八車道公路隧道設計研畢業(yè)設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計</b></p><p><b>　　雙洞八車道公路隧道</b></p><p><b>　　施工方案研究</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘　要:2</

2、b></p><p><b>　　關鍵詞:2</b></p><p><b>　　1　概述3</b></p><p>　　2　雙洞八車道公路隧道設計研究現(xiàn)狀14</p><p>　　3　雙洞八車道公路隧道的相似模型實驗研究15</p><p>　　3. 1　研究

3、工程概況16</p><p>　　3. 2　準備實驗及配比實驗研究17</p><p>　　3. 3　模型實驗研究19</p><p>　　3. 4　模型實驗研究結論21</p><p>　　4　雙洞八車道公路隧道的數(shù)值模擬研究22</p><p>　　5　結論及建議25</p><p&

4、gt;<b>　　參考文獻:27</b></p><p>　　摘　要: 雙洞八車道公路隧道最大跨度在23m左右，扁平率小于0.5，為超大斷面隧道。通過對某雙洞八車道公路隧道在幾種圍巖條件下多種施工開挖方案的有限元計算分析，得出雙洞八車道公路隧道宜采用三心圓拱型斷面和復合式支護襯砌，軟弱圍巖段宜采用雙側壁導坑法開挖，并通過相似模型實驗研究，得到隧道圍巖在施工中的位移發(fā)展，遵循臺階式發(fā)展過程并

5、符合Hill函數(shù)變化規(guī)律，可對類似工程設計施工提供類比和指導。國內外已修建的小凈距隧道大多為雙洞雙車道或三車道，單洞跨度在15m之內；隨著交通量的日益增加，雙洞八車道小凈距公路隧道陸續(xù)修建，單洞跨度達到20～23m，最大高度達到13m，斷面呈嚴重的扁平形狀，結構受力、變形更加復雜，近接施工影響嚴重。目前國內外已修建的雙洞八車道隧道的數(shù)量還非常少，有關研究成果和技術非常有限，現(xiàn)行公路隧道設計和施工規(guī)范也沒有涉及到雙洞八車道小凈距隧道。對雙

6、洞八車道小凈距隧道展開系統(tǒng)研究，意義重大。</p><p>　　關鍵詞: 公路隧道；雙洞八車道；模擬；施工</p><p><b>　　1　概述</b></p><p>　　我國是一個多山的國家，75%左右的國土是山地或重丘，公路建設中，過去的普遍做法是盤山繞行或切坡深挖。據(jù)統(tǒng)計資料，汽車翻越山嶺平均時速不足30km，不到經(jīng)濟時速的一半，汽車的

7、機械損壞和輪胎磨損極為嚴重，低等級道路的汽油耗量比高等級公路多20%—50%；而且，劈山筑路會造成許多高邊坡，在南方雨量充沛地區(qū)，它嚴重破壞自然景觀，造成塌方滑坡和水土流失。因此，為了根除道路病害保護自然環(huán)境，在山區(qū)高等級公路建設中必須重視隧道方案，并努力提高公路隧道工程科學技術水平。</p><p>　　此外，我國江河湖海區(qū)域較為寬闊，沿海公路通道規(guī)劃中常遇到橋梁方案與隧道方案比選的問題，內河的橫跨通道也同樣遇

8、到這些問題。過去，跨江(海)通道一般只考慮橋梁方案，這對于解決南北交通發(fā)揮了巨大作用，但同時對航道造成不良影響。相比而言，水下隧道具有不影響航運，不受自然環(huán)境影響，能全天候通行，對生態(tài)環(huán)境干擾影響小，一洞多用等優(yōu)點，其優(yōu)越性受到廣泛重視。</p><p>　　建國后30年所修建的公路等級均較低，線形指標要求不高。五十年代，我國僅有公路隧道30多座，總長約2500m，且單洞長度都很短。六七十年代，我國干線公路上曾修

9、建了一些百米以上的隧道，但標準也很低。進入八十年代，公路隧道的發(fā)展逐漸加快，具有代表性的工程有深圳梧桐山隧道和珠海板樟山隧道，福建鼓山隧道和馬尾隧道，甘肅七道梁隧道等。到1990年底，我國建成的千米以上隧道已有十余座。在大型公路隧道建設中，技術也隨著不斷提高，并學習和引進了很多國外先進技術。福建鼓山隧道，洞內設有照明、吸音、防潮、通訊、防火等裝置和閉路電視監(jiān)控及雷達測速系統(tǒng)，這是我國第一座現(xiàn)代化的公路隧道。為適應公路隧道建設的發(fā)展，八、

10、九十年代，交通部組織編寫了公路隧道的設計、施工、通風照明設計、養(yǎng)護技術等規(guī)范，對我國公路隧道建設起到了促進與推動作用。</p><p>　　“八五”～“九五”期間是我國公路隧道建設迅速發(fā)展的時期。經(jīng)過這十年的建設，公路隧道的勘察、設計、施工和營運等一系列技術日益成熟?！熬盼濉逼陂g新建隧道504座，27.8萬延米。還建成了多座特長或寬體扁坦隧道，如中梁山隧道(3100m×2)、縉云山隧道(2450m

11、15;2)、大溪嶺隧道(4116m×2)、二郎山隧道(4200m×2)、飛鸞嶺隧道、真武山隧道等。據(jù)不完全資料統(tǒng)計，我國已建成公路隧道1208座，總里程362km。</p><p>　　目前，公路隧道的單洞長度越來越長，修建技術與營運技術日趨復雜。如正在施工中的福建美菰嶺隧道(5300m×2)，正在設計階段的湖南雪峰山隧道(約7000m×2)、四川泥巴山隧道(約8000m&

12、#215;2)、陜西秦峰終南山隧道(約18400m×2)，以及沈大高速公路8車道超扁平大斷面隧道等，都將遇到大量的技術課題。</p><p>　　隨著我國高等級公路的發(fā)展，公路隧道的建設也得以飛速發(fā)展，已經(jīng)建成真武山隧道、鐵山坪隧道、靠椅山隧道等數(shù)座三車道隧道。這些隧道在降低交通事故發(fā)生率、縮短行程、提高車速、保護環(huán)境諸方面都發(fā)揮了積極作用，取得了良好的社會效益。但近年來，隨著國內汽車工業(yè)的發(fā)展，發(fā)達地

13、區(qū)城市主干線、城市快速干道及國道主干公路繞城段交通量增長迅速，雙向四車道、六車道公路已經(jīng)不能滿足交通量增長要求，開始雙向八車道公路隧道的建設。由于雙向八車道公路隧道單洞最大跨度在23 m 左右，其最大高度( 含仰拱) 13 m 左右，從起拱線算起矢高為9m，矢跨比最小為0. 41，設計施工建設難度大，隧道工作者稱為超大斷面隧道。</p><p>　　據(jù)最近一份調研報告表明，全國公路隧道設計與施工按新奧法實施者不到

14、70%，新技術應用率較低，建成后隧道滲漏水較嚴重，造成洞內設施及襯砌結構破壞，返修率高。個別隧道建成僅3年左右就要重新加固襯砌，還重新設置防、排水設施。由于技術落后，建設費用和維修費用相當高。另外5000m長以上隧道的營運通風等技術問題沒有根本解決，制約了高等級公路的發(fā)展。</p><p>　　公路隧道多采取雙洞4車道，加上路緣、余寬、檢修道，內空建筑寬度一般在9.25m～10.50m，屬于大斷面隧道；近年來，隨

15、著交通量增大和等級提高，許多省份開始采取雙洞6車道的跨度(甚至雙洞8車道)，這種高寬比為0.6左右的扁平狀大斷面隧道在設計與施工中受力較為復雜，結構與圍巖及地下水的相互作用問題，開挖過程中的力學問題(亦稱施工力學)等一直是前沿課題。</p><p>　　公路隧道既是道路構造物又是地下工程，它涉及結構、巖土、地下水、空氣動力、光學、消防、交通工程、自動控制和工程機械等多種學科，其技術屬復合技術。目前公路隧道存在的主

16、要工程技術問題有：</p><p>　　(1)設計中，由于荷載不明且圍巖參數(shù)不清，噴錨支護和二次襯砌設計參數(shù)采取工程類比或套用規(guī)范，對于每一座隧道來講，這樣做具有很大的主觀性，與實際山體情況不符合。 </p><p>　　(2)防排水技術落后，對地下水探測手段差、隧道滲漏水嚴重。 </p><p>　　(3)施工中，圍巖動態(tài)信息反饋技術差，預報準確率低，噴射混凝土回

17、彈率高(嚴重時達65%)。 </p><p>　　(4)營運通風、照明、防災等設施工程設計水平較低，缺乏綜合性考慮，長度4000m以上的公路隧道通風中尚有亟待解決的問題，有待研制靜電吸塵裝置，為今后修建特長隧道作技術準備。 </p><p>　　(5)隧道內交通監(jiān)測與控制水平落后，目前幾座隧道的交通監(jiān)控設備均為進口，這方面影響了我國公路隧道的發(fā)展。 </p><p>

18、;　　自L.繆勒(奧地利人)提出以充分發(fā)揮圍巖山體自承載能力為基本原理，以錨噴支護及復合柔性襯砌為主要特征的新奧法(New Austrian Tunneling Method)以來，隧道工程學從理論、設計到施工發(fā)生了一場革命，它改變了過去按圍巖荷載全部作用于襯砌上來進行設計和施工的傳統(tǒng)思想，在工程造價、工程進度及施工管理等諸多方面都帶來極大的效益。目前，新奧法在國外許多國家被廣泛應用于隧道工程中。日本等國家在有關技術規(guī)范、指南中，已明確

19、將該法定為隧道標準工法，并努力開發(fā)和應用與新奧法相關的各種技術，其中復合柔性襯砌設計技術及基于現(xiàn)場施工監(jiān)控和信息反饋解析(也稱信息設計)的圍巖穩(wěn)定分析技術是新奧法的核心和關鍵，各國專家更著力加以研究。 </p><p>　　由于巖土材料物理特性和力學特性非常復雜，要想用解析手段預測隧道等地下結構物的力學動態(tài)，就必須建立精度很高的本構關系式。然而，本構關系式越復雜，所含的力學參數(shù)越多，這些參數(shù)不管是采用室內試驗還是

20、現(xiàn)場測試都是非常困難的。由于巖土的非連續(xù)介質特性，即使通過一些較先進的手段能測得這些參數(shù)，其解析結果與實際狀態(tài)往往也有較大差異。所幸的是，像隧道這樣的地下工程，開挖面前方雖是未知的，但同時也是可再設計的，這就給人們客觀地評價圍巖特性及預測開挖面前方力學動態(tài)提供了機會，并進而對地下結構進行重新設計使之更符合實際情況成為可能。即，通過施工現(xiàn)場開挖過程中，歷時地對圍巖變形進行量測，然后以這些位移量測信息為依據(jù)，反演計算圍巖物理力學參數(shù)，在此基

21、礎上重新評價隧道結構的事前設計，確定更符合圍巖動態(tài)的支護參數(shù)。將此過程稱為反分析過程，或信息化設計，由于該工作是在施工過程中完成的，又稱它為現(xiàn)場臨床診斷式施工。關于以位移量測信息為依據(jù)的確定性反演分析方法的研究，自20世紀80年代以來取得相當進展，并日趨成熟。 </p><p>　　關于確定性信息反饋技術，國內外專家、學者已做了許多工作，并取得一些成就。但是，大量隧道工程實踐證明，用確定性解得出的結果與實際測試結

22、果有較大出入。這除了計算模型及計算誤差等原因外，隧道開挖引起的圍巖動態(tài)所具有的不確定性對上述結果具有致命性影響。例如，圍巖位移觀測量具有很強的離散性，它們是一些在確定意義上不可預測的隨機信號；待求圍巖參數(shù)并非某一確定量，而是處于某種隨機過程(如Markov Process)的狀態(tài)估計量，顯然與實際圍巖狀態(tài)不符，得到的結果當然有很大的離散性。 </p><p>　　為了更真實地描述現(xiàn)象的本質，這些年來，國內外專家針

23、對巖土工程的不確定性問題，提出了許多新方法。如模糊數(shù)學手法、灰色理論解析手法、時間序列分析手法、離散元法、概率有限元法等。在概率分析法中，又有馬爾科夫過程(MarKov Process)分析手法、貝葉斯(Bayes)分析手法等。近年來，又有人提出將原屬最優(yōu)控制理論的卡爾曼濾波器(Kalman filter)用來分析巖土問題，無疑將巖土工程非確定性問題研究推向深層。 </p><p>　　隨著6車道高速公路的增多，

24、我國大斷面(3車道)公路隧道已開始興建，如廣東大寶山隧道、靠椅山隧道、深圳大梅沙隧道、重慶鐵山坪隧道、真武山隧道等。由于3車道公路隧道的斷面積比雙車道大得多，例如，日本第二東(京)名(古屋)公路3車道隧道的斷面積為113-170m2,比一般雙車道的85m2大1.5-2.0倍。近期規(guī)劃的3車道公路隧道，為適應140km／h高速行車速度的要求，其斷面積達170m2—200m2，局部斷面達230m2的超大斷面，開挖寬度達23m。英法海峽隧道分

25、叉處斷面的開挖寬度達21.2m，開挖高度達15.4m，開挖斷面積為252.2m2。因此，在隧道位置的選定、隧道斷面形式、隧道襯砌結構、施工方法、初期支護結構模式、參數(shù)等，都要加以深入地研究。 </p><p>　　目前我國已把大斷面公路隧道的修建技術列為重大研究課題予以實施。研究的主要內容是： </p><p>　　1、扁平大斷面隧道的力學問題 由于車道數(shù)的增加，寬度加大了，而高度變化不大

26、，使建筑限界變得扁平，因此，大斷面隧道就不得不作成具有扁平的拱形結構。因而使開挖應力的重分布變差，底腳處的應力集中過大，要求較大的地基承載力，防止拱頂不穩(wěn)定和出現(xiàn)較大的松弛地壓等。 </p><p>　　2、隧道斷面結構的研究 如隧道斷面的研究，初期支護結構的研究，襯砌結構的研究等。 </p><p>　　3、施工方法的研究 其中包括基本的施工方法、TBM導坑超前法、不穩(wěn)定圍巖的施工方法及

27、各種輔助工法的研究等。 </p><p>　　4、施工技術的研究 如減小超欠挖技術的研究、長錨桿技術的研究、大容量噴射機的研制，連續(xù)出碴運輸系統(tǒng)的研究、濕噴綱纖維混凝土技術的研究、不良地質地段的輔助工法的研究等。 </p><p>　　斷面的扁平率是大斷面隧道的一個重要技術指標。2車道時，扁平率約為0.85；3車道時，大都變?yōu)?.64—0.65。隨著扁平率的降低，彎矩在增加，同時側壓系數(shù)的

28、影響也變大。日本東名3車道隧道的改建中，采用扁平率(=隧道高度／隧道寬度)為0.65，真圓率(=上半斷面高度／0.5×隧道寬度)為88%左右。 </p><p>　　考慮到側壁和襯砌拱腳處應力較大，仰供的半徑取上半半徑的2倍(2車道隧道取2.6-2.7倍)，側壁和仰拱的連接曲線半徑取2.5m(2車道時取1.Om)，為避免應力集中，即使在圍巖良好的情況下也應設置仰拱。 </p><p&

29、gt;　　扁平大斷面隧道的主要施工方法一般有①上半斷面超前臺階法；②上半斷面臨時閉合的臺階法；③中隔壁法(CD工法)；④雙測壁導坑超前法。通常還需要采用小導管超前支護、壓漿或管棚等特別輔助方法與上述主要方法配合施工。在承載力不足的洞口段或掌子面不穩(wěn)定的隧道中，國外多采用雙側導坑法或中隔壁法。這兩種方法特別適用于地質差、斷面大、地表下沉有嚴格要求的情況。據(jù)國內外工程實踐表明，與臺階法開挖相比，這兩種方法開挖引起的地表下沉量很小，因此特別適

30、用于扁平大跨度淺埋隧道開挖。 </p><p>　　由于公路平面線形的要求或征地等外界條件的制約，有時難以將雙洞按規(guī)范設計成分離式獨立隧道，而不得不形成近距離雙設隧道。近距離雙設隧道一般可分為以下3種情況： </p><p>　　1、并行雙洞，即雙洞按左右平行或上下平行設置。 </p><p>　　2、交叉雙洞，即雙洞在立面上按一定交角設置。 </p>

31、<p>　　3、連拱雙洞，即雙洞按左右平行且共用中壁設置，雙洞呈連體狀。 </p><p>　　當雙洞中軸距離為開挖毛洞寬的2倍(地層作為完全彈性體的情況)～5倍(軟弱地層的情況)時，可作為相互不受影響的獨立雙洞考慮。然而，近距離隧道則由于施工原因會受到應力再分配的相互影響。1)近距離隧道的設計 </p><p>　　近距離雙設隧道應充分考慮雙洞的相互影響，由此設計相應的支護和

32、襯砌，必要時應采用加強措施。 </p><p>　　相互影響包括，近距離的程度、隧道埋深、地質條件、隧道結構型式、施工方法和施工步驟等。 </p><p>　　尤其應注意以下幾方面： </p><p>　　1、先行洞圍巖由于后行洞施工而再次出現(xiàn)松弛，從而增大作用在支護上的圍巖荷載；反之，后行洞也由于先行洞造成的凌空面而產生較大變形。 </p><

33、p>　　2、對于連拱雙洞，中壁是重要結構，然而應力卻在此集中，中壁的下沉或中壁上覆的圍巖的塑性化均給圍巖體或襯砌帶來不利影響。 </p><p>　　3、后行洞爆破施工引起的振動可能會對先行洞造成破壞性影響，應加以控制。 </p><p>　　4、后行洞的開挖和襯砌完成后，會引起地下水位的降低，從而在較大范圍內出現(xiàn)地層壓密沉降，由此對先行洞產生惡劣影響。 </p>&l

34、t;p>　　5、設計中，除工程類比法外，必要時應作數(shù)值計算和理論分析。 </p><p>　　6、一般而言，先行洞圍巖受兩次擾動，因此宜加強支護，襯砌采用鋼筋混凝土結構。 </p><p>　　7、對于連拱雙洞，較多采取側壁導坑超前開挖的方法，當?shù)刭|條件較好時也可采取(僅)中導坑超前開挖的方法。支護和襯砌均應加強。連拱雙洞的中壁部容易產生應力集中，因此，宜采取地層改良加固或加強支護，

35、以防止圍巖松弛或下沉。中壁設計時，宜采用有限元法或松弛荷載結構法或全土重荷載結構法(埋深淺的情況)進行襯砌結構驗算。 </p><p>　　關于連拱隧道襯砌的施作時間，當圍巖變形較大時，應盡快施作襯砌；當圍巖完整性較好時，為了避免爆破振動的影響，可在開挖及支護施作完成一段時間后再作襯砌。在國外，這兩種情況均有。現(xiàn)場圍巖、支護、襯砌的變形和應力監(jiān)控量測極為重要，其目的是檢測先行洞結構的安全性，并評價后行洞施工的妥當

36、性以及加固措施的有效性。量測計劃要按照這一目的來制訂。量測結果要及時指導設計參數(shù)的修改和施工方法的變更。作為近距離雙設隧道施工的對策，分別針對先行洞、后行洞、兩洞間地層 </p><p>　　由于全斷面隧道掘進機具有施工速度快、隧道成型好、機械化程度高以及對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點，已成為國外隧道開挖普遍采用的方法。世界上第一臺TBM是1851年由美國的CharlesWilson開發(fā)的，并于1852年在馬薩諸塞州的H

37、oosac鐵路隧道中進行了試驗掘進，但那時掘進速度非常慢，低于鉆爆開挖方法的速度。目前，我國僅在鐵路隧道、水工隧洞中使用過TBM，在公路隧道方面還沒有實踐的例子。 </p><p>　　盾構掘進機的方法。這種掘進機適用于軟土、淤泥地層，一般多用于沿海沖積層地層中開挖隧道。目前最成功的范例是日本東京灣海底公路隧道，該隧道采用直徑14.14m巨大泥水型盾構機掘進，隧道長約9.5km，隧道外徑13.9km，為3管6車道

38、，海底埋深為50m～60m，海底高水壓達5～6kgf/cm2，該工程在長距離掘進、高水壓對接、防海水腐蝕、抗地震接頭、止水接頭、防地基沉降、防上浮、巨大斷面穩(wěn)定掘進管理等若干方面取得優(yōu)秀技術成果。該隧道于1966年4月開始進行環(huán)境和地質調查，1989年5月動工，1997年12月建成投入營運。 </p><p>　　我國采用盾構機方法的隧道有上海延安東路隧道1、2號線和打浦路隧道(均穿越黃浦江)。 </p&g

39、t;<p>　　沉管隧道的方法是預先在岸上形成干船塢，廠制成作為隧道主體的一段段箱結構(一般箱體長度為80m～120m，斷面為矩形)，箱體兩端先臨時密封，然后放水進入干船塢內，箱體上浮拖運至海(河)面設計軸線處，對箱體兩側附箱注水，使其下沉，沉放至已預先疏通好的海(河)床設計標高處，然后與先行沉放的箱體進行對接，施作止水工程，將每段箱體連接起來，并打開箱體臨時密封門，從而形成水下沉管隧道。 </p><

40、p>　　目前，國外在江河湖海修建通道時廣泛采取水下沉管隧道的方式，已是較為成熟的技術。我國臺灣省于1984年建成了高雄海底沉管隧道；香港已在維多利亞港建成了三條海底沉管隧道。目前，由我國交通部海上救撈局繼香港東區(qū)沉管隧道建成以后，現(xiàn)又在施工西區(qū)沉管隧道。1994年廣州珠海公路、地鐵合用的沉管隧道建成通車；1995年又建成了寧波甬江沉管公路隧道，質量均很好，做到滴水不漏。珠江隧道的五節(jié)管段(每節(jié)寬33m，高8m，長90—110m，三

41、孔，全長457m)的浮運、沉放和安裝，僅用了不到四個月時間。甬江水下隧道攻克了沉降不均的軟土地基，有嚴重回淤，流急、漩渦和越過過江輸油管等十分困難的環(huán)境條件，使我國沉管技術又上了一個新的臺階。</p><p>　　我國現(xiàn)已創(chuàng)造性地應用暗挖、盾構和沉管三種基本施工方法，建成了5條水下隧道，質量都達到了優(yōu)良。但是，總體來說我國的水下隧道修筑技術水平還落后。</p><p>　　近10年來，依托

42、于青海大坂山隧道的高海拔隧道防凍防水技術，依托于川藏公路二郎山隧道的高地應力處治技術，依托于重慶真武山隧道、深圳大梅沙隧道的大跨度扁平隧道設計施工技術，依托于福建京福高速公路隧道群的連體隧道、近間距隧道設計施工技術，依托于浙江大溪嶺隧道、貓貍嶺隧道、景山隧道的豎井送排式縱向組合通風技術、逆光照明技術、總線監(jiān)控技術等，以及圍巖監(jiān)測非確定性反分析技術，公路隧道CAD技術，數(shù)據(jù)庫與圖庫管理系統(tǒng)技術等均獲得成果，這些研究成果強有力地支撐了公路隧

43、道建設。 </p><p>　　2　雙洞八車道公路隧道設計研究現(xiàn)狀</p><p>　　雙向八車道公路隧道的建設始于20 世紀90 年代末，隨著貴州凱里大閣山公路隧道的建成和大連韓家?guī)X隧道( 又名金洲隧道) 貫通，掀起了國內大跨扁平公路隧道建設的步伐。2003年在沈大路改建工程修建韓家?guī)X隧道中，開展了單洞四車道公路隧道設計與施工關鍵技術的研究，為我國大跨扁平公路隧道的設計與施工提出了一套技

44、術體系，采取了理論分析、結構計算和相似模擬方法進行了研究。到目前為止，國內雙向八車道公路隧道及相似地下工程建設情況如表1(不完全統(tǒng)計) 。但雙向八車道公路隧道的設計和施工，尚在圍巖特別是軟弱圍巖的穩(wěn)定性、隧道的支護特性、隧道的合理支護形式參數(shù)和兩洞凈距、隧道開挖方案等方面的研究還不夠。</p><p>　　雙向八車道公路隧道建設涉及多個學科，具有地下工程的不確定性，將比二車道、三車道隧道更加復雜，在建設中依然存在

45、著大量的工程技術問題[3]。由此，研究四車道公路隧道在多種工程地質條件下，圍巖及隧道在開挖中的位移、變形規(guī)律和襯砌支護的應力狀態(tài)，得到公路隧道施工中圍巖位移場的分布特點及襯砌支護的應力、應變狀態(tài)，分析隧道圍巖的穩(wěn)定性及隧道襯砌支護的合理參數(shù)，將成為工程技術人員和地下工程研究人員面臨的挑戰(zhàn)。</p><p>　　3　雙洞八車道公路隧道的相似模型實驗研究</p><p>　　公路隧道施工中，研

46、究圍巖的穩(wěn)定一般采用現(xiàn)場新奧法監(jiān)控量測、高精度數(shù)值仿真、大型相似模型實驗，在開展現(xiàn)場監(jiān)控量測的同時，對圍巖及支護襯砌進行數(shù)值仿真及大型相似模型試驗是研究公路隧道圍巖穩(wěn)定及結構安全最經(jīng)濟可行的研究方法，相似模型實驗方法是研究公路隧道圍巖穩(wěn)定性的重要方法之一[5]。</p><p>　　由于隧道工程的不可預見性及圍巖山體力學特性的模糊性，需要采用大比例的相似模型來研究公路隧道圍巖位移和襯砌支護應力的規(guī)律，以減小研究成

47、果的失真率。公路隧道及圍巖綜合試驗系統(tǒng)，基于“先加載,，后挖洞”的思想，摒棄“先挖洞，后加載”的方法，用內置千斤頂及高精度位移計模擬被開挖體應力響應及位移變化，可以實現(xiàn)對公路隧道施工的真實模擬[6]。實驗模型如圖1所示。</p><p>　　3. 1　研究工程概況</p><p>　　某隧道為雙洞八車道公路隧道，隧道斷面呈近似橢圓形。開挖最大寬度為21. 09 m，軸線處最大開挖高度為13

48、. 68 m。隧址區(qū)地形簡單，屬丘陵地貌類型。隧道區(qū)無大的地質構造，地震基本烈度為7度。水文地質簡單，洞口段圍巖類別為Ⅱ類，洞身段劃歸為Ⅲ類，其余段圍巖類別為Ⅳ類。</p><p>　　隧道洞身結構按“新奧法”設計，采用復合式襯砌，初期支護以噴射鋼纖維混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)為主要支護手段，軟弱圍巖段以H 型鋼架和格柵鋼架加強支護，以大管棚、小導管為輔助施工措施。二次襯砌為等厚度C30模注鋼筋混凝土。該隧道設計了4種

49、襯砌結構，其中洞口淺埋段設計為Ⅱ加型襯砌，洞身深埋段設計為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型襯砌。軟弱圍巖段復合式襯砌設計參數(shù)見表2。</p><p>　　3. 2　準備實驗及配比實驗研究</p><p>　　根據(jù)研究隧道工程地質勘察資料，可得到隧道洞身Ⅲ類圍巖段、隧道洞口Ⅱ類圍巖段的物理力學參數(shù)，包括密度Q、單軸抗壓強度Rp、單軸抗拉強度Rt、彈性模量Et、泊松比L等，得到的勘察結果見表3。</p>

50、;<p>　　以中粗砂為骨料，以石膏粉、石灰為膠結料，初選相似材料配比。配比組別中第1 位是砂膠比，配比號中的第2、第3 位數(shù)字表示在同一份膠結物中石膏和石灰的比例，拌和水量按9∶1，每組配比制作材料6 個試件，置于通風干燥處一定時間。測定每組配比試件的力學參數(shù)，包括密度Q、單軸抗壓強度Rp、單軸抗拉強度Rt、彈性模量E、泊松比L。經(jīng)初步篩選后測試結果如表4 所示。</p><p>　　分析原巖的物

51、理力學參數(shù)與相似材料參數(shù)值，結果如表5 所示。隧道開挖過程中的應力應變及變形情況為一地質力學模型，以密度、強度、彈性模量作為試驗控制指標，通過分析得到配比試驗結果見表6。</p><p>　　3. 3　模型實驗研究</p><p>　　利用分層澆注成型法制作相似模型實驗試件，模型試件經(jīng)相應干燥后，再進行模擬實驗。經(jīng)計算按圖2、圖3所示，分4～6 級加載，通過傳力板的釋放組合，實現(xiàn)隧道各種開

52、挖方案。試驗中全程測試隧道周邊位移，監(jiān)測內、外傳力板的壓力。利用試驗系統(tǒng)，對洞口Ⅱ加型襯砌和洞身Ⅲ型襯砌的施工方案，分別采取雙側壁導坑法 (方案1) 、雙側壁上導坑法(方案2) 和三臺階法(方案3) 進行對比試驗研究，各開挖方案簡圖如圖4。試驗結果見表7 和圖5、圖6。</p><p>　　圖 3?、蝾悋鷰r淺埋段模型實驗加載模式</p><p>　　圖5　位移時間曲線及其擬合曲線</

53、p><p>　　圖6　試驗斷面局部破壞照片</p><p>　　3. 4　模型實驗研究結論</p><p>　　對于軟弱圍巖，從位移量進行分析，所有最大位移值均發(fā)生在拱頂處。拱頂下沉遠大于水平收斂，特別是邊墻位移較小，且部分位移為向外發(fā)生膨脹。圍巖開挖后拱部土體在自重應力場作用下向洞內變形，并導致兩側土體受擠壓。因此，拱頂下沉應作為圍巖穩(wěn)定判據(jù)的關鍵因素。位移歷時曲線總

54、體形狀仍呈S形，位移隨開挖呈臺階式增加。大部分測點在所在斷面開挖時臺階增長幅度最大。其位移量一般達測點最終位移的85%以上。比一般斷面隧道要大，說明在開挖當前斷面時，大斷面隧道圍巖穩(wěn)定性要比一般斷面隧道差，在施工過程中，應采取必要的超前支護措施。圍巖位移變量是一個相當復雜的函數(shù)，而且位移變化速度不均勻。通過多種函數(shù)的擬合分析，采用Hill函數(shù)對位移歷時曲線進行擬合，其擬合程度最好。Hill 函數(shù)表達式為:</p><

55、p>　　式中：A、B、n為回歸系數(shù)。</p><p>　　對于雙側壁導坑法施工，在開挖拱部核心土時，位移發(fā)生量及位移速率均較大，該部施工時應考慮跳槽開挖，每次縱向開挖長度應作控制。</p><p>　　對于雙洞8車道隧道，建議隧道Ⅲ類圍巖深埋段采用雙側壁導坑法施工。若采用三臺階法施工時，必須加強超前支護措施，及時施作初期支護和襯砌，也可以保證圍巖穩(wěn)定；建議隧道Ⅱ類圍巖段采用雙側壁導坑

56、法施工。</p><p>　　4　雙洞八車道公路隧道的數(shù)值模擬研究</p><p>　　對于隧道及地下工程, 結構計算分析一般采用2 種計算模式：一是荷載結構法, 按結構輪廓建立計算模型，計算中不考慮初期支護和巖體的結構作用，將上覆巖體和地表荷載及結構自重全部作用在結構上。二是采用有限元計算方法，取隧道3倍以上洞徑范圍的隧道結構及圍巖作為有限元分析的范圍[8, 9]，采用平面應變單元，圍巖

57、按連續(xù)介質考慮。大跨扁平公路隧道的施工方案為成敗與否的關鍵。對于拱形結構隧道，由于荷載結構法在模型簡化方面及荷載確定方面的局限性，其計算結果只能作為設計參考。</p><p>　　采用有限元計算方法，基本可以實現(xiàn)對隧道及地下工程的模擬。根據(jù)地下工程的特點和隧道施工的實施步驟，采用2D - R 有限元分析軟件，對隧道結構及施工進行數(shù)值模擬，對每一個施工步驟和工作狀態(tài)進行了穩(wěn)定性分析，對圍巖變形發(fā)展趨勢、塑性區(qū)發(fā)展變

58、化趨勢進行分析。根據(jù)設計施工方法，通過對Ⅱ類淺埋段、Ⅱ類深埋段和Ⅲ類圍巖襯砌斷面采用雙側壁導坑施工法和單側壁法( CRD) 施工的模擬計算分析，其模型和計算結果見圖7～圖11。對于雙洞八車道公路隧道，可以得出如下結論。</p><p>　　在Ⅱ類深埋段和Ⅲ類圍巖段，采用雙側壁導坑施工法施工時，其拱腰部位錨桿受到的軸力較大，作用范圍也較深，而邊墻以下錨桿受到的軸力較小，作用范圍也相對較淺。因此，隧道拱腰部錨桿長度宜

59、加深，而邊墻下部錨桿可短于拱腰部。</p><p>　　同類圍巖條件下，采用單側壁法施工時的圍巖豎直位移量比雙側壁法施工時更大，但計算結果表明，整個施工過程中圍巖的位移量都不大。與試驗結果基本吻合。</p><p>　?、蝾悋鷰r條件下，鋼支撐受到的內力都較小。由此，鋼架縱向距離不宜過小，以75～100cm為宜。</p><p>　　由于應力集中的影響，噴射混凝土與臨

60、時支撐相交的部位和拱腳部位受到的應力很大。工程中應增加鎖角錨桿等措施。</p><p>　　二次襯砌在拱腳部位受到的應力相對較大，其他部位應力較小，但整個二次襯砌結構是安全的。</p><p>　　臨時鋼支撐的水平位移較大，但鋼支撐受到的內力不是很大，同時，中隔墻混凝土內部壓應力在許可范圍以內，而兩端的拉應力超過了抗拉極限。為了阻止臨時鋼支撐變形過大，側導洞中部宜增加臨時仰拱。</p

61、><p>　　中隔墻臨時錨桿軸力較小，作用范圍較深。因此，側墻支護錨桿長度不宜太長。</p><p><b>　　5　結論及建議</b></p><p>　　對于雙洞八車道這樣的大跨扁平公路隧道，由于工程實踐不多，供設計和工程施工類比的資料少，通過本實驗模擬研究和計算，可以得到以下結論。</p><p>　　(1) 大跨扁平

62、公路隧道結構，宜采用三心圓拱形斷面結構，其扁平率不宜小于0. 4。暗挖結構宜采用新奧法原理設計，采用復合式襯砌。</p><p>　　(2) 施工是工程最為重要的環(huán)節(jié)，應要求承包人精心組織，耐心實施；軟弱圍巖段宜采用加臨時仰拱的雙側壁導洞施工方案；其余圍巖段落可采用CRD或三臺階等施工方案。工程施工中應加強施工監(jiān)控量測工作，做到量測信息及時反饋，施工、監(jiān)理、設計單位隨時掌握了解圍巖和結構的工作狀態(tài)，制定合理的施工

63、措施，保證施工安全。</p><p>　　(3) 位移歷時曲線總體形狀仍呈S形，位移隨開挖步呈臺階式增加。大部分測點在所在斷面開挖時臺階增長幅度最大。其位移量一般達測點最終位移的85% 以上。比一般斷面隧道要大，說明在開挖當前斷面時，大斷面隧道圍巖穩(wěn)定性要比一般斷面隧道差，在施工過程中，應采取必要的超前支護措施。</p><p>　　(4) 圍巖位移變量是一個相當復雜的函數(shù)，而且位移變化速

64、度不均勻。通過多種函數(shù)的擬合分析后認為，Hill函數(shù)對大跨扁平公路隧道位移歷時曲線擬合程度最好。</p><p><b>　　參考文獻:</b></p><p>　　[1] JT J 026- 90, 公路隧道設計規(guī)范[S] .</p><p>　　[2]王夢恕. 對21世紀我國隧道工程建設的建議[J] .現(xiàn)代隧道技術, 2001, (1).&

65、lt;/p><p>　　[3]蔣樹屏.我國公路隧道技術的現(xiàn)狀及展望[J].公路隧道, 2000, (1).</p><p>　　[4]JT J 042- 94,公路隧道施工技術規(guī)范[S] .</p><p>　　[5]蔣樹屏,黃倫海.利用相似模擬方法研究公路隧道施工力學形態(tài)[J]. 巖石力學與工程學報, 2001, 19(5).</p><p>

66、　　[6]蔣樹屏,劉洪洲,鮮學福.大跨度扁坦隧道動態(tài)施工的相似模擬與數(shù)值分析研究[J] .巖石力學與工程學報,2000, 19( 5) .</p><p>　　[7]曾壓武,趙震英.地下洞室模型實驗研究[J] . 巖石力學與工程學報, 2001, 20(增) .</p><p>　　[8]孫鈞,候學淵.地下工程[M].北京: 科學出版社 .</p><p>　　[9