【正文】 1 主講 : 譚忠盛 隧道工程設(shè)計(jì)與施工 北京交大隧道系 2 第五部分 隧道預(yù)設(shè)計(jì) 3 隧道設(shè)計(jì)分為：預(yù)設(shè)計(jì)和修正設(shè)計(jì)二類。 預(yù)設(shè)計(jì)指：通過(guò)施工前的地質(zhì)調(diào)查，按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，正確與否或與實(shí)際的符合程度，需通過(guò)施工的檢驗(yàn)。 修正設(shè)計(jì)指：通過(guò)施工中的調(diào)查和觀察，包括量測(cè)的驗(yàn)證等，而對(duì)預(yù)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正的設(shè)計(jì)，也可稱為設(shè)計(jì)變更或施工設(shè)計(jì)。 預(yù)設(shè)計(jì)以大致掌握安全性、施工性、對(duì)周邊的影響等為主要目的，其設(shè)計(jì)項(xiàng)目以下表中的① ④ 為主要對(duì)象。修正設(shè)計(jì)則著重在表中的⑤以下的項(xiàng)目，并修正預(yù)設(shè)計(jì)決定的項(xiàng)目。 一、 概述 4 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 預(yù)設(shè)計(jì) 修正設(shè)計(jì) ① 斷面形狀 ◎ △ ② 開(kāi)挖方法 ◎ △ ③ 對(duì)策 ◎ △ ④ 超前支護(hù) ◎ △ ⑤ 一次支護(hù) ○ ◎ ⑥ 二次襯砌及仰拱 ○ ◎ ⑦ 防排水 ☆ ◎ ⑧ 洞口部 ☆ ◎ ⑨ 量測(cè) ☆ ◎ ◎ ：詳細(xì)研究 ○：以需要的精度研究 △：有必要時(shí)修正 ☆：有必要時(shí)研究 預(yù)設(shè)計(jì)、修正設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目 5 6 二、 隧道凈空斷面的確定 在隧道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，隧道凈空斷面的標(biāo)準(zhǔn)化是關(guān)鍵。它直接決定了隧道的開(kāi)挖輪廓和形狀。 從公路隧道的功能出發(fā)，隧道凈空斷面應(yīng)確保以下必要的空間，而且要考慮穩(wěn)定性、施工性及車輛的走行性，確定合理的斷面形狀和尺寸。 道路寬度及建筑限界； 鋪裝、排水； 通風(fēng)設(shè)備； 內(nèi)裝； 監(jiān)視員通道； 其他。 7 這里所指的隧道凈空斷面是隧道襯砌和基底圍巖或仰拱所包圍的內(nèi)側(cè)部分的大小和形狀。 公路隧道不僅要提供汽車行駛的空間，還要滿足舒適行駛、交通安全、防災(zāi)等服務(wù)的空間。 因此，隧道的凈空斷面不僅要滿足要求的道路寬度及建筑限界，還要有設(shè)置通風(fēng)、照明、內(nèi)裝、排水、標(biāo)志等的設(shè)置空間，也要確保維修檢查的監(jiān)視員通道的設(shè)置空間。 隧道斷面應(yīng)具有合理適應(yīng)應(yīng)力流和變形的形狀，同時(shí)要適應(yīng)圍巖條件、凈空要求，一般都采用三心圓、五心圓等馬蹄形形狀。但從降低造價(jià)方面看，以采用簡(jiǎn)明、單純的單心圓斷面為宜。 8 日本標(biāo)準(zhǔn)凈空斷面 設(shè)定的基本方法有明確規(guī)定，對(duì)我們編制公路隧道的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。 （ 1）適用隧道：雙車道、自然通風(fēng)或縱向式通風(fēng)（并設(shè)2臺(tái)直徑 1500mm射流風(fēng)機(jī)） （ 2）建筑限界等 車道的建筑限界、空間的施工高度及監(jiān)視員通道上方的步行空間的設(shè)置，以及隧道路肩構(gòu)造示于圖。 9 （ 3）橫斷坡度 一般取 ~+%，來(lái)決定凈空半徑、下半斷面高度。 基底圍巖和鋪裝路面，如圖所示，要設(shè)置 %以上的中央排水管。鋪裝構(gòu)造為混凝土板 25cm、鋪裝路面 20cm ，中央排水管無(wú)有孔塑料管或高密度管（直徑 300mm）。 10 （ 4）路側(cè)部構(gòu)造 路側(cè)的構(gòu)造如圖，路側(cè)排水溝采用圓形水管（ 200mm）左右襯砌的基腳位置壁計(jì)劃路面高度低 50cm。 11 （ 5）通風(fēng)設(shè)備 采用 2臺(tái) 1500的射流風(fēng)機(jī) 。 （ 6）內(nèi)裝 設(shè)置在不影響凈空斷面的高度以下。監(jiān)視員通道設(shè)在隧道側(cè)部、其上部步行空間示于圖。 監(jiān)視員通道等構(gòu)造 步行空間的標(biāo)準(zhǔn)尺寸 12 （ 7）其他 標(biāo)志原則上設(shè)在殘余空間，不專門考慮。各種標(biāo)準(zhǔn)凈空斷面的典型例示于圖。 從建筑限界看，隧道的凈空斷面可以是直壁的，也可以是曲壁的。但從結(jié)構(gòu)受力角度看，多數(shù)國(guó)家，不管圍巖好壞，一律采用曲壁的凈空斷面。不僅如此，在底部與壁的連接處，也多采用圓順的沒(méi)有隅角的連接方式。隧道凈空斷面的形狀，直接影響隧道結(jié)構(gòu)的形狀。 13 三、 支護(hù)結(jié)構(gòu)的功能和作用機(jī)理 對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本要求 支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本作用：保持坑道斷面的使用凈空；防止圍巖質(zhì)量的進(jìn)一步惡化；承受可能出現(xiàn)的各種荷載；使坑道支護(hù)體系有足夠的安全度。因此，任何一種類型的支護(hù)結(jié)構(gòu)都應(yīng)具有與上述作用相適應(yīng)的構(gòu)造、力學(xué)特性和施工可能性。 理想的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下基本要求： （ 1）必須能與周圍圍巖大面積地牢固接觸 ，即保證支護(hù)一圍巖體系作為一個(gè)統(tǒng)一的整體工作。接觸狀態(tài)的好壞，不僅改變了荷載的分布圖形，也改變了兩者之間相互作用的性質(zhì)。 例如在通常礦山法中 ,早期臨時(shí)支護(hù)多采用木支撐，它與圍巖形成點(diǎn)的、任意部位的接觸，而鋼支撐雖然也是點(diǎn)接觸， 14 但位置是固定的，因而支護(hù)效果比木支撐優(yōu)越。在噴混凝土施工中，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖是全面而牢固地接觸，這與模筑混凝土與圍巖的接觸狀態(tài)是完全不同的，因而，支護(hù)效果也有顯著差異。 圍巖 — 支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸狀態(tài) 點(diǎn)接觸 面接觸 模筑混凝土 鋼支撐、木支撐 土質(zhì)隧道 噴混凝土、 有 回填層 泵送混凝土襯砌 接觸狀態(tài)的分類 15 由于接觸狀態(tài)的不同，對(duì)圍巖應(yīng)力分布，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)等都有著重要的影響。 例如： D類接觸，由于全面的牢固接觸，不僅能傳遞徑向應(yīng)力也能傳遞切向應(yīng)力，而且接觸應(yīng)力的分布比較均勻。同時(shí)也改善了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，支護(hù)效果較佳。 A類接觸，由于接觸點(diǎn)的不確定，圍巖壓力極不均勻。因此經(jīng)常出現(xiàn)襯砌受力異常，發(fā)生開(kāi)裂甚至喪失使用功能。我們目前的襯砌設(shè)計(jì)，基本上是按 D類接觸進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算的，即能全面地傳遞徑向及切向壓力，但從實(shí)際施工情況看，是難于保證這種狀態(tài)的。最多是 C類，有時(shí)甚至是 A類。設(shè)計(jì)條件與受力實(shí)踐是不符的。 16 四類接觸狀態(tài)的力學(xué)聯(lián)系大致如圖。 接觸不同，在支護(hù) — 圍巖體系中發(fā)生的力學(xué)過(guò)程也是不同的。這在建立某一種計(jì)算方法時(shí)是必須解決的。 現(xiàn)代支護(hù)理論的研究多數(shù)是以全面接觸為出發(fā)點(diǎn)的。因此，在施工作業(yè)時(shí)必須盡量實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。從現(xiàn)灌混凝土看，取消回填，采用混凝土泵 〈 或輸送器 〉 的灌注方法可以基本上滿足要求，噴射混凝土則能更好地滿足這個(gè)要求。 17 （ 2）重視初期支護(hù)的作用，并使初期支護(hù)與永久支護(hù)相互配合，協(xié)調(diào)一致地工作。 過(guò)去在支護(hù)處理上，常分為臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)兩種。臨時(shí)支護(hù)的主要目的是為了暫時(shí)地、迅速地控制坑道圍巖的力學(xué)過(guò)程，為永久支護(hù)創(chuàng)造有利條件。過(guò)去只把永久支護(hù)作為基本的承載的支護(hù)結(jié)構(gòu)，完全忽視了臨時(shí)支護(hù)的作用。目前隨著支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，逐步把臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)合并考慮，臨時(shí)支護(hù)亦作為永久支護(hù)的一個(gè)重要部分。噴射混凝土一錨桿支護(hù)就是一例。 18 臨時(shí)支護(hù)實(shí)質(zhì)上是初期支護(hù)，它是永久支護(hù)的第一步。目前很少采用木支撐，木支撐在多數(shù)情況下是要拆除的。這種拆除或頂替已承載支撐的作業(yè)，會(huì)造成圍巖的過(guò)度松弛及應(yīng)力的第二次分配。因此多采用鋼支撐或格柵，它在架設(shè)后不再拆除，而成為永久支護(hù)的一部分。這樣就大大減輕混凝土襯砌的負(fù)擔(dān)。使整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)變得經(jīng)濟(jì)、更為有效。噴射混凝土 — 錨桿支護(hù)的這個(gè)特點(diǎn)更為突出。因此，消除支撐頂替是對(duì)支護(hù)的一個(gè)重要要求。 應(yīng)該指出，坑道支護(hù)過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是控制坑道圍巖內(nèi)的應(yīng)力 — 應(yīng)變的變化過(guò)程。因此分階段地、有預(yù)計(jì)地進(jìn)行支護(hù)作業(yè)是很重要的。例如圍巖變形過(guò)大、過(guò)速，可以讓它變緩等。這就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性。 19 （ 3）要允許坑道 — 支護(hù)體系產(chǎn)生有限制的變形，以充分協(xié)調(diào)地發(fā)揮兩者的共同作用。 這就要求對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度、構(gòu)造給予充分地注意，即要求支護(hù)結(jié)構(gòu)有一定的柔性或可縮性。這樣可以充分發(fā)揮圍巖的承載作用而減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。 目前的支護(hù)結(jié)構(gòu)，其剛度相對(duì)地降低很多，即以采用柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)為主，與過(guò)去的剛性支護(hù)結(jié)構(gòu) — 現(xiàn)灌混凝土襯砌相比，厚度有了大幅度減小。柔性結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生一定的變形，使支護(hù) — 圍巖中的應(yīng)力重新調(diào)整。例如，在有利的條件下，接觸應(yīng)力 (徑向及切向的 )變得均勻，而支護(hù)結(jié)構(gòu)中的彎矩很小，基本上是受壓的。 20 已知 pa與 ua的關(guān)系如圖，不同剛度支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖達(dá)成平衡位移的 pa是不同的，與支護(hù)結(jié)構(gòu) 1相應(yīng)的位移為 uo+up1，支護(hù)阻力為 pa1，與支護(hù)結(jié)構(gòu) 2相應(yīng)的位移為 uo+up2,支護(hù)阻力為pa2，如不考慮 uo的話，可以看出 up2up1，而 pa2pa1，這說(shuō)明剛度大的支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的徑向應(yīng)力，柔度大的，支護(hù)阻力則減小。這要求在施工初期，要迅速地修筑支護(hù)結(jié)構(gòu)，但要具有一定柔性，使之與圍巖一起有控制地變形。這就是為什么我們強(qiáng)調(diào)早期柔性支護(hù)的理由之一。 21 （ 4）必須保證支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)及時(shí)。 支護(hù)過(guò)晚會(huì)使圍巖暴露、產(chǎn)生過(guò)度的位移而瀕臨破壞。因此 ,應(yīng)在坑道圍巖達(dá)到極限平衡之前開(kāi)始發(fā)揮作用。 坑道開(kāi)挖后要及時(shí)地、盡快地加以支護(hù)，其目的在于控制圍巖的初始位移。這一點(diǎn)在埋深小、圍巖差的情況下，尤其重要。因?yàn)樵谶@種場(chǎng)合，幾厘米徑向位移就會(huì)造成圍巖有害的松弛。如圖同樣剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，施設(shè)的時(shí)間不同，最后達(dá)成平衡的狀態(tài)也不同，如 2較 1所要求的支護(hù)阻力小，但這不等于說(shuō)，支護(hù)參與工作的時(shí)間愈遲愈好。因?yàn)槌跏甲冃尾患涌刂茣?huì)導(dǎo)致坑道的迅速松弛、崩塌。因此，原則上要對(duì)初始變形的增快速度加以限制。即避免圍巖產(chǎn)生有害的松弛。例如，當(dāng)初始位移達(dá)到 u0時(shí)再施設(shè)初期支護(hù)，就為時(shí)過(guò)晚。反過(guò)來(lái)說(shuō)，也并不是在所有情況下，都要求愈早愈好。 22 例如在埋深大的塑性圍巖中，位移即使達(dá)到 20~30cm，圍巖還是處在應(yīng)力釋放過(guò)程中。此時(shí)只要求能夠逐步控制這個(gè)變形的速度就可以了，過(guò)早地控制它的發(fā)展反而有害。 施工過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)的安全也是有影響的。所以要求不斷改變開(kāi)挖循環(huán)、襯砌時(shí)間、仰拱閉合時(shí)間、上半斷面開(kāi)挖長(zhǎng)度等，以使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)成為一個(gè)體系來(lái)維護(hù)圍巖的穩(wěn)定。 23 （ 5）作為支護(hù)結(jié)構(gòu)要能根據(jù)坑道圍巖的動(dòng)態(tài)及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整和修改，以適應(yīng)不斷變化的圍巖狀態(tài)。 這一點(diǎn)在傳統(tǒng)的木支撐條件下，也是較難實(shí)現(xiàn)的，而用現(xiàn)代支護(hù)技術(shù)，則可采取分次噴射、增設(shè)錨桿或調(diào)整其參數(shù) (間距、錨將直徑和長(zhǎng)度 )等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，作為支護(hù)結(jié)構(gòu)也要滿足易于施設(shè)、構(gòu)件可互換、斷面類型單一、便于改變剛性等施工性上的條件。 顯然，某一種支護(hù)結(jié)構(gòu)要完全滿足上述技術(shù)要求是很困難的，這就要求對(duì)各種類型的支護(hù)結(jié)構(gòu)有一正確的評(píng)價(jià)，以便根據(jù)變化的地質(zhì)條件進(jìn)行合理的選擇。 24 支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型 隧道的支護(hù)體系是由圍巖、初期支護(hù)、二次襯砌構(gòu)成，在某些條件下，還包括超前支護(hù)在內(nèi)。其中初期支護(hù)有：噴混凝土、錨桿和鋼支撐或格柵。超前支護(hù)，按日本的分類有短超前支護(hù)和長(zhǎng)超前支護(hù)。有時(shí)也把短超前支護(hù)列在初期支護(hù)內(nèi)。 根據(jù)圍巖條件和使用條件，可做如下分類： （ 1）無(wú)支護(hù)坑道（毛洞）； （ 2）單層襯砌，基本上由噴混凝土、鋼纖維噴混凝土或模筑混凝土構(gòu)成； （ 3）組合襯砌基本上由初期支護(hù)和二次襯砌構(gòu)成；是目前采用的主要支護(hù)體系，隔離層通常是采用防水板。 （ 4）裝配式襯砌； 25 支護(hù)體系的的選擇主要根據(jù)下述條件決定： （ 1）對(duì)預(yù)計(jì)的主要圍巖類型的評(píng)價(jià)； （ 2）對(duì)圍巖類別變化的適應(yīng)性； （ 3）對(duì)很大的或特殊地壓的適應(yīng)性； （ 4）對(duì)地下水性質(zhì)的適應(yīng)性； （ 5）經(jīng)濟(jì)； （ 6）作業(yè)時(shí)間消耗少。 從力學(xué)角度看，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)圍巖開(kāi)挖后的力學(xué)動(dòng)態(tài)、支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)作用來(lái)選定。除一些特殊情況圍巖以外，可以根據(jù)大部分隧道開(kāi)挖的力學(xué)動(dòng)態(tài)，按下表進(jìn)行選擇。 26 圍巖 支護(hù)的目的 主要的初期支護(hù) 輔助的初期支護(hù) 彈性位移收斂的良好的圍巖 防止圍巖風(fēng)化 飾面 噴混凝土 砂漿 — 少許掉塊產(chǎn)生松弛的圍巖 支持可能掉落巖塊的重量 阻止巖塊滑移 噴混凝土 局部錨桿 — 產(chǎn)生較大松弛和一部塑性化的圍巖 控制圍巖松弛； 形成內(nèi)壓，提供支護(hù)阻力 控制塑性區(qū)的發(fā)展 提高圍巖的承載能力 噴混凝土 系統(tǒng)錨桿 局部格柵 金屬