連拱隧道的設(shè)計理論與動態(tài)施工力學(xué)研究

1、<p>　　連拱隧道的設(shè)計理論與動態(tài)施工力學(xué)研究</p><p>　　摘要：近年來，隨著高速公路的飛速發(fā)展 ,不少連拱隧道已經(jīng)或正在修建 ,但由于該種隧道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性 ,其設(shè)計施工往往采用經(jīng)驗(yàn)類比方法 ,并結(jié)合應(yīng)用有限元進(jìn)行動態(tài)施工力學(xué)分析 ,再通過現(xiàn)場施工的監(jiān)控量測成果修改設(shè)計 ,指導(dǎo)施工。文章分別對我國公路連拱隧道的設(shè)計理論、實(shí)施現(xiàn)場施工量測情況、隧道動態(tài)施工力學(xué)分析研究作了一些綜合概述。最后針對目

2、前連拱隧道設(shè)計施工中存在的問題作了一些展望。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：隧道工程；連拱隧道；設(shè)計施工理論；動態(tài)施工力學(xué) </p><p>　　中圖分類號：U455文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： </p><p>　　1連拱隧道的設(shè)計施工理論 </p><p>　　早期隧道的設(shè)計完全是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的 ,到十九世紀(jì)初才逐漸形成自己的計算理論 ,用

3、于指導(dǎo)隧道的設(shè)計與施工。隧道設(shè)計計算理論的發(fā)展 ,大致可以分為以下幾個階段:剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計階段 ,彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計階段 ,考慮彈性抗力設(shè)計階段 ,彈性地基梁設(shè)計階段 ,連續(xù)介質(zhì)設(shè)計階段(包括解析法和數(shù)值法),現(xiàn)代復(fù)合支護(hù)設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計階段。 </p><p>　　連拱隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括初期支護(hù)、二次襯砌、中隔墻和防水層設(shè)計。直中墻連拱隧道和曲中墻連拱隧道由于中墻設(shè)計方法不同 ,使它們具有連拱隧道的共同特性外 ,又具

4、有各自的特點(diǎn)。直中墻連拱隧道的一般結(jié)構(gòu)型式及施工順序如圖 1 所示。它與單洞隧道的主要區(qū)別在于直中墻和排水系統(tǒng) ,其中墻在中導(dǎo)洞貫通后即澆筑 ,它既是初期支護(hù)和二次襯砌的支撐點(diǎn) ,又是防水層的支撐結(jié)構(gòu)。洞室開挖后初期支護(hù)支撐于中墻 ,而防水層則繞過初期支護(hù)與中墻的結(jié)合部越過中墻頂與洞室內(nèi)其它防排水設(shè)施形成完整的排防水系統(tǒng);中墻的中央縱向每隔一定間距設(shè)豎向排水管 ,以排除中墻頂凹部的積水。中導(dǎo)洞與中墻之間的孔洞只有在初期支護(hù)和中墻防排水層

5、施工完成后回填。這樣就由于中導(dǎo)洞與中墻之間的孔洞得不到及時回填造成開挖時毛洞跨高比增大 ,使洞周圍巖石于較為不利的受力狀態(tài) ,從而影響施工安全和進(jìn)度 ,而且由于沒辦法回填密實(shí) ,也給營運(yùn)安全帶來隱患。再因部分圍巖裂隙水經(jīng)中墻頂凹部通過排水管排入排水溝 ,容易造成凹部積水 ,并且該部位排防水系統(tǒng)施工難度大 ,質(zhì)量難以控制 ,造成隧道中墻滲水 ,影響結(jié)構(gòu)耐久性和營運(yùn)安全。直中墻連拱隧道施工工序如圖 2 </p><p&g

6、t;　　圖 1 中墻連拱隧道一般結(jié)構(gòu) </p><p>　　圖 2 曲中墻連拱隧道一般結(jié)構(gòu) </p><p>　　隧道洞門構(gòu)造按照規(guī)范施工 ,洞門墻的厚度可按計算或結(jié)合其他工程類比確定 ,但其厚度最小不得小于 0. 5m。洞門墻必須置于穩(wěn)固地基上 ,而且基底埋入土質(zhì)地基的深度不應(yīng)小于 1m ,嵌入巖石地基的深度不應(yīng)小于 0. 5m。對于地基強(qiáng)度偏小的松軟地基 ,可根據(jù)情況采用擴(kuò)大基礎(chǔ)、換土

7、、樁基礎(chǔ)、壓漿加固地基等措施。 </p><p>　　連拱隧道是埋置于巖土層中的地下結(jié)構(gòu)物 ,周圍被圍巖所包圍 ,它的受力、變形與圍巖密切相關(guān) ,支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作為一個統(tǒng)一的受力體系相互約束 ,共同工作。這種共同工作正是地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別。從地下結(jié)構(gòu)理論發(fā)展情況看 ,設(shè)計計算方法大致分為幾種:即結(jié)構(gòu)力學(xué)方法(荷載- 結(jié)構(gòu)模式) 、巖體力學(xué)方法(地層 - 結(jié)構(gòu)模式) 、監(jiān)控設(shè)計方法、工程類比法以及目前常用

8、的有限元設(shè)計計算法。 </p><p>　　1963 年奧地利學(xué)者 L. 臘布茲維奇提出“新奧地利隧道施工法”(New AustriaTunneling Method),簡稱新奧法(NATM) 。它是以控制爆破或機(jī)械開挖為主要掘進(jìn)手段 ,以錨桿、噴射混凝土為主要支護(hù)方法 ,理論、量測和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的一種施工方法。同時又是一系列的指導(dǎo)設(shè)計和施工的原則。它更多的還是一種設(shè)計概念、設(shè)計理念。由于連拱隧道形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,

9、要得出連拱隧道的理論解析是相當(dāng)困難的。因此設(shè)計時要求遵循新奧法原則 ,常采用工程類比法和監(jiān)控設(shè)計方法以及有限元法設(shè)計計算。 </p><p>　　2 連拱隧道的現(xiàn)場監(jiān)控量測 </p><p>　　例如，雙連拱隧道在日本從 1974 年在伊祖隧道首次采用 ,我國于 20 世紀(jì) 90 年代陸續(xù)開始采用 ,目前在云南、福建、安徽、浙江、湖南和廣東等省份已經(jīng)和正在修建的公路連拱隧道幾十座 ,如今對

10、連拱隧道研究主要根據(jù)鐵路隧道和小跨度隧道的經(jīng)驗(yàn)。由于隧道圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜 ,其物理力學(xué)參數(shù)受地質(zhì)條件、支護(hù)方式、支護(hù)時間、開挖方法和地下水的影響 ,導(dǎo)致了隧道支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)受力的不確定 ,隧道地下工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計目前仍以工程類比為主 ,理論計算僅作定性分析。因此對隧道進(jìn)行監(jiān)控量測是非常重要的 ,同時也是新奧法設(shè)計中的一個重要組成部分。而連拱隧道結(jié)構(gòu)類型在國內(nèi)外都是一種比較新穎的結(jié)構(gòu)形式 ,從設(shè)計到施工都還處于摸索階段 ,因此對連拱隧道進(jìn)行監(jiān)

11、控量測 ,掌握圍巖的動態(tài)變化及隧道結(jié)構(gòu)的受力分布特征是非常重要的 ,也是為以后同類的結(jié)構(gòu)隧道積累科學(xué)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)。通過監(jiān)控量測 ,指導(dǎo)施工 ,調(diào)整施工工序 ,修正支護(hù)參數(shù) ,確保隧道的順利貫通。 </p><p>　　3拱隧道的研究方向展望 </p><p>　　(1) 一步優(yōu)化連拱隧道設(shè)計理論 ,為修建更多的連拱隧道提供理論依據(jù); </p><p>　　(2)大力開

12、展連拱隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測試驗(yàn)研究 ,對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測預(yù)報; </p><p>　　(3)加大連拱隧道開挖的超前預(yù)報力度 ,確保施工安全; </p><p>　　(4)加強(qiáng)連拱隧道動態(tài)施工力學(xué)研究 ,一是開展連拱隧道室內(nèi)模型試驗(yàn) ,二是進(jìn)行隧道開挖仿真模擬分析 ,優(yōu)化連拱隧道的設(shè)計施工 ,更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工; </p><p>　　(5)進(jìn)一步做好連拱隧道中墻防排水

13、工作。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 李國鋒. 聯(lián)拱隧道施工技術(shù)[C]. 2001 年全國公路隧道學(xué)術(shù)會議論文集. 北京:人民交通出版社 ,2001. 181～187. </p><p>　　[2] 高世軍. 雙聯(lián)拱隧道的技術(shù)性設(shè)計[C]. 2001 年全國公路隧道學(xué)術(shù)會議論文集. 北京:人民交