大斷面隧道設計技術基本原理

1、大斷面隧道設計技術基本原理大斷面隧道高速鐵路一般是：最高行車速度達到250km/h及以上的新建鐵路,和最高行車速度200km/h及以上的既有線提速鐵路。大斷面隧道隧道斷面一般以凈空斷面積（軌道以上內凈空）來劃分的。隧道斷面劃分標準劃分凈空斷面積（m2）超小斷面100大斷面隧道我國高速鐵路隧道凈空有效面積標準（m2）類別單線雙線200km/h 客運專線兼顧貨物運輸52（53.6）80(85)250km/h 高速鐵路58(60)92300350km/h 高速鐵路70100注：括號內數(shù)值為客運專線兼顧雙層集裝箱運輸條件下，考慮特定接觸網高度等因素的面積。 因此，我國高速鐵路隧道均屬于大斷面隧道。大斷

2、面隧道云桂鐵路正線隧道屬于大斷面隧道。雙線隧道92m2 單線隧道60m2大斷面隧道隧道斷面也有以開挖斷面積來劃分的，例如：日本隧道斷面劃分劃分開挖斷面積（m2）說明標準斷面70-80雙車道大斷面100-140有人行橫道的雙車道超大斷面140三車道隧道開挖面積約倍隧道凈空斷面積國外大斷面隧道最大寬度：最大斷面：252m2世上最早的地下工程公元前2180前2160年，巴比倫王朝修建了一條穿越幼發(fā)拉底河，從王宮到朱庇特廟的長約 900米的人行隧道.世界上最早的鐵路隧道18291830年在英國建成的利物浦曼徹斯特鐵路線上，出現(xiàn)了世界上最早的一座鐵路隧道，全長達1190 米。從此，隧道偕同鐵路一起在世界

3、各國修建開來。 日本青函隧道日本青函隧道：世界上最長的一條隧道。為雙線隧道，全長為，其中海底部分為。隧道為雙線設計，標準斷面寬米，高9米，斷面80平方米。于1971年4月正式動工開挖主坑道。經過12年的施工，1983年1月27日，青函隧道的先導坑道打通。1988年3月13日，青函隧道正式通車， 臺灣海峽隧道世界級特大工程 世界最長的公路隧道洛達爾隧道挪威的洛達爾隧道：最長的單洞公路隧道，長?？缍茸畲蟮牡叵露词遗餐?994冬季奧運會地下冰上曲棍球場，長90m, 寬62m, 高25m。RQD=67%，Q=9，無模筑混凝土襯砌，僅用9個月建成。世界第一條地鐵1863年1月10日，世界上第一條地鐵倫敦

4、地鐵運行長，由于當時電動機車尚未問世，機車牽引仍用蒸汽機車。盡管隧道里煙霧彌漫，但人們仍爭著去坐，第一年就運載了乘客950萬人。我國第一條地鐵北京地鐵北京地鐵是我國第一條地鐵，一期工程于1965年動工，1969年10月通車試運行，宣告了中國沒有城市地鐵歷史的結束。 國內公路大斷面隧道最大寬度：33 m世界海拔最高的隧道風火山隧道青藏鐵路重點難點控制工程風火山隧道坐落于海拔超過5000米的青藏高原風火山上，全長1338米，軌面海拔高程為4905米，比秘魯鐵路的海拔最高點4817米高出88米，是世界海拔最高的隧道 。為修建該隧道，施工單位研制建成了兩座每小時可生產24立方米醫(yī)用氧的世界海拔最高的大

5、型醫(yī)用制氧站，對洞內實行彌漫式供氧和氧吧車供氧。世界最長雙洞公路隧道秦嶺終南山公路隧道單洞全長公里，于2007年1月建成通車。隧道通車后，秦嶺天塹變?yōu)橥ㄍ荆靼仓燎貛X深處的柞水縣城行車時間由原來的3小時縮短為40分鐘。我國埋深最大隧道錦屏輔助洞錦屏輔助洞是錦屏水電樞紐前期的控制性工程。其作用是溝通東、西雅礱江的交通，為上下行分離式雙洞特長隧道，單洞長約。最大埋深2375m，其埋深大于1500m的洞段(12.8km)占隧洞全長的73.1%，位居世界之首。 錦屏輔助洞穿越的設計地質剖面圖預測地下水位線2375m900m國內鐵路大斷面隧道最大寬度：最大斷面：257m2狗磨灣隧道狗磨灣隧道位于襄渝鐵路

6、白河旬陽間。隧道長1285米，分別由米單線隧道,140米渡線隧道及米三線隧道組成。最大開挖斷面高米,寬22米。 1990年6月開工，1993年5月竣工。我國最早的隧道 褒斜道石門。位于陜西漢中市，隧洞長米，寬米。石門開鑿于公元一世紀，始于漢明帝六年（公元63年），到九年（公元66年）4月建成，距今已有1900多年的歷史，也是世界上最早的人工穿山隧道。 我國最早的鐵路隧道臺灣島內的獅球嶺隧道長261m，最大埋深61m，于年春開工，1890年夏建成。創(chuàng)下以下記錄：中國最早建成的鐵路隧道；中國最早建成的窄軌鐵路隧道；中國最早建成的鐵路單線隧道；中國最早建成的窄軌鐵路單線隧道；二十世紀初成為歷史古跡隧

7、道設計和施工的發(fā)展趨勢斷面向著更大、更寬的形式發(fā)展鐵路隧道：170m2公路隧道：230m2大斷面隧道施工方法的選擇巖性較好的地層，采用臺階法；巖性較差的地層，采用分部開挖法。在淺埋、軟弱地帶需增加輔助施工方法開挖后的應力重分布變得不利。對于扁平的大斷面圖隧道來說，隨著高寬比（高度/寬度）的減少，圍巖內的最大主應力和襯砌拱頂處的最大彎矩急劇增加，與近圓形隧道相比，將出現(xiàn)更大的塑性區(qū)和更大的變形，需要更強大的支護結構來保持隧道的穩(wěn)定 ；底腳處的應力集中過大,要求較大的地基承載力。力學分析結果表明,開挖后圍巖應力在側壁處比較大。特別是側壓系數(shù)小時，開挖寬度越大,圍巖中的切向應力越大，襯砌中軸力也越大

8、。底腳處的應力集中過大,要求較大的地基承載力。拱頂不穩(wěn)定。隧道寬度的擴大將大大增加拱頂圍巖內的拉應力，導致拱頂?shù)魤K等失穩(wěn)現(xiàn)象。同時，拱頂處襯砌彎矩增加，導致襯砌開裂。因此，隧道斷面的增大造成拱頂不穩(wěn)定。大斷面隧道的力學特點較大的松弛地壓。開挖寬度越大,要求產生拱作用的埋深越大,在埋深作用不能發(fā)揮作用時,就會產生很大的松弛壓力。因此,大斷面隧道支護結構將承受更大的松弛荷載。支護結構的承載力相對較小?？缍仍酱?扁平形狀的拱形支護結構支護條件不利，相對承載力變小。位移大斷面隧道最大主應力最大主應力大斷面隧道大斷面隧道設計高速鐵路的大斷面隧道與公路大斷面隧道相比要小得多。高速公路隧道斷面積達到170

9、- 200m2，局部斷面積甚至達230m2開挖寬度達23m以上。我國最大斷面的鐵路隧道是位于設計時速達350公里的鄭西高速鐵路上的張茅隧道（全長8483米），其最大開挖斷面面積達164平方米。 大斷面隧道設計大斷面隧道設計包括：凈空斷面形式設計；襯砌結構設計；輔助坑道設計；防排水設計；隧道洞口形式及景觀設計；防災救援設計；隧道內相關設施設計。大斷面隧道設計隧道斷面設計主要考慮下列因素：隧道建筑限界；軌道數(shù)量和線間距；緩解空氣動力學效應所需的空間；需預留的空間,如安全空間、避難和救援空間、養(yǎng)護維修及工程技術作業(yè)空間、其他使用要求所需的空間；設備安裝空間等。 大斷面隧道凈空設計 高速度帶來的隧道空

10、氣動力學問題： 隧道空氣阻力、瞬變壓力、洞口微氣壓波等增大增強：需要加大隧道斷面積、改善洞口及輔助結構的設置等。空氣動力學效應空氣動力學效應高速鐵路隧道空氣動力學效應 空氣動力學效應空氣動力學效應影響因素：阻塞比：列車斷面積/隧道斷面積阻塞比越大，影響越大車速與車速成二次方正比關系隧道長度車輛密封指數(shù)車內壓力從3600Pa降低到1350Pa所需的泄漏時間；采用密封車輛后，車內壓力的峰值滯后，同時壓力變化幅度減??；密封效果短隧道比長隧道好。車頭形狀選擇長細比大的流線形車頭是緩解微氣壓波的一個重要措施 空氣動力學效應空氣動力學效應影響的解決辦法：擴大隧道斷面從經濟、技術的合理性出發(fā)，采用相對比較富

11、裕的凈空有效面積。 密封車輛通過提高車輛的密封性來減小瞬變壓力對乘客的影響。 設置輔助坑道合理設置的輔助坑道(斜井、豎井和橫洞)能緩解壓力波動的程度。 入口緩沖結構減小高速列車進入隧道產生的空氣動力學效應對洞口周圍環(huán)境的影響。噪音處理措施通過在洞內洞壁上貼吸音板來吸收噪音。隧道洞口設計斜切式洞口設計：降低瞬變壓力與微氣壓波。需要時設置洞口緩沖結構。隧道洞口景觀設計和諧成為亮麗的風景單線隧道：凈空斷面積60m2雙線隧道：凈空斷面積92m2采用250km/h鐵路隧道襯砌內輪廓設計隧道凈空設計隧道凈空設計單洞雙線和雙洞單線方案選擇比較項目單洞雙線隧道方案雙洞單線隧道方案施工難度及風險斷面大，在軟弱圍

12、巖中發(fā)生坍塌的機會較多，容易發(fā)生變形，風險較大斷面較小，發(fā)生坍塌，變形的機會相對較少，風險較小運營通風難以利用活塞風可以充分利用活塞風防災救援當隧道內發(fā)生火災時，消防滅火與救災難度大，線路將中斷運營當一座隧道內發(fā)生火災時，可通過另一座隧道幫助滅火，并利用橫通道緊急疏散人員，僅中斷一條線路運營空氣動力學影響相對小相對大環(huán)境影響相對小相對大工程投資較低大2040隧道凈空設計單洞雙線和雙洞單線方案選擇原則：當隧道長度小于10km時，一般采用單洞雙線隧道方案,可利用施工時的輔助坑道作為防災救援和人員疏散的緊急出口。當隧道長度為1020km時，應結合隧道兩端引線、車站布點等相關工程情況進行系統(tǒng)的經濟技術

13、比選。也可結合防災救援及養(yǎng)護維修考慮,采用雙線隧道加貫通平導的方案進行比較。當隧道長度大于20km時，從防災救援方面考慮，一般采用雙洞單線隧道方案。大斷面隧道設計襯砌結構設計現(xiàn)代隧道襯砌結構設計的特點：采用巖石力學模型，而不采用傳統(tǒng)的荷載結構模型；圍巖既是荷載的來源，又是承載結構；圍巖是主要的承載結構；錨噴支護只是用來加固圍巖，提高圍巖的承載能力；二次襯砌作為安全儲備，視具體情況決定是否施設；強調信息化施工。大斷面隧道設計襯砌結構設計襯砌結構類型有：單層襯砌；復合式襯砌；拼裝式襯砌等。拼裝式襯砌（管片襯砌）一般用于盾構掘進機法施工；對于鉆爆法施工的隧道,多采用單層襯砌和復合式襯砌。大斷面隧道設

14、計襯砌結構設計單層襯砌和復合式襯砌的本質區(qū)別：單層襯砌各支護層間不設置隔離層（防水板），而是采用自防水措施。圖14.大斷面隧道設計襯砌結構設計單層襯砌和復合式襯砌的一般適用性：單層襯砌更適用于圍巖自穩(wěn)能力較好，地下水不豐富的巖石隧道；復合式襯砌更適合地下水豐富的土質或軟弱圍巖隧道。大斷面隧道設計襯砌結構設計復合式襯砌結構設計排水型復合式襯砌防水型復合式襯砌新建和改建隧道防排水，應采用“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”的原則大斷面隧道設計襯砌結構設計排水型復合式襯砌二次襯砌不承受水壓力；初期支護承擔施工階段全部荷載；二次襯砌承擔附加荷載以及作為安全儲備。 防水型復合式襯砌二次襯砌承受水壓

15、力，一般遠大于圍巖壓力；初期支護承擔施工階段全部荷載；二次襯砌承擔全部后期圍巖壓力。大斷面隧道設計襯砌結構設計復合式襯砌設計與施工中應注意的問題：襯砌斷面形狀應力求圓順，減少圍巖和襯砌在荷載作用下產生應力集中； 采用分部開挖時,應加強各連接點的強度和剛度，防止接頭受力變形破壞；大斷面隧道襯砌設計參數(shù)應根據(jù)施工方法及現(xiàn)場監(jiān)控量測適當調整；合理設置二次襯砌縱向施工縫位置，施工縫處宜設置加強鋼筋；加強施工中的監(jiān)控量測通過監(jiān)控量測結果合理調整支護參數(shù)。大斷面隧道設計襯砌結構設計單層襯砌結構設計單層襯砌結構設計方法目前有：基于挪威法的Q系統(tǒng)支護設汁法極限狀態(tài)設計法基于能量守恒的能量原理設計法。挪威Q值法

16、是一種較成熟的單層襯砌結構設計方法。由巴頓于1974年提出，并于1993年，2002年兩次更新完善。特別適用于鉆爆法施工的，大跨度巖石隧道。在國外得到廣泛應用。大斷面隧道設計襯砌結構設計挪威隧道方法的特點重視前期的地質調查，兩步地質調查；施工中對每個開挖面進行地質素描和支護設計；非常系統(tǒng)定量的設計方法Q值法；錨噴為主要永久性支護；施噴濕鋼纖維混凝土，采用自立式錨桿；施工及支護設計一體化，對現(xiàn)場施工人員要求高；采用懸吊式防水板或自防水混凝土襯砌；強調離散單元法（UDEC，3DEC）應用 。大斷面隧道設計襯砌結構設計與新奧法NATM相比，挪威法NMT優(yōu)點有：快速施工；安全施工；造價低，綜合經濟效益

17、可節(jié)省達2030%；可操作性強；維修費用低。世界最長公路隧道- 挪威拉達爾隧道大斷面隧道設計襯砌結構設計挪威Q值法支護結構設計兩步驟：1、Q值的計算其中：RQD: 巖石質量；節(jié)理組數(shù)Jn；節(jié)理粗糙度 Jr；節(jié)理填充物Ja；地下水Jw；地應力SRF。2、支護結構選擇按支護結構設計圖， 基于Q值，隧道跨度設計：錨桿長度，間距；噴混凝土（鋼纖維混凝土）厚度；混凝土襯砌。大斷面隧道設計襯砌結構設計錨桿長度隧道跨度或高度Q值巖石分類支護設計大斷面隧道設計襯砌結構設計離散單元法的應用大斷面隧道設計襯砌結構設計有限單元法模擬離散單元法模擬大斷面隧道設計襯砌結構設計1994冬季奧運會地下冰上曲棍球場 (挪威,

18、 錨噴支護)長90米, 寬62米, 高25米RQD=67%，Q=9大斷面隧道設計襯砌結構設計斯德哥爾摩地鐵車站（瑞典）只有噴混凝土大斷面隧道設計襯砌結構設計竣工后的地下洞室(新加坡, 錨噴支護), 長100米, 寬27米, 高11米大斷面隧道設計新意法新意法（ADECO-RS法）：是一種系統(tǒng)的全斷面機械化開挖的隧道設計、施工技術。該工法適用于軟弱地層大斷面隧道開挖、強調掌子面的作用及掌子面穩(wěn)定的重要性；被意大利公路及鐵路領域納入規(guī)范并且被廣泛采用；歐洲國家的大型項目施工也較多地采用此工法。大斷面隧道設計底部結構設計多采用無咋軌道結構；降低隧道內軌道結構高度；從而減少開挖面積，降低工程造價；施工

19、方便；缺點是噪音大，有條件時，采取消音措施。大斷面隧道設計防排水設計滿足一級防水標準，即二次襯砌不允許滲水、二次襯砌表面無濕漬；高速鐵路隧道防排水應遵循“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”的原則 優(yōu)先設計防水型隧道情況地面生態(tài)和社會環(huán)境敏感地區(qū)；地表下沉影響較大，從而危及結構物正常使用及周邊環(huán)境的場合； 地下水具有腐蝕性，需要將地下水與混凝土隔離的場合。 大斷面隧道設計防排水設計防排水措施以施工縫、變形縫防水為重點，施工縫防水同時采用背貼式止水帶與中埋式止水帶或遇水膨脹止水條的防水措施；變形縫防水同時采用中埋式止水帶及其他兩種可靠的防水措施；應重視初期支護的防水，并輔以注漿防水、防水層、

20、膨脹止水膠加強防水，滿足結構設計和使用要求；隧道內均應設置雙側排水溝。單洞雙線隧道，根據(jù)地下水量，可增設中心水溝；富水地層隧道應采用深排水溝（水溝水位在鋪底面20cm以下）；大斷面隧道設計襯砌結構耐久性設計影響高速鐵路隧道襯砌結構耐久性的因素： 環(huán)境因素：環(huán)境類別分為碳化環(huán)境、氯鹽環(huán)境、化學侵蝕環(huán)境、凍融破壞環(huán)境和磨蝕環(huán)境；列車運行因素：高速列車運行引起的壓力波動以及列車振動作用也是影響結構耐久性的主要因素。有初始裂紋的襯砌結構,在氣動壓力波正壓、負壓的反復作用下，襯砌結構將產生疲勞，裂紋不斷擴展，直到斷裂破壞;同時,襯砌結構底部在列車振動荷載的作用下，也容易出現(xiàn)疲勞性破壞。 大斷面隧道設計襯砌結構耐久性設