大斷面市政隧道洞口段設計與施工技術研究

王罡

中國葛洲壩集團第三工程有限責任公司 陜西 西安 710000

引言

隨著我國交通運輸行業的快速發展，交通運輸量的不斷提高，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，受理條件復雜，非常容易出現圍巖不穩定，隧道內部開裂等諸多問題。同時在大斷面隧道洞口段設計施工的過程中也經常會出現塌方問題，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，比如地質環境、工藝結構、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

在大斷面的隧道中有著很多優點，既能夠節約時間、減少距離，還能夠使車速加快節約燃料，可是在大斷面隧道洞口段的設計中還有著大量的問題。隧道所處的位置中巖體地質并非具有單一性，成分十分復雜，而正由于復雜性而增加了巖體情況的多變性，使得其穩定性被影響。在建設大斷面隧道洞口時，因為其挖開的面積較大，極大地增加了巖體結構的不穩定性，目前，主要是按照雙車道隧道的方式來規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，要是還是根據雙車道的方案設計，就會加大挖開的斷面面積，增加了工程的造價費用，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構的穩定性，特別是在主要為重應力場的隧道中，更多的問題也將持續出現。因此，不能將雙車道隧道的設計運用在大斷面隧道的建設中[1]。

2 隧道斷面形式的制約

（1）通風面積。在設計隧道時，不僅需要讓里面的高度達到隧道規定高度，還應該將隧道內的通風考慮進去。通風方式能夠給隧道凈空斷面帶來極大的影響，首先應該計算好隧道當中大概所需的通風量，接著思考自然通風與交通通風是否能夠達到需求目的。

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

（3）受力標準。隧道洞口內輪廓的形狀除了被上述條件所約束外，還會被受力標準影響，因此需要對其檢算強度、安全系數與偏心進行嚴格控制，達到標準。

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

3 斷面形式的選擇

就當前的隧道洞口段設計來看，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構就要保持扁平，因為車道數量多，寬度大，為了節省工程成本，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，但位移分布的規律略有不同，三心圓斷面會更好一些。

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

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

（3）初襯力學。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力場的分布和量值的產生造成的影響非常小。在拱腳所受的拉應力上來說，三心圓所受拉力大于材料的拉應力值。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 需要解決的技術問題

現如今，我國雖然已經修建了非常多的大斷面的隧道，但是對建設大斷面的隧道洞口段設計還沒有非常成熟的技術，目前還處于研究與試驗階段。也是因為我國的技術不成熟，所以在施工工藝和設計理論上時常借鑒采納國外對大斷面隧道的方法，導致我國現在也沒有統一的執行標準。在以往的研究中也得到了非常多的經驗，了解了大斷面隧道比小斷面隧道的難點，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構造件強度的影響。③因為隧道洞口尺寸過大，隧道開始挖掘的順序也非常重要，會影響底層結構和應力的分布情況。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、環境、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定性。其中圍巖壓力是相當大的荷載，嚴重影響隧道的穩定性，能否準確的得到圍巖的性質和壓力大小是現在面臨的巨大問題。

5 結束語

隨著我國社會的發展，經濟的進步，交通行業的壓力也越來越大，大斷面隧道的研究與建立在不斷進行，通過本文對大斷面隧道洞口段設計特點的概述，分析現存在需要解決的問題，我國目前的建設道路任重而道遠。