（山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 266590）

山嶺隧道設(shè)計(jì)時(shí)的主要洞門(mén)與支護(hù)形式

吳家康

（山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院 266590）

山嶺隧道設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，加上復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)情況，使得設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)存在諸多難點(diǎn)。本文通過(guò)列舉設(shè)計(jì)時(shí)的洞門(mén)形式與支護(hù)形式，總結(jié)了現(xiàn)有山嶺隧道設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可選擇的洞門(mén)形式與支護(hù)形式，為山嶺隧道的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了參考。

山嶺隧道；支護(hù)

1.研究的意義

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，對(duì)交通設(shè)施的需求量日益增大。為了方便兩地的交通往來(lái)，拉動(dòng)兩地經(jīng)濟(jì)文化交流，促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，方便兩地居民的往來(lái)，國(guó)家擬定修建多眾多的山嶺隧道來(lái)方便兩地的交通通訊。我國(guó)是個(gè)多山的國(guó)家，山地、丘陵和高原等山區(qū)面積眾多，高速、鐵路的修建大多需穿過(guò)山嶺地區(qū)，修建山地盤(pán)山公路成本高，工期長(zhǎng)，不方便兩地交流。隧道具有縮短線路長(zhǎng)度，提高道路的可靠性和安全性，以及在國(guó)防意義上存在的隱蔽性等優(yōu)點(diǎn)。“逢山開(kāi)道，遇水架橋”，在高速路的建設(shè)中，需修建山嶺隧道，以克服平面或高程的障礙，提高線路標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)運(yùn)輸能力，降低運(yùn)營(yíng)成本。

在山嶺隧道修建之前，需先進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)設(shè)計(jì)，以保證整個(gè)隧道在施工與使用期間的安全與高效性能。本問(wèn)的目的和意義在于，對(duì)山嶺隧道洞門(mén)形式與支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)，以保證山嶺隧道的設(shè)計(jì)時(shí)的可靠性。同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮環(huán)保問(wèn)題，要考慮隧道施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，施工中廢棄物對(duì)環(huán)境的影響，隧道洞門(mén)及其他的構(gòu)造物與環(huán)境的協(xié)調(diào)等，盡量適應(yīng)地形和地質(zhì)條件，避免高填深挖。在復(fù)雜的山區(qū)地形、地貌條件下，修建隧道不僅是線路設(shè)計(jì)的需要，而且要從保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境的角度考慮。同時(shí)還要進(jìn)一步做好地質(zhì)勘探和發(fā)展地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)。加強(qiáng)工程中的機(jī)械化程度，努力實(shí)現(xiàn)信息化施工。并充分總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為以后的設(shè)計(jì)施工做準(zhǔn)備。

2.隧道設(shè)計(jì)計(jì)算的過(guò)程

隧道設(shè)計(jì)計(jì)算是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其主要步驟如下：

山嶺隧道測(cè)量與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，整理工程概況。

2）山嶺隧道地質(zhì)條件分析，據(jù)此條件選擇洞門(mén)形式，并驗(yàn)算洞門(mén)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3）隧道襯砌荷載計(jì)算，即不同級(jí)別圍巖條件下的襯砌荷載以及相關(guān)的外荷載確定。

4）支護(hù)參數(shù)選擇，即通過(guò)對(duì)襯砌荷載的分析，進(jìn)行支護(hù)方案對(duì)比，確定隧道支護(hù)方案參數(shù)并驗(yàn)算。

5）隧道二次襯砌的鋼筋混凝土配筋計(jì)算。

6）隧道施工組織設(shè)計(jì)。

7）隧道監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)。

可見(jiàn)，洞門(mén)形式的選擇與支護(hù)形式的選擇在隧道設(shè)計(jì)時(shí)具有重要意義。

3.隧道洞門(mén)形式

洞門(mén)附近通常都比較破碎松軟，易于失穩(wěn)，形成崩塌。為了保護(hù)巖土體穩(wěn)定和使車(chē)輛不受崩塌、落石等威脅，確保行車(chē)安全，應(yīng)該選擇恰當(dāng)?shù)亩撮T(mén)形式，并對(duì)邊、仰坡進(jìn)行適宜的護(hù)坡。洞門(mén)設(shè)計(jì)主要是洞門(mén)墻的設(shè)計(jì)。洞門(mén)墻是用以阻止削坡坍塌的構(gòu)筑物，實(shí)質(zhì)上是為了加固地下建筑口部的洞門(mén)仰坡及與洞門(mén)相連的那部分路墊邊坡的擋土墻。此外，洞門(mén)墻還能把仰坡匯流的地表水引離洞口，洞門(mén)形式的設(shè)計(jì)應(yīng)抱枕運(yùn)營(yíng)安全，并與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)。常用的洞門(mén)形式如下：

端墻式洞門(mén)。由洞口襯砌和端墻組成的洞門(mén)稱為端墻式洞口。它用于仰坡巖層比較穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生很大的水平主動(dòng)壓力時(shí)的地下建筑口部。端墻式洞門(mén)一般適用于巖質(zhì)穩(wěn)定的Ⅲ級(jí)以上圍巖和地形開(kāi)闊的地區(qū)，洞口襯砌應(yīng)于洞內(nèi)襯砌連成整體，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。形式簡(jiǎn)便，施工方便，造價(jià)較低。

翼墻式洞門(mén)。由洞口襯砌和端墻，以及翼墻組成的洞門(mén)稱為翼墻式洞門(mén)。它用于巖層較差，仰坡不穩(wěn)定，可能產(chǎn)生很大水平主動(dòng)土壓力的地下建筑口部。翼墻式洞門(mén)適用于地址較差的Ⅳ級(jí)以下圍巖，以及需要開(kāi)挖路墊的情況。在端墻兩側(cè)設(shè)置的翼墻，能保證端墻的穩(wěn)定和支持洞口路墊邊坡，加固坡腳的作用。端墻應(yīng)與襯砌連成整體，以加強(qiáng)洞門(mén)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

柱式洞門(mén)。柱式洞門(mén)是在端墻上增加對(duì)稱的兩個(gè)立柱，不但雄偉壯觀，而且可對(duì)端墻局部加強(qiáng)，增加洞門(mén)的穩(wěn)定性。此種形式一般適用于城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、風(fēng)景區(qū)附近的隧道。

臺(tái)階式洞門(mén)。臺(tái)階式洞門(mén)在沿溪線傍山隧道半路墊情況下長(zhǎng)采用這種新式，為了適應(yīng)山坡地形，將端墻常做成臺(tái)階式。

環(huán)框式洞門(mén)。環(huán)框式洞門(mén)形式最簡(jiǎn)單，一般適用于洞口地形陡峭、巖層完整、堅(jiān)硬而且無(wú)風(fēng)化巖層，開(kāi)挖后邊坡和仰坡穩(wěn)固，坡面無(wú)坍塌可能，坡面上匯水量少，對(duì)隧道的施工和運(yùn)營(yíng)無(wú)影響。環(huán)框與洞口襯砌用混凝土整體灌注。當(dāng)洞口為松軟的堆積層時(shí)，通常應(yīng)避免大的仰、邊坡，一般采用接長(zhǎng)明洞，回復(fù)原地形地貌的辦法。環(huán)框上方及兩側(cè)仍應(yīng)設(shè)置排水溝渠，以排除地表水，防止漫流。

4.支護(hù)參數(shù)選擇

圍巖壓力與結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力是隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的基本荷載。明洞及明挖法施工的隧道，填土壓力與結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力是結(jié)構(gòu)的主要荷載。

由于隧道設(shè)計(jì)中貫徹了“早進(jìn)晚出”的原則，洞口接長(zhǎng)明洞的邊坡都不是很高，加之落石多為滾滑、跳躍落下，直接砸落在明洞上者少極少。而當(dāng)遇到大量落石和墜落高度較大的石塊，可設(shè)法避開(kāi)或者采取危石加固坡面等措施，故一般情況下落石沖擊力可不考慮。

當(dāng)有落石危害須檢算沖擊力時(shí)，則只計(jì)洞頂填土重力和落石沖擊力的影響。落石沖擊力的計(jì)算，目前研究還不算深入，實(shí)測(cè)資料也很少，故對(duì)其計(jì)算未做規(guī)定，具體設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或有關(guān)計(jì)算驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)山嶺公路隧道建筑物時(shí)，一般需考慮列車(chē)荷載及公路車(chē)輛荷載，只有當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受公路車(chē)輛荷載及列車(chē)荷載才按有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

作用在襯砌上的荷載，按其性質(zhì)也可以區(qū)分為主動(dòng)荷載是因結(jié)構(gòu)變形壓縮圍巖而引起的圍巖被動(dòng)抵抗力，即彈性抗力它對(duì)結(jié)構(gòu)變形起限制作用。

主動(dòng)荷載包括主要荷載和附加荷載。計(jì)算荷載應(yīng)根據(jù)這兩類荷載同時(shí)存在的可能性進(jìn)行組合。在一般情況下可僅按主要荷載進(jìn)行計(jì)算。特殊情況下才進(jìn)行必要的組合，并選用相應(yīng)的安全系數(shù)檢算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

被動(dòng)荷載主要指圍巖的彈性抗力，它只產(chǎn)生在被襯砌壓縮的那部分周邊上。其分布范圍和圖式一般可按工程類比法假定，通常可作簡(jiǎn)化處理。

在理論計(jì)算方法中，考慮幾個(gè)主要因素，使其結(jié)果相對(duì)地接近實(shí)際圍巖壓力的情況，是目前隧道工程設(shè)計(jì)中采用較多的方法。一般來(lái)講，都是以某種簡(jiǎn)化的假設(shè)為前提，或以實(shí)際工程的統(tǒng)計(jì)分析資料為基礎(chǔ)，因此，大都有一定程度的局限性。

隧道結(jié)構(gòu)是地下建筑結(jié)構(gòu)的重要組成部分，它的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)地層的類別、使用功能和施工技術(shù)水平等進(jìn)行選擇。

按照結(jié)構(gòu)形式的不同，隧道結(jié)構(gòu)一般可分為半襯砌結(jié)構(gòu)、厚拱薄墻襯砌結(jié)構(gòu)、直墻拱形襯砌結(jié)構(gòu)、曲墻結(jié)構(gòu)、復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)和連拱隧道結(jié)構(gòu)等形式。

半襯砌結(jié)構(gòu)。在堅(jiān)硬巖層中，若側(cè)壁無(wú)坍塌危險(xiǎn)，僅頂部巖石可能有局部滑落時(shí)，可僅施做頂部襯砌，不做邊墻，噴一層不小于2cm厚的水泥砂漿護(hù)面，即為半襯砌結(jié)構(gòu)。

厚拱薄墻襯砌結(jié)構(gòu)。在中硬巖層中，拱頂所受的力可通過(guò)拱腳大部分傳給巖體，充分利用巖石的強(qiáng)度，使邊墻所受的力大為減少，從而減少邊墻的厚度，形成所謂的厚拱薄墻結(jié)構(gòu)。

直墻拱形襯砌結(jié)構(gòu)。在一般或較差巖層中的隧道結(jié)構(gòu)，通常是拱頂與邊墻澆筑在一起，形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，即直墻拱襯砌結(jié)構(gòu)，這是一種被廣泛應(yīng)用的隧道結(jié)構(gòu)形式，如鐵路隧道等。

曲墻襯砌結(jié)構(gòu)。在很差的巖層中，巖體松散破碎且易于坍塌，襯砌結(jié)構(gòu)一般由拱圈、曲線形側(cè)墻和仰拱形底板組成，形成所謂的曲墻襯砌結(jié)構(gòu)。該種襯砌結(jié)構(gòu)的受力性能相對(duì)較好，但對(duì)施工技術(shù)要求不高，這也是一種被廣泛應(yīng)用的隧道結(jié)構(gòu)形式，在公路隧道中宜采用曲邊墻拱形斷面。

復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。復(fù)合式襯砌把襯砌結(jié)構(gòu)分成兩層或兩層以上，目前大都采用外襯和內(nèi)襯兩層。最常用的外襯是噴錨支護(hù)，內(nèi)襯是整體式混凝土襯砌。復(fù)合式襯砌的初期支護(hù)施作及時(shí)，且與圍巖結(jié)合密切，從而能保護(hù)和加固圍巖，充分發(fā)揮圍巖的自承能力。二次襯砌完成后，襯砌內(nèi)表面光滑平整，可以裝飾內(nèi)壁，增強(qiáng)安全感，是一種較為理想的結(jié)構(gòu)形式，目前應(yīng)用廣泛。

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1007-6344（2017）04-0094-01