大断面市政隧道洞口段设计与施工技术研究

王罡

中国葛洲坝集团第三工程有限责任公司 陕西 西安 710000

引言

随着我国交通运输行业的快速发展，交通运输量的不断提高，大断面市政隧道也将会越来越多，大断面隧道所承受的压力大，受理条件复杂，非常容易出现围岩不稳定，隧道内部开裂等诸多问题。同时在大断面隧道洞口段设计施工的过程中也经常会出现塌方问题，甚至造成重大伤亡。造成大断面隧道洞口塌方的原因也是各种各样，比如地质环境、工艺结构、断面形式等等都会造成隧道的塌方。本文就对大断面市政隧道洞口的受力特性进行分析，找出造成断面的原因，为其断面形式的确定提供帮助。

1 大断面隧道的特点

在大断面的隧道中有着很多优点，既能够节约时间、减少距离，还能够使车速加快节约燃料，可是在大断面隧道洞口段的设计中还有着大量的问题。隧道所处的位置中岩体地质并非具有单一性，成分十分复杂，而正由于复杂性而增加了岩体情况的多变性，使得其稳定性被影响。在建设大断面隧道洞口时，因为其挖开的面积较大，极大地增加了岩体结构的不稳定性，目前，主要是按照双车道隧道的方式来规划大断面隧道的施工，但是大断面隧道普遍为四车道的，与双车道的公路隧道相比，跨度差不多为其两倍，要是还是根据双车道的方案设计，就会加大挖开的断面面积，增加了工程的造价费用，还降低了利用率。而要想合理的处理这个问题，就得降低隧道的扁平率，但又会影响到围岩结构的稳定性，特别是在主要为重应力场的隧道中，更多的问题也将持续出现。因此，不能将双车道隧道的设计运用在大断面隧道的建设中[1]。

2 隧道断面形式的制约

（1）通风面积。在设计隧道时，不仅需要让里面的高度达到隧道规定高度，还应该将隧道内的通风考虑进去。通风方式能够给隧道净空断面带来极大的影响，首先应该计算好隧道当中大概所需的通风量，接着思考自然通风与交通通风是否能够达到需求目的。

（2）建筑限界控制点。应该将隧道的全部建筑限界涵盖在隧道内轮廓线中，保证边界上的一切控制点在其中以满足限界的要求。

（3）受力标准。隧道洞口内轮廓的形状除了被上述条件所约束外，还会被受力标准影响，因此需要对其检算强度、安全系数与偏心进行严格控制，达到标准。

（4）施工技术。施工技术的优劣也会给隧道断面造成影响。在岩体施工项目中，特别是大规模的开挖工程，从开工到竣工的整个施工期间会花费较长的时间，而这些操作大多数都会破坏以往的平衡性，从而构建全新的平衡与稳定，会在此期间转换与调整岩体的力学与物理状态[2]。

3 断面形式的选择

就当前的隧道洞口段设计来看，大部分是采用了单心圆、三心圆或是五心圆的拱形断面，但是大断面隧道的拱形结构就要保持扁平，因为车道数量多，宽度大，为了节省工程成本，高度变化很小，所以就变得扁平。下面就Ⅲ级和Ⅳ级的围岩，对三心圆和五心圆从多方面进行了对比分析。

（1）围岩位移。在Ⅲ级围岩下，两种断面的围岩位移有相类似的规律，都是拱顶沉降，拱底隆起，洞边向洞里收敛。由于三心圆与五心圆在Ⅲ级围岩中各项特征都很相似，从围岩位移来说，两种均可。

在Ⅳ级围岩下，两种断面的围岩位移有相类似的规律，都是拱顶沉降，拱底隆起，洞边向洞里收敛，但位移分布的规律略有不同，三心圆断面会更好一些。

（2）围岩应力。在Ⅲ级围岩下，两种断面的围岩应力和分布有相类似的规律，两种断面的各项特征以及主应力的值差别也非常小。主应力的分布均是拱底大，拱脚小。所以从围岩应力这一方面来说，这两种断面的形式都可以。

在Ⅳ级围岩下，两种断面的围岩应力和分布有相类似的规律，两种断面的各项特征以及主应力的值差别也非常小。主应力的分布均是拱底大，拱脚小。所以从围岩应力这一方面来说，这两种断面的形式都可以。

（3）初衬力学。在Ⅲ级围岩中，三心圆断面形式和五心圆断面形式的弯矩分布以及初衬轴力都非常类似，区别不大，初衬的全断面均受压。三心圆与五心圆所承受的轴力也基本一致。从三心圆到五心圆的弧段变化对应力场的分布和量值的产生造成的影响非常小。在拱脚所受的拉应力上来说，三心圆所受拉力大于材料的拉应力值。两种断面弯矩的差别也很小，但，三心圆比五心圆的弯矩稍稍大一些。所以从这方面考虑，五心圆断面形式更合适一些。

在Ⅳ级围岩下，三心圆断面形式和五心圆断面形式在各方面都很相似，差别都不大，但在拱脚所受的拉应力上来说，三心圆所受拉力小于五心圆所受的。所以从这方面考虑，五心圆断面形式更合适一些。

4 需要解决的技术问题

现如今，我国虽然已经修建了非常多的大断面的隧道，但是对建设大断面的隧道洞口段设计还没有非常成熟的技术，目前还处于研究与试验阶段。也是因为我国的技术不成熟，所以在施工工艺和设计理论上时常借鉴采纳国外对大断面隧道的方法，导致我国现在也没有统一的执行标准。在以往的研究中也得到了非常多的经验，了解了大断面隧道比小断面隧道的难点，主要有以下几个方面：①断面尺度过大对受力分布的影响。②断面尺度过大对岩体和支撑保护构造件强度的影响。③因为隧道洞口尺寸过大，隧道开始挖掘的顺序也非常重要，会影响底层结构和应力的分布情况。④荷载也对隧道造成巨大的影响，隧道的荷载受多方面因素的影响，比如：突发、环境、静水、围岩、交通以及功能性荷载等等，这些荷载都会影响隧道的稳定性。其中围岩压力是相当大的荷载，严重影响隧道的稳定性，能否准确的得到围岩的性质和压力大小是现在面临的巨大问题。

5 结束语

随着我国社会的发展，经济的进步，交通行业的压力也越来越大，大断面隧道的研究与建立在不断进行，通过本文对大断面隧道洞口段设计特点的概述，分析现存在需要解决的问题，我国目前的建设道路任重而道远。