分岔隧道設計施工關鍵技術分析(新)

1、郭小紅中交第二公路勘察設計研究院開始滬蓉國道主干線湖北省宜昌至恩施段高速公路分岔隧道設計施工關鍵技術分析1 介紹的主要內(nèi)容1、什么是分岔隧道？2、為什么要設置分岔隧道？3、分岔隧道有什么特點和難點？4、分岔隧道設計施工概況5、分岔隧道設計施工關鍵技術6、分岔隧道科研概況 兩洞間距2040m，一般用于長大隧道，同等地質(zhì)條件下造價最低，施工最易。 兩洞室間距510m，一般用于地形較狹窄的中短隧道，造價稍高，施工速度稍慢。 中隔墻厚2.02.5m，中央分隔帶寬4.05.0m，用于中短隧道，能很好解決中隔墻的防排水問題。 中隔墻厚1.02.0m，中央分隔帶寬2.03.0m，用于中短隧道，防排水存在一定

2、問題。2.1 公路隧道的一般設置型式2.2 分岔隧道的平面布置 分岔隧道是目前在更為復雜地形地質(zhì)條件下修建山區(qū)高速公路過程中提出的一種新的隧道建設型式，他由四車道大拱隧道或連拱隧道逐漸過渡到上下行分離雙洞，因此它同時具備標準間距的分離隧道、小間距隧道、連拱隧道以及四車道大拱等多種型式隧道的特點。 2.3 分岔隧道分類型分岔隧道 型分岔隧道：洞口段襯砌先設置為四車道大拱，然后逐漸過渡為整體式中隔墻連拱隧道、夾心式中隔墻連拱隧道、小間距隧道，最后轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴实纳舷滦蟹蛛x隧道。 2.4 分岔隧道分類型分岔隧道 型分岔隧道：洞口段襯砌先設置為整體式中隔墻連拱隧道，然后逐漸過渡為夾心式中隔墻連拱隧道、小間

3、距隧道，最后為標準的上下行分離隧道 。3.1 八字領隧道地形與地貌3.2 廟埡及漆樹槽隧道地形與地貌3.3 設置分岔隧道的理由 四渡河大橋與支井河大橋均為單孔跨度在400m以上特大跨度特殊橋梁，受結構穩(wěn)定及經(jīng)濟因素的影響，左右幅橋均必須建造為整體； 與其緊鄰的隧道長度也均超過1000m，由于橋梁緊接隧道，兩者之間缺少足夠的過渡路基，因此緊鄰橋梁一端的洞口必須設置為連拱隧道甚至四車道大拱； 長大隧道全部設置為連拱又不經(jīng)濟，因此在隧道內(nèi)有必要將左右洞室逐漸分離，這樣就形成了分岔隧道。 4.1 分岔隧道的特點 1、分岔隧道一般緊鄰特大橋梁，洞口地形條件較差，施工場地狹??； 2、為保證結構及運營安全，

4、從橋梁到分岔隧道，在路線平面上應合理過渡； 3、分岔隧道的洞口段不僅隧道結構復雜多變，而且埋置深度淺，地質(zhì)條件差； 4、間距處于變化過程中的左右洞室，合理劃分各類襯砌，協(xié)調(diào)這種變化十分重要； 5、大拱與連拱過渡地段、連拱與小間距過渡地段支護方法、施工方法、穩(wěn)定性評價是工程成敗的關鍵； 6、分岔隧道一般為長大隧道，相距較近的洞口送排風的相互竄流對通風方案的影響不能忽視。4.2 分岔隧道的難點（1/2） 分岔隧道洞口由整體式路基的隧道過渡為分離式路基的隧道。從理論上分析，該過渡段（分岔段）越短，則造價越低，施工難度越小。但是平面線形的過渡不僅要滿足規(guī)范要求，而且要滿足運營安全與隧道結構的需要。因此

5、過渡段的平面線形應結合該路段的縱坡、地質(zhì)狀況及運營安全需要綜合確定。 由于地形陡峻，場地狹小，如何同時滿足特大橋梁與長大隧道施工場地的需要、如何保證施工過程中的安全、如何合理安排橋梁與隧道的各道施工工序，對隧道與橋梁的順利建設十分重要。 分岔隧道洞口段的四車道大拱（全幅高速公路隧道）的開挖跨度達到2425m。當前建成的四車道大拱隧道很少，因此其設計施工經(jīng)驗十分缺乏。如何結合洞口段地形地質(zhì)條件差的特點合理地優(yōu)化支護參數(shù)、施工方案以及搞好洞室穩(wěn)定性評價很重要。 中隔墻（中間巖柱）處于漸變中的連拱隧道與小間距隧道的支護設計以及施工方法。由于“漸變”這一因素，使得合理確定連拱隧道最小中隔墻和小間距隧道

6、的中間巖柱很重要，同時合理確定不同地質(zhì)與結構條件下的施工方法也很重要，因為這直接關系到工程造價與施工效率，也關系到施工安全與結構的永久安全。 4.3 分岔隧道的難點（2/2） 四車道大拱隧道與連拱隧道的過渡地段、連拱隧道與小間距隧道的過渡地段不僅結構形式變化大，施工工序多，在施工中容易受到意外損傷，而且受力狀態(tài)復雜，容易引起安全問題。 在連拱隧道與小間距隧道的起點段，中隔墻及中間巖柱均比通常條件下更薄，加上施工工序較多，如何采用合理的施工工序及爆破方法來最大限度地保護他們是施工的關鍵。 分岔隧道兩洞口相距較近時，必然會有部分排出的污染空氣被另一洞口重新吸入。對于采用機械通風的長大隧道，該影響不

7、能忽略，必要的情況下還應考慮改變通風方案。 分岔隧道是一種特殊形式的隧道建設方式，與同類地質(zhì)條件下的隧道相比，其結構復雜多變，對施工技術要求較高，施工效率相對較低，造價相對偏高，因此應是不得已而為之。在選擇該類隧道方式時應特別注意其建設的必要條件：隧道洞口是否存在必須設置為整體式橋梁；加寬中央分隔帶比縮小隧道間距造價更高、風險更大。5.1 分岔隧道設計四車道大拱1八字嶺隧道設計條件：類圍巖，凈埋深1030m，地面橫坡1：31：4 類圍巖，凈埋深3050m，地面橫坡1：4廟埡隧道設計條件：類圍巖，凈埋深1030m，地面為平坡 類圍巖，凈埋深3050m，地面為平坡漆樹槽隧道設計條件：類圍巖，凈埋深

8、1030m，地面橫坡為1：1.251.75 類圍巖，凈埋深3070m，地面橫坡為1：1.251.75 三座隧道洞口段巖體均為弱微風化灰?guī)r，表層風化較嚴重，巖體內(nèi)節(jié)理、裂隙較發(fā)育，裂隙面溶蝕較嚴重，但是洞身范圍，特別是基礎附近巖質(zhì)堅硬，巖體體完整性較好。因此，盡管洞口部分襯砌處于類圍巖之中，但是均未設置仰拱。 5.2 分岔隧道設計四車道大拱2 無分隔墻的四車道大拱設計采用雙層復合襯砌。初期支護為25cm厚噴射混凝土，內(nèi)置雙層8鋼筋網(wǎng)及20b工字鋼，系統(tǒng)錨桿為3.5與6.0m預應力錨桿交錯布置，間距1.0*1.0m；二次襯砌為80cm厚鋼筋混凝土，在初期支護與二次襯砌之間設置復合防水層。初期支護與

9、二次襯砌共同承受周邊圍巖壓力。 有分隔墻的四車道大拱采用三層復合襯砌。初期支護與無分隔墻的四車道大拱相同，二次襯砌為60cm厚鋼筋混凝土，三次襯砌為連拱形鋼筋混凝土結構，在二次襯砌與三次襯砌之間設置復合防水層。初期支護與二次襯砌為受力結構，而三次襯砌則主要起分隔作用，在設計上不考慮其承受周邊圍巖壓力。 對于大跨度的隧道，支護結構在通過支護手段穩(wěn)定洞室的同時，應充分考慮怎樣發(fā)揮圍巖的自身承載能力。設計上均采用了較長的預應力系統(tǒng)錨桿以及有一定強度的柔性噴射混凝土層，在保證洞室穩(wěn)定的前提下吸收洞室周邊變形，以充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力。在設計過程中還對同時系統(tǒng)錨桿形成的承載拱、噴射混凝土及鋼拱架、二

10、次襯砌等的承載能力進行計算，對開挖過程中以及洞室支護完成后洞室圍巖的應力狀態(tài)及穩(wěn)定狀態(tài)進行了分析，結論比較滿意。5.3 分岔隧道設計連拱段襯砌5.4 分岔隧道設計過渡段（1/2）1、由四車道大拱隧道過渡到連拱隧道2、由連拱隧道過渡到小間距隧道 在分岔段內(nèi)，由于大拱段的長度取決與連拱隧道起點中隔墻的最小厚度，連拱隧道的長度取決于小間距隧道起點中間巖柱的最小厚度，因此合理確定分岔隧道內(nèi)連拱隧道中隔墻和小間距隧道中間巖柱的最小厚度應是設計首先考慮的問題。 5.5 分岔隧道設計過渡段（2/2） 在設計過程中應盡可能縮短分岔段的長度，在分岔段內(nèi)盡可能縮短四車道大拱段與連拱段的長度，不僅關系到工程造價，而

11、且關系到工程安全與施工效率。實際上，隧道平面線形一旦確定，分岔段的長度也就基本確定，設計的關鍵點在于分岔段內(nèi)的襯砌優(yōu)化調(diào)整。 四渡河東岸的八字嶺隧道，支井河東西兩岸的漆樹槽隧道與廟埡隧道，洞口附近地形均十分陡峻，基本上位于懸崖絕壁之上，施工場地十分有限。為了克服洞口陡峻的地形給隧道與橋梁施工帶來的不良影響，在這三座隧道的洞口段均設置了施工橫洞，為隧道與橋梁施工創(chuàng)造良好條件，避免橋隧施工的相互影響。 八字嶺隧道：橫洞長490m，距離洞口450m 不僅為施工服務，而且為右洞通風服務 漆樹槽隧道：橫洞長220m，距離洞口150m 僅為施工服務 廟埡隧道 ：橫洞長390m，距離洞口370m（施工中有調(diào)

12、整） 僅為施工服務5.6 分岔隧道施工施工橫洞 施工橫洞的斷面根據(jù)使用功能擬定：八字嶺隧道橫洞由于需要為后期運營通風服務，因此斷面較大，且施作二次襯砌，以有效地減少通風摩阻力。漆樹槽隧道與廟埡隧道橫洞僅為施工服務，因此斷面較小，斷面與行車橫洞相當，僅施作初期支護。 當橫洞較長，還考慮了在一定距離設置錯車道。 從施工安排上考慮，應首先考慮盡快進行隧道洞口段施工，當隧道洞口施工完成后，則將隧道洞口施工場地轉(zhuǎn)讓給橋梁施工單位使用。 5.7 分岔隧道施工橫洞橫斷面八字嶺隧道施工橫洞5.8 分岔隧道施工橫洞平面布置5.9 分岔隧道施工大拱開挖5.10 分岔隧道施工連拱及小間距開挖 設計上要求連拱隧道在類

13、圍巖地段采用三導坑法開挖，在類圍巖地段采用中導坑法開挖；小間距隧道一般在類圍巖地段左右洞均采用側壁導坑法開挖，在類圍巖地段后施工的洞室采用側壁導坑法開挖，及時加固中間巖柱；在類圍巖地段采用臺階法開挖。 5.11 分岔隧道施工主洞開挖照片15.12 分岔隧道施工主洞開挖照片26.1 分岔隧道設計施工關鍵技術 分岔隧道設計重點與難點較多，有些方面只要在設計施工過程中加以重視即可，如施工場地安排問題、線形布設問題、經(jīng)濟技術比較問題等。甚至對于其中的連拱隧道與小間距隧道的設計與施工的技術問題，由于該方面經(jīng)驗較多，理論也已相對成熟，且有相關單位在進行系統(tǒng)研究，均不構成分岔隧道的關鍵技術問題。只有對那些既

14、缺乏設計施工經(jīng)驗，又缺乏系統(tǒng)分析研究的問題才是重中之重，即關鍵技術。總結起來主要有如下三個方面： 四車道大拱隧道的設計方法與施工方法； 過渡段（四車道大拱隧道到連拱隧道、連拱隧道到小間距隧道）的設計方法、施工方法以及圍巖與支護結構的保護方法； 小間距隧道左右洞口送排風的相互影響規(guī)律以及對分岔隧道通風方案影響。 6.2.1 關鍵技術1 大拱的設計 1、節(jié)理化巖體對于特大跨度洞室穩(wěn)定的影響。圍巖分類主要基于巖石的強度以及巖體的完整程度。對于同一類圍巖，不同跨度的隧道其穩(wěn)定能力相差較大。對于深埋及淺埋特大跨隧道，作用在支護結構上的荷載還能夠直接應用傳統(tǒng)的計算方法嗎？ 2、特大跨度隧道支護護結構的設計

15、方法。由于洞室跨度大，支護結構對各項作用特別敏感，如果在設計與施工過程中所采用的評價方法不準確，如果評價參數(shù)偏離真實情況較遠，就可能造成工程建設的較大浪費。因此如何擬定各類地質(zhì)條件下的支護參數(shù)、如何進行結構內(nèi)力及強度分析、如何進行結構可靠性評價以及如何進行洞室圍巖穩(wěn)定性評價等方面就顯得特別重要。6.2.2 關鍵技術1 大拱的施工 1、特大跨度隧道施工過程中對支護結構的穩(wěn)定狀況評價方法。這包括施工過程中的穩(wěn)定與設計使用壽命期間的穩(wěn)定等，是同等重要的兩個問題。設計過程帶有一定的假設條件，施工過程則針對實際狀況，特別是對異常情況的處理：收斂過大、支護下沉、結構開裂或局部破壞等，是正常還是異常？是局部

16、問題還是整體失效？是加強初期支護還是提前施作二次襯砌？在關鍵時刻，處理方案要準確有效，其前提條件是評價參數(shù)要準確，評價方法要正確。 2、特大跨度隧道施工方法。對于大跨度隧道，僅僅進行支護結構設計是不行的，還應進行施工開挖方法設計。作用在隧道結構上的荷載不僅與隧道跨度及地質(zhì)條件有關，而且與施工方法有關，與支護結構的強度有關，這一點隧道跨度越大表現(xiàn)越明顯。因此，大跨度隧道設計就是施工方法設計。怎樣針對不同的地形地質(zhì)條件、不同的支護結構參數(shù)尋求最優(yōu)的開挖方法十分重要，這就需要在設計過程中進行多方面分析。6.3.1 關鍵技術2過渡段 1、過渡段洞室不僅洞室跨度大，且形態(tài)復雜多變，支護結構與周邊圍巖的受

17、力更接近復雜的三維狀態(tài)。針對不同的地質(zhì)條件及針對不同的過渡地段，如何采用合理的分步開挖方法對于保證施工過程中的安全與結構的永久安全十分關鍵。設計過程中針對不同的條件給出了相應處理方案，但是，在保證隧道施工安全的前提下，為了提高施工效率，隧道施工開挖方法是否可以進一步優(yōu)化？怎樣根據(jù)施工現(xiàn)場的條件與監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行調(diào)整？ 6.3.2 關鍵技術2過渡段 2、在相同的地形與地質(zhì)條件下，單位長度的四車道大拱造價要高于連拱隧道，連拱隧道造價要高于小間距隧道，小間距隧道造價要高于完全分離隧道，施工過程中的安全度與結構受力條件也具有上述相同的比較優(yōu)勢。因此在設計過程中應盡可能縮短分岔段的長度，在分岔段內(nèi)盡可能

18、縮短四車道大拱段與連拱段的長度，不僅關系到工程造價，而且關系到工程安全與施工效率。隧道平面線形一旦確定，分岔段的長度也就基本確定，設計的關鍵點在于分岔段內(nèi)的優(yōu)化調(diào)整。在分岔段內(nèi)，由于大拱段的長度取決與連拱隧道起點中隔墻的最小厚度，連拱隧道的長度取決于小間距隧道起點中間巖柱的最小厚度，因此合理確定分岔隧道內(nèi)連拱隧道中隔墻和小間距隧道中間巖柱的最小厚度應是設計首先考慮的問題。6.3.3 關鍵技術2過渡段 3、在分岔隧道設計過程中，針對具體的地質(zhì)條件、隧道平面布置情況以及前期大量的隧道設計施工經(jīng)驗，將連拱隧道隔墻最小厚度取為1.5m，將小間距隧道中間巖柱最小厚度取為2.5m。如何根據(jù)地質(zhì)條件合理選取

19、以及如何根據(jù)施工條件的變化而調(diào)整該值得深入研究。因此需要對在不同地質(zhì)條件下中隔墻厚度分別為1.2m,1.5m,1.8m,2.0m時的整體式中隔墻連拱隧道的洞室穩(wěn)定性能與結構受力變化進行研究，同時也需要對在不同地質(zhì)條件下中間巖柱厚度分別為1.5m、2.0m、2.5m、3m的小間距隧道的洞室穩(wěn)定性能與結構受力變化進行研究，以便尋找到一些規(guī)律性的結論。 一般條件下，整體式中隔墻連拱隧道的中隔墻厚度為1.6m2.0m，小間距隧道中間巖柱柱厚度為4.05.0m?，F(xiàn)在，分岔隧道內(nèi)連拱隧道與小間距隧道不僅比一般條件下取值更小，而且處于過渡段內(nèi)的連拱隧道與小間距隧道的周邊圍巖的應力分布和結構受力狀態(tài)更為復雜，

20、中隔墻及中間巖柱將承受更大的圍巖壓力，因此在同樣地質(zhì)條件下，過渡段洞室支護參數(shù)的確定與優(yōu)化將與一般條件下同類洞室存在較大差別，技術要求更高。6.3.4 關鍵技術2過渡段 4、由于過渡段結構形式比較特殊，不僅初期支護需要邊開挖邊施工，甚至二次襯砌也需要分步施工，且支護結構在一定程度上還必須緊跟開挖面，這樣施工爆破對已施工完成的結構的影響就不能忽視。在大拱與連拱過渡段，要求大拱段二次襯砌施作完成并達到設計強度后才能對連拱段進行導坑開挖，連拱隧道中隔墻施作完成并達到設計強度后才能對左右主洞進行開挖；在連拱與小間距過渡段，要求連拱隧道中隔墻施作完成并達到設計強度后，才能對小間距隧道的內(nèi)側導坑進行開挖。

21、這樣在開挖爆破過程中如何保護已施作的結構是很重要的。 這里面包含對初期支護的保護與對二次襯砌的保護、為了達到保護的目的而需要采取的爆破裝藥方法與裝藥結構、各類支護結構的震動控制標準等幾個方面的內(nèi)容。 本路段共有三座分岔隧道，隧道縱坡均較大，如八字嶺隧道縱坡接近2.5%，根據(jù)本路段預測交通量及組成分析，各隧道均必須采用機械通風，因此需要考慮洞口送排風的相互影響。 6.4.1 關鍵技術3隧道通風方案 對于高速公路隧道，為了充分利用汽車通過隧道時產(chǎn)生的活塞風力，隧道內(nèi)的通風風流方向一般與行車方向一致，以節(jié)約運營期間的通風費用。因此，同一端的兩個洞口，一個排出的是污染空氣，另一個則要求吸入新鮮空氣。當

22、兩洞口相距較近時，必然會有部分排出的污染空氣被另一洞口重新吸入。盡管連拱隧道與小間距兩洞口相距較近，但由于隧道長度一般較短,且采用自然通風，因此基本上可以不考慮其相互影響，特別是對運營管理費用的影響不大。分岔隧道長度一般大于1000m，且采用機械通風，上下行隧道洞口相距較近所產(chǎn)生的影響則不能忽略。6.4.2 關鍵技術3洞口風流相互影響6.4.3 關鍵技術3左右洞的相互影響 目前國內(nèi)外對近距離雙洞送排風相互影響的相關研究還是處于空白狀態(tài)。為了做好分岔隧道通風設計，同時為今后洞口距離較近的其他隧道通風設計提供依據(jù)，必須對近距離雙洞洞口送排風的相互影響程度進行研究。擬采用三維流體分析軟件模擬不同間距

23、的雙洞隧道在不同的送風與排風狀態(tài)下隧道口部的空氣的流動和擴散規(guī)律，給出近距離雙洞隧道對相鄰隧道的影響程度。 對于洞口為四車道大拱的分岔隧道，由于洞口段雙洞合一，送排風流完全交織在一起，一般應考慮設置排風（送風）橫洞，以提高通風效率。 要完全消除兩洞口的相互影響，可以考慮某一隧道的全部廢氣（新鮮空氣）從橫洞中排出或送入，但是該方案的缺點是少部分地段隧道內(nèi)風流方向與行車方向反向，不僅通風功耗更高，而且當交通量變化較大是風流不易控制。 6.4.4 關鍵技術3洞口為大拱的隧道通風措施 洞口為連拱的分岔隧道通風方案，一般情況下可以考慮左右洞均采用全縱向通風。但是，由于洞口的相互影響，當隧道長度較長、需風

24、量較大時，可能會變得不經(jīng)濟，也不合理。此時應考慮對需風量較大的隧道設置送風或排風橫洞，僅讓少量廢氣或新風經(jīng)過洞口，以減少相互影響。 6.4.5 關鍵技術3洞口為連拱的隧道通風措施 在減少分岔洞口送排風相互影響的措施上，總體上看一般可以從三方面考慮： 如果洞口相互影響對通風運營費用影響不大時可不必采取防范措施。 如果洞口相互影響對通風風機配置影響較大，則應首先考慮采用建筑手段將左右洞口盡可能隔離起來。 如果隧道送排風量大，洞口相互影響對通風風機配置影響很大，應結合施工橫洞等優(yōu)化通風方案，以達到減少洞口送排風影響的目的。 根據(jù)上述原則，對于本路段的三座分岔隧道，漆樹槽隧道可不必采取措施，廟埡隧道可

25、考慮在洞口采取適當隔離措施，而八字嶺隧道則應以優(yōu)化通風方案為主。 6.4.6 關鍵技術3 減少分岔隧道通風相互影響的措施 對分岔隧道的研究已列入交通部西部科研項目 （1）分岔隧道在不同圍巖條件下支護參數(shù)的確定方法和巖柱寬度的留設方法。 （2）分岔隧道在不同圍巖條件下的合理施工工法。 （3）怎樣減少施工過程中施工爆破對中間巖柱及已施作結構的破壞。 （4）近距離雙洞洞口送排風相互影響效應，有效地指導分岔隧道、小間距隧道的通風設計。 （5）分岔隧道施工及運營期間圍巖和襯砌結構可靠性的總體評價方法。 7.1 分岔隧道科研介紹研究內(nèi)容 調(diào)查分析 數(shù)字計算 現(xiàn)場監(jiān)控量測 模型實驗 7.2 分岔隧道科研介紹研究手段首先完成六個子報告： 分岔隧道設計、施工與研究現(xiàn)狀調(diào)研報告 分岔隧道圍巖穩(wěn)定與支護參數(shù)優(yōu)化計算分析綜合報告 分岔隧道模型實驗及其計算分析綜合報告 分岔隧道爆破震動與損傷計算分析及現(xiàn)場監(jiān)測分析 綜合報告 分岔隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測及其反分析綜合報告 分岔隧道左右洞口送排風相互影響計算分析綜合報告在上述六個子報告的基礎上形成本課題的最終研究成果： 分岔隧道設計與施工關鍵技術研究綜合報告 分岔隧道設計施工指南 7.3 分岔隧道科研介紹預期研究成果7.4 分岔隧道科研介紹模型實驗 三維模型可以較好地模擬分岔隧道關鍵部位的變形機理、