山岭隧道设计时的主要洞门与支护形式

（山东科技大学 土木工程与建筑学院 266590）

山岭隧道设计时的主要洞门与支护形式

吴家康

（山东科技大学 土木工程与建筑学院 266590）

山岭隧道设计计算过程较为复杂，加上复杂的现场情况，使得设计计算时存在诸多难点。本文通过列举设计时的洞门形式与支护形式，总结了现有山岭隧道设计计算时可选择的洞门形式与支护形式，为山岭隧道的设计计算提供了参考。

山岭隧道；支护

1.研究的意义

随着我国经济的高速增长，对交通设施的需求量日益增大。为了方便两地的交通往来，拉动两地经济文化交流，促进其经济增长，方便两地居民的往来，国家拟定修建多众多的山岭隧道来方便两地的交通通讯。我国是个多山的国家，山地、丘陵和高原等山区面积众多，高速、铁路的修建大多需穿过山岭地区，修建山地盘山公路成本高，工期长，不方便两地交流。隧道具有缩短线路长度，提高道路的可靠性和安全性，以及在国防意义上存在的隐蔽性等优点。“逢山开道，遇水架桥”，在高速路的建设中，需修建山岭隧道，以克服平面或高程的障碍，提高线路标准，增强运输能力，降低运营成本。

在山岭隧道修建之前，需先进行隧道结构支护设计，以保证整个隧道在施工与使用期间的安全与高效性能。本问的目的和意义在于，对山岭隧道洞门形式与支护结构进行总结，以保证山岭隧道的设计时的可靠性。同时设计时还要考虑环保问题，要考虑隧道施工对周围水环境的影响，施工中废弃物对环境的影响，隧道洞门及其他的构造物与环境的协调等，尽量适应地形和地质条件，避免高填深挖。在复杂的山区地形、地貌条件下，修建隧道不仅是线路设计的需要，而且要从保护自然生态环境的角度考虑。同时还要进一步做好地质勘探和发展地质超前预报技术。加强工程中的机械化程度，努力实现信息化施工。并充分总结经验，为以后的设计施工做准备。

2.隧道设计计算的过程

隧道设计计算是个复杂的过程，其主要步骤如下：

山岭隧道测量与监测数据分析，整理工程概况。

2）山岭隧道地质条件分析，据此条件选择洞门形式，并验算洞门结构的稳定性。

3）隧道衬砌荷载计算，即不同级别围岩条件下的衬砌荷载以及相关的外荷载确定。

4）支护参数选择，即通过对衬砌荷载的分析，进行支护方案对比，确定隧道支护方案参数并验算。

5）隧道二次衬砌的钢筋混凝土配筋计算。

6）隧道施工组织设计。

7）隧道监测方案设计。

可见，洞门形式的选择与支护形式的选择在隧道设计时具有重要意义。

3.隧道洞门形式

洞门附近通常都比较破碎松软，易于失稳，形成崩塌。为了保护岩土体稳定和使车辆不受崩塌、落石等威胁，确保行车安全，应该选择恰当的洞门形式，并对边、仰坡进行适宜的护坡。洞门设计主要是洞门墙的设计。洞门墙是用以阻止削坡坍塌的构筑物，实质上是为了加固地下建筑口部的洞门仰坡及与洞门相连的那部分路垫边坡的挡土墙。此外，洞门墙还能把仰坡汇流的地表水引离洞口，洞门形式的设计应抱枕运营安全，并与周边环境协调。常用的洞门形式如下：

端墙式洞门。由洞口衬砌和端墙组成的洞门称为端墙式洞口。它用于仰坡岩层比较稳定，不会产生很大的水平主动压力时的地下建筑口部。端墙式洞门一般适用于岩质稳定的Ⅲ级以上围岩和地形开阔的地区，洞口衬砌应于洞内衬砌连成整体，以加强结构的稳定性。形式简便，施工方便，造价较低。

翼墙式洞门。由洞口衬砌和端墙，以及翼墙组成的洞门称为翼墙式洞门。它用于岩层较差，仰坡不稳定，可能产生很大水平主动土压力的地下建筑口部。翼墙式洞门适用于地址较差的Ⅳ级以下围岩，以及需要开挖路垫的情况。在端墙两侧设置的翼墙，能保证端墙的稳定和支持洞口路垫边坡，加固坡脚的作用。端墙应与衬砌连成整体，以加强洞门结构的稳定性。

柱式洞门。柱式洞门是在端墙上增加对称的两个立柱，不但雄伟壮观，而且可对端墙局部加强，增加洞门的稳定性。此种形式一般适用于城镇、乡镇、风景区附近的隧道。

台阶式洞门。台阶式洞门在沿溪线傍山隧道半路垫情况下长采用这种新式，为了适应山坡地形，将端墙常做成台阶式。

环框式洞门。环框式洞门形式最简单，一般适用于洞口地形陡峭、岩层完整、坚硬而且无风化岩层，开挖后边坡和仰坡稳固，坡面无坍塌可能，坡面上汇水量少，对隧道的施工和运营无影响。环框与洞口衬砌用混凝土整体灌注。当洞口为松软的堆积层时，通常应避免大的仰、边坡，一般采用接长明洞，回复原地形地貌的办法。环框上方及两侧仍应设置排水沟渠，以排除地表水，防止漫流。

4.支护参数选择

围岩压力与结构自重应力是隧道结构计算的基本荷载。明洞及明挖法施工的隧道，填土压力与结构自重应力是结构的主要荷载。

由于隧道设计中贯彻了“早进晚出”的原则，洞口接长明洞的边坡都不是很高，加之落石多为滚滑、跳跃落下，直接砸落在明洞上者少极少。而当遇到大量落石和坠落高度较大的石块，可设法避开或者采取危石加固坡面等措施，故一般情况下落石冲击力可不考虑。

当有落石危害须检算冲击力时，则只计洞顶填土重力和落石冲击力的影响。落石冲击力的计算，目前研究还不算深入，实测资料也很少，故对其计算未做规定，具体设计时可通过现场测量或有关计算验证。

设计山岭公路隧道建筑物时，一般需考虑列车荷载及公路车辆荷载，只有当隧道结构构件承受公路车辆荷载及列车荷载才按有关规定进行计算。

作用在衬砌上的荷载，按其性质也可以区分为主动荷载是因结构变形压缩围岩而引起的围岩被动抵抗力，即弹性抗力它对结构变形起限制作用。

主动荷载包括主要荷载和附加荷载。计算荷载应根据这两类荷载同时存在的可能性进行组合。在一般情况下可仅按主要荷载进行计算。特殊情况下才进行必要的组合，并选用相应的安全系数检算结构强度。

被动荷载主要指围岩的弹性抗力，它只产生在被衬砌压缩的那部分周边上。其分布范围和图式一般可按工程类比法假定，通常可作简化处理。

在理论计算方法中，考虑几个主要因素，使其结果相对地接近实际围岩压力的情况，是目前隧道工程设计中采用较多的方法。一般来讲，都是以某种简化的假设为前提，或以实际工程的统计分析资料为基础，因此，大都有一定程度的局限性。

隧道结构是地下建筑结构的重要组成部分，它的结构形式可根据地层的类别、使用功能和施工技术水平等进行选择。

按照结构形式的不同，隧道结构一般可分为半衬砌结构、厚拱薄墙衬砌结构、直墙拱形衬砌结构、曲墙结构、复合衬砌结构和连拱隧道结构等形式。

半衬砌结构。在坚硬岩层中，若侧壁无坍塌危险，仅顶部岩石可能有局部滑落时，可仅施做顶部衬砌，不做边墙，喷一层不小于2cm厚的水泥砂浆护面，即为半衬砌结构。

厚拱薄墙衬砌结构。在中硬岩层中，拱顶所受的力可通过拱脚大部分传给岩体，充分利用岩石的强度，使边墙所受的力大为减少，从而减少边墙的厚度，形成所谓的厚拱薄墙结构。

直墙拱形衬砌结构。在一般或较差岩层中的隧道结构，通常是拱顶与边墙浇筑在一起，形成一个整体结构，即直墙拱衬砌结构，这是一种被广泛应用的隧道结构形式，如铁路隧道等。

曲墙衬砌结构。在很差的岩层中，岩体松散破碎且易于坍塌，衬砌结构一般由拱圈、曲线形侧墙和仰拱形底板组成，形成所谓的曲墙衬砌结构。该种衬砌结构的受力性能相对较好，但对施工技术要求不高，这也是一种被广泛应用的隧道结构形式，在公路隧道中宜采用曲边墙拱形断面。

复合式衬砌结构。复合式衬砌把衬砌结构分成两层或两层以上，目前大都采用外衬和内衬两层。最常用的外衬是喷锚支护，内衬是整体式混凝土衬砌。复合式衬砌的初期支护施作及时，且与围岩结合密切，从而能保护和加固围岩，充分发挥围岩的自承能力。二次衬砌完成后，衬砌内表面光滑平整，可以装饰内壁，增强安全感，是一种较为理想的结构形式，目前应用广泛。

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[2]韩昌瑞, 张波, 白世伟. 深埋隧道层状岩体弹塑性本构模型研究[J]. 岩土力学, 2008, 29(9)： 2404-2414.

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1007-6344（2017）04-0094-01