大断面公路隧道的过程设计方法研究

大断面公路隧道的过程设计方法研究

杜方

中国电建西北勘测设计研究院有限公司710065

摘要：随着我国经济的快速发展，公路交通的车流量与行车舒适度标准不断提高，导致公路隧道断面不断增大，隧道由两车道向三车道甚至四车道断面形式转变。由于车道数的不断增多，隧道开挖跨度也不断增大，如果按照一般两车道公路隧道的扁平率设计开挖断面，势必会产生施工过程中较大的开挖浪费和隧道建成后运营期间较大的空间浪费，造成断面利用率降低。因此，特大断面大跨隧道一般设计成扁平状。

关键词：大断面公路隧道；过程设计方法；隧道

公路隧道设计规范建议的公式是建立在对以往隧道松动荷载统计和分析的基础上，运用统计学理论形成的经验公式。普氏理论是俄国学者于十九世纪出提出荷载计算公式，它是一种带有经验性取值的理论公式。它的提出对地下工程理论产生了较大的影响，此后人们不断对它进行认识和修正，使它逐渐得到了广泛的应用。某公路隧道，采用公路隧道行业经常应用的公路隧道设计规范建议公式和普氏理论，并引入RMR围岩分级体系推荐公式，计算隧道的松动压力，分析对比计算结果，解决适用于特大断面隧道的荷载。

一、过程设计方法

结合隧道设计过程方法的特点为：重点考虑施工过程对隧道设计荷载的影响，设计荷载根据施工开挖步骤，逐步计算而成；松动区范围也不是静止的单一区域，而是随施工步骤在逐渐发展，最终形成一个稳定的松动范围。

1、现场监控试验。过程设计方法的核心问题是要寻找随开挖过程的松动区范围发展规律。本文通过龙头山隧道现场试验来分析施工过程中动态松动区范围的发展规律。隧道在K5+870断面埋入3套地表预埋式多点位移计数据有效。该断面围岩主要为全～强风化花岗岩，是V级围岩向IV级围岩的过渡段。隧道开挖工序依次为：左导洞上台阶开挖，右导洞上台阶开挖，右导洞下台阶开挖，左导洞下台阶开挖，核心土上台阶开挖，核心土下台阶开挖。

根据[1]的研究结果，工程上岩石破坏可以由拉应变是否超过临界拉应变判断，花岗岩临界拉应变值为0.25‰。另外，理论上也可通过岩石的单轴抗拉强度Rn与弹性模量E的比值来验证临界拉应变取值的合理性。经统计，强风化二长花岗岩单轴抗拉强度为1.5～2.0MPa，弹性模量约为3.42GPa，考虑到岩体强度与岩石相比，将有一定程度的减弱，当折减系数取2时，则岩体的极限拉应变为0.22‰～0.29‰。因此，从工程应用角度出发，极限拉应变值来确定围岩松动区范围。通过分析现场量测数据，可以求得径向方向的平均拉应变。当平均拉应变大于临界拉应变可认为进入松动区，并可求得不同工序下的松动深度。

根据现场监测得到的径向松动深度，并结合施工开挖步骤和顺序，现场试验分析表明：松动区范围并非一次形成，而是通过不同开挖工序逐步积累并最终形成。在开挖过程中，对于小洞室隧道普氏理论是适用的，并可求得小洞室的松动区范围。对于大跨度的隧道，状态设计方法不适用，因为实测松动区范围远小于状态设计法的计算结果(见表)。

2、过程设计方法的荷载计算

根据松动区的范围发展规律，并以相关假设作为基础，可以建立过程设计方法的应用模型。由于过程设计方法属于荷载–结构法，其核心问题是设计荷载的确定，为此重点讨论过程设计方法中松动荷载的计算。当导洞采用上下台阶开挖方法时，可简化为一次开挖的洞室。[1]的研究表明：当开挖跨度较小，且高跨比为1.0～1.5时，两种情况的松动区范围相差不大。小洞室之间松动区范围尽管存在一定的互相影响，但在一定距离以外时，其影响程度相对较小。研究表明：当双洞间距在0.75倍以上时，相互影响不大；对于2个已经施加初期支护的导洞，由于支护的影响，两者的松动范围影响将进一步减小。因此，为了考虑相邻导洞开挖时后行导洞对先行导洞松动荷载的影响程度，引入影响系数η，该系数可以通过经验确定。

3、总设计荷载。总设计荷载可通过小洞室(导洞)荷载组合而成。其中，垂直均布荷载通过加权平均得到，权重表示各导洞垂直荷载对总垂直荷载的贡献程度，以权重系数α(＜1.0)表示。侧向水平荷载依据公路隧道设计规范、普氏理论、泰沙基公式等计算，公式[1]的研究计算过程如下：

(1)普氏理论公式为：

式中：iq(i=1，2，3)为对应3个导洞的上覆垂直均布荷载；K为侧压力系数，一般取1.0；iH为各导洞洞室的埋深；c为岩石黏聚力；γ为岩石容重；ia为各导洞洞顶塌落宽度的1/2；ib为洞室宽度；ih为洞室高度；P为地面附加荷载。

二、过程设计方法的应用建议

过程设计方法是针对大断面隧道提出的，在应用过程设计方法计算松动荷载时，要注意以下几个方面的问题：

1、过程设计方法适用于求解围岩条件较差，能够产生松动压力或松动荷载的情况。

2、采用过程设计方法计算时，应注意对开挖方法进行合理的简化和抽象。

3、过程设计方法的应用中引入了影响系数η，它是一个经验值，由专家或经验丰富的设计人员确定，与围岩条件、开挖洞室的几何尺寸等因素有一定的关系。

4、采用过程设计方法时，可以从新的角度对一些问题进行讨论和解答。例如，以松动荷载为目标函数，认为荷载最小即为最优，则能够获得相同条件下最优的开挖方法和开挖顺序，能够得到相同条件的某一开挖方法下的最优开挖几何尺寸。

结论

1、建立了过程设计方法的计算公式。给出了三导洞开挖方式下，基于普氏和泰沙基公式的总垂直均布荷载公式。并在同济曙光有限元软件平台下开发了过程设计方法模块。

2、将过程设计方法分别应用于隧道。通过将过程设计荷载计算值与实测荷载对比表明：实测的松动压力整体上小于过程荷载计算值，过程荷载计算方法具有一定可靠性和实用价值，可作为过程设计方法的基本依据。

3、过程设计方法与状态设计方法既有区别又有联系。过程设计方法在计算小洞室(导洞)的松动荷载时，需要依赖普氏理论等传统的状态设计方法。两者的本质区别在于：状态设计方法为静态设计，过程设计方法则体现了动态设计的概念。当隧道的开挖方法简化为一次开挖时，过程设计方法即简化为状态设计方法。

参考文献

[1]朱合华，蔡永昌.大断面公路隧道的过程设计方法研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30

[2]夏才初，龚建伍.大断面小净距公路隧道现场监测分析研究[J].岩石力学与工程学报，2013，26(1)：44–50

[3]曲海锋.扁平特大断面公路隧道荷载模式及应用研究[博士学位论文][D].上海：同济大学，2012.06.