终南山隧道内轮廓及衬砌结构设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 总第１２５期　２００６年第９期　西部探矿工程　ＷＥＳＴ—ＣＨＩＮＡ　ＥＸＰＬ０ＲＡＴ１０Ｎ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ｓｅｒｉｅｓ　Ｎｏ．１２５　ｓｅｐｔ．２００６　文章编号：１００４—５７１６（２００６）０９－－０１５８—０３　中图分类号：Ｕ４５１＋．４文献标识码：Ｂ　终南山隧道内轮廓及衬砌结构设计　赵录学　（铁道第一勘察设计院，甘肃兰州７３００００）　摘要：终南山公路隧道是目前我国最长、世界排名第二的特长公路隧道。隧道内设置交通监视和控制，通讯，环境检　测，运营通风，照明，报警、消防，供电，中央控制８个监控及防灾系统，另外埋深大、地应力复杂、岩石坚硬、易产生岩爆是　本隧道主要地质特点。其内轮廓及衬砌结构设计需综合考虑多种因素的影响。　关键词：特长隧道；设计；内轮廓；衬砌结构　ｌ　概述　０．３　下坡出洞。　２地形、地质简况　西安至安康高速公路是交通部规划的西部开发省际公路通　道“内蒙古阿荣旗一西安一重庆一广西北海”（简称阿北线）和“银　川一西安一武汉”（简称银武线）的重要组成部分，也是陕西省规　划的以西安为中心的“米”字公路网主骨架中贯通南北中轴极其　秦岭主峰牛背梁高程为２８０２ｍ，岭脊大致为东西向展布，各　垭口西高东低。地形有北坡陡南坡缓，北低南高的特点。北坡石　砭峪纵坡较缓，地形开阔，支流发育。南坡有太峪河、老林河、龙　潭沟等支流呈树枝状分布，汇入乾佑河。　重要的路段。秦岭终南山特长隧道作为上述两条公路干线共用　段上的控制性特大工程，在路网规划中占重要位置。隧道位于西　安至柞水段青岔乡与营盘镇之间，全长１８．０２０ｋｍ，为两座平行的　双车道特长公路隧道，中线间距３０ｍ，隧道建筑限界净高５．００ｍ，　净宽１０．５ｍ。终南山隧道由石砭峪垭口翻越秦岭地区。东线隧　道进口中线距铁路秦岭Ⅱ线隧道中线间距１２０ｍ，出口中线距铁　路秦岭Ⅱ线隧道中线３０ｍ。隧道进口高程８９６ｍ，出口高程　１０２６ｍ，洞内为人字坡，最大纵坡为１．１　，进洞后２．８ｋｍ为　０．３　上坡，接着ｌ１．７ｋｍ为１．１　的上坡，然后以长约３．４ｋｍ的　秦岭终南山特长公路隧道横穿秦岭东西向构造带，该带历　经了多期构造运动、变质作用、岩浆活动和混合岩化作用，地质构　造和地层岩性复杂。隧道通过地层大部分为混合岩类，岩性较　好；部分通过大理岩带。路线行经的片岩带和含绿色矿物质的混　合花岗岩带，岩体较破碎，工程性质较差。通过的区域断裂为：　Ｆ１秦岭北坡山前区域性断层，宽约１００　５００ｍ￣Ｆ２小峪街区域　性断层，宽约７Ｏ～２００ｍ；Ｆ３南四岔至西翠华断层，宽约５Ｏ～　７Ｏｍ；Ｆ４大板岔至板庙子断层，宽约２００ｍ左右；Ｆ５龙窝沟至莫　设计，掺用粉煤灰及高效减水剂，以减少水泥用量，降低水泥水化　灰比宜在０．５～Ｏ．５５间，坍落度宜在１５～１８ｃｍ间。　热温升，加强洒水养护。　砼在浇筑前应与钢筋、模板完成工序交接，确保没有问题时，　才能开始浇捣。钢筋等原材必须送检合格，钢筋安装规格、尺寸、　数量、位置准确无误；模板、尺寸形状与设计相符，加固牢靠，堵头　接缝紧密，确保支撑能符合施工时的一切应力。　由于混凝土硬化期间水化过程释放的水化热和浇筑温度所　混凝土的配制：混凝土的配制宜选用级配良好的自然连续级　配粗骨料。细骨料以中粗砂为宜。应严格把关各种原材料的配　合量，其余量允许误差为：水泥、掺合料士２　，粗细骨料士３％，　水、外加剂士２　，粗细骨料的含泥量应严格控制，粗骨料控制在　士１％，细骨料控制在士２　。混凝土在拌和前应预先做好试配工　作，以便发现问题及时记录反馈。　混凝土的振捣：混凝土的振捣用振动棒和附着式振动器加以　振捣密实。振捣时要做到：“快插慢拔”，振捣过程中，宜将振动棒　上下抽动，使上下振动均匀。　混凝土养护：隧洞混凝土采用保湿法养护，在混凝土浇筑完　产生的温度变化和混凝土收缩的共同作用，由此产生的温度应力　和收缩应力，是导致结构出现裂缝的主要因素，因此，主要采用减　少水泥用量以控制水化热，降低混凝土出机温度以控制浇筑温　度，并采取保温养护等综合措施来限制混凝土内部的最高温升及　其内外温差，控制裂缝并确保高温情况下顺利泵送和浇筑。在选　择配合比时，选择了添加外加剂和粉煤灰已减少水泥用量及降低　水化热。在混凝土中掺加粉煤灰，能改善混凝土的粘聚性和可泵　性，还可节约水泥用量，降低混凝土内部温度。　因为混凝土浇筑采用泵送工艺，泵送过程中，常会发生输送　管堵塞故障，故提高混凝土的可泵性十分重要。泵管上须遮盖湿　麻袋，并经常淋水散热。混凝上中的砂石要有良好的级配，碎石　后２ｈ内就需洒水养护，使浇筑后的混凝土在适宜潮湿的条件下　防止混凝土产生干缩裂缝，同时可使水泥的水化作用顺利进行，　提高混凝土的极限抗拉强度。　４结束语　在混凝土施工中，混凝土的质量是核心，只有提高施工中的　各个环节的技术管理，确保各环节的施工质量，才能保证混凝土　的施工质量。　最大粒径与输送管径之比宜为１：３，砂率宜在４Ｏ　～４５　间，水　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６矩　赵录学：终南山隧道内轮廓及衬砌结构设计　１５９　第９期　西坪断层，宽约３０￣ｌＯＯｍ；破碎带均为富水带或强富水带。隧道　最大埋深１６００ｍ，埋深超过ｌＯ００ｍ地段约４ｋｍ。可能发生的地　质灾害主要为岩爆、突涌水及围岩失稳。　３隧道建筑限界及衬砌内轮廓　３．１隧道建筑限界　隧道建筑限界净高５ｍ，净宽１０．５０ｍ，其中行车道宽２ｍ×　使衬砌圆顺、受力合理，以提高隧道开挖后的整体稳定及施工安　全，采用曲墙衬砌。　（２）结合本隧道拟采用设三竖井纵向运营通风方式，主隧道　内尚需在拱顶按一定间距安装射流风机进行调压，以满足隧道　内风量和洞内合理风速要求，同时考虑预留静电除尘装置等，确　３．７５ｍ；为充分利用行车道，保证行车安全，在行车道两侧设　定其内轮廓。　（３）根据隧道交通工程及运营设施的设计，设置满足贯通隧　０．５Ｏｍ酌路缘带及０．２５ｍ的余宽；考虑检修通行的篱要，在隧道　内两侧设宽度为０．７５ｍ的检修道，高于路面０・４０ｍ。　３．２衬砌内轮廓设计原则　（１）埋深大、地应力复杂、岩石坚硬、易产生岩爆是本隧道主　要地质特点，同时．在断层及洞口段有部分Ⅱ～Ⅲ类围岩地段，结　道排水要求的各种排水沟，满足用于供电照明系统的电力电缆　槽，通信、监控的电缆槽，预留将来通信干线过洞电缆及消防管道　布设，并满足设备设置、内装修的净空。　经综合比选采用三心圆内轮廓形式（如图１），净宽１０・９２ｍ，　净高７．６ｍ。　３．３隧道衬砌设计　合铁路隧道设计及施工经验，在内轮廓设计中充分考虑尽可能　图１终南山隧道内轮廓圈　３．３．１隧道衬砌结构设计原则　隧道结构物使用年限、结构物安全度设计参照现行国家标　准《工程结构可靠度设计统一标准》（ＧＢ５ｏ１５３—９２）及《铁路工程　结构可靠度设计统一标准》（ＧＢ５ｏ２１６—９４）规定的结构可靠度选　定，隧道结构的设计基准期为１００年，安全等级为一级・　衬砌结构设计应根据秦岭地区的工程地质、水文地质、围岩　类别、施工条件，结合铁路隧道的设计成果，类比类似公路隧道的　设计经验并进行结构检算后综合确定。　３．３．２隧道衬砌结构计算　３．３．２．１计算理论　计算按照新奥法理论，把支护与地层作为共同受力变形的　３．３．２．２计算荷载及分配　在隧道开挖之前，土层中早已存在的初始应力场｛ｏｏ｝按土僻在自重作用下的应力（自重应力场）计算。计算采用释放荷载法・释放荷载（竖向荷载）值决定于地应力，计算中按荷载释放系数确定。根据经验，２　。计算荷载释放系数为开挖过程中释蔚３ｏ　，初期受护承受７０Ｎ荷载，二次衬砌作为结构的安全储备一承受水压力。水平荷载按竖向荷载乘以岩体侧压力系数确定。　３．３．２．３计算模型的建立　仅以Ⅱ、Ⅲ类围岩条件下隧道衬砌结构的分析计算为例逆行说明，Ｕ、Ⅲ类围岩均采用上下断面台阶法施工，计算网格划　见图２。　整体，并按连续介质力学原理计算支护与周围地层，并通过结构　可靠度理论，对结构进行强度检算。计算方法采用弹塑性有限元　方法，屈服准则采用Ｍｏｂｒ－－Ｃｏｕｌｍｂ准则。　计算模型的左右边界及下部取到距隧道边沿３０ｍ，上部边　边界为竖向约束。　取至地表。其边界条件为：顶面为自由面，两边为横向约束，底面维普资讯 http://www.cqvip.com 西部探矿工程　Ｓｅｔｐ．２００６　１６０　图２计算网络图　３．３．２．４计算参数　计算参数见表１：　表１计算参数表　３．３．２．５施工过程与模拟　计算模拟了Ⅱ、Ⅲ类围岩分别采用台阶法开挖的施工过程，　Ⅱ类围岩各施工过程主应力如图３～图６所示：　÷　¨、，譬　’　ｆ‘　｛　　．＞　≯　一　图３上半断面开挖后口ｌ图　图４上半断面开挖后盯３图　３．３．２．６计算结论．　（１）在ＩＩ、Ⅲ类围岩段拱腰部位锚杆受到的轴力较大，作用范　围也较深，而边墙以下锚杆受到的轴力较小，作用范围也相对较　浅，锚杆轴力满足设计要求。　（２）Ⅱ、ＩＩＩ类围岩条件下围岩的位移量都不是很大，满足变形　Ｎ０．９　图５下半断面开挖后口ｌ图　图６下半断面开挖后盯３图　要求。　（３）由于应力集中，喷射混凝土在拱脚部位受到的应力较大，　但初期支护满足承载要求。　（４）－－次衬砌在拱脚和拱墙部位轴力相对较大，其它部位轴　力较小；在拱脚和仰拱处弯矩均较大，但均满足要求。　３．３．２．７隧道衬砌支护参数　根据秦岭地区的工程地质、水文地质条件，类比类似公路隧　道的设计经验，结合铁路隧道的设计成果，经结构分析检算后综　合确定终南山隧道洞身地段均采用曲墙复合式衬砌。　３．３．２．８岩爆地段结构设计　埋深大、地应力复杂、岩石坚硬、易产生岩爆是终南山隧道主　要地质特点。对可能在施工中出现的岩爆，初期支护措施适当加　强，但单独加强结构设计并不能完全解决问题，在施工中还需采　取其它措施综合处理。　（１）加强光面爆破，保证洞室轮廓规则圆顺，避免造成局部应　力集中。　（２）对岩爆地段的围岩喷洒高压水，以软化岩石，减弱岩爆的　强度，适应在轻微岩爆地段。　（３）对连续分布的中等程度的岩爆段，加打应力释放孔，以达　到释放应力的目的。　（４）在中等岩爆及以上时采取短进尺，多循环、弱爆破的措　施，尽量降低围岩的扰动程度，减弱岩爆。　（５）加强找顶，采取喷锚挂网措施，及时处理危石，岩爆猛烈　时进行短时间躲避。　（６）给施工机械加设防护棚架。　４结束语　随着社会和国民经济的持续发展，我国的公路事业取得了　长足的发展，目前高速公路建设正在大规模的进行。长大隧道数　量逐年增加，特长隧道越来越多，如何根据现场的实际条件拟定　好隧道的内轮廓及衬砌结构设计参数，处理好施工中碰到的各　种地质难题，将对整个公路线路的合理确定及整个工程的投资　起到至关重要的作用。希望能够为其它特长隧道的设计与施工　提供借鉴。　’　参考文献：　［－ｌＪ梁文灏，刘成，等．秦岭特长隧道修建技术ＥＪ３．现代隧道技术，２００３，　８（增刊）．　Ｅ２３交通部．公路隧道设计规范ＪＴＧＥＭ］．北京：人民交通出版社，２００４．