大斷面隧道支護技術及斷面優化問題研究

【摘要】經濟的飛速發展使得城鎮化建設進一步加快，交通工具的數量也在進一步增加。初期的城市規劃及道路建設已經無法滿足當今的社會需求。為了進一步滿足社會需要，道路擴建等便勢在必行。目前多數城市已不存在單行車道，而傳統的雙向八車道也日漸不能滿足城市發展，改為向雙向十車道擴建。道路車道增加必然會影響隧道修建，而大斷面隧道的設計難度較以往隧道設計的難度更大。因此，主要從力學角度進行分析，對隧道支護技術及斷面優化問題進行研究。

【關鍵詞】大斷面隧道;支護技術;斷面優化問題;研究

大斷面隧道修建難度較大，對技術等方面的要求普遍較高。目前國內大斷面隧道修建主要集中在三車道，相關的施工規范等也主要是以三車道為主在力學、技術等方面規定。在大斷面隧道建設中需要攻克的難題還很多，其中最急需解決的是隨著隧道斷面的進一步增大，隧道穩定性的保持。通過研究隧道洞室應力分布，加大結構的承載力的技術，對隧道施工工藝的提升及發展都有著非常重要的作用。雖然大斷面隧道施工難度較大，但施工人員在施工前期進行合理規劃，施工過程科學合理，那么整個工程順利完工且質量達標也是相較容易的。

1、大斷面隧道特性

大斷面隧道做成拱形的原因主要是為了盡可能地增加車道。車道數量增加對隧道寬度及高度產生影響，從而導致最終形狀為扁平的拱形。當然不同的斷面形式對隧道力學承載會產生非常大的影響，所以隧道大斷面設計過程中必須要考慮到力學因素。關于力學方面的考慮主要分為以下幾個方面：

1.1基本力學特性

隧道設計及施工過程都必須要都考慮到力學因素，因為這關系到隧道修建的穩定性。隧道修建的目的是為了打通山體，讓道路能夠延續。打通山體修建隧道主要考慮的因素是巖石的承載。

隧道修建是將由巖石等組成的山體掏空部分，用作能通行的通道。為了保證隧道的穩固，巖石被掏空部分原本的承載就需要其周邊巖石進行分擔。簡單說就是隧道不坍塌的前提是隧道周邊巖體能夠支撐住整個山體所受的重力。

修建隧道是能為保證交通，所以車道的多少是必須要考慮的一種重要問題，在巖石能夠承載的范圍內，車道數量越多，其隧道修建的意義更大。對于隧道而言，斷面寬度加大，高度不變則最終呈現出來的形狀就是拱形，站在力學角度分析即為橢圓。從力學角度分析形似橢圓的隧道，其底腳的承載力相對較大，而橢圓頂部的穩定性最差，易出現脫落情況，從而造成事故。為也是大斷面隧道在修建過程中必須考慮的部分。對于斷面而言，開挖的高度越高、寬度越大，拱產生的作用力也會越大，其危險系數越高。

1.2隧道大跨度力學特性

隧道車道越多，其跨度就越大，從而形成的斷面形式可分為兩種，即圓形和非圓形。當然圓形和非圓形力學分布情況也不相同。就圓形而言，斷面的不同其應力的變化總體不大。但當圓形轉變為非圓形后，應力影響變化則相應變大，斷面的穩定性也會改變。總體而言，同等情況下圓形斷面的穩定性要高于非圓形[1]。

1.3仰拱對大斷面力學特性影響

隧道設計施工中，設置仰拱對整個隧道的穩定性有非常重要的作用。仰拱的存在能夠一定程度上保證隧道施工的安全性及長期使用性。關于仰拱，其對隧道穩定性的影響如下：對結構承載力的提升，普通隧道斷面的承載在10%左右，但設置仰拱降低周邊位移后則可提升到20%;設置仰拱用于減少周邊巖石塑性區深度則可提升到30%等[2]。

2、支護體系優化

2.1初期支護

隧道也就是圍巖和支護結構的綜合。在開挖隧道過程中會破壞山體地層的平衡，對隧道周圍巖石產生形變等影響。隧道開挖用力過猛，或計算出現問題會造成隧道坍塌。為了避免出現坍塌，通常在隧道開挖后便立即進行支護。為將應力控制在合理范圍內，以增加隧道的穩定性，從而保證施工能正常進行。隧道開挖后為保證后續施工而進行的小幅度支護即初期支護[3]。

為保證施工能夠有序進行，隧道開挖過程中需要時時進行支護，這些支護之間存在的距離應該在一倍的洞徑之內。隧道斷面支護的方式分為噴錨支護、錨桿支護、噴射混凝土支護等多種方式，而隨隧道開挖時時進行支護采用的方式通常為噴錨支護。而在整個隧道工程中使用最多的支護方式常常是以組合的形式出現，例如錨桿與噴射混凝土。錨桿與噴射混凝土組合使用是先通過噴射混凝土對初期洞室進行支護，再加以錨桿施工結尾。用以噴射的混凝土常常會增加凝結劑，以加快混凝土的凝結，這一方面是為了縮短工期，另一方面則是為了減少事故的發生。將混凝土噴射在隧道后，再在指定位置加裝錨桿。錨桿的支撐與固定能夠更好地穩固洞室，延長隧道的使用壽命。隧道中錨桿主要選取的是熱軋無縫鋼管，因為它的張力高，不會輕易出現折斷等情況。鋼管選定后在其一端裝上鉆頭，并在鋼管內部加注混凝土，然后打入巖石內部即可。隧道錨桿結構因與圍巖成為一體，對其受力的分擔更為有效。

2.2隧道預支護技術

大斷面隧道施工必須解決的問題一方面是隧道穩定，另一個則是合理化施工。在解決隧道穩定性方面通常采取的方法是超前支護，具體可根據效果、構造等方面分為四個種類。當然這四種支護方式的應用也各不相同。就小導管注漿而言，主要應用在淺理段、砂卵石段、砂層段等處，當然在因地下水豐富而形成的松軟圍巖處也可應用。

對于管棚支護而言，其主要作用是增加施工鋼管外巖的強度。管棚對隧道巖石的形變控制較強，并能夠在一定程度上與其共同承擔荷載。因為管棚施工是以鋼管打入巖石內部構成支護體系，所以一定程度上也就成了圍巖的一部分。此外還有超前錨桿和小鋼管支護，超前錨桿主要適用在地下水少的隧道工程中。

2.3隧道斷面優化

斷面優化的前提通常是假定的，即以隧道內部的應力最小為基準，通過建模等方面確定最有利于隧道穩定的形狀。應力集中程度最小情況下的斷面形狀，加上與之相匹配的支護，所修成的隧道穩定性最高。

隧道洞室形狀選擇的目的是為了隧道穩定最大化。這需要圍巖應力分布均勻。隧道斷面的扁平對隧道圍巖的荷載影響較大，扁平率越小，荷載則隨之增大。當然隧道高度與寬度的增加也會對隧道的穩定性造成影響。就目前施工的總體情況而言，當隧道的高度與寬度之間比例在二點零左右時是隧道比較理想的狀態。這是因為隧道的拱頂位移跟水平收放基本持平，是開挖的最有利時刻。

結語：

綜上而言，當大斷面隧道的形式為橢圓時，因為隧道跨度大的原因會導致開挖過程中應力分布不均。橢圓形的隧道主要是扁平拱結構，其力學作用明顯。目前國內公路建設施工技術不斷發展，但隧道施工一直是各施工環節中較難的部分。斷面隧道施工地形環境復雜多變，施工過程中突發情況眾多，以力學為基礎對斷面隧道施工技術進行優化雖然能夠在一定程度上保證隧道施工的安全穩定，但就發展需要而言還遠遠不夠的，僅僅是其發展的一個參考。大斷面隧道不管采用何種形狀，其隧道底部均為主要受力處，不穩定的受力很容易造成事故發生。除了底部外，拱頂的受力不穩定也極易出現隧道坍塌情況。

參考文獻：

[1]張俊儒，吳潔，嚴叢文，等.中國四車道及以上超大斷面公路隧道修建技術的發展[J].中國公路學報，2020，33（1）.

[2]張青海.軟弱地層大斷面隧道施工方案與技術優化策略[J].城市建設理論研究（電子版），2018，276（30）：107-108.

作者簡介：

李旻昊（13052219960829****），1996年8月29日出生，男，漢族，河北邢臺，碩士，研究方向：隧道/地下空間工程。