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大断面隧道学习资料第1章大断面隧道设计技术近年来,随着我国公路和高速铁路建设的快速发展，大断面大跨度隧道不断涌现。在大断面隧道修建中，如何选择正确的施工方法，以保证工程的安全建设和经济效益是一个非常重要的课题。大断面隧道的跨高比大，导致围岩和衬砌的稳定性变差，必须从各方面包括断面结构设计，超前支护设计、开挖方法和方案，施工技术等方面进行分析研究，提出相应的处理方法。目前我国已建成不少单洞三、四车道公路隧道，隧道跨度最大达到23m左右，开挖断面面积达到250m2以上，有的地方还提出建设单洞五车道，甚至六车道公路隧道的设想，其隧道断面积将进一步增大。我国铁路隧道断面与公路隧道相比要小得多，大断面铁路隧道主要出现在近年来出现的高速铁路双线隧道中。由于考虑到高速列车在高速通过隧道时产生的强大空气动力学效应，其隧道断面积随着列车速度而加大。例如，350/h客运专线铁路双线隧道净空最大跨度达到12.6m（见图2.1），净空面积（内轨顶面以上面积）达到近120m2，开挖面积达到160m2以上。我国最大断面的铁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），其最大开挖断面积达164平方米，采用了三台阶七步流水作业法施工。大断面隧道的最大特征是隧道的力学问题。由于车道数的增加,宽度加大,而高度变化不大,使断面变得扁平。扁平大断面隧道与近圆形断面隧道相比，具有如下主要特征。开挖后的应力重分布变得不利。对于圆形隧道，在弹性介质、静水应力场中，开挖后周边的最大主应力是初始应力的2倍，当围岩强度小于围岩应力时，隧道周边围岩中将出现塑性区，需要施设支护结构来控制变形。而对扁平的大断面图隧道来说，随着高宽比（高度/宽度）的减少，围岩内的最大主应力和衬砌拱顶处的最大弯矩急剧增加（见图2.2），与近圆形隧道相比，将出现更大的塑性区和更大的变形，需要更强大的支护结构来保持隧道的稳定。底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力。力学分析结果表明,开挖后围岩应力在侧壁处比较大。特别是侧压系数小时，开挖宽度越大,围岩中的切向应力越大，衬砌中轴力也越大。底脚处的应力集中过大,要求较大的地基承载力。拱顶不稳定。隧道宽度的扩大将大大增加拱顶围岩内的拉应力，导致拱顶掉块等失稳现象。同时，拱顶处衬砌弯矩增加，导致衬砌开裂。因此，隧道断面的增大造成拱顶不稳定。图2.1 350km/h客运专线铁路双线隧道建筑限界和内轮廓高宽比图2.2 隧道拱顶弯矩比与高宽比的关系较大的松弛地压。开挖宽度越大,要求产生拱作用的埋深越大,在埋深作用不能发挥作用时,就会产生很大的松弛压力。因此,大断面隧道支护结构将承受更大的松弛荷载。支护结构的承载力相对较小。跨度越大,扁平形状的拱形支护结构支护条件不利，相对承载力变小。云桂铁路隧道采用了大断面的双线隧道，所穿过地区的地质条件非常复杂，主要不良地质有：岩溶、危岩落石、顺层偏压、有害气体（瓦斯）、高地温、高地应力，软岩大变形等。本培训将结合云桂铁路的特点，针对大断面隧道的以上力学特点，谈谈大断面隧道设计施工技术。1隧道断面尺寸表2.1为我国高速铁路隧道净空有效面积标准。表2.2为国际隧道协会的断面划分标准。表2.1 我国高速铁路隧道净空有效面积标准（m2）序号类别单线双线1200km/h 客运专线兼顾货物运输52（53.6）80(85)2250km/h 高速铁路58(60)923300～350km/h 高速铁路70100注：括号内数值为客运专线兼顾双层集装箱运输条件下，考虑特定接触网高度等因素的面积。表2.2 国际隧道协会的断面划分标准划分净空断面积（m2）超小断面3小断面3-10中等断面10-50大断面50-100超大断面1002大断面隧道设计内容大断面隧道设计包括：净空断面形式设计；衬砌结构设计；防排水设计；耐久性设计，隧道洞口形式及景观设计；通风照明和防灾救援设计；无咋轨道及隧道内相关设施设计等。由于时间的关系，为突出重点，本培训只谈净空断面形式设计和衬砌结构设计。3 高速列车通过隧道时产生的空气动力学效应3.1基本现象当高速列车进入隧道时，强烈冲击处于隧道中的静止空气场，空气的黏性以及隧道壁面和列车表面的摩阻作用使得被排开的空气不能像在隧道外那样及时、顺畅地沿列车两侧和上部形成绕流。于是列车前方的空气受到压缩，列车后方则形成一定的负压。这就产生一个压力波动过程。这种压力波动又以声速传播至隧道口形成反射波，回传，叠加，产生一系列复杂的空气动力学效应，同时，压力波以声速传播在隧道出口，骤然膨胀，产生微压力波并伴有影响环境的爆破噪音，并会对临近建筑物产生危害。图2.3显示出列车进入隧道引起的压力波动实态。图2.3 列车进入隧道引起的压力波动实态3.2产生影响高速列车通过隧道时，产生的压力波动过程引起一系列与隧道设计和运营密切