龍門隧道新奧法設(shè)計(jì)探討

1、龍門隧道新奧法設(shè)計(jì)探討趙振銘郭金瓊(福州大學(xué)土木建筑工程系,福州,350002摘要介紹福建龍門隧道采用新奧法設(shè)計(jì)概況,并探討二次襯砌以及噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)錨桿間距與長度的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,并給出目前有關(guān)資料尚缺的曲墻襯砌墻腳落在拱腳外側(cè)的內(nèi)輪廓尺寸計(jì)算公式.關(guān)鍵詞隧道;公路;設(shè)計(jì);新奧法1龍門隧道地質(zhì)勘探與設(shè)計(jì)概況1.1地質(zhì)勘探概況龍門隧道為省道205線龍門嶺改建工程的主體工程,隧道北口位于改線里程14K +0.25,南口位于15K +025處,全長1.0km .隧道穿越龍門嶺,峰頂高程577.2m ,洞身最大埋深250.0m .工程地質(zhì)勘探由省121煤田地質(zhì)勘探隊(duì)承擔(dān),共設(shè)3個(gè)鉆孔,見圖1.全部工作于

2、1993年2月份完成.經(jīng)地質(zhì)勘探,隧道穿越的巖體有凝灰熔巖,凝灰?guī)r,閃長玢巖.山體表面為全風(fēng)化(沙包土,深達(dá)1520m .隧道進(jìn)口段除全風(fēng)化層外,還有破碎帶約30m 長穿過洞身,出口段有一小裂隙帶侵入洞身.完整的巖層物理力學(xué)試驗(yàn)表明區(qū)內(nèi)巖層均屬硬質(zhì)巖.據(jù)地表測(cè)繪與鉆孔水文觀測(cè)區(qū)內(nèi)巖層除風(fēng)化段及局部裂隙帶中等富水外,隧道主體巖石不富水弱富水.由于本區(qū)地處安溪與同安分水嶺地帶,降水的匯水面積不大.因此地下水的補(bǔ)給來源有限.只有一些裂隙涌水量通常不大于15m 3h .隧道圍巖分類如表1 .圖1龍門隧道縱斷面圖(單位:m 1.2隧道設(shè)計(jì)概況隧道按山嶺重丘二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì).隧道凈寬凈9m +20.75m

3、 ,縱坡2.9%,用新奧法進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工,采用復(fù)合式曲墻襯砌,初期支護(hù)為錨桿噴射砼.整個(gè)隧道:類圍巖襯砌長68m ,類圍巖襯砌45m ,類圍巖襯砌30m ,類圍巖襯855m .襯砌設(shè)計(jì)情況見圖2,圖3與表2.本文收到日期:1995-12-31趙振銘,男,1937年出生,副教授1996年8月Jou rnal of Fuzhou U n iversity (N atu ral Science A ug .1996表1隧道圍巖分類表圍巖名稱主要工程地質(zhì)條件開挖后狀態(tài)確定類別風(fēng)化巖層強(qiáng)風(fēng)化層多呈“砂包土”狀,中弱風(fēng)化層似“碎石層”或泥質(zhì)碎石,通常富水強(qiáng)風(fēng)化層易坍塌,中弱風(fēng)化層拱部易坍塌強(qiáng)風(fēng)化層為中弱風(fēng)

4、化層為凝灰熔巖巖石飽和抗壓強(qiáng)度107.7151.5C M Pa ,節(jié)理裂隙不發(fā)育無軟弱夾層圍巖穩(wěn)定,無坍塌,深埋處可能產(chǎn)生巖爆塌(線埋處為閃長玢巖巖石飽和抗壓強(qiáng)度95.5110.9C M Pa ,受地質(zhì)構(gòu)造影響輕,節(jié)理裂隙不發(fā)育圍巖穩(wěn)定,不坍塌凝灰熔巖巖石飽和抗壓強(qiáng)度95.3221.5C M Pa ,節(jié)理裂隙不發(fā)育較發(fā)育圍巖基本穩(wěn)定,局部近破碎帶處可能出現(xiàn)小坍塌(淺埋處多基巖破碎帶 張裂隙帶巖石受擠壓破碎,裂隙雜亂,呈角(礫碎(石狀,松散結(jié)構(gòu),局部富水圍巖易坍塌,局部有水與碎石等垮下的可能(a 類圍巖錨桿布置(b 類圍巖鋼筋網(wǎng)圖3錨桿與鋼筋圖表2圍巖襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)表襯砌類型預(yù)留變形量c m 錨桿

5、鋼筋網(wǎng)長度m 間距c m 部位間距c m 直徑mm 部位鋼架支撐噴射砼厚c m 二次襯砌c m類103.0100100拱墻252558拱墻雙層全部設(shè)置2045類73.0120120拱墻252558拱墻單層必要時(shí)設(shè)1545類0535類003016第4期趙振銘等:龍門隧道新奧法設(shè)計(jì)探討2隧道設(shè)計(jì)與施工的新奧法本遂道采用新奧法(N ew A u strian T unneling M ethod 進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工1.新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)的理論,利用圍巖的自身承載能力為基點(diǎn),采用錨桿和噴砼為主要支護(hù)手段及時(shí)進(jìn)行支護(hù),控制圍巖變形和松馳使圍巖成為支護(hù)體系的組成部份,并通過對(duì)圍巖和支護(hù)的量測(cè)、監(jiān)控來指導(dǎo)隧道

6、和地下工程設(shè)計(jì)施工的方法和原則.新奧法的要點(diǎn)是充分發(fā)揮圍巖自身的支護(hù)作用,及時(shí)施作噴射砼和錨桿的初期支護(hù)控制圖4設(shè)計(jì)過程框圖圍巖的變形和松弛,特別在軟弱破碎圍巖地段,如本遂道、類圍巖地段可用加鋼筋網(wǎng)噴錨結(jié)構(gòu)或帶剛架等措施使斷面及早閉合,有效地發(fā)揮包括巖體在內(nèi)的支護(hù)體系的作用,保證隧道穩(wěn)定.二次襯砌是在圍巖與初期支護(hù)基本穩(wěn)定后修筑的,它與圍巖支護(hù)形成一個(gè)整體,其厚度可以較薄.對(duì)于圍巖應(yīng)采用光面爆破,減少對(duì)圍巖的撓動(dòng),使隧道開挖斷面四周邊輪廓圓順,避免棱角突變處應(yīng)力集中.通過施工中對(duì)圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài)觀察、量測(cè),這樣可合理安排施工程序,進(jìn)行變更設(shè)計(jì)以及合理進(jìn)行日常的施工管理.按照上述新奧法,本遂道設(shè)

7、計(jì)分成2個(gè)階段:施工前預(yù)設(shè)計(jì);信息反饋修改設(shè)計(jì).將2個(gè)階段設(shè)計(jì)內(nèi)容寫成框圖,如圖4.以上分析表明,新奧法不僅僅是簡(jiǎn)單地使用錨噴支護(hù),它是充分發(fā)揮巖體的自身支護(hù)作用以及一系列設(shè)計(jì)與施工措施相結(jié)合的統(tǒng)一體.按新奧法設(shè)計(jì)和施工的隧道應(yīng)將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)納入設(shè)計(jì)文件,并在施工中實(shí)施,現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)可對(duì)拱頂下沉量和邊墻中部,拱腳的相對(duì)位移及時(shí)繪制位移-時(shí)間曲線,曲線趨向穩(wěn)定可施作二次襯砌.若不穩(wěn)定,出現(xiàn)反常的急驟變化現(xiàn)象,則應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)體系修正設(shè)計(jì).3二次襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算方法本隧道采用新奧法設(shè)計(jì)在、類圍巖中用噴錨砼臨時(shí)支護(hù)后作二次襯砌.噴層與二次襯砌間設(shè)防水夾層,其目的除防水外,可使噴層砼細(xì)微變化產(chǎn)生壓力不會(huì)傳布到

8、二次襯砌,從而降低二次襯砌的壓力.由于錨噴支護(hù)可基本穩(wěn)定圍巖,因此二次襯砌承擔(dān)山體壓力可以減少.二次襯砌與錨噴結(jié)構(gòu)承受山體荷載的分配系數(shù)尚無定論.本設(shè)計(jì)采用二次襯砌承擔(dān)山體荷載23進(jìn)行計(jì)算.對(duì)于二次襯砌的計(jì)算方法,若拱墻全斷面連續(xù)灌注,則可按考慮彈性抗力及拱背摩擦力的拱力法方程求解2,但計(jì)算繁瑣;或用鏈桿法由矩陣力法或矩陣位移法由計(jì)算機(jī)程序求解1,則必須動(dòng)用微機(jī),耗費(fèi)機(jī)時(shí).本文對(duì)先拱后墻的二次襯砌建議用離壁式被復(fù)結(jié)構(gòu)算式進(jìn)行計(jì)算(見圖5,拱承受豎向荷載,26福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第24卷拱腳處設(shè)水平彈性支承,并考慮拱腳處豎向摩阻力(略去拱部側(cè)向山體壓力.這樣有計(jì)算簡(jiǎn)單,無需機(jī)時(shí)的優(yōu)點(diǎn).因?yàn)槎?/p>

9、次襯砌與噴射砼之間有防水層隔離,故與離壁式被復(fù)結(jié)構(gòu)有相似之處.但也有不同之處,即離壁式巖層與被復(fù)結(jié)構(gòu)之間是分離的,僅考慮落石荷載.而二次襯砌與錨噴砼之間僅防水層之隔,因此受山體壓力比較大,而且拱背有局部摩阻力存在,將摩阻力的作用集中在拱腳處顯然是不嚴(yán)密的,但為簡(jiǎn)化計(jì)算,作近似假定工程應(yīng)用尚可.當(dāng)被復(fù)結(jié)構(gòu)為圓弧形,且其上有均布荷載q 作用時(shí),H B ,V B 及M c 的計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為:圖5先拱后墻二次襯砌計(jì)算圖式H B =m 1R 2-m 2a 22m 0R +2EJ (K d 1R 2-m 2L a q V B =(l 2+a q -L H B M c =q (l 2-4a 28-(f -

10、L a HB (1式中:m 0=A +2A co s 2A -3sin A co s Am 1=7sin 3A 6-sin A 2+A co s 3A -A co s A 2m 2=2(sin A -co s A L 為拱背、拱腳處巖層與結(jié)構(gòu)間磨擦系數(shù),d 1為拱的厚度系數(shù).4噴錨支護(hù)錨桿長度與間距關(guān)系式圍巖若被許多組節(jié)理裂隙所切割,假設(shè)錨桿噴射砼與巖體間錨固成自承拱2,如圖6(a 所示,取1m 寬計(jì)算.每根錨桿所承擔(dān)巖體的重量為p 1.p 1=rd h(2式中:h 為錨桿有效長度;d 為錨桿間距.巖體形成自承拱其推力H (近似:H =ql 28f =rh l 28f(3N 1=H sin H

11、 (4T =f H sin H (5式中:f為巖體磨擦系數(shù).p 2=2T sin H(6將(3、(5式代入(6式得:p 2=2f rh l 8f (h h 2+d 22(7令:p 2=kp 1(8式中:k 為安全系數(shù).將(7、(2式代入(8式得:1趙振銘.直墻三心圓拱公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)矩陣分析與電算,19782同濟(jì)大學(xué)等.錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及施工方法調(diào)查匯編.197336第4期趙振銘等:龍門隧道新奧法設(shè)計(jì)探討h =4kf d 3f l 2-4kd f (9根據(jù)(9式假設(shè)錨桿間距,可以算得錨桿長度.(a 錨桿自承拱(b 拱受力單元(c 自承拱推力計(jì)算圖式圖6錨噴自承拱5曲墻襯砌內(nèi)輪廓尺寸的計(jì)算曲

12、墻襯砌內(nèi)輪廓尺寸的計(jì)算一般按墻腳C 落在拱腳A 的內(nèi)側(cè)公式進(jìn)行計(jì)算2,見圖7以及公式(10.r 2=H 21+b 212(H 1sin U 2+b 1co s U 2(10可由墻高H 1,以及b 1,U 32求得曲墻半徑r 2.這個(gè)公式給內(nèi)輪廓作圖帶來極大方便.若墻C 落在拱腳A 的外側(cè)仍采用式(10計(jì)算就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤.目前,一般高速公路上的隧道襯砌凈空都比較大,導(dǎo)致拱腳會(huì)落在墻腳外側(cè),見圖8,必須改用本文推導(dǎo)的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算.現(xiàn)演證如下:b 1co s U 2=ED(11H 1sin U 2=A D(12A D -ED =A E(13將(11、(12式代入(13式得:H 1sin U 2-b 1

13、co s U 2=A E (14圖7墻底在拱腳內(nèi)側(cè)幾何關(guān)系圖8墻底在拱腳外側(cè)幾何關(guān)系46福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第24卷第4期 從而推得: 趙振銘等: 龍門隧道新奧法設(shè)計(jì)探討 65 r2 = + b2 1 2 (H 1 sin U - b1 co sU 2 2 H 2 1 ( 15 式 ( 15 與式 ( 10 形式基本相同, 只是分母括號(hào)內(nèi)正負(fù)符號(hào)不同, 在式 ( 15 中應(yīng)為負(fù)號(hào). 6結(jié)語 1 采用新奧法是今后隧道設(shè)計(jì)與施工發(fā)展的必然趨勢(shì), 新奧法不是簡(jiǎn)單地使用錨噴支護(hù), 而是把發(fā)揮巖體自承能力與設(shè)計(jì). 施工結(jié)合成統(tǒng)一體, 特別在施工中要進(jìn)行監(jiān)控, 量測(cè)來修 正設(shè)計(jì), 使預(yù)設(shè)計(jì)更趨正確.

14、2 先拱后墻的襯砌結(jié)構(gòu) 由于拱與邊墻形成連接縫, 可基本上按本文建議的帶水平彈性 . 支承拱算式計(jì)算, 具有簡(jiǎn)捷的優(yōu)點(diǎn). 若拱墻連續(xù)灌注, 則本算法是保守的. 3 所介紹的錨桿長度間距關(guān)系式可應(yīng)用于設(shè)計(jì), 是比較簡(jiǎn)化的方法, 可快速得到計(jì)算結(jié) 果 . 4 所導(dǎo)得的襯砌內(nèi)輪廓尺寸計(jì)算公式, 填補(bǔ)了目前教科書中尚缺的墻腳落在拱腳外側(cè)的 內(nèi)輪廓計(jì)算式, 使目前高速公路中采用寬大的襯砌凈空作圖更加準(zhǔn)確快速. 參考文獻(xiàn) 1鐵道部基本建設(shè)總局. 鐵路隧道新奧法指南. 北京: 中國鐵道出版社, 1988. 2 4; 14 18 2王毅才. 隧道工程. 北京: 人民交通出版社, 1987 D e sign o

15、f L ongm en T unne l by N ew A u st rian T unne lling M e thod Zhao Zhenm ing Guo J inqiong (D ep a rtm en t of C ivil and A rch itectu ra l Eng ineering, Fuzhou U n iversity, Fuzhou, 350002 A b stract T h is p ap er p u ts fo rth the design ou tline of Fu jian L ongm en T unnel by N ew A u strian T unnelling M ethod and p robes in to ca lcu la ting m ethod fo r seconda ry lin ing and bo lt in terva l d istance of sho tc