大断面隧道设计技术

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1、大断面隧道设计技术大断面隧道设计技术陈寿根陈寿根西南交通大学西南交通大学2010年年5月月9日日(乌鲁木齐乌鲁木齐)秦岭终南山公路隧道秦岭终南山公路隧道 划分划分净空断面积（净空断面积（m2m2）超小断面100三车道140超大断面有人行横道的双车道100-140大断面双车道70-80标准断面说明说明开挖断面积（开挖断面积（m m2 2）划分划分三车道140超大断面有人行横道的双车道100-140大断面双车道70-80标准断面说明说明开挖断面积（开挖断面积（m m2 2）划分划分高速铁路隧道的特点：高速铁路隧道的特点：l需考虑列车在隧道内高速运行时的空气动力学效应；需考虑列车在隧道内高速运行时的

2、空气动力学效应；l一般采用扁平大断面隧道。一般采用扁平大断面隧道。扁平大断面隧道的静力学特点扁平大断面隧道的静力学特点 拱顶稳定性差（受拉）；拱顶稳定性差（受拉）；有较大松弛地压；有较大松弛地压；支护的受力条件差支护的受力条件差(受拉受拉)；开挖后的围岩应力集中程度大开挖后的围岩应力集中程度大 ，塑性区增大；，塑性区增大；隧道底脚处应力集中大，地基承载力要求高。隧道底脚处应力集中大，地基承载力要求高。大断面隧道设计大断面隧道设计l 高速铁路的大断面隧道与公路大断面隧道相比要小得多。l 高速公路隧道断面积达到170-200m2，局部断面积甚至达230m2开挖宽度达23m以上。l 我国最大断面的铁

3、路隧道是位于设计时速达350公里的郑西高速铁路上的张茅隧道（全长8483米），其最大开挖断面面积达164平方米。大断面隧道设计大断面隧道设计包括：大断面隧道设计包括：l 净空断面形式设计；净空断面形式设计；l 衬砌结构设计；衬砌结构设计；l 辅助坑道设计；辅助坑道设计；l 防排水设计；防排水设计；l 隧道洞口形式及景观设计；隧道洞口形式及景观设计；l 防灾救援设计；防灾救援设计；l 隧道内相关设施设计。隧道内相关设施设计。大断面隧道设计隧道断面设计主要考虑下列因素：隧道断面设计主要考虑下列因素：l隧道建筑限界；隧道建筑限界；l轨道数量和线间距；轨道数量和线间距；l缓解空气动力学效应所需的空间；

4、缓解空气动力学效应所需的空间；l需预留的空间需预留的空间,如安全空间、避如安全空间、避难和救援空间、养护维修及工程难和救援空间、养护维修及工程技术作业空间、其他使用要求所技术作业空间、其他使用要求所需的空间；需的空间；l设备安装空间等。设备安装空间等。斜切式洞口设计：降低瞬变压力与微气压波。需要时设置洞口缓冲结构。隧道洞口设计隧道洞口景观设计和谐成为亮丽的风景和谐成为亮丽的风景单线隧道：净空断面积单线隧道：净空断面积60m2双线隧道：净空断面积双线隧道：净空断面积92m2采用采用250km/h250km/h铁路隧道衬砌内轮廓设计铁路隧道衬砌内轮廓设计隧道净空设计隧道净空设计单洞双线和双洞单线方

5、案选择比较项目比较项目单洞双线隧道方案单洞双线隧道方案双洞单线隧道方案双洞单线隧道方案施工难度及风险施工难度及风险断面大，在软弱围岩中发生坍断面大，在软弱围岩中发生坍塌的机会较多，容易发生变塌的机会较多，容易发生变形，风险较大形，风险较大断面较小，发生坍塌，变形的机断面较小，发生坍塌，变形的机会相对较少，风险较小会相对较少，风险较小运营通风运营通风难以利用活塞风难以利用活塞风可以充分利用活塞风可以充分利用活塞风防灾救援防灾救援当隧道内发生火灾时，消防灭当隧道内发生火灾时，消防灭火与救灾难度大，线路将中火与救灾难度大，线路将中断运营断运营当一座隧道内发生火灾时，可通当一座隧道内发生火灾时，可通过

6、另一座隧道帮助灭火，并利过另一座隧道帮助灭火，并利用横通道紧急疏散人员，仅中用横通道紧急疏散人员，仅中断一条线路运营断一条线路运营空气动力学影响空气动力学影响相对小相对小相对大相对大环境影响环境影响相对小相对小相对大相对大工程投资工程投资较低较低大大2040单洞双线和双洞单线方案选择原则：l 当隧道长度小于10km时，一般采用单洞双线单洞双线隧道方案,可利用施工时的辅助坑道作为防灾救援和人员疏散的紧急出口。l 当隧道长度为1020km时，应结合隧道两端引线、车站布点等相关工程情况进行系统的经济技术比选技术比选。也可结合防灾救援及养护维修考虑,采用双线隧道加贯通平导的方案进行比较。l 当隧道长度

7、大于20km时，从防灾救援方面考虑，一般采用双洞单线双洞单线隧道方案。隧道净空设计大断面隧道设计衬砌结构设计现代隧道衬砌结构设计的特点：l采用岩石力学模型，而不采用传统的荷载结构模型；l围岩既是荷载的来源，又是承载结构；l围岩是主要的承载结构；l锚喷支护只是用来加固围岩，提高围岩的承载能力；l二次衬砌作为安全储备，视具体情况决定是否施设；l强调信息化施工。大断面隧道设计衬砌结构设计衬砌结构类型有：l单层衬砌；l复合式衬砌；l拼装式衬砌等。拼装式衬砌（管片衬砌）一般用于盾构掘进机法施工；对于钻爆法施工的隧道,多采用单层衬砌和复合式衬砌。大断面隧道设计衬砌结构设计单层衬砌和复合式衬砌的本质区别：单

8、层衬砌各支护层间不设置隔离层（防水板），而是采用自防水措施。图14.大断面隧道设计衬砌结构设计单层衬砌和复合式衬砌的一般适用性单层衬砌和复合式衬砌的一般适用性：l单层衬砌更适用于围岩自稳能力较好，地下水不丰富的岩石隧道；l复合式衬砌更适合地下水丰富的土质或软弱围岩隧道。大断面隧道设计衬砌结构设计复合式衬砌结构设计复合式衬砌结构设计 排水型复合式衬砌排水型复合式衬砌 防水型复合式衬砌防水型复合式衬砌新建和改建隧道防排水，应采用“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则大断面隧道设计衬砌结构设计 排水型复合式衬砌排水型复合式衬砌二次衬砌不承受水压力；初期支护承担施工阶段全部荷载；二次衬砌承担

9、附加荷载以及作为安全储备。防水型复合式衬砌防水型复合式衬砌二次衬砌承受水压力，一般远大于围岩压力；初期支护承担施工阶段全部荷载；二次衬砌承担全部后期围岩压力。大断面隧道设计衬砌结构设计复合式衬砌设计与施工中应注意的问题：复合式衬砌设计与施工中应注意的问题：l衬砌断面形状应力求圆顺，减少围岩和衬砌在荷载作用下产生应力集中；l采用分部开挖时,应加强各连接点的强度和刚度，防止接头受力变形破坏；l大断面隧道衬砌设计参数应根据施工方法适当调整；l合理设置二次衬砌纵向施工缝位置，施工缝处宜设置加强钢筋；l加强施工中的监控量测通过监控量测结果合理调整支护参数。大断面隧道设计衬砌结构设计单层衬砌结构设计单层衬

10、砌结构设计单层衬砌结构设计方法目前有：l基于挪威法的Q系统支护设汁法l极限状态设计法l基于能量守恒的能量原理设计法。挪威Q值法是一种较成熟的单层衬砌结构设计方法。由巴顿于1974年提出，并于1993年，2002年两次更新完善。特别适用于钻爆法施工的，大跨度岩石隧道。在国外得到广泛应用。大断面隧道设计衬砌结构设计挪威隧道方法的特点重视前期的地质调查，两步地质调查；施工中对每个开挖面进行地质素描和支护设计；非常系统定量的设计方法非常系统定量的设计方法QQ值法值法；锚喷为主要永久性支护；施喷湿钢纤维混凝土，采用自立式锚杆；施工及支护设计一体化，对现场施工人员要求高；采用悬吊式防水板或自防水混凝土衬砌

11、；强调离散单元法（UDEC，3DEC）应用。大断面隧道设计衬砌结构设计与新奥法NATM相比，挪威法NMT优点有：快速施工；安全施工；造价低，综合经济效益可节省达2030%；可操作性强；维修费用低。世界最长公路隧道世界最长公路隧道-挪威拉达尔隧道挪威拉达尔隧道大断面隧道设计衬砌结构设计挪威Q值法支护结构设计两步骤：1、Q值的计算其中：RQD:岩石质量；节理组数Jn；节理粗糙度 Jr；节理填充物Ja；地下水Jw；地应力SRF。2 2、支护结构选择、支护结构选择按支护结构设计图，按支护结构设计图，基于基于Q值，隧道跨度设计：值，隧道跨度设计：l锚杆长度，间距；锚杆长度，间距；l喷混凝土（钢纤维混凝土

12、）厚度；喷混凝土（钢纤维混凝土）厚度；l混凝土衬砌混凝土衬砌。SRFJJJJRQDQwarn大断面隧道设计衬砌结构设计1005020105210.0010.0040.010.040.10.41410401004001000GFEDCBAExceptionallypoorExtremelypoorVerypoorPoorFairGoodVerygoodExt.goodExc.good20117532.41.5Bolt length in m for ESR=1Span or height in mESRRock mass quality Q=x xROCK CLASSES9CCA8RRSSfr7

13、6SfrSfr5B(+S)43B2sb125 cm15 cm12 cm9 cm5 cm4 cm1.0 m1.3 m1.6 m2.0 m3.0 m4.0 m1.0 m1.3 m1.5 m1.7 m2.1 m2.3 m2.5 mBolt spacing in unshotcreted areasBolt spacing in shotcreted areaRQD Jr Jw Jn Ja SRFREINFORCEMENT CATEGORIES:sbBB(+S)1)Unsupported2)Spot bolting,3)Systematic bolting,4)Systematic bolting,(

14、and unreinforced shotcrete,4-10 cm),5)Fibre reinforced shotcrete and bolting,5-9 cm,6)Fibre reinforced shotcrete and bolting,9-12 cm,7)Fibre reinforced shotcrete and bolting,12-15 cm,8)Fibre reinforced shotcrete,15 cm,reinforced ribs of shotcrete and bolting,9)Cast concrete lining,Sfr+BSfr+BSfr+BSfr

15、 RRS+B CCA锚杆长度隧道跨度或高度Q值岩石分类支护设计大断面隧道设计衬砌结构设计离散单元法的应用 有限单元法模拟离散单元法模拟大断面隧道设计衬砌结构设计大断面隧道设计衬砌结构设计1994冬季奥运会地下冰上曲棍球场(挪威,锚喷支护)长90米,宽62米,高25米RQD=67%，Q=9大断面隧道设计衬砌结构设计斯德哥尔摩地铁车站（瑞典）只有喷混凝土大断面隧道设计衬砌结构设计竣工后的地下洞室(新加坡,锚喷支护),长100米,宽27米,高11米大断面隧道设计新意法新意法（新意法（ADECO-RSADECO-RS法）法）：是一种系统的全断面机械化开挖的隧道设计、施工技术。该工法适用于软弱地层大断面

16、隧道开挖、强调掌子面的作用及掌子面稳定的重要性；被意大利公路及铁路领域纳入规范并且被广泛采用；欧洲国家的大型项目施工也较多地采用此工法。大断面隧道设计底部结构设计 多采用无咋轨道结构；降低隧道内轨道结构高度；从而减少开挖面积，降低工程造价；施工方便；缺点是噪音大，有条件时，采取消音措施。大断面隧道设计防排水设计 满足一级防水标准，即二次衬砌不允许渗水、二次衬砌表面无湿渍；高速铁路隧道防排水应遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则 优先设计防水型隧道情况 地面生态和社会环境敏感地区；地表下沉影响较大，从而危及结构物正常使用及周边环境的场合；地下水具有腐蚀性，需要将地下水与混凝土隔离

17、的场合。大断面隧道设计防排水设计防排水措施 以施工缝、变形缝防水为重点，施工缝防水同时采用背贴式止水带与中埋式止水带或遇水膨胀止水条的防水措施；变形缝防水同时采用中埋式止水带及其他两种可靠的防水措施；应重视初期支护的防水，并辅以注浆防水、防水层、膨胀止水胶加强防水，满足结构设计和使用要求；隧道内均应设置双侧排水沟。单洞双线隧道，根据地下水量，可增设中心水沟；富水地层隧道应采用深排水沟（水沟水位在铺底面20cm以下）；大断面隧道设计衬砌结构耐久性设计影响高速铁路隧道衬砌结构耐久性的因素：l 环境因素：环境类别分为碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、冻融破坏环境和磨蚀环境；l 列车运行因素：高速列车

18、运行引起的压力波动以及列车振动作用也是影响结构耐久性的主要因素。-有初始裂纹的衬砌结构,在气动压力波正压、负压的反复作用下，衬砌结构将产生疲劳，裂纹不断扩展，直到断裂破坏;-同时,衬砌结构底部在列车振动荷载的作用下，也容易出现疲劳性破坏。耐用期间=寿命早期维修时施工质量好环境荷载条件比设计条件好材料、施工、维修管理好施工质量差性能的水准设计水准早期维修的管理水准环境、荷载、条件比、设计时差、材料、施工、维修管理差最终的水准（极限状态）使用期间二次寿命一次寿命大断面隧道设计衬砌结构耐久性设计结构物劣化曲线结构物劣化曲线 大断面隧道设计衬砌结构耐久性设计二次衬砌的耐久性研究 大断面隧道设计衬砌结构

19、耐久性设计复合式衬砌结构耐久性设计原则及方法：当环境对衬砌结构侵蚀作用很小或无侵蚀作用时，可考虑初期支护和二次衬砌共同承担荷载;当环境对衬砌结构的侵蚀作用明显时,一种设计方法是考虑初期支护和二次衬砌共同承担荷载，这时初期支护和二次衬砌均应考虑耐久性;另一种设计方法是不考虑初期支护的长期耐久性，只在构造上采取一些综合措施进行防范,满足施工期间的安全，而二次衬砌考虑全部承担荷载，并考虑耐久性。大断面隧道设计通风营运通风营运通风隧道营运通风除符合铁道部现行铁路隧道设计规范（TB1003）有关规定外，尚应符合下列规定：-考虑利用辅助导坑进行通风；大断面隧道设计照明供电照明供电照明隧道照明除符合铁道部现

20、行铁路隧道设计规范（TB1003）有关规定外，尚应符合下列规定：长度500m以上的隧道应设固定的电力照明，500m以下的隧道在洞内装设照明插座；1000m以上的隧道应设置应急照明设备，该设备必须在供电中断时能自动接通并能连续工作2h以上；紧急呼叫电话及紧急出口处应设固定照明，紧急出口通道内应设应急照明设备。大断面隧道设计防灾救援隧道防灾应贯彻“以防为主，防消结合”的原则，健全防灾设施和消防系统，将灾害减少到最低程度。l隧道内两侧应设置贯通整个隧道的救援通道。l隧道内两侧均应设置紧急呼叫电话，并符合下列规定：呼叫电话应沿隧道两侧交错布置，且单侧电话间距宜为1000m；电话应安装在电话间内，并设标示牌；电话间的尺寸应为：宽0.4m，深0.8m，高1.0m；电话间地面应高于轨面0.70m。l当隧道长度大于1000m时，在有条件的情况下宜设置紧急出口。紧急出口上方应设标示牌。大断面隧道设计防灾救援l紧急出口通道断面最小尺寸应符合下列规定：宽度不应小于2.3m；高度不小于2.5m；纵向仰角不应大于35；竖井作为出入口时井内应设旋梯。满足以上条件的施工辅助坑道应保留，并改造为紧急出口。l救援通道每隔200m应设图像文字标记，指示两个方向分别到下一个洞口或紧急出口的整百米数。并配备灯光显示方向。