试论连拱隧道的优化设

　　摘要：公路连拱隧道是高速公路特别是山区高速公路建设中的一种特殊结构。文章重点从拱隧道中墙的设计形式、防排水等方面介绍该隧道的设计及配合现场施工一些体会，希望对今后类似工程提供一些借鉴经验。
关键词：连拱隧道，优化，设计
引言
在高等级道路中采用隧道的方案越来越多，连拱隧道作为隧道方案的一种特殊的结构形式，由于其自身的优越性，目前在我国的道路建设中采用越来越多。由于连拱隧道是一新型的结构形式，在设计和施工中尚处于探索阶段，因此，有必要对连拱隧道设计方案进行优化，以促进连拱隧道的大量推广。
1连拱隧道结构形式的特点
1.1整体式中墙结构
整体式中墙结构与单洞隧道的主要区别在于中隔墙和排水系统，其中墙在中导洞贯通后即浇筑，它既是初期支护和二次衬砌的支撑点，又是防水层的支撑结构。洞室开挖后初期支护支撑于中墙，而防水层则绕过初期支护与中墙的结合部越过中墙顶与洞室内其他防排水设施形成完整的排防水系统，中墙的中央纵向每隔一定间距埋设竖向排水管以排除中墙纵向排水管的水流。与整体式直中墙相比较，除了在驾驶员视觉效果较好外，其余方面多不如直中墙结构合理，故而已经很少采用该结构。

图1整体式直中墙断面结构形式图2整体式曲中墙断面结构形式
1.2复合式中墙结构
复合式中墙在结构整体受力及中墙防排水方面克服了整体式中墙断面形式的不足，因此国外已经普遍采用了该结构形式。复合式中墙结构与传统的整体式中墙结构不同，由于不需要在中墙顶部设置防排水设施，因而复合式中墙顶部可以与中导洞洞顶围岩紧密相接，这样就克服了直中墙连拱隧道中导洞与中墙之间存在空洞的缺陷。而且，复合式中墙结构二次衬砌时，整体式衬砌台车利用率高，可节省投资，加快施工进度，减少直中墙不对称受力的影响。
1.3影响连拱隧道中墙设计的因素
（1）隧道的建筑限界；（2）中墙电缆沟或排水沟的大小；（3）隧道的地形地质条件和埋深；（4）隧道的施工方案；（5）洞外路基中央分隔带宽度；（6）洞外线型及其过渡方式；（7）隧道防排水结构。中墙厚度主要取决于中墙顶部围岩压力、中墙底面的承载力和中墙底面的宽度，以及施工时的侧向推力，通常整体式中墙厚度相对较薄，复合式中墙相对较厚。
表1中墙结构技术经济比较

2连拱隧道病害原因分析
传统的整体式直墙连拱隧道在我国已修建了多座，大量的工程实践表明，连拱隧道普遍存在中墙渗漏水问题和衬砌开裂现象，分析其病害形成原因，主要由以下几个原因造成:l）整洞二次衬砌于中墙之间的纵向施工缝是连拱隧道的一个薄弱结构环节；2）中墙顶部防排水系统施作困难，防排水系统难以保证施工质量，防排水系统的失效造成水流四溢，水流自隧道衬砌“三缝”的薄弱环节流出，间接造成衬砌结构的破坏；3）中墙部位的细节构造要求过高，施工中如果施工方案不合理，很难达到设计要求，造成中墙结构与整洞衬砌接缝脆弱，而衬砌又非一个完整的受力结构，直接造成衬砌开裂病害的发生。
3连拱隧道设计的优化
3.1连拱隧道中墙厚度确定
中导坑开挖后，中墙厚度主要受中导坑拱部围岩压力大小、连拱隧道不对称施工产生的侧向推力、是否设置中墙水沟以及洞外线路条件等因素的影响。整体直中墙厚度一般不小于1.5m，不大于2.0m。整体直中墙厚度小于1.5m时，对中墙的受力及施工过程中的稳定性不利；厚度大于2.0m时，工程量增大较多，造成浪费。整体式中墙厚度不宜小于1.5m，复合式中墙厚度不宜小于2.0m。整体式直中墙厚度为1.5m时，最有利于连拱隧道洞外路线布设。中墙厚度大于2.5m时，可考虑复合式中墙构造，既可以解决防排水问题，也可以节省工程量。当中墙厚度大于4m时，应考虑小净距隧道方案。
3.2连拱隧道中隔墙外形优化
不论是墙体顶部还是底部，其局部竖向压应力极大值都随着曲率的增大而减小，随着曲率的增大，墙体顶部和底部的应力减小的程度也越来越小。所以，在不影响施工的情况下，偏压连拱隧道中隔墙的顶部和底部采用适当的大曲率弧线对改善墙体在施工过程中的受力状况效果是比较显著的，但是不宜过大，以免造成应力集中。另外，洞门设计要结合地形情况、地理位置，还要结合地区与民族特点。
3.3连拱隧道防排水方案优化
连拱隧道的防排水，涉及有地面和洞内纵、环和垂直方向三维空间的防水、排水，有洞内隐蔽管道、暗沟和洞外明沟的防水排水，因而是立体空间的防排水系统工程。一般连拱隧道的防排水体系具围岩注浆堵水、喷射混凝土与防水层之间的排水、防水层、防水层与二次衬砌之间的排水、中墙防排水、二次衬砌混凝土的防水、隧道的排水系统。
（1）疏导排水
关于围岩疏导排水，《公路隧道设计规范》作出如下规定：地下水出露处，应在衬砌背后设置竖向盲沟，或以排水管槽）、钻孔等引排。当水量较大、出水面广时，衬砌背后应设置环向、纵向盲沟组成的排水系统，将水集排至排水沟内，还可根据需要设置反滤层。当地下水发育，含水层明显，又有长期充分的补给来源时，可根据实际情况，利用辅助坑道排水或设置泄水洞等截、排水设施。目前工程上使用较多的疏导排水措施是，在出水量较大、出水面较广的隧道区段，在初期支护的喷射混凝土与防水层之间设置环向或竖向排水管。环向和竖向排水管通常为弹簧排水管、带进水孔的波纹塑料管。
（2）管沟排水
从围岩渗出的地下水，经疏导后进入隧道的纵向排水盲管，再经与纵向盲管相通的横向盲管流入路面两侧的排水沟或路面下部的中心排水管，最后经隧道出水口排出隧道。为了使水能顺畅地完成整个流程，公路隧道设计规范对管沟排水等作了若干规定：水沟坡度应与路线坡度一致，一般排水坡度不小于0.5%，困难地段不小于0.3%。路面横向排水坡度不应小于1.0%，横向排水盲管坡度不应小于2.0%。隧道内宜设置双侧水沟，有仰拱的隧道或需设置深埋水沟的隧道宜设置中心水沟。水沟的侧面应设置足够的进水孔。水沟过水断面应根据水力计算确定。必要时，水沟应设置沉沙井，检查井，并铺设盖板，其位置、结构构造应考虑便于清理和检查。[!--empirenews.page--]
（3）路面底部的排水系统设计
路面底部的排水系统设计包括，侧边墙的纵向排水管、横向排水管、中央排水管、检查井、沉沙井。路面底部排水系统目的是将围岩内渗流入隧道内的水通过隧道洞周的防排水体系汇聚于下部的排水系统，通过下部排水系统将地下水及时排出洞外，防止水流汇集于洞周并对隧道产生水压力。
（4）隧道洞口防排水
隧道开挖前应做好防封陈处理工作，如山顶、坡面低洼或沟槽应整平并做好排水设施。结合洞口的地形情况，设置洞门墙排水沟以及在洞口上方设置截水沟，防止雨水对坡面、洞口的危害，引地表水至路基边沟或洞门外端自然沟谷，以此形成完善的洞外排水系统。
3.4通风设计
内轮廓线净高在应能满足隧道建筑限界净高要求的此基础上，还应考虑通风要求。隧道的净空断面受通风方式的影响很大，在选择通风方式时，首先需要决定隧道内所需的通风量，然后讨论自然通风和交通风能否满足需要。考虑隧道发生的火灾因素,全线隧道均采用机械通风。射流风机悬挂在衬砌的拱部,每两台一组,分组布设。安装时风机的任何部分不得侵入建筑限界。
3.5连拱隧道洞外接线方式
确定了连拱隧道的断面形式及行车道间距后，根据连拱隧道所处的位置选择不同的接线方式。
（1）保持路线中线不变，隧道上行、下行线路行车道中线向两侧各偏移，中间过渡段采用两段反向的三次抛物线过渡，且长度不宜小于50m。
（2）保持上行或下行）线路行车道中线不变，线路中线向下行或上行）线路侧偏移，下行或上行）线路行车道中线向外侧偏移，中间过渡段一般采用两段反向的三次抛物线过渡。
（3）隧道洞外位于曲线上，可保持线路中线不变，调整洞外上行、下行线路行车道中线曲线半径，使上行、下行线路行车道中线的间距加宽。一般情况下，直线上的连拱隧道以直中墙为宜，选择（1）过渡较好；曲线上的连拱隧道可选直中墙或曲中墙，以曲中墙为宜。
3.6其他
隧道内轮廓还应考虑通风、照明、安全、监控等内部装修设施所必需的富余量，并根据施工方法传统矿山法或新奥法）确保断面形状及尺寸有利于隧道的稳定。从经济观点出发，内轮廓线又应尽量减小隧道的体积，使土石开挖量与污工砌筑量为最少。因此，内轮廓线一般紧贴限界，但又不能如限界般曲折，要平顺圆滑，以使结构在受力及围岩稳定方面均处于有利条件。总之，内轮廓线应最大限度地保证确定后的断面形式及尺寸安全、经济、合理。
参考文献：
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[4]陈秋南.张永兴,刘新荣,包太.连拱隧道的设计理论与动态施工力学研究[J].地下空间,2005,(01)

《试论连拱隧道的优化设》

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