

（3）初襯力學(xué)。在Ⅲ級圍巖中，三心圓斷面形式和五心圓斷面形式的彎矩分布以及初襯軸力都非常類似，區(qū)別不大，初襯的全斷面均受壓。三心圓與五心圓所承受的軸力也基本一致。從三心圓到五心圓的弧段變化對應(yīng)力場的分布和量值的產(chǎn)生造成的影響非常小。在拱腳所受的拉應(yīng)力上來說，三心圓所受拉力大于材料的拉應(yīng)力值。兩種斷面彎矩的差別也很小，但，三心圓比五心圓的彎矩稍稍大一些。所以從這方面考慮，五心圓斷面形式更合適一些。

在Ⅳ級圍巖下，三心圓斷面形式和五心圓斷面形式在各方面都很相似，差別都不大，但在拱腳所受的拉應(yīng)力上來說，三心圓所受拉力小于五心圓所受的。所以從這方面考慮，五心圓斷面形式更合適一些。

4 需要解決的技術(shù)問題

現(xiàn)如今，我國雖然已經(jīng)修建了非常多的大斷面的隧道，但是對建設(shè)大斷面的隧道洞口段設(shè)計(jì)還沒有非常成熟的技術(shù)，目前還處于研究與試驗(yàn)階段。也是因?yàn)槲覈募夹g(shù)不成熟，所以在施工工藝和設(shè)計(jì)理論上時常借鑒采納國外對大斷面隧道的方法，導(dǎo)致我國現(xiàn)在也沒有統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。在以往的研究中也得到了非常多的經(jīng)驗(yàn)，了解了大斷面隧道比小斷面隧道的難點(diǎn)，主要有以下幾個方面：①斷面尺度過大對受力分布的影響。②斷面尺度過大對巖體和支撐保護(hù)構(gòu)造件強(qiáng)度的影響。③因?yàn)樗淼蓝纯诔叽邕^大，隧道開始挖掘的順序也非常重要，會影響底層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的分布情況。④荷載也對隧道造成巨大的影響，隧道的荷載受多方面因素的影響，比如：突發(fā)、環(huán)境、靜水、圍巖、交通以及功能性荷載等等，這些荷載都會影響隧道的穩(wěn)定性。其中圍巖壓力是相當(dāng)大的荷載，嚴(yán)重影響隧道的穩(wěn)定性，能否準(zhǔn)確的得到圍巖的性質(zhì)和壓力大小是現(xiàn)在面臨的巨大問題。

5 結(jié)束語

隨著我國社會的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，交通行業(yè)的壓力也越來越大，大斷面隧道的研究與建立在不斷進(jìn)行，通過本文對大斷面隧道洞口段設(shè)計(jì)特點(diǎn)的概述，分析現(xiàn)存在需要解決的問題，我國目前的建設(shè)道路任重而道遠(yuǎn)。