论文部分内容阅读
【摘要】经济的飞速发展使得城镇化建设进一步加快，交通工具的数量也在进一步增加。初期的城市规划及道路建设已经无法满足当今的社会需求。为了进一步满足社会需要，道路扩建等便势在必行。目前多数城市已不存在单行车道，而传统的双向八车道也日渐不能满足城市发展，改为向双向十车道扩建。道路车道增加必然会影响隧道修建，而大断面隧道的设计难度较以往隧道设计的难度更大。因此，主要从力学角度进行分析，对隧道支护技术及断面优化问题进行研究。
【关键词】大断面隧道;支护技术;断面优化问题;研究
大断面隧道修建难度较大，对技术等方面的要求普遍较高。目前国内大断面隧道修建主要集中在三车道，相关的施工规范等也主要是以三车道为主在力学、技术等方面规定。在大断面隧道建设中需要攻克的难题还很多，其中最急需解决的是随着隧道断面的进一步增大，隧道稳定性的保持。通过研究隧道洞室应力分布，加大结构的承载力的技术，对隧道施工工艺的提升及发展都有着非常重要的作用。虽然大断面隧道施工难度较大，但施工人员在施工前期进行合理规划，施工过程科学合理，那么整个工程顺利完工且质量达标也是相较容易的。
1、大断面隧道特性
大断面隧道做成拱形的原因主要是为了尽可能地增加车道。车道数量增加对隧道宽度及高度产生影响，从而导致最终形状为扁平的拱形。当然不同的断面形式对隧道力学承载会产生非常大的影响，所以隧道大断面设计过程中必须要考虑到力学因素。关于力学方面的考虑主要分为以下几个方面：
1.1基本力学特性
隧道设计及施工过程都必须要都考虑到力学因素，因为这关系到隧道修建的稳定性。隧道修建的目的是为了打通山体，让道路能够延续。打通山体修建隧道主要考虑的因素是岩石的承载。
隧道修建是将由岩石等组成的山体掏空部分，用作能通行的通道。为了保证隧道的稳固，岩石被掏空部分原本的承载就需要其周边岩石进行分担。简单说就是隧道不坍塌的前提是隧道周边岩体能够支撑住整个山体所受的重力。
修建隧道是能为保证交通，所以车道的多少是必须要考虑的一种重要问题，在岩石能够承载的范围内，车道数量越多，其隧道修建的意义更大。对于隧道而言，断面宽度加大，高度不变则最终呈现出来的形状就是拱形，站在力学角度分析即为椭圆。从力学角度分析形似椭圆的隧道，其底脚的承载力相对较大，而椭圆顶部的稳定性最差，易出现脱落情况，从而造成事故。为也是大断面隧道在修建过程中必须考虑的部分。对于断面而言，开挖的高度越高、宽度越大，拱产生的作用力也会越大，其危险系数越高。
1.2隧道大跨度力学特性
隧道车道越多，其跨度就越大，从而形成的断面形式可分为两种，即圆形和非圆形。当然圆形和非圆形力学分布情况也不相同。就圆形而言，断面的不同其应力的变化总体不大。但当圆形转变为非圆形后，应力影响变化则相应变大，断面的稳定性也会改变。总体而言，同等情况下圆形断面的稳定性要高于非圆形[1]。
1.3仰拱对大断面力学特性影响
隧道设计施工中，设置仰拱对整个隧道的稳定性有非常重要的作用。仰拱的存在能够一定程度上保证隧道施工的安全性及长期使用性。关于仰拱，其对隧道稳定性的影响如下：对结构承载力的提升，普通隧道断面的承载在10%左右，但设置仰拱降低周边位移后则可提升到20%;设置仰拱用于减少周边岩石塑性区深度则可提升到30%等[2]。
2、支护体系优化
2.1初期支护
隧道也就是围岩和支护结构的综合。在开挖隧道过程中会破坏山体地层的平衡，对隧道周围岩石产生形变等影响。隧道开挖用力过猛，或计算出现问题会造成隧道坍塌。为了避免出现坍塌，通常在隧道开挖后便立即进行支护。为将应力控制在合理范围内，以增加隧道的稳定性，从而保证施工能正常进行。隧道开挖后为保证后续施工而进行的小幅度支护即初期支护[3]。
为保证施工能够有序进行，隧道开挖过程中需要时时进行支护，这些支护之间存在的距离应该在一倍的洞径之内。隧道断面支护的方式分为喷锚支护、锚杆支护、喷射混凝土支护等多种方式，而随隧道开挖时时进行支护采用的方式通常为喷锚支护。而在整个隧道工程中使用最多的支护方式常常是以组合的形式出现，例如锚杆与喷射混凝土。锚杆与喷射混凝土组合使用是先通过喷射混凝土对初期洞室进行支护，再加以锚杆施工结尾。用以喷射的混凝土常常会增加凝结剂，以加快混凝土的凝结，这一方面是为了缩短工期，另一方面则是为了减少事故的发生。将混凝土喷射在隧道后，再在指定位置加装锚杆。锚杆的支撑与固定能够更好地稳固洞室，延长隧道的使用寿命。隧道中锚杆主要选取的是热轧无缝钢管，因为它的张力高，不会轻易出现折断等情况。钢管选定后在其一端装上钻头，并在钢管内部加注混凝土，然后打入巖石内部即可。隧道锚杆结构因与围岩成为一体，对其受力的分担更为有效。
2.2隧道预支护技术
大断面隧道施工必须解决的问题一方面是隧道稳定，另一个则是合理化施工。在解决隧道稳定性方面通常采取的方法是超前支护，具体可根据效果、构造等方面分为四个种类。当然这四种支护方式的应用也各不相同。就小导管注浆而言，主要应用在浅理段、砂卵石段、砂层段等处，当然在因地下水丰富而形成的松软围岩处也可应用。
对于管棚支护而言，其主要作用是增加施工钢管外岩的强度。管棚对隧道岩石的形变控制较强，并能够在一定程度上与其共同承担荷载。因为管棚施工是以钢管打入岩石内部构成支护体系，所以一定程度上也就成了围岩的一部分。此外还有超前锚杆和小钢管支护，超前锚杆主要适用在地下水少的隧道工程中。
2.3隧道断面优化
断面优化的前提通常是假定的，即以隧道内部的应力最小为基准，通过建模等方面确定最有利于隧道稳定的形状。应力集中程度最小情况下的断面形状，加上与之相匹配的支护，所修成的隧道稳定性最高。
隧道洞室形状选择的目的是为了隧道稳定最大化。这需要围岩应力分布均匀。隧道断面的扁平对隧道围岩的荷载影响较大，扁平率越小，荷载则随之增大。当然隧道高度与宽度的增加也会对隧道的稳定性造成影响。就目前施工的总体情况而言，当隧道的高度与宽度之间比例在二点零左右时是隧道比较理想的状态。这是因为隧道的拱顶位移跟水平收放基本持平，是开挖的最有利时刻。
结语：
综上而言，当大断面隧道的形式为椭圆时，因为隧道跨度大的原因会导致开挖过程中应力分布不均。椭圆形的隧道主要是扁平拱结构，其力学作用明显。目前国内公路建设施工技术不断发展，但隧道施工一直是各施工环节中较难的部分。断面隧道施工地形环境复杂多变，施工过程中突发情况众多，以力学为基础对断面隧道施工技术进行优化虽然能够在一定程度上保证隧道施工的安全稳定，但就发展需要而言还远远不够的，仅仅是其发展的一个参考。大断面隧道不管采用何种形状，其隧道底部均为主要受力处，不稳定的受力很容易造成事故发生。除了底部外，拱顶的受力不稳定也极易出现隧道坍塌情况。
参考文献：
[1]张俊儒，吴洁，严丛文，等.中国四车道及以上超大断面公路隧道修建技术的发展[J].中国公路学报，2020，33（1）.
[2]张青海.软弱地层大断面隧道施工方案与技术优化策略[J].城市建设理论研究（电子版），2018，276（30）：107-108.
作者简介：
李旻昊（13052219960829****），1996年8月29日出生，男，汉族，河北邢台，硕士，研究方向：隧道/地下空间工程。
【关键词】大断面隧道;支护技术;断面优化问题;研究
大断面隧道修建难度较大，对技术等方面的要求普遍较高。目前国内大断面隧道修建主要集中在三车道，相关的施工规范等也主要是以三车道为主在力学、技术等方面规定。在大断面隧道建设中需要攻克的难题还很多，其中最急需解决的是随着隧道断面的进一步增大，隧道稳定性的保持。通过研究隧道洞室应力分布，加大结构的承载力的技术，对隧道施工工艺的提升及发展都有着非常重要的作用。虽然大断面隧道施工难度较大，但施工人员在施工前期进行合理规划，施工过程科学合理，那么整个工程顺利完工且质量达标也是相较容易的。
1、大断面隧道特性
大断面隧道做成拱形的原因主要是为了尽可能地增加车道。车道数量增加对隧道宽度及高度产生影响，从而导致最终形状为扁平的拱形。当然不同的断面形式对隧道力学承载会产生非常大的影响，所以隧道大断面设计过程中必须要考虑到力学因素。关于力学方面的考虑主要分为以下几个方面：
1.1基本力学特性
隧道设计及施工过程都必须要都考虑到力学因素，因为这关系到隧道修建的稳定性。隧道修建的目的是为了打通山体，让道路能够延续。打通山体修建隧道主要考虑的因素是岩石的承载。
隧道修建是将由岩石等组成的山体掏空部分，用作能通行的通道。为了保证隧道的稳固，岩石被掏空部分原本的承载就需要其周边岩石进行分担。简单说就是隧道不坍塌的前提是隧道周边岩体能够支撑住整个山体所受的重力。
修建隧道是能为保证交通，所以车道的多少是必须要考虑的一种重要问题，在岩石能够承载的范围内，车道数量越多，其隧道修建的意义更大。对于隧道而言，断面宽度加大，高度不变则最终呈现出来的形状就是拱形，站在力学角度分析即为椭圆。从力学角度分析形似椭圆的隧道，其底脚的承载力相对较大，而椭圆顶部的稳定性最差，易出现脱落情况，从而造成事故。为也是大断面隧道在修建过程中必须考虑的部分。对于断面而言，开挖的高度越高、宽度越大，拱产生的作用力也会越大，其危险系数越高。
1.2隧道大跨度力学特性
隧道车道越多，其跨度就越大，从而形成的断面形式可分为两种，即圆形和非圆形。当然圆形和非圆形力学分布情况也不相同。就圆形而言，断面的不同其应力的变化总体不大。但当圆形转变为非圆形后，应力影响变化则相应变大，断面的稳定性也会改变。总体而言，同等情况下圆形断面的稳定性要高于非圆形[1]。
1.3仰拱对大断面力学特性影响
隧道设计施工中，设置仰拱对整个隧道的稳定性有非常重要的作用。仰拱的存在能够一定程度上保证隧道施工的安全性及长期使用性。关于仰拱，其对隧道稳定性的影响如下：对结构承载力的提升，普通隧道断面的承载在10%左右，但设置仰拱降低周边位移后则可提升到20%;设置仰拱用于减少周边岩石塑性区深度则可提升到30%等[2]。
2、支护体系优化
2.1初期支护
隧道也就是围岩和支护结构的综合。在开挖隧道过程中会破坏山体地层的平衡，对隧道周围岩石产生形变等影响。隧道开挖用力过猛，或计算出现问题会造成隧道坍塌。为了避免出现坍塌，通常在隧道开挖后便立即进行支护。为将应力控制在合理范围内，以增加隧道的稳定性，从而保证施工能正常进行。隧道开挖后为保证后续施工而进行的小幅度支护即初期支护[3]。
为保证施工能够有序进行，隧道开挖过程中需要时时进行支护，这些支护之间存在的距离应该在一倍的洞径之内。隧道断面支护的方式分为喷锚支护、锚杆支护、喷射混凝土支护等多种方式，而随隧道开挖时时进行支护采用的方式通常为喷锚支护。而在整个隧道工程中使用最多的支护方式常常是以组合的形式出现，例如锚杆与喷射混凝土。锚杆与喷射混凝土组合使用是先通过喷射混凝土对初期洞室进行支护，再加以锚杆施工结尾。用以喷射的混凝土常常会增加凝结剂，以加快混凝土的凝结，这一方面是为了缩短工期，另一方面则是为了减少事故的发生。将混凝土喷射在隧道后，再在指定位置加装锚杆。锚杆的支撑与固定能够更好地稳固洞室，延长隧道的使用寿命。隧道中锚杆主要选取的是热轧无缝钢管，因为它的张力高，不会轻易出现折断等情况。钢管选定后在其一端装上钻头，并在钢管内部加注混凝土，然后打入巖石内部即可。隧道锚杆结构因与围岩成为一体，对其受力的分担更为有效。
2.2隧道预支护技术
大断面隧道施工必须解决的问题一方面是隧道稳定，另一个则是合理化施工。在解决隧道稳定性方面通常采取的方法是超前支护，具体可根据效果、构造等方面分为四个种类。当然这四种支护方式的应用也各不相同。就小导管注浆而言，主要应用在浅理段、砂卵石段、砂层段等处，当然在因地下水丰富而形成的松软围岩处也可应用。
对于管棚支护而言，其主要作用是增加施工钢管外岩的强度。管棚对隧道岩石的形变控制较强，并能够在一定程度上与其共同承担荷载。因为管棚施工是以钢管打入岩石内部构成支护体系，所以一定程度上也就成了围岩的一部分。此外还有超前锚杆和小钢管支护，超前锚杆主要适用在地下水少的隧道工程中。
2.3隧道断面优化
断面优化的前提通常是假定的，即以隧道内部的应力最小为基准，通过建模等方面确定最有利于隧道稳定的形状。应力集中程度最小情况下的断面形状，加上与之相匹配的支护，所修成的隧道稳定性最高。
隧道洞室形状选择的目的是为了隧道稳定最大化。这需要围岩应力分布均匀。隧道断面的扁平对隧道围岩的荷载影响较大，扁平率越小，荷载则随之增大。当然隧道高度与宽度的增加也会对隧道的稳定性造成影响。就目前施工的总体情况而言，当隧道的高度与宽度之间比例在二点零左右时是隧道比较理想的状态。这是因为隧道的拱顶位移跟水平收放基本持平，是开挖的最有利时刻。
结语：
综上而言，当大断面隧道的形式为椭圆时，因为隧道跨度大的原因会导致开挖过程中应力分布不均。椭圆形的隧道主要是扁平拱结构，其力学作用明显。目前国内公路建设施工技术不断发展，但隧道施工一直是各施工环节中较难的部分。断面隧道施工地形环境复杂多变，施工过程中突发情况众多，以力学为基础对断面隧道施工技术进行优化虽然能够在一定程度上保证隧道施工的安全稳定，但就发展需要而言还远远不够的，仅仅是其发展的一个参考。大断面隧道不管采用何种形状，其隧道底部均为主要受力处，不稳定的受力很容易造成事故发生。除了底部外，拱顶的受力不稳定也极易出现隧道坍塌情况。
参考文献：
[1]张俊儒，吴洁，严丛文，等.中国四车道及以上超大断面公路隧道修建技术的发展[J].中国公路学报，2020，33（1）.
[2]张青海.软弱地层大断面隧道施工方案与技术优化策略[J].城市建设理论研究（电子版），2018，276（30）：107-108.
作者简介：
李旻昊（13052219960829****），1996年8月29日出生，男，汉族，河北邢台，硕士，研究方向：隧道/地下空间工程。