特大跨度隧道工程施工关键技术研究

第1章 特大跨度隧道工程特征 隧道作为交通基础设施的一种构造物类型，是交通线路穿越山体、水体、土体等障碍时的路径形式，其功能是满足人们交通出行时的安全需求。这种需求具有显著的时代性，是社会经济和社会技术发展的外在表现，其中，社会经济的发展为隧道工程的建造提供资金支持，社会技术的发展让隧道工程的建造成为可能。特大跨度隧道工程即是为满足当前人们交通出行的需求而出现，并伴随着社会经济和社会技术的发展而得以快速发展的。 1.1 特大跨度隧道界定 1. 隧道断面划分 日本和国际隧道协会采用隧道断面面积指标对隧道类型进行了划分，建议划分标准见表1.1和表1.2。 表1.1 日本隧道断面划分 表1.2 国际隧道协会断面划分 由表1.1和表1.2可知，日本和国际隧道协会的划分依据并不完全一致，日本基于开挖断面面积进行划分，而国际隧道协会则基于隧道净空断面面积进行划分。但根据表1.1和表1.2的划分标准，当隧道净空断面面积超过100m2时均已属于大断面隧道，因此利用断面面积划分隧道时常无法区别单洞两车道、单洞三车道、单洞四车道间隧道的差异性。 2. 隧道跨度划分 对属于大断面的单洞两车道和单洞三车道隧道，或同属超大断面的单洞三车道与单洞四车道隧道，利用隧道断面面积的表述形式不能对其做进一步的区分与表征。同时，在实际隧道工程建设中，公路隧道断面面积的增加主要源于隧道跨度增加，即隧道断面越大，隧道横断面越扁平。 因此，为表征隧道跨度的影响，我国依据隧道开挖跨度提出了公路隧道划分标准，见表1.3。 表1.3 公路隧道按开挖跨度分类 根据表1.3的划分标准，单洞四车道隧道属于特大跨度隧道，而对采用路基同宽的中短单洞三车道隧道而言，其开挖跨度也常常超过18m，亦属于特大跨度隧道。因此，特大跨度隧道指单洞三车道及以上的公路隧道。 1.2 特大跨度隧道构造特点 1.2.1 隧道断面扁平 隧道开挖高度与开挖宽度之比称为隧道扁平率，一般两车道隧道的扁平率在0.8左右，三车道隧道的扁平率在0.65左右，四车道公路隧道的扁平率在0.5左右。可见，车道数量越多(跨度越大)，隧道扁平率越小。隧道结构在开挖后应力重分布更不利于结构稳定，如隧道拱脚处应力集中显著增大；拱顶拉应力和下沉变形增加明显，易出现拉裂破坏而塌方，这些对隧道结构整体稳定性十分不利。 1.2.2 隧道临时支护措施多 受隧道断面尺寸、围岩条件、施工工艺及机械作业水平等因素影响，特大跨度隧道施工中除超前支护外，还需采用大量的临时支护措施(图1.1)，如临时仰拱、临时中墙、斜向钢支撑等，用以保障隧道施工安全。这些隧道临时支护措施施作、拆除均会对隧道衬砌支护结构受力产生重要的影响，是特大跨度隧道施工的重要特点。 图1.1 特大跨度隧道临时支护设计图 1.2.3 隧道衬砌荷载复杂 隧道工程作为一种半地下结构工程，与地上建筑结构相比，其荷载受周边围岩影响与控制，荷载作用模式与大小难以进行精准表述，现有的各类荷载计算方法也多适用于某一类工程环境和原岩应力场下的初次开挖条件。而对特大跨度隧道而言，除了上述问题外，特大跨度隧道荷载还受到隧道施工工法、工序及临时支护的影响。 以下通过Ⅴ级深埋条件下双向四车道、六车道、八车道连拱隧道的衬砌结构受力状态对比，以及不同时期下隧道衬砌支护指标的工程对比，说明特大跨度隧道荷载的复杂性。 1. 不同跨度隧道结构受力状况 模型尺寸：三种车道的连拱隧道埋深均为90m，模型尺寸为宽200m、高180m。 约束条件：底边界采用竖向位移约束；左、右两侧边界采用水平方向位移约束。网格划分见图1.2(双向八车道连拱隧道)。 图1.2 模型网格划分(双向八车道连拱隧道) 模型参数：隧道衬砌支护参数见表1.4。 表1.4 模型参数 分析对象：以左洞拱顶和左右侧拱腰三处特征点(拱顶A、左侧拱腰B、右侧拱腰C)(图1.3)为分析对象。 三种车道连拱隧道的衬砌内力和位移计算结果见表1.5。由表可知： (1) 八车道连拱隧道衬砌内力大于四 车道、六车道连拱隧道。前者相对于后两者，隧道初衬轴力在拱顶位置分别增大82.6%、19.1%，在左侧拱腰位置分别增大39.9%、15.5%；隧道二衬轴力在拱顶位置分别增大48.7%、18.6%，在左侧拱腰位置分别增大51.5%、32.7%；在右侧拱腰位置分别增大56.4%、23.8%。八车道连拱隧道拱顶负弯矩(净空内侧受拉)比四车道、六车道连拱隧道分别增大104.4%、18.3%；四车道连拱隧道左洞左、右两侧特征点没有出现负弯矩，而六车道、八车道连拱隧道均出现了负弯矩，其中八车道连拱隧道左、右侧特征点比六车道连拱隧道分别增大151.2%、313.9%。 (2) 在特征点位移方面，八车道连拱隧道拱顶位移均显著大于四车道、六车道连拱隧道，其中八车道连拱隧道要比四车道、六车道连拱隧道分别增大67.3%、27.0%；三者的水平收敛位移差异性更为显著，四车道连拱隧道水平特征点向隧道临空面内侧变化，而六车道、八车道水平特征点向隧道围岩内部变化，且八车道要比六车道增大126.5%。可见，跨度越大，连拱隧道拱顶沉降越大；水平收敛方向则随着隧道跨度增大由向临空面变形转化为向围岩内部变形。 表1.5 不同车道隧道特征点内力及位移值汇总 由以上分析可知，八车道连拱隧道支护受力状态比四车道、六车道连拱隧道更为不利，由此可表明作用在衬砌结构上的荷载与四车道、六车道连拱隧道相比更为复杂。 2. 工程案例对比 我国已建成的单洞四车道公路隧道工程设计信息见表1.6。由表可见，隧道工程随着建设年代的变化，其支护参数呈现逐步变弱的趋势。例如，洞口浅埋段二衬厚度由早期的80cm渐变为75cm、70cm、65cm、55cm，其他围岩级别的二衬厚度也类似。显然，早期大断面隧道的设计方案具有过大的安全储备，存在经济上浪费的可能。 表1.6 单洞四车道公路隧道统计表 根据调查和计算，广州地铁公纪区过渡段的80cm衬砌厚度能够满足结构上任一点的安全要求，即取传统荷载计算方法得到的松散荷载*大值为设计荷载，结构上的任一点均在规范要求的合理范围内；但相比之下，同是浅埋情况(即荷载基本相同)，福建省福州市的金鸡山隧道以55cm的衬砌厚度仍然能够保障安全，后者衬砌厚度减少了25cm。由此表明，特大跨度公路隧道的荷载计算方法还存在一定的不足，有待进一步研究。