摘 要: 随着现代化建设的快速发展，我国公路建设事业的规模越来越大。交通基础设施的建设就显得由为重要。我国在公路和铁路的发展是相对不平衡的，从目前来看，我国的公路建设还远远落后于铁路的建设，因此我国现在对公路建设的投入是越来越大，规划的里程也越来越多。而相对于隧道而言，我国对公路隧道的研究也较落后于铁路隧道。我国公路隧道的发展更是较晚，相比于其他的发达国家还有很大的差距。但随着我国对公路建设的不断投入，公路隧道也就将有很大的发展和改进。
我国有三分之二的土地是山地或重丘地形，由此看来，我国公路建设对隧道的要求也是越来越大。那么在隧道的修建中合理的隧道断面形式将对隧道的建设起着十分重要的作用。合理的隧道断面可以减少投资，缩短施工工期，有利于保护环境等优点。目前在我国隧道断面形式的选择上，主要有两种形式分别是连拱隧道和小净距隧道。而各种隧道断面形式有其自身的优点和缺点。而公路隧道单洞的断面形式又有圆形、拱形和椭圆形等。因此，在公路隧道断面的选择上，要结合多方面的因素，选择出适应地质条件和规范要求的合理的断面形式。
本文针对隧道断面形式进行研究，详细阐述了各种断面形式的优缺点，并结合各种隧道的施工工艺对各种隧道的断面形式进行了比较研究。如公路连拱隧道与小净距隧道的比较，隧道单洞的断面形式的比较研究。
关键词: 长大公路隧道 横断面 圆曲线 椭圆曲线 非独立双洞隧道 线形参数
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Long highway tunnel section of the Comparative Study
Abstract ：With the modernization of rapid development, The construction of chinese highway is growing in the scale. The construction of transport infrastructure is very important. The development of Chinese road and rail is relatively uneven, from the current situation, Chinese highway construction has lagged far behind the railway construction, The investment of chinese road construction is increasing now, more and more milestone is planning. in relation to the tunnel, The research of Chinese highway tunnel has lagged far behind a railway tunnel. compared to other developed countries, The development of Chinese highway tunnel is late. But as the construction of Chinese highway on the constant input, highway tunnels will also have great development and improvement.
The two-thirds of chinese land is mountainous terrain or re-Hill.From now on, the request of the tunnel on Chinese highway construction is growing. Then the reasonable cross-section of the tunnel construction will play a very important role on the construction of the tunnel. Reasonable cross-section of the tunnel could reduce investment, reduce the construction period and raise rotection of the environment, etc. Currently the section of the tunnel option in china, there are two main forms ,arch tunnel and the tunnel on the Net Space. And various forms of the tunnel section has its own advantages and disadvantages. The highway tunnel section of the single-round there are roundness,oval and so on. Therefore, the cross-section of the highway tunnel option, it is necessary to integrate various factors, the choice to adapt to geological conditions and regulatory requirements of a reasonable cross-section form.
This thesis study the tunnel section , elaborate the advantages and disadvantages of various sections, and comparatively study various sections of the tunnel form with combination of the tunnel construction process .If the contrast of Highway arch tunnel and Small Net Space Tunnel, Comparative Study of the tunnel section of the single-A form.
Key words： long highway tunnel ,cross-sectional ,round, elliptic ,non-independent double-tunnel ,alignment parameters
西南科技大学本科生毕业论文 III 目录
第1章 长大公路隧道的基本介绍 ····················································································· 1
1.1 公路隧道的发展及我国公路隧道的发展概况 ····················································· 1 1.2长大公路隧道横断面的基本介绍 ·········································································· 2 1.3研究课题的意义和主要内容 ·················································································· 4 第2章 长大公路隧道横断面的比较研究 ········································································· 6
2.1 引言 ························································································································· 6 2.2 非独立双洞隧道和其断面形式的介绍 ································································· 6 2.3小净距非独立双洞隧道 ·························································································· 7
2.3.1小净距隧道的围岩破坏模式 ········································································ 7 2.3.2小净距隧道的最小净距的确定 ·································································· 10 2.3.3小净距隧道的施工工艺简介 ······································································ 11 2.4 水平连拱非独立双洞隧道 ··················································································· 14
2.4.1连拱隧道的优缺点和使用适用 ·································································· 14 2.4.2连拱隧道的设计 ·························································································· 15 2.4.3连拱隧道的施工 ·························································································· 17 2.4.4连拱隧道的衬砌 ·························································································· 18 2.4.5公路连拱隧道常见病害治理 ······································································ 20
第3章 公路隧道的单洞的断面形式 ··············································································· 26
3.1引言 ························································································································ 26 3.2圆形隧道横断面形式的研究 ················································································ 27
3.2.1非轴对称条件下，圆形断面隧道围岩应力分布 ······································ 27 3.3拱形隧道横断面形式的研究 ················································································ 30
3.3.1单心圆拱形断面 ·························································································· 30 3.3.2坦三心圆拱形断面 ······················································································ 32 3. 4椭圆形隧道横断面形式的研究 ··········································································· 34
3.4.1椭圆曲线的拟合形式 ·················································································· 34 3.4.2椭圆横断面形式的为围岩应力 ·································································· 35
第4章 长大公路隧道横断面的形状的未来发展 ··························································· 38 结论 ····································································································································· 39
西南科技大学本科生毕业论文 IV 致谢 ····································································································································· 41 参考文献 ·········································································································································42
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第1章 长大公路隧道的基本介绍
1.1 公路隧道的发展及我国公路隧道的发展概况
交通是国家基础建设的重要组成部分，在国民经济中占有十分重要的地位。世界各国的经济发展经验表明，快速畅通的交通网是经济发展的必不可少的条件。
目前世界上科技发展正在朝着两个引人注目的领域，一个是宇宙空间，一个是地下空间。而作为交通基础设施一部分——隧道，在交通建设中将占有越来越重要的作用。隧道通常指用作地下通道的工程建筑物。隧道的产生和发展是和人类文明发展的历史相呼应的。简而言之，隧道的发展大致经历了四个阶段：
①原始时代 即人类出现到公元前三千年的新石器时代。这个时代，隧道在人们生活中主要起着抵御自然威胁和供人们居住的作用。这个时代，隧道的主要特点：开挖工具简单，隧道修筑在自身稳定无需支撑的岩层中。
②远古时代 即公元前三千年到公元五世纪。在这个时代隧道的功能也发生了变化，由以前的生活用途转变为军事和生活两种用途。而且此时，隧道也开始有了砖砌结构，如公元前2180～2160年前后，在古巴比伦城幼发拉底河下面修筑的人行隧道，是迄今为止最早用于交通的隧道，为砖砌构造物。
③中世纪时代 约从公元五世纪到公元十四世纪。而这个时期隧道的发展是相当缓慢的，几乎可以说是处于停滞状态。但这个时期，采矿业的兴起对以后隧道的发展起到了促进作用。
④近代和现代 这个时代是从十六世纪产业革命开始的。自我国的火药制作技术传到欧洲后，火药便被广泛的用于各个建设行业中。最开始火药仅仅是用于采矿业，但自从诺贝尔发明了黄色炸药达纳马特，炸药便广泛的用于隧道的修建中，法国的兰葵达隧道是世界上最先采用火药开凿的隧道。这个时候，隧道的开采方法是钻爆法。而在这时也出现了两种机械开采方法：一种是盾构法，这种方法主要是用于软土地层的开挖。另一种是机械开挖法，这种方法主要是用于中等以上坚硬岩石地层的岩石。这三种方法是目前隧道开采中最常用的方法，钻爆法作为隧道施工的一种方法，它具有工程造价低，施工灵活方便。但钻爆法由于采用爆炸，在城市人口密集地区不能采用，因为震动可能影响附近的建筑或居民生活，巨大的声响也是不允许的。因此，一般短洞、地下大洞室、不是圆形的隧洞、地质条件变化大的地方都常用钻爆法。盾构法是现在隧道施工最常用的一种方法，盾构法在隧道的施工中对地面环境具有较小的影响，隧道的衬砌、拼装等都是机械化的施工，具有经济，技
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术、安全等方面的优势。但盾构法所需造价昂贵，灵活性不好等。机械开挖法是采用大型的机械设备进行隧道的开挖，如TBM。不可否认机械开挖法为隧道的施工带来了更大的方便，但机械开挖法的造价将会更高，灵活性更差。随着交通在人们生活中占有的地位越来越重，人们的生活也越来越离不开交通，隧道将会在以后的社会进步中，取得更大的发展。
而我国的隧道起步较晚，相比于其他发达国家还较落后。解放以前我国处于半封建、半殖民地社会中，隧道的发展基本上处于停滞状态。建国初期，我国为了改变我国经济发展的布局，发展内地和山区经济，先后修建了几条隧道比重较大的山区铁路，从而拉开了我国隧道发展的序幕。而公路隧道的发展更是落后于铁路隧道，近几年由于我国公路建设如火如荼的进行着，也带动了公路隧道的建设，公路隧道开始成倍的发展。据统计，到2004年，全国已拥有公路隧道2495座，总长1245571延米。这一时期，我国修建的长度在三千米以上的隧道就多达十一座。随着我国高等级公路的继续发展，我国隧道的发展将会取得更大的进步，会缩小同世界先进技术的差距。
1.2长大公路隧道横断面的基本介绍
隧道横断面设计主要是指隧道内轮廓线形状及尺寸的确定，隧道内轮廓线是指二次衬砌和基底围岩或仰拱所包围的内侧部分的大小和形状。二次衬砌是拱部、边墙及仰拱的总称。显然，一座隧道横断面设计，关键是确定其仰拱的隧道节段的隧道内轮廓线形状及尺寸，使确定的断面形状及尺寸符合安全、经济、合理的原则。隧道内轮廓线设计要符合机动车、非机动车、行人通行的建筑限界的要求，同时还要满足洞内路面、排水设施、装饰的要求，并为通风、照明、消防、监控、营运管理等设施提供 安装空间，同时考虑围岩变形、施工方法影响的预留富裕量。隧道横断面设计在隧道工程设计中是一个相当重要并且十分关键的环节。只有确定了合理的隧道内轮廓线形状及尺寸，工程师们才可以根据不同的围岩分级进行超前支护、初期支护以及二次衬砌等设计工作。隧道内轮廓线设计得是否合理，直接影响到衬砌受力的合理性、施工的难易、正常使用以及工程数量的大小。隧道断面形状的约束条件主要有以下几个方面：
1建筑限界控制点。为满足限界要求，内轮廓线至少应将隧道建筑限界完全包容在○
内，保证限界边界的任何点均在内轮廓线内。
2通风面积。隧道除要考虑建筑限界控制点外，还应考虑通风的要求。隧道净空断○
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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要的通风量，然后讨论自然通风和交通通风能否满足需要。
3受力要求。确定隧道内轮廓线形状，即确定二次衬砌的形状应具有适应应力流和○
变形的合理形状，应使二次衬砌产生尽能小的弯矩并且能有效地传递轴力。当隧道的衬砌断面设计出后，我们需要对其强度进行验算。还要验算其偏心及安全系数均应满足规范要求。
隧道横断面设计还涉及到一个关键的问题，那就是隧道横断面设计的标准化问题。改革开放之后，我国的隧道建设规模日益扩大，但各地、各家设计单位在隧道横断面设计时使用的标准不统一，隧道轮廓有采用单心圆、三心圆、五心圆，甚至有采用直壁边墙的，内轮廓形状五花八门，既有尖拱，也有坦拱，内轮廓线的尺寸、曲率半径更是难以统一，甚至在同一条公路上也出现几种不同内轮廓的断面，这既影响了洞内设施的布置，又不利于施工时衬砌模板的制作，实际上也造成资源上的较大浪费。而到2004年年底，我国实施的《公路隧道设计规范》开始对两车道、三车道单向交通隧道的内轮廓标准作了一些原则性的形状规定，但无具体尺寸；条文说明中也仅对高速公路、一级公路双车道单向交通隧道的内轮廓断面形状及几何尺寸作了一些推荐。隧道横断面设计，内轮廓形状及尺寸的确定不但与各种几何因素有关，而且与衬砌的内力分析、工程数量的比较等因素息息相关。目前，我国公路建设事业正不断的发展着，而高速公路隧道设计的标准化问题也将在以后得到解决。
随着高等级公路的发展和交通量的逐年增加，高速公路将成为长大公路建设的首选。高速公路多为四车道或六车道，这也为隧道的断面形式提出了更高的要求，大断面隧道也就由此而产生。在以后，四车道公路是不能满足交通量的需求的，六车道的公路将成为长大公路的首要选择，而隧道也就多为三车道或者更多的车道。
国际上划分隧道断面的标准 划分 超小断面 小断面 中等断面 大断面 超大断面
净空断面积〔m2〕 ＜3 3～10 10～50 50～100 ＞100 3
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长大公路隧道横断面采用大断面形式也无疑给施工带来了不便和困难。大断面隧道结构承受较大的围岩压力，并且受力条件极其复杂，极易发生围岩失稳和隧道衬砌结构开裂和破坏现象。当然，长大公路横断面采用大断面形式后，也就具有提高车速，缩短里程，节约燃料，节省时间等明显的优点，但同时大断面公路隧道也带来了许多的复杂问题。由于岩体是一种天然形成的非单一性质的复杂的地质材料，所以影响围岩稳定性的因素很多，主要有地质及地质构造的影响、地应力的影响、时间的影响等等。大断面公路隧道由于开挖面积大，岩体结构面交叉组合形成不稳定结构体的机会将大大增加，这对围岩稳定性是一个很不利的因素。目前，三车道及三车道以上的大断面公路的设计理论和施工工艺大多数是借鉴双车道理论。但随着大断面公路的建设，工程师发现双车道理论越来越不适合三车道和三车道以上公路的要求。因此，大断面公路建设对于横断面的要求会越来越高。
1.3研究课题的意义和主要内容
我国国土三分之二为山地或重丘，公路隧道特别是长大公路隧道作为高速公路的一个重要组成构造物，在交通运输中发挥着极其重要的作用。由于长大公路隧道的断面多采用大断面隧道，因此，在施工中，塌方现象时有发生，有时甚至造成重大的伤亡事故。引起隧道塌方的原因固然是多方面的，如工程地质条件、施工工艺的合理性与否等都是很重要的因素，但是，隧道结合本身断面形式的合理与否也是一个不容忽视的重要因素。前人已对铁路隧道的受力特性及横断面设计问题做了较多的研究，而对于公路隧道特别是三车道以上的大跨度公路隧道受力特性及断面形式的研究还不够。从现在的文献资料我们可以了解到，现在长大公路的隧道多采用六车道，且中间设有中央分隔带，而在修建隧道时，我们往往采用非独立双洞隧道来解决隧道的修建问题。而非独立双洞隧道形式又有三种形式：并行双洞、交叉双洞、连拱双洞。通过本文的论述，我们可以对这三种形式，有一定的了解，并对以后施工中，对这三种形式的选择有更多的依据。而无论是采用以上哪种形式，每一个单洞也有其横断面形状，根据我国现阶段的设计和施工情况，该横断面形状主要有：圆形、拱形、矩形、椭圆形。而这每种横断面的形状都有其优缺点，都有其适应的地质和地貌。通过本文的研究我们也可以对每一种横断面的形状有一定的了解，并能在以后的施工中更有利于我们对横断面形状的选择。
本论文主要是对当今世界长大公路隧道横断面形式进行比较研究，系统阐述长大公路隧道横断面的形式的内容和优缺点，以及长大公路隧道横断面的特点和断面
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的约束条件，并分析研究长大公路隧道断面形式的几何参数。
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第2章 长大公路隧道横断面的比较研究
2.1 引言
由于我国正在加紧公共基础设施的建设，长大公路作为国民经济发展的重要基础设施，越来越受到国家有关部门的重视。由于我国高速公路起步较晚，离发达国家的差距还很远。而隧道作为长大公路的一部分，它在公路建设中，占据着十分重要的地位。目前，长大公路隧道大体分为独立隧道和非独立隧道，在这里我们所说的独立是相对于隧道的遂洞在两个或两个以上的。本文先对非独立双洞隧道的断面形式做比较研究，接着在对隧道的单洞做比较研究。
2.2 非独立双洞隧道和其断面形式的介绍
由于高速公路的飞速发展，长大高速公路将越来越多的选择非独立双洞的形式。长大公路隧道采用单洞的形式无疑为设计和施工带来了许多的困难，况且综合多方面的因素，可以看出，采用单洞也是不现实的。所以现在长大公路多采取非独立双洞的形式来解决这一难题。目前，很多学者对单洞隧道的破坏模式进行了大量的研究，并取得丰富的研究成果。而对于非独立双洞隧道的研究还不够充分，这导致在修建长大公路隧道时，缺乏相应的资料和理论知识，对于设计和施工都是非常不便的。非独立双洞隧道一般可以分为：
1并行双洞，即双洞按左右平行或上下平行设置。 ○
2交叉双洞，即双洞在立面上按一定的交角设置。 ○
3连拱双洞，即双洞按左右平行且共用中壁设置，双洞呈连体状。 ○
由于我国高速公路很少采用交叉双洞的形式，我们就主要对其余两种隧道的断面形状进行研究，并加以比较区分。非独立双洞隧道的一般断面形式有：小净距非独立双洞隧道、水平连体（连拱）非独立双洞隧道、垂直连体非独立双洞隧道。这几种形式都有其适应的范围，和对地质条件的要求。由于我国目前隧道的建设中，主要还是采用小净距和水平连体两种形式，以下我们就只对这两种形式进行分别介绍并加以比较。
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图2.1 非独立双洞隧道的断面形式
2.3小净距非独立双洞隧道
小净距隧道是一种介于普通分离式双洞隧道和连拱隧道之间的一种特殊的形式。小净距隧道最显著的特点是两隧洞的距离很近，中夹岩柱的厚度较薄，两隧道相互影响较大。小净距隧道有许多的优点：双洞间距较小，有利于公路整体线型规划和线型优化；其造价和施工工艺同普通双洞隧道相似；与连拱隧道相比造价要低、施工工艺要简单。由于以上优点，小净距隧道目前已成为公路隧道中最常见的一种型式。
2.3.1小净距隧道的围岩破坏模式
根据地形地貌、不同的地质条件、遂洞断面形状尺寸、两隧道的净距大小，小净距隧道的破坏模式也不尽相同。现在通常将小净距隧道的破坏模式划分为：挤压破坏、拉伸破坏、中夹岩柱剪切破坏、爆破震动破坏、复合型破坏。以下我们分别对其进行叙述。
1挤压破坏 当隧道埋深较大，小净距隧道在后行洞的开挖过程中，先行洞通常发○
生隧道四周向净空内收敛，整个隧道产生挤压变形。这种变形的发生往往产生围岩的塑性变形和剪切变形。这种破坏模式称为挤压破坏。如下图：
图2.2 挤压破坏模式
1先行洞围岩压力明显增大，隧当隧道产生挤压破坏时，往往存在以下几种情况：○
道周围压应力增大。当压应力大于隧道周围的抗压强度时，岩体出现压碎现象，并产生剪切破坏。隧道周围塑性区增大，当塑性区扩展到一定的成都时，隧道发生破
2当先行洞的二衬在后行洞开挖前未施作时，由于隧道向净空内收敛，整个隧坏。○
道断面变小，有可能出现二衬截面达不到设计要求。即隧道开挖预留宽度不够的情
3当先行洞的二衬在后行洞开挖前已经施作时，由于隧道围岩向净空内收敛，况。○
使得二衬所受压力增加。有可能使得二衬的安全储备不够。当二衬强度达不到抵抗
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由于后行洞开挖引起增加的围岩压力时，二衬就会开裂，从而整个隧道失稳破坏。
2拉伸破坏 拉伸破坏有两种情况：一种是先行隧道远离后行隧道的拉伸破坏，即○
远离型拉伸变形破坏模式；另一种是靠拢型拉伸变形破坏模式。这两种破坏形式分别是对于先行洞还是后形洞所处的埋深而产生的。前一种是先行洞在埋深较深的一侧，而后行洞在埋深较浅的一侧时，由于后行洞的开挖使得先行洞出现靠拢后行洞的拉伸变形模式。后一种是指先行洞在埋深较浅的一侧，而后行洞在埋深较深的一侧，由于后行隧道的开挖似的先行隧道出现远离后行隧道的拉伸变形模式。发生远离型拉伸变形破坏这种情况时，隧道往往还存在偏压。这是由于后行隧道对先行隧道的拉伸作用，使得先行隧道产生偏压。当隧道存在偏压破坏时，常常还出现以下的情况：当先行洞的二衬在后行洞开挖前未施作时，由于隧道向一边倾斜，必然使得隧道围岩一侧切向拉应力增加，另一侧切向压应力增加；当先行洞的二衬在后行洞开挖前已经施作时，由于隧道向一边倾斜，必然使得一侧二衬弯矩增大，另一侧减小。对于前一种情况，如果单洞开挖情况下围岩侧边的压应力小于增加的拉应力，那么围岩受拉，容易产生拉破坏。同样，增加压应力围岩可能产生剪切破坏。而对于后一种情况，隧道的先行洞甚至出现拉应力，也有可能使得二衬的安全储备不够，二衬开裂，从而整个隧道结构失稳破坏。
图2.3靠拢型拉伸变形破坏模式
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图2.4远离型拉伸变形破坏模式
3中夹岩柱剪切破坏 小净距隧道最重要的一个特点是中夹岩柱厚度较薄，特别是○
当中夹岩柱厚度小于0.7B洞跨度时，通常隧道围岩破坏从中夹岩柱破坏开始。中夹岩柱较薄，由于隧道的开挖，围岩应力重分布，竖向应力向中夹岩柱转移，使得中夹岩柱压应力集中。如果侧壁支护结构强度不够或者没有采取很好的支护措施，那么岩柱由原来的三向受力状态转变为双向受力状态。大量实验资料表明，围岩双向受力状态的承载能力，要低于三向受力状态，且中夹岩柱竖直方向产生较大压应力而水平方向则出项很大的卸荷区。侧向产生很大的塑性膨胀，极大程度降低其承载能力，中夹岩柱发生塑性流动，产生剪切破坏。图2.5是近距大跨隧道在岩柱厚度较小的情况下，整个中夹岩柱出现塑性区。其左右两侧塑性区贯通，从而发生剪切破坏。
图2.5中夹岩柱剪切破坏模式
4爆破震动破坏 爆破震动是小净距隧道施工的一个关键环节。○《公路隧道设计规
范》规定，为了确保小净距隧道的安全，应对相邻双洞最大临界震动速度按净距、围岩级别、支护实施阶段分别进行控制。最大临界震动速度可通过试验确定。现场测试及分析表明，在后行隧道开挖中，靠近后行隧道的先行隧道侧墙围岩的爆破震动加速度、速度、位移明显大于切向最大位移。如果在施工中，没有考虑到后行隧道施工对先行隧道爆破震动的影响，爆破药量过大，那么很可能由于爆破震动使得先行隧道围岩受到较大的干扰。当爆破震动速度超过规范值或围岩的承受能力时，围岩发生破坏。如果后行洞开挖前先行洞已经施作了二衬，那么也可能使先行隧道防水层开裂、二衬结构层开裂破坏。
5复合型破坏 由于隧道施工面对的施工条件是各种各样的，从而隧道的围岩破坏○
模式也是多样的。小净距双洞隧道的破坏模式也不可能是以上叙述中的任何一种单一破坏。如双洞变形破坏往往伴随着单洞的破坏模式。而双洞的破坏模式往往也是几种变形模式的组合。如挤压破坏通常伴随着拉伸变形破坏或震动破坏 。所以在小净距隧道的施工，往往是这些破坏的组合，即复合型破坏。
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2.3.2小净距隧道的最小净距的确定
小净距隧道稳定性判别方面还没有像评价边坡稳定性那样有一个安全系数来判定。现在的小净距隧道方面的资料上，有一些是采用突变理论来分析小净距隧道的稳定性。大量研究表明，小净距隧道的失稳主要是从中夹岩柱开始，然后向周边扩散，最终导致破坏。大量的有限元的计算表明，随着净距的减小，中夹岩柱的塑性区逐渐扩大，最后直至塑性区连通，当等效塑性应变达到一定程度时，计算不收敛，隧道失稳，因此中夹岩柱的稳定性是小净距隧道是否稳定的关键。隧道的失稳主要是内部由于沿着潜在的破坏面塑性区贯通形成的，因此塑性区面积的大小及塑性应变的大小是判断失稳的关键。考虑到突变理论主要是基于系统的能量变化而建立的，因此采用中夹岩柱的塑性应变能作为系统的能量。通过不同净距下系统的能量建立能量函数的多项式，并化为尖点突变模型的标准形式，运用突变理论，确定系统能量发生突变时的净距，并把该净距作为合理净距。由于我们所学知识的有限，关于塑性应变能的计算，在本文中我们姑且不做讨论，以下我们只列出塑性应变能计算的流程图，并加以简单的介绍。采用以上叙述的方法，通过对每个典型断面的合理净距的计算，直接确定出隧道的合理路线，这在小净距隧道的设计与施工中是有很大的意义的。当然合理净距的确定，不可能通过简单的分析便可以得出，它还需要大量的计算机作为辅助。把大型通用有限元计算程序ansys和通用数学计算软件matlab相结合，通过一个接口程序，使得两程序间的数据能够自动调用，建立了一个基于突变理论的合理净距确定的智能分析系统。该系统不需要大量的人为的干扰，可以直接输出计算结果。 因此，在确定小净距隧道的合理净距方面得到广泛的运用。
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图2.6塑性应变能计算的流程图 2.3.3小净距隧道的施工工艺简介
关于小净距隧道的施工，我们主要以董家山隧道的施工工艺为例作一个简单介绍。董家山隧道是国道317（213）线的共用段成都-汶川第一座隧道，全长2Ｘ4095ｍ是都汶高速公路最长的隧道。出口洞口段位于古滑坡体内，岩体破碎，左右洞之间中岩柱最小厚度仅3.73ｍ。属于典型的双线、双洞、小净距隧道。该隧道的岩质较差，围岩以灰色薄层状泥岩，砂质泥岩为主夹少量炭质泥岩及薄煤层（小于0.5ｍ），并与黄灰色粉砂岩呈不等厚互层组成。软质岩约占2／3，硬质岩约占1／3。泥质岩及炭质泥岩失水后易崩解，遇水易软化，裂隙发育，易破碎。围岩多呈块碎状镶嵌结构，稳定性较差。 层中赋存瓦斯等有害气体。隧道围岩以Ⅲ类为主。出口段1540ｍ围岩分类情况为：Ⅱ类围岩235ｍ，Ⅲ类围岩1209.42ｍ，Ⅳ类围岩95.58ｍ。
董家山隧道的施工工作大概有这么几个内容：滑坡体与洞口加固、洞身开挖、中央岩柱加固、监控量测。在这里我们主要介绍洞身开挖和中央岩柱加固施工工艺。
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这两个工作在小净距隧道的施工过程中，占有很大的比重，也是隧道建设中工期最长，速度最慢的工序。下面我们就依依对这两个工序做一个简单的介绍：
洞身开挖的工序与隧道周围的围岩密切相关，在董家山隧道的围岩主要是以Ⅲ类围岩为主，其次还有少量的Ⅱ类围岩和Ⅳ类围岩。在这里我们主要介绍Ⅲ类围岩的开挖。该隧道Ⅲ类围岩深埋段同样采用正台阶法开挖，下台阶落后于上台阶8～10m，上、下台阶的初期支护施作必须紧跟开挖。右洞开挖掌子面超前左洞开挖掌子面应控制在四十米左右。双洞每循环进尺0.8m，与格栅钢拱架间距相同，开挖后及时施作初期支护。在中岩柱厚度较薄处，即8.55-12.36ｍ，对应右洞里程 k17＋390～+350，左洞里程LK17＋385-+345段，采用预应段采用预应力非对穿式锚杆对中间岩柱进行加固其他地段对中岩柱按常规的系统锚杆加固即可。
图2.7小净距隧道的施工工序
当然洞身的开挖就要涉及到爆破作业，在小净距隧道破坏形式那节中我，我们谈到过爆破震动对隧道稳定的影响及破坏，那么爆破作业如何控制呢？在董家山隧道的围岩级别大多数为Ⅲ类围岩及Ⅲ类围岩以下的围岩级别。故董家山隧道采用预裂爆破作业，根据围岩性质、工程类比经验或施工规范合理选择周边眼间距及最小抵抗线、相对距离和装药集中度等参数。周边眼沿设计开挖轮廓线布置，必须采用小直径药卷，严格控制装药量，并使药量沿炮眼全长合理分布。采用毫秒雷管微差顺序起爆，以使周边爆破时产生临空面。掏槽炮眼布置在开挖断面的中央稍靠下部，以使底部岩石破碎，减少飞石。辅助炮眼应交错均匀地布置在周边眼和掏槽眼之间，并垂直于开挖面，这样可使爆破的石渣块体大小适合装渣运输的需要。
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由于董家山隧道地处大多数为Ⅲ类围岩及Ⅲ类围岩以下的地质条件下，为了确保开挖过程中围岩的稳定，减少因隧道间距小导致围岩变形、爆破震动等不利因素，满足小净距隧道中间岩柱特有的加固要求，因此，董家山隧道采用的是以下的施工步骤（如图2.7）：先开挖左洞，同时在右洞中间岩柱处施作φ42小导管加固中间岩柱、安装预应力锚杆并加初始应力，在开挖支护后再进行左洞开挖，施作初期支护后施作φ42小导管加固中间岩柱，对预应力锚杆复加应力。对于中间岩柱加固施工中，涉及很多方面的工作，而在董家山隧道中间岩柱的加固过程中，主要涉及到两个重点的工作：中间岩柱注浆和中岩柱预应力锚杆。
那我们先来谈谈中间岩柱注浆，在董家山隧道由于其特殊的地质条件，决定了在董家山隧道的施工中采用在掌子面对中央岩柱超前注浆和从开挖断面上对中央岩柱预注浆。在掌子面的超前注浆是利用长管棚支护方式，这种超前注浆不仅能够对Ⅱ、Ⅲ类等较软弱围岩起到预加固的作用，同时对中央岩柱的稳定也能起到预加固的作用。洞口刷坡时，两隧道中间岩柱坡口处原地面土体应暂时保留，以支挡坡面。在董家山隧道采用的是以下这种方式和工序对中央岩柱预注浆。洞口临时防护完成后，挖除中间岩柱坡口土体，立即沿隧道轴向对中间岩柱正面打人5mm厚42小导管，注浆加固中间岩柱坡面。向前掘进4m后, 从开挖面对中间岩柱改为水平斜向前方小导管注浆。注浆初始压力为0.5MPa，终止压力为1.5MPa，浆液配合比（体积比）为水泥:水玻璃=1:0.5。
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图2.8 董家山隧道中央岩柱注浆示意图
董家山隧道的施工中，在中岩柱是要求布置预应力锚杆。而预应力锚杆的布置无疑为提高中间岩柱的力学性能有很大的帮助。中岩柱锚杆采用φ25螺纹纲筋，张拉设备采用扭力扳手。锚杆预张拉力为90KN，锚杆安装前应向孔内灌注M20早强水泥砂浆（要求浇筑12h后抗压强度不小于20MPa），然后插入锚杆。对穿式锚杆段，在右洞开挖并待钻孔内水泥砂浆强度达到设计强度后施加预应力40KN；左洞开挖暴露锚杆端部后，拆除预安装的丝扣保护包装，施加预应力到90KN，然后右洞补张拉到90KN。非对穿式锚杆段，在隧道开挖并待钻孔内水泥砂浆强度达到设计强度后一次施加预应力90KN。
2.4 水平连拱非独立双洞隧道
连拱隧道是现代高速公路建设中比较适用的一种隧道形式。二十世纪九十年代，随着我国高等级公路建设的快速发展，特别是山区高速公路建设规模的扩大，公路隧道建设也步入了快速发展的阶段，连拱隧道也逐渐被采用，建设规模逐步扩大，公路连拱隧道的数量和规模不断增加，连拱隧道的设计和施工经验也日益丰富。特别是2000年后，连拱隧道在山区高速公路中被广泛采用。随着工程建设中环保要求的提高，在公路设计中体现了保护自然、以人为本、建设人与自然和谐相处的设计理念，大开挖路堑方案逐步被淘汰，中短隧道在公路隧道中所占的比例增大。连拱隧道是隧道设计中的一种特殊形式。据有关资料显示，目前我国已经建成和在建的高速公路中，如河南、四川、重庆、贵州等省，连拱隧道在隧道中所占的比例很高。2004年开工建设的上海至武威高速公路河南境内的内乡至豫陕界段高速公路中，16座隧道全部为六车道连拱隧道，目前国内在同一条高速公路上同时出现如此多的连拱隧道实属罕见。另外还有思小高速公路全线15座隧道中，有13座连拱隧道；元磨高速23座隧道中有16座连拱隧道；玉凯高速公路25座隧道中有12座为连拱隧道。连拱隧道已经成为目前山区高速公路短隧道的主要结构形式。虽然公路连拱隧道正在如火如荼的发发展着，但由于连拱隧道的施工工序比较复杂，同时没有相应的规范作为参考，因此在连拱隧道的建设中还有大部分的问题没有解决。 2.4.1连拱隧道的优缺点和使用适用
连拱隧道的优点：双洞轴线间距可以较小，对两端接线地形要求不高，接线工程量不大，线型顺畅。相对于大开挖路堑方案而言，具有不破坏自然景观防止边坡失稳的优点。线路布线方便，洞口段大大减少了公路工程建设永久占地的面积，在
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桥梁等特殊工程部位的连接也极为方便。
连拱隧道的缺点：设计烦琐，施工技术要求相对较高，施工进度缓慢，工期长，临时支护造价在隧道总造价中所占的比例大，就相对单幅隧道而言造价高。在线型方面，为保证洞内有良好的视距及有利于汽车尾气排放，对平曲线和竖曲线半径要求也高。
公路连拱隧道有其自身的优缺点，因此，也就有其适用范围。特别是在长大公路的建设中，我们不可能任何隧道都采用连拱隧道，毕竟隧道的断面形式有多种多样。建设连拱隧道有以下几个范围：
1洞口地形狭窄和地质条件在Ⅴ级围岩以上（含少量Ⅵ级）的岩石地层，当Ⅵ级围○
岩为主的软弱地质条件中常不采用连拱隧道形式。
2在特殊的地形下，若采用分离式隧道导致左右洞长度相差很大，或造成地面建筑○
受到影响，或洞外路基工程量过大，经济上明显不合理时常采用连拱隧道。
3在山岭重丘地形内，字路基边坡等于或大于40m，且左右路幅难以拉开成独立的○
左右线时，或为避免大量的深挖高填的土石方工程量，减少自然环境的破坏，适宜采取成群成组兴建连拱隧道
4在城市周边山丘，人口稠密，土地资源紧张，为减少地面房屋拆迁，保护自然景○
观和名胜古迹，满足日益增长的人流和交通量需求，更多的采用双连拱和多连拱隧道。
5由于连拱隧道造价较高和一些其他不足，目前在我国主要采用中短规模隧道。 ○
2.4.2连拱隧道的设计
连拱隧道设计在连拱隧道建设中是十分重要的作用。连拱隧道的设计大致可以分为连拱隧道的结构设计，连拱隧道的附属部分的设计。由于本文只是针对连拱隧道结构设计做一些论述，故对附属部分的设计我们不做介绍。以下我就对结构设计做个简单的介绍。
连拱隧道的结构设计大致可以分为：连拱隧道内轮廓的设计、中隔墙设计、连拱隧道的防排水设计。
连拱隧道内轮廓的设计，连拱隧道内轮廓除满足建筑限界及洞内设备安装空间要求外，还应满足施工工艺及视觉要求。同时隧道形状和尺寸要综合考虑地质条件、围岩类别、结构受力特点、工程造价等因素。原则是：衬砌受力均匀、合理、安全、造价小。我国目前公路连拱隧道的内轮廓形式主要有两种：直中墙净空轮廓和曲中
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墙轮廓。对于这两种内轮廓形式哪一种形式更好，目前还没有一个统一的说法。直中墙净空轮廓的连拱隧道施工工艺简单，洞内行车道中心线与洞外路基行车道中心线偏离较
小，但视觉效果一般。曲中墙净空轮廓的连拱隧道视觉效果好，并且由于其净空轮廓与单洞隧道净空轮廓没有实质上的差异，从而台车的利用率得到了提高，节约了工程建设资金。但是曲中墙连拱隧道的左右洞内行车道中心线与洞外路线行车道中心线偏离比直中墙连拱隧道大很多，所以建议当洞外路基宽度和接线不受连拱隧道影响时，宜采用曲中墙净空轮廓的连拱隧道；若隧道对洞外路基宽度和接线影响较大时，宜采用直中墙净空轮廓的连拱隧道。
连拱隧道的结构设计除同单向分离式隧道一样包括初期支护、二次衬砌、防排水设计外，还包括中隔墙设计。而中隔墙设计直接影响着隧道围岩的稳定、支护的安全性和施工顺序。中隔墙的厚度应根据不同的围岩类别来确定，但是最小厚度不应小于1.4m．为保证中墙的稳定，中墙基础的宽度设计时应引起重视，中墙设计时应支撑到导坑的顶部。要克服中墙和中导洞之间存在空洞的缺点。
连拱隧道的防排水设计 隧道防排水遵循“以排为主，堵排结合，因地制宜，综合治理”的原则，在洞内外设置了完整、严密的防排水系统，确保隧道建成后达到规定的防水要求，保证结构和设备的正常使用和行车安全。目前看来，连拱隧道的结构本身防排水设计和分离式隧道相比基本一致，所以现在连拱隧道的防排水设计都是参照分离式隧道的设计。当然，连拱隧道的防排水设计不可能和分离式隧道的防排水设计完全一样，而唯一的区别是对于三层中墙连拱隧道来说，在中墙处需要在二衬和中隔墙间安装纵向和环向的排水弹簧软管。由于中隔墙采用模筑混凝土，并且在中墙和二次衬砌间没有任何预留变形量，因此这个地方的防排水设计是连拱隧道防排水设计的重点。接下来我们来谈谈连拱隧道中墙防排水施工工艺。
连拱隧道中墙的施工工艺较多，从目前国内的资料来看，我们总体上可以把连拱隧道中墙的防排水设计分成以下三种形式：左右洞防水层连通式、左右洞防水层不连通式和复合式中墙防排水。以下我们就对三种防排水施工工艺做分别的介绍并对其做一个简单的评价。
1连通式防排水 连通式防排水施工工艺，在我国隧道的修建中，得到了多次的优○
化改进，但还是因中墙纵向排水管高出纵向中墙与拱墙相连的二衬施工缝，中墙顶部有连接中墙和中墙顶部围岩的加固猫杆导致中墙顶部的防水层被迫穿眼，左右洞
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多次开挖、初期支护和二次衬砌过程中常有破损现象。因此，中墙不同程度的渗漏水现象极为普遍，很少获得满意的效果。
2不连通式防排水 这种防排水施工工艺虽然比前一中防排水方法好，工艺上也有○
所改进，但由于工艺繁杂，难以达到质量的要求，就我国目前的状况，这种施工工艺在实际施工中还没有得到推广及应用。
3复合式中墙防排水 这种防排水施工工艺是目前比较好的一种防排水方法，我国○
的《公路隧道设计规范》也建议推广此类复合式防排水。它的左右洞防排水自成系统，因而从根本上解决了连拱隧道中墙渗漏水的难题。
以上就是我们对连拱隧道的施工工艺做了一个简单的介绍，连拱隧道作为公路断面形式中的一种，在我国隧道的修建中得到了较多的应用，在以后连拱隧道的设计中，连拱隧道的设计将得到更大的完善，为连拱隧道的施工带来更多的便利。 2.4.3连拱隧道的施工
连拱隧道的施工主要有开挖施工，监控量测，二次衬砌，防排水施工。在这里我们主要谈谈开挖施工、防排水施工。以下我们来主要谈谈连拱双洞隧道施工的一个重要环节：开挖施工。
在修建任何隧道的过程中难免要有大量的土石方的开挖，可以这样说，开挖施工占据着隧道施工的大部分工作。由于高速公路连拱隧道具有埋深浅、跨度大，且大部分隧道地质条件差等特点，因此在开挖施工时，要严格遵守“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭”的施工原则。连拱隧道的施工开挖，主要有中导洞和三导洞两种方法。 中导洞开挖可以从隧道两端同时施工，也可以从隧道一端开挖。根据地质条件中导洞开挖分全断面和短台阶两种施工方法。在围岩较好的Ⅳ类围岩及以上围岩可以采用全断面开挖中导洞。无论采用哪种方法，均应该采用光面爆破的方法尽量减少中导洞开挖时对正洞围岩的扰动，每一循环进尺要控制在1ｍ以下，围岩好的情况下最好不要超过1.5m．支护要紧跟开挖面，不允许围岩长时间暴露，因为中导洞即使小面积的塌方，都可能对正洞的开挖和施工带来较大的影响。三导洞施工方法是除在中隔墙处开挖一个导洞外，在上下行线两侧分别开挖一条侧导洞，在中墙砼台阶法施工，顺序为先墙后拱法。中导洞施工方法具有工序简单，临时支护工程量小，工期短，成本低。三导洞施工方法具有正洞支护早闭合，施工安全的特点，但是工序复杂，成本高。要根据隧道地质情况，针对不同的围岩类别采用不同的施工方法。
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通过以上的叙述我们了解到隧道的施工我们可以了解到隧道的施工隧道施工开挖的两种方法。目前采用比较多的是三导洞施工，那我们来看看三导洞施工的工序，三导洞施工的工序如下：在洞口段施工完成后，先进行中导坑开挖及中墙施工，中墙顶及侧边回填后开挖左侧导坑。中导坑贯通后从中间向洞口浇注中墙，侧导坑则从洞口向中间施作边墙二衬。在左侧导 开挖支护到位，且边墙衬砌后施工左侧主洞，进行拱部开挖及拱部二次衬砌，随后开挖中部及落底施作仰拱，形成封闭的支护结构。在左线主洞衬砌（包括仰拱）施作了一定长度之后，即可展开右洞施工，施工顺序同左洞，右侧主洞开挖面应滞后于左洞20～30ｍ。在二次衬砌砼施作前注意防水层、排水管和预埋管件以及预留洞室的设置。
图2.9水平连拱隧道施工工序图
1 中导坑开挖 2中导坑初期支护 3中墙施工及顶部回填 4中墙侧边回填（与主洞开挖相协调） 5左侧导坑开挖 6左侧导坑初期支护 7 左侧边墙衬砌 8左拱部开挖（边墙混凝土达到设计强度后） 9 左拱部衬砌支护（撤除导坑内侧的支护） 10 左拱部二次衬砌
11 左洞下部开挖 12左洞仰拱施作 13右侧导坑开挖 16右侧导坑初期支护 7 右侧边墙衬砌 8右拱部开挖（边墙混凝土达到设计强度后） 9 右拱部衬砌支护（撤除导坑内侧的支护） 10 右拱部二次衬砌 11 右洞下部开挖 12右洞仰拱施作 2.4.4连拱隧道的衬砌
从上一节的施工工序图中我们可以看出，在连拱隧道的施工过程中，对于连拱隧道的衬砌是有很高的要求的。只有公路连拱隧道的衬砌结构有足够的强度和稳定性，才能保证隧道长期安全的使用。由于连拱隧道双洞相连，开挖跨度大，埋深浅，
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地质条件较差等特点，决定其衬砌的工种和工序多，结构复杂，因而与分离式隧道相比有着明显的区别。以下就对公路连拱隧道的衬砌做个介绍。
公路连拱隧道的衬砌有两种形式，通常将其分为：整体式和复合式两种衬砌结构。一般在连拱隧道的施工中，在在暗洞采取复合式衬砌，明洞段采取整体式衬砌。
按新奥法概念，隧道暗洞的衬砌包括一次衬砌和二次衬砌，即复合式衬砌。在我国通常把一次衬砌称为初期支护。初期支护主要有两个工序：洞身开挖后的锚喷和钢支撑。而二次衬砌即为模筑衬砌混凝土或钢筋混凝土衬砌。初期支护是隧道支护的主要手段，它的工作主要有锚杆、钢筋网片、钢支撑和喷混凝土。初期支护的厚度一般为20～30cm，当围岩条件好可不用钢支撑时，可将初期支护的厚度减到5～10cm。初期支护结构复杂，工序多，常常是隧道施工的难点。而二次衬砌的施工也就主要有这两种方式：模筑衬砌混凝土和钢筋混凝土衬砌。初期支护和二次衬砌组成了一个更完整的隧道衬砌体系。通过衬砌支护过后的隧道断面有明显的层次感，即为两层结构。通常将初期支护的称为外层，二次衬砌的称为内层，在内外层之间通常还设有防水夹层。我们可以由隧道的两层结构看出，在隧道的施工过程中，衬砌是有先后顺序的。二次衬砌施工必须在初期支护的监控量测收敛值达到相对稳定后才能进行。但在软弱围岩段，为了弥补初期支护的强度不足，包括仰拱在内的二次衬砌必须尽可能早的跟上，形成共同闭合结构的支护体系.
图2.10复合式衬砌
明洞的衬砌结构不同于暗洞的衬砌。明洞的衬砌并没有初期支护，而且最大的区别是明洞衬砌的顶部和两侧有一层厚的土石回填层。明洞基础应置于稳固的地基上，当基岩为埋深浅的硬岩时基础可设在硬岩上，当基岩为软弱岩石时基础应采用整体式钢筋混凝土底板结构，中墙和两侧墙要嵌入牢固的基岩内，并要有一定的宽度，明洞侧墙外的回填，墙外端应用片石混凝土，墙体回填土应夯实，并应两侧对
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称进行。
2.4.5公路连拱隧道常见病害治理
连拱隧道由于跨度大，埋深浅，结构复杂，工序多，围岩开挖爆破扰动破坏次数多，所以常见病害种类及病害发生率，远比其他类型的隧道种类多。由于隧道所处地质条件十分复杂，而且很多困难是难以预计的。连拱隧道的常见的病害有以下几种：隧道偏压、整体式中墙渗漏水、二次衬砌裂缝、洞内坍方等。而这些病害的成因大多与不良地质有关。而对于通常的隧道病害治理，首先是进行详细的现场调查，认真科学的分析病害产生的原因，针对病害的不同程度和具体情况，因地制宜，提出分类治理病害的措施原则、方案对比、采用工艺方法及材质等，最后是治理效果及其评价。在病害的治理原则上，我们要求：立足彻底整治，不留后患，不得降低隧道结构的安全度、设计标准和使用功能为前提。 2.4.5.1隧道偏压
连拱隧道由于隧址处地势较陡，上下行线两侧的埋深差异较大，整座隧道也就不同程度地存在偏压。洞口段更是偏压最为严重的地方，洞口段的施工往往处于“举步维艰”的情况。洞口刷坡后极易造成山体滑塌、边坡失稳。已经建成的连拱隧道的经验已经证明偏压时支护参数、施工方法、施工顺序受偏压程度的影响较大，与无偏压的隧道差异很大。对于这种偏压情况下的施工，首要问题是确定内外侧主洞哪一个先开挖的问题。国内隧道界目前关于“先外后里”及“先里后外”这个问题的讨论较多，争议尚存。从已经建成的连拱隧道来看，无论是“先外后里”还是“先里后外”的施工方法，都不乏成功的例子。而大多数设计和施工技术人员主张先开挖外侧主洞，二次衬砌完成后再开挖和施工内侧的主洞。理由如下：连拱隧道在浅埋偏压条件下，外侧围岩稳定性相对较差，如果先施工内侧的主洞，则在外侧隧道开挖时，由于隧道所受向外的偏压很大，容易引起内侧已经建成的主洞变形甚至开裂。外侧埋深小，施工时极易发生塌方。 2.4.5.2整体式中墙渗漏水治理
作为隧道连拱隧道最常见的病害之一，从以往的工程经验看来，究其原因，主要是结构设计所致，也有因施工工序过多，工期延续过长，施工人员不够细心等原因所致目前采用的是以排为主，堵排结合治理和以堵为主，堵排结合治理两种方式进行处理。以堵为主，堵排结合治理就是指先注浆堵截，后完善排水系统。而注浆堵截则是关键。注浆堵截，就是在大面积渗漏水区段前后各一定长度范围内的中墙
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上方V形区，当有大空洞时先泵送混凝土充填，然后再进行注浆处理。完成注浆堵截后，便是要完善排水系统。完善排水系统是对注浆未能完全封堵住的小股渗漏水或点状渗漏水，采用引排水方法将地下水引向排水沟。而对于无渗漏水地段，也同样采用预设和完善排水系统，以做好有备无患。而以排为主，堵排结合治理主要有以下的几种治理措施：钻集水孔排水、凿纵向盲沟，凿竖向盲沟，注浆堵水。整体式中墙渗漏水治理在上一节的连拱隧道的防排水设计中，我们已经做了介绍。总而言之，对于隧道渗漏水的治理最好的方法就是做隧道的防排水设计，做到防治结合，这样便可以治理好整体式中墙渗漏水的治理。 2.4.5.3洞口坍方
洞口坍方也是连拱隧道最常见的病害之一，其主要原因是连拱隧道多为浅埋、偏压，开挖跨度大，围岩受到多次开挖和扰动破坏等，比分离式隧道洞口更易产生坍方。洞口坍塌处理常采用的方案是，对已坍塌部分改为大开挖路基，或是把已坍塌的暗洞改成明洞。这种处理方案比较简单和稳妥，施工也相对容易。但又常会受到地形的限制，特别是对地形复杂，山体坡面较陡的山区高速公路，往往会引起边坡高，占地多，对自然景观和环境破坏较严重。虽然提出了常规方法，但在施工中，面对地质状况的复杂性和环境的不可预知性，工程师不可能处处都按着常规方法一步一步的做，而是面对实际情况做出判断，在常规方法的基础上，提出更可靠的施工方法。以京福高速公路福建段坑面兰隧道为例，按照常规方案，左侧边坡高处要开挖高达30m以上，而如此高的土质边坡，能否稳定都是一个应慎重考虑的问题，或者需采用强有力的防护措施和高昂的造价。经过现场调查，该隧道的工程技术人员提出了一明一暗的治理方案，即尽可能地减小左侧的开挖高度，以减少开挖量和边坡高度。把已坍塌的右洞由暗洞改为明洞，进行废渣清除，未坍塌的左洞保留暗洞不变，这样，边坡的高度就主要取决于左洞的处理，形成一明一暗的治理方案。一明一暗的方案，是在确保左洞顶部和中墙上部稳定前提下，充分利用未坍塌原超前支护，可以省去常规方案的高边坡大开挖，并少占土地，有利于边坡稳定和周边环境保护。由上所述，我们可以对洞口坍塌的防治有了个简单的了解，我们要结合工程地质的实际情况，做好隧道洞口坍塌的处理。 2.4.5.4洞内坍方
连拱隧道开挖过程中，尤其是主洞开挖断面大，围岩受到多次爆破扰动，常有坍方事故发生。多数坍方是是不良地质所引起，因此，有人把主洞开挖坍方治理，
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看成是工程地质或不良地质隧道围岩病害治理。也有个别的情况是施工工艺和方法使用不当，当开挖进尺过大，爆破装药量过多等原因造成主洞坍方。因此，应尽量排除导致坍方的各种因素，尽最大可能地避免坍方事故的发生，树立坍方是可以预测的、可以控制的、可以防止的观点。
以下我们来看看连拱隧道洞内坍方治理的一般程序和措施：
1查明坍方的原因，确定治理方案。发生坍方后，应及时迅速治理，不应延误时○
机，防止坍方不断扩大。对塌洞起止里程、形态、规模、周边围岩岩性和地质构造等，进行详细观测和分析，制定科学、合理地方案。
2加固周边未坍塌地地段，防止坍方不断地扩大。如果是通天坍方，也应对坍方○
漏斗周边加固，并开挖周边截水沟进行防排水，对塌洞墙体进行注浆和锚喷加固。
3施作超前支护，稳固拱顶。对大坍方用长管棚，小坍方用注浆小导管超前支护，○
稳固洞顶喳体。
4边清除喳体，边施作钢支撑、锚喷等初期支护。必须采取短进尺、早封闭地原○
则，确保治理施工中的人员和设备安全。清喳和初期支护全部完工后，按坍方治理设计进行二次衬砌，通常按Ⅴ级或Ⅵ级围岩标准进行二次衬砌。
5地表回填夯实、封闭坍方体。为防止地表渗水塌洞，地表用水泥砂浆或混凝土，○
也可用浆砌片石封闭，封闭范围应略大于坍方轮廓线。
6地表培土种草植树，恢复生态环境；地面培土标高，应略高于塌体周边高度，○
以利地表排水。
从以上的叙述种，我们可以了解到，在连拱隧道施工中，洞内坍方的产生原因以及治理方案。不过，在施工中，我们要根据施工现场的地质状况找出适合施工现场的方案。
2.4.5.5二次衬砌开裂治理
二次衬砌开裂也是隧道结构常见的病害，它产生的危害石多方面的，如对围岩支护能力下降，整体性结构变差，随时可能发生掉块，危及施工和正常交通安全；导致隧道渗漏水，引起洞内设备功能下降；加速二次衬砌老化及其极限强度降低，引起隧道承载能力降低等一系列病害、变形侵限、甚至坍塌。由于连拱隧道在我国的起步较晚，因此，在二次衬砌开裂原因分析和治理时，需要借鉴分离式公路隧道和铁路隧道的一些经验。我国的一些专家，在对公路隧道和铁路隧道方面的研究后，提出，隧道衬砌裂缝一般是指二次衬砌混凝土中的不连续面，肉眼可见的裂缝范围
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一般以0.05mm为界。对于一般的隧道二次衬砌，宽度小于0.05mm的裂缝对隧道的正常使用、承载无太大的影响，可以不进行治理。因此，我们研究的隧道裂缝的治理，主要式混凝土可见裂缝，即宽度大于0.05mm的裂缝的加固和修补。
连拱隧道运营一定年限后，出现二次衬砌开裂式难免的，分析开裂的原因，还涉及到很多的方方面面。有一部分是与设计、地质、环境和结构老化等有关，但大部分是施工水平和施工质量有关。因此，要严格施工管理，提高施工水平和施工质量，加强隧道维修和养护。从以往的研究看来，二次衬砌开裂有下列的原因：
1隧道基础在纵向或横向上的不均匀沉降和偏压荷载作用。如在明暗挖交接地段，○
隧道围岩风化程度不一，甚至相差悬殊。在左右洞顶明显的地形反差导致的偏压荷载作用等。
2沉降逢、变形缝和施工缝的设计和施工中出现的问题。如二次衬砌台车或模板受○
挤压，或定位不当，在中墙基础浇筑时，过长距离未设变形缝，引起不均匀沉陷。
3钻爆作业不当，超挖过多。或开挖时不良地质导致隧道围岩坍方，回填不密实，○
产生再次坍方，大岩块冲击二次衬砌。或后行洞开挖爆破对先行洞二次衬砌震动，改变隧道的受力状况。
4防排水不当，低估地下水压力。或防排水施工质量不到位，导致降低了围岩的自○
稳力，急剧增加并超出二次衬砌的承载能力。
5施工工艺步序的时空步距不当。围岩松动导致初期支护受力过大，把围岩应力过○
早地转移到二次衬砌上。或二次衬砌浇筑后尚未固化，即进行过近距离开挖爆破，震裂未固化的二次衬砌。
6二次衬砌用的钢筋混凝土质量有问题。或是配筋不符合设计要求，混凝土厚度不○
够，或是水泥、碎石等原材料不符合设计要求，导致混凝土强度偏低，蜂窝麻面现象严重。
7左右洞顶部的地面地形反差过大，导致山体偏压。或地面滑坡等不良地质灾害，○
或长久时间大暴雨所致。
8在明洞施工中露天作业养护不到位。中墙及左右主洞拱墙二次衬砌浇注混凝土过○
程中，温差原因产生干燥收缩裂缝。
9开挖和支护方法不合理。欠挖未处理，超挖未回填，支护结构背后有空洞，施工○
中的损伤或拆模过早等，导致二次衬砌开裂。
10雨季地压要比旱季地压增加一倍，以往对某隧道的观测表明，大雨过后2到7天○
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二次衬砌开裂显著。
以上我们对隧道的二次衬砌开裂的原因进行了介绍，通过以上的介绍我们了解到连拱隧道的破坏模式是多样的，在连拱隧道中，我们通常不可能把连拱隧道的破坏归咎于某种破坏模式，而是多种破坏模式相结合，从而导致隧道的破坏。而面对二次衬砌裂缝我们应该怎样对其进行治理。当然面对二次衬砌裂缝，我们应对其产生的不同原因采取不同的治理措施和方案进行治理，防止开裂病害的发展。目前，国内外主要采取的治理措施有以下几种：
1干燥收缩裂缝的治理。在刚发现初期时，应立即加强覆盖并洒水养护，及时正确○
调整和严格控制混凝土配合比，降低单位用水量，提高混凝土抗裂度。裂缝不严重时可不作专门处理。
2偏压引起开裂的治理。在查明偏压引起开裂后，立即采取地表御压，力求达到受○
力平衡状态。在中墙受偏压产生裂缝时，应立即加强防偏压支撑，或采用回填方式处治。
3不良地基引起的裂缝。在地基不良时，则采用小导管或中空锚杆注水泥浆加固地○
基。
4爆破外力等作用引起的裂缝。由外力作用使未完全固化的混凝土开裂，或模板台○
车装拆不当引起混凝土开裂，应在施工过程中，严格和加强预防措施，避免混凝土的意外损伤。
我们对二次衬砌裂缝的产生原因和治理措施作了介绍。在连拱隧道的二次衬砌裂缝治理中，没有一个通用的方法，而是根据不同的施工现场做不同的治理方案。 2.4.5.6二次衬砌坍方治理
连拱隧道二次衬砌坍方病害不是很常见，但也时有发生。二次衬砌坍方，常常伴随着洞内围岩坍塌，有时这种围岩坍塌一直延伸到地表，引起地表沉陷等一系列病害。
二次衬砌坍塌的可能原因有：围岩松软破碎、地表渗水过量浸泡围岩、含水断裂构造等地质不良引起；钢支撑和锚喷初期支护与围岩不紧密，及厚度、强度不够；二次衬砌厚度偏小、强度偏低；拱背超挖过多，回填不实，造成空洞过大，引起拱顶围岩坍塌；隧道基底基础薄弱，或不均匀沉降；以及施工方法不当，左右主洞先后错开开挖距离不足，监控量测工作不到位等等。
由于二次衬砌坍方在隧道的施工中是一种很少见的病害，所以二次衬砌的治理
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往往不能找到一种确定的、固定的方法，在施工要根据施工现场的具体条件，选定一种合适的，合理的方法。在江南某连拱隧道隧道的施工中，施工人员根据现场勘察，发现该隧道围岩为寒武系下统深灰色粉沙质板岩与泥质板岩互层，强烈风化后成褐色、褐黄色、土红色。由于洞顶围岩松软破碎，多日大暴雨后，于2003年6月24日晨发生左右洞二次衬砌大坍方，造成左右洞顶围岩沉陷，地表呈现两个大小不同的扁圆形通天漏斗，扁圆长轴延伸方向与岩层产状走向基本吻合。对于这样的二次衬砌坍方破坏，经过施工人员褐专家的共同研究，最后决定采取以下的几种措施进行病害的治理。
①在坍方体上外侧周边施作浆砌片石截水沟，以防地表水流入坍塌体和隧道拱顶。 ②对已出现的地表裂缝，用轻质料粘土回填并夯实封闭，以防地表水渗入。 ③对坍塌坑用轻质料粘土回填，并整平夯实，表面在喷8cm厚的C20混凝土封闭，并略高于坍方体周边的地表高度，以防地表水进入坍方体。
④从洞外明洞上部，对洞内坍方体拱部施作40cm长的双管棚，并使长管棚前端牢固地撘筑在未坍塌的岩层上。
⑤双层长管棚施作完工后，在长管棚支护环的保护下，清除洞内坍塌岩块，清除已破坏的初期支护和二次衬砌，开挖未坍塌的岩层。在坍方段再次施作初期支护和二次衬砌。
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第3章 公路隧道的单洞的断面形式
3.1引言
当前我国正在大力发展经济，而作为国民经济发展不可缺少的重要部分——交通运输，在国民经济中也就占有很大的地位。因此，我国的公路建设也如火如荼地正在进行着。由于我国地大，长大公路的建设更是成为公路建设的重要部分。
长大公路多为高速公路或一级公路，而这两种等级的公路，也多为四车道或四车道以上。而这些多车道公路的建设，也无疑为隧道的建设带来了困难。特别是在隧道的横断面设计和施工中，对隧道的横断面形式提出了更多的要求。一个合理的隧道横断面，可以为施工和设计带来很多的方便，对隧道的安全性和适用性也有很大的提高。在这里我们对长大公路隧道横断面形式的研究，主要以六车道公路且隧道单洞为三车道的隧道横断面形式作为研究。
那以下我们先来看看三车道隧道设计施工过程中存在哪些问题。以下我们就对1按照公路隧道设计规范，围岩类别分成六类，岩体类别不同，其做一一的介绍：○
2三车道隧道断面有拱形、圆形、矩形和椭圆其受力产生变形的力学模式亦不同；○
3环境条件包括岩层、岩性、地应力形．每一种隧道断面有其独特受力变形特点；○
场、地下水、隧道对应的地表有建筑物等．在不同隧道围岩类别和环境条件下，设
4隧道设计中荷载的计算公式中，包含了围岩的类别和跨计动、静荷载也不相同；○
度影响系数，但由于实际工程中，围岩分类时，对于地下水不做定量规定，且很少考虑隧道开挖对围岩性能的动态影响，势必引起围岩分类不准确，自然会影响荷载
5此外，荷载计算是以8m基本跨度为基计算的准确性，会影响隧道的结构设计；○
准，与实际出入较大，因此采用常规的荷载计算公式势必得不到正确的计算结果；
6三车道隧道设计均以类比法为主．对于Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类稳定性较差的破碎围岩○
及特殊地质围岩，应及时采用类似隧道盾构施工原理的强预支护或改良地层的设计方法．预支护抗力参照围岩压力量测，强预支护设计参数按工程类比法和曲墙式衬砌计算法求得参考值；预支护力也可按照普氏理论和太沙基理论计算预估围岩压力，然后乘以折减系数，作为预支护力，用结构力学方法来估算强预支护设计参数，设计缺乏依据。所有以上这些问题都需要在设计和施工过程中正确处理．
从以上这些问题中，我们可以看到三车道隧道的施工所面对的条件是十分复杂的，本文不可能一一为你解决，在本文中我们针对隧道横断面形式中的拱形、圆形、椭圆形做分别的阐述，并对各种隧道断面形式的参数做一定的介绍。
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3.2圆形隧道横断面形式的研究
圆形隧道横断面作为最基本的隧道的横断面形式，相对于其他形式的隧道横断面，圆形横断面由于其结构稳定，且隧道横断面受力易于分析，故往往其他形式的隧道横断面设计中，往往以圆形隧道横断面的受力作为其他形式隧道横断面受力的基本模型，以此来进一步对其他形式的横断面进行研究。而且在隧道的设计中，圆形横断面形式的隧道往往很少修建，在目前纯圆形隧道横断面的修建应用于较多的就是我们上节提到的垂直连体隧道，但由于这方面的隧道在我国的修建中较少，本论文中我们很少提到。而像拱形隧道就是以圆形隧道作为其设计的基础。
3.2.1非轴对称条件下，圆形断面隧道围岩应力分布
图3.1圆形隧道围岩应力计算简图
由上图我们可以看到两个参数，它们分别是p、q。这两个参数代表的是围岩应力。但在计算中，我们往往通过代入参数λ，来描述围岩的应力，即q=λp。当λ=1时，此时我们可以说圆形横断面隧道周围的围岩是处于轴对称状态。通过下图我们可以清晰的看到，在轴对称条件下，隧道横断面的围岩随应力的变化。隧道是修建在地下的构筑物，由于地下的地质状况十分复杂，因此轴对称围岩应力往往是一种特殊的形式。在实际的施工中，工程师更多的是去考虑在非轴对称条件下的圆形横断面隧道的受力分析，即λ≠1。以下我么就来简单的叙述下，非轴对称条件下隧道的围岩应力分布。
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图3. 2轴对称条件下，围岩应力随距离的变化
图3.3巷道周边斜截面上的剪应力
a—巷道半径；
—切向应力；
=0, θ及r面上应力； —任意截面正应力； —对应
的剪应力；
如图2.11，我们可以从隧道周围的围岩中可以取出一个微元来对隧道的围岩进行受力分析，如图2.13。非轴对称条件下，圆形断面隧道围岩应力在隧道周边处，可简化为：
=p(1+2==0
最大，且为主应力，径向应力及剪
)+q(1-2
)或
=p(1+2
)+λp(1-2
)
由式上式可知，隧道周边处切向应力
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应力均为零．之值不仅与p及λ有关，而且与θ值有关，当p及λ给定后，
值随θ而变化，故隧道周边各点的切向应力不相等．在隧道横断面的设计中，工作人员通过计算机已经做好了不同λ值下隧道周围的围岩应力图。因此在设计中我们只需要按照要求的方法读图，便可以求出隧道周围任一一点的围岩应力。
图3.4 λ=
图2.14为λ=
时，隧道围岩应力分布
时，隧道围岩应力分布。从上的应力图我们可以按照
下面的方法进行读图：从隧道断面中心点０点引放射线止于应力曲线，按比例量隧道周边至曲线放射线的长度，即为射线所通过周边的那一点的应力值。射线与应力曲线在圆外相交的为正值，在圆内相交的为负值。原岩应力p的数值只确定围岩应力的大小，不影响应力分布形式；λ值的变化则对应力分布形式起决定性的作用。例如，当λ＝１时，应力分布曲线为隧道断面曲线的同心圆，λ≠１时应力分布曲线对称竖轴．并且随λ值的变化，图形亦有所变化。从应力分布可直观地看出隧道周边是否出现拉应力，λ＝
时，顶板切向应力为零，λ＜
后，顶板将出现拉
应力。因为岩体抗拉强度极低，故设计隧道断面时应尽量避免出现拉应力。
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图3.5 λ=3时，隧道围岩应力分布
时，θ=
处处（即垂直轴，如图５所示。
图2.14为原岩应力p>q时的应力分布图，λ=
与隧道周边交点处）呈现拉应力，若p＜ｑ，则其应力分布相差拉应力则呈现在水平轴与隧道周边交点处。
以上便是对隧道围岩压力进行的分析，我们可以看出，隧道所处的地质条件是十分复杂的，我们不可能通过简单的分析便得出结果，而分析隧道的围岩压力对隧道的修建又是十分重要的。因此，在隧道围岩压力的计算中，我们需要利用好计算机，并结合好力学，对隧道横断面的围岩受力做好分析，我们才可能选择出合理的隧道横断面形式。圆形横断面隧道的围岩压力的分析相对于其他形式较简单，因此，在很多隧道围岩应力进行分析时我们都是以圆形隧道的理论作为基础。
3.3拱形隧道横断面形式的研究
拱形横断面作为隧道横断面的一种形式，在我国的公路隧道的建设中，普遍都采用这种形式。由于拱形断面形式是非圆形的，因此在解决非圆形断面隧道的围岩应力分布问题时，多采用平面弹性理论中的复变函数解决法。目前公路隧道大多采用三心圆或单心圆的拱形断面，对于大断面公路隧道，由于车道数的增加，宽度加大了，而高度变化不大，使建筑限界变得扁平，因此，隧道就不得不做成具有扁平的拱形结构。下面我们分别对单心圆拱形断面形式和三心圆拱形断面形式做介绍。 3.3.1单心圆拱形断面
单心圆隧道断面形式在长大公路隧道横断面建设中是被普遍采用的一种形式，而对于这种单心圆的隧道横断面形式，通常在设计中，我们需要涉及到以下的几个方面，单心圆的基本几何方程，独立变量和约束条件。只要注意到以上这几方面再结合工程地质条件和经济，便可以设计出合格的拱形隧道横断面。
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图3.6单心圆的内轮廓如上图
通常描述内轮廓线形状的参数为：R,A,d0,d,d2,d3,d4,d6,d7,d8.这些参数都在上图已经标出，而且也存在以下几种关系：
d1=d2=d3=d4=d6=d7=d8=h1=R+A-H SB1=(W/2)+C+S+d0 SB2=(W/2)+C+S+J-d0
上式中
-SB2 -SB2 -(SB2-j) -(SB1-E) -(SB2-E-j) -SB1 -SB1
d0为道路中线与隧道中线的距离；A为圆心O距路线设计标高的距离；
R为内轮廓半径。
以上这些方程便是单心圆隧道横断面形式基本几何方程，当隧道横断面的几何方程列出后,接下来的步骤便是挑选出独立变量。以下我们就来看看如何挑选独立变量。
根据经验可知：对于一般的限界，d7为重要的控制点，即d7的富余量满足要求后，其余的控制点的富余量易满足。在此，可挑选出独立变量：X=( d7, d0,A)。由此可以看出，相应的内轮廓所含开挖面积（路面以上）可表示为：
S(X)=2×（S1+S2） 其中：S1=0.5φ×R=
,S2=0.5A×
单心圆隧道横断面形式的约束条件有：自变量的范围和建筑限界约束条件。
1自变量的范围。从实际工程来讲d7, d0,A只有在一定的范围内才有意义。为○
了提高计算效率，可使d7固定于一个较合适的值。因此自变量约束条件可由下式表示：
d7=ξ（δ≤ξ≤δ7），0≤A≤300，0≤d0≤60 式中的δ为最小富余量；δ7见建筑限界约束条件说明。
2建筑限界约束条件。设（i＝1，2，3„）为各限界控制点至内轮廓线的水○
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平间歇最大值，可根据实际选取。如上图所示，存在下列关系式：
δ≤
≤，δ≤
，δ≤, δ≤
≤
„δ≤
≤
建立以上这些关系式后，便可以采用迭代的方式来求解以上各参数。即先假定d7和A一个初始值，代入以上各关系式中求出其余各参数，并使他们满足约束条件，然后求出内轮廓所包含的面积。最小面积值为最佳求解。 3.3.2坦三心圆拱形断面
坦三心圆的介绍我们以都汶高速公路4合同段的大扁山隧道为例作为介绍。大扁山隧道进口位于广元市元坝区元坝镇桂花村，出口位于广元市元坝镇砖灰村8组。遂址区属构造侵蚀浅切割低山地貌。山坡呈陡缓相接的阶梯状。进口斜坡较陡，约35～45°，植被不发育，多为村民的耕地及荒地，出口斜坡相对较缓，坡度约为25～30°，植被发育，多林木。两洞口厚层砂岩处则形成自立陡坎。洞身部分缓坡，平台处有旱地；较陡的山坡上，林木茂盛，自然植被较好。大扁山隧道的左洞长为418m，右洞长为376m。大扁山隧道的一个单洞采用的是坦三心圆，并设有仰拱。坦三心圆的拱形断面形式和单心圆隧道的断面形式的设计相似也涉及到基本方程、目标函数和约束条件等几方面的内容。以下我们先来看看坦三心圆隧道横断面形式的基本方程
图3.7坦三心圆隧道横断面的内轮廓图
坦三心圆的基本方程如下：
32
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=
))）
,
H
a=(
b=(=（
以上便是坦三心圆的内轮廓形状和基本方程。以上这些代数式为描述内轮廓线形状的参数。为了使优化问题简化，我们可以认为
处是第一段弧和第二段弧的分割点。
通过以上对基本方程的介绍，接下来，便是找出目标函数和约束条件。挑选出独立变量：X=S(X)
2
(
，
，而其相应的开挖面积可表示为：)，其中0.5
，
=
，
，.
而约束条件主要有以下两个方面：变量的范围和建筑约束条件。
1变量的范围。d7=ξ（δ≤ξ≤δ7）○，0≤
≤300，0≤d0≤60，
.
以上这些参数的具体意义在单心圆的介绍中我们已经提到了，在这里我们就不多做叙述了。
2建筑限界约束条件。δ≤○
≤，δ≤，δ≤, δ≤≤„δ≤≤ 、
建立以上关系式后，便可采用迭代的方式来求解以上各参数。即先假定和
，代入以上各关系式中求出其余各参数，并使它们满足约束条件，然后求出内
没有固定的标
轮廓所包含的面积。最小面积值为最佳求解。对大断面来说，和
准，可以根据需要来调节，保证断面面积最小，并且受力状态要好。根据以往大断面隧道的受力特性研究发现，坦三心圆拱部会承受较大压力，拱脚处局部应力集中，
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不稳定，一般在拱脚处设置仰拱，过去修建的大断面隧道基本上都是采用坦三心圆带仰拱形式的断面。仰拱在隧道结构受力方面具有十分重要的意义，仰拱的施设可以使隧道结构的承载力提高
左右，减小隧道周边位移并使隧道的塑性区深度大
幅度减小。同时，仰拱可以使隧道初期支护的轴力大幅度减小，提高二次衬砌的安全系数。因此，仰拱的施设对提高隧道结构的稳定性有着非常重要的作用。
3. 4椭圆形隧道横断面形式的研究
椭圆形隧道横断面形式作为公路隧道横断面形式中的一种，在隧道的设计中，它的应用越来越广泛应用。在隧道的横断面形式中，椭圆形横断面隧道的椭圆曲线具有线形连续，从而保证了隧道横断面的光滑、美观和受力连续变化。因此在理论上，椭圆曲线断面是公路隧道首选的断面形式。在过去，设计人员不把椭圆曲线断面作为公路隧道的断面形式，究其原因，可能是以下两点：一是过去用圆规制图，无法画出椭圆曲线；二是圆曲线在受力计算上简单。但是，随着计算机辅助设计和计算机计算技术的广泛应用，过去的弊反而变成了今日的利。因为，用autoCAD画一次椭圆比 画三次圆弧要快捷,而且在用计算机软件计算结构内力时，采用连续的椭圆曲线函数比用间断的三圆拟合曲线函数要简明快速。在施工和放样方面，用坐标法放样椭圆曲线与三圆曲线是一样的方便。 3.4.1椭圆曲线的拟合形式
图3.8三圆拟合断面形式
在工程设计中，常采用三圆心断面的拟合形式。如图一所示，以为半径，画弧CEG；以
为圆心、
为圆心、
为半径，画弧ABC（或GHI）。这就是隧道横
断面设计时经常采用的方法，称之为三圆复合断面。椭圆形的断面形式在放样方面
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也较简单，以下我们通过图2.18来做简单的介绍。在椭圆曲线的几何作图方法中，利用长轴和短轴的关系，先确定点J、K和画弧JEK；以
为圆心、
、
。然后以
为圆心、
为半径，
为半径，画弧ABJ（或KHI）。这里要保证点C、G在
圆弧ABJ和KHI以内。以上就是工程中椭圆常用的放样方法。
隧道横断面的优化设计的目标要求衬砌横断面的规划设计在满足使用要求的净空尺寸和荷载条件的前提下，要达到经济和美观的目的。椭圆曲线作为隧道横断面的一种优化形式。它是通过数学的方法，建立欧拉方程，最后通过穷举法求出欧拉方程的最佳解。椭圆形曲线就是隧道横断面优化形式的最佳解，且函数形式最简单。以下我们就来谈谈椭圆的方程。如图2.19，建立坐标。即以AC或IG距离的中点为Ｘ轴，过E点且垂直x轴为y轴，然后就可以建立椭圆的标准方程，标准方程如下： ]
+
=1
图二就是椭圆的标准方程曲线。实际上，对于横断面上的任意三点，椭圆曲线对于Ｙ轴对称，可设椭圆曲线方程为:
+
=1。上述公式中，为A
点的纵坐标，故由横断面的任意三点（一般为A、C、E三点），即可确定椭圆曲线方程式。
图3.9 椭圆优化断面
3.4.2椭圆横断面形式的为围岩应力
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图3.10 椭圆形断面隧道次生应力计算图
椭圆形隧道围岩的应力，主要是次生应力。因此在这里的计算中，我们就主要对隧道围岩的次生应力进行验算。根据弹性理论，椭圆形断面隧道周边的围岩应力按下式计算：
式中 p—原岩铅垂应力 λ 侧压系数，q=λp
θ 从水平轴算起的角度 m—轴比，m=
与圆形隧道一样，隧道周边的围岩应力最大．从判断围岩稳定的观点出发，应首先研究周边处的应力．此外，隧道周边应力分布表明，两个应力极值仍然在水平轴（θ=0，π）和垂直轴（θ=当θ=0，π和θ=式：
（1） （2）
从式（1）和式（2）中可见：当原岩应力（p、λ）为已知时，切向应力
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， ）上。
，时，将θ值分别代入上式，我们就可以得到以下的简化
只
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取决于轴比m，即轴比是影响应力分布的唯一因素。从以往的经验中，当p已知λ=
u=0.2时，工程师发现轴比m〈1时，隧道的顶底板中点会出现拉应力。通过
对λ取不同值的实验，可以得出这样一条结论：椭圆的长轴与最大主应力方向一致时，应力分布较合理．所以，当最大主应力为铅垂方向时，椭圆的竖轴应大于水平轴，当最大主应力方向为水平时，椭圆的水平轴应大于竖轴．这一结论无论是对于隧道还是采场都是正确的，而且具有重要的工程意义。1960年于学馥教授在他的专著《轴变论》中首次提出椭圆轴比与应力分布的关系，并应用于在地下工程之中，国外在1978年才提出这一问题。
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第4章 长大公路隧道横断面的形状的未来发展
随着我国经济的高速发展，两车道公路是难以满足我国交通运输的巨大交通量。因此，长大公路的修建对我国的国民经济有巨大的影响。我国是一个多山的国家，特别是在西部，山区就更多，要发展西部山区的经济，公路是必不可少的基础设施。而且随着未来国民经济的发展和环保意识的增强，更是迫切需要修建更多的隧道。因此，就未来的趋势看，在长大公路的修建中，采用隧道的方案是越来越多。
在本文的引言，我们提到过现在长大公路隧道多采用非独立双洞隧道。在目前看来，未来长大公路隧道断面的发展还是会朝着非独立双洞这个方面进行。因为非独立双洞具有隧道两端展线容易，保持线形等优点。而小净距隧道和连拱隧道作为非独立双洞的两个主要的形式，当然在以后长大公路隧道的修建中，将得到更多的运用。在隧道的选型上，除某些特殊的地段，我们会选择分离式隧道，而在大多数情况我们会选择以上的这两种断面形式。小净距隧道同分离式隧道的施工工艺和造价基本相同，但造价又低于连拱隧道。而连拱隧道双洞轴线间距可以较小，对两端接线地形要求不高，接线工程量不大，线型顺畅等优点。在未来，在小净距隧道和连拱隧道的选择上，人们除了要考虑本身的地质状况和经济，造价外，人们更加会注重环境保护。小净距隧道和连拱隧道各自又自身的优缺点，但不可否认，在未来隧道断面的发展趋势还式在长大公路连拱隧道和小净距隧道上。
隧道单洞的断面形式中，本文中提到了圆形断面形式、拱形断面形式、椭圆形断面形式。这几种断面形式都是目前比较常用的隧道断面。圆形断面的理论作为，其他断面形式的基础，在以后的修建中，我个人感觉到圆形隧道断面形式在未来会较多的运用在垂直连体隧道上。而目前，在长大公路隧道的修建中，垂直隧道的采用又十分的少。这是由于其施工复杂，造价高，工期长等确定。只有等到TBM 等大型施工的机械得到广泛的运用，才能让圆形隧道的断面形式得到广泛的运用。在隧道单洞断面形式的选择中，拱形断面形式形式作为目前采用得最多的一种断面形式，它的优点是显而易见的，在未来将得到不断的改善和优化，继续得到普遍的运用。至于谈到椭圆形断面形式，虽然具有线形连续等优点，但还是很难在隧道单洞断面形式得到运用。相信隧道单洞断面形式在未来发展的趋势将加大对圆形断面形式和椭圆形断面形式的运用。
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结论
长大公路是现代交通发展的趋势，而在多山的地区我们就不得不选择隧道方案。隧道作为山区公路线性主要构造物，隧道形式的合理与否，就将起到至关重要的作用。
长大公路隧道断面的选择也是确定隧道类型中的一部分，但从目前的趋势来看，设计人员在隧道的设计上更倾向于非独立双洞隧道，当然除有些特殊地段设计人员才不得不选择独立双洞隧道。而目前国内外公路隧道断面形式是多种多样，但用得最多的也就是小净距隧道和连拱隧道。隧道的单洞的断面形式主要有圆形，椭圆形和拱形。本文分别对小净距隧道和连拱隧道做了比较研究，还对公路隧道单洞的断面形式做了比较研究。下面我们分别就从这两种断面形式的比较研究，所得到到的结论做阐述。
从第二章的叙述中，我们分别对长大公路隧道的断面形式中的两种—小净距隧道和连拱隧道，作了详细的论述。我们了解到小净距隧道的破坏模式是多种多样的，隧道所处的地质和地貌是十分复杂的，小净距隧道的破坏模式是也不是单一的一种破坏，而是多种破坏的综合。在叙述中，我们以都汶高速公路上董家山隧道为例简单的叙述了小净距隧道的施工。从小净距的研究中我们知道，小净距隧道的破坏通常是从中夹岩柱开始的，那么对于中夹岩柱的稳定性的要求就是十分高，在隧道横断面的设计和施工中我们要充分考虑中夹岩柱的稳定性要求，因此在小净距隧道的设计中最困难的就使如何确定小净距隧道的最小净距。相对于小净距隧道，连拱隧道的中夹岩柱更加的净距更加小，因此，对隧道的衬砌就要求更高了。而对衬砌的要求高了，无疑也就为设计和施工代来了困难，也加大了对施工工艺的要求。在连拱隧道的施工中，不仅要加固中夹岩柱，而更应该做好衬砌工作。连拱隧道的病害有很多种，在本文中我们详细叙述了几种典型的病害，如二次衬砌开裂、二次衬砌坍方等。从连拱隧道的设计和施工看来，任何一个连拱隧道的结构破坏，都不是某一种病害的结果，而是多种不利条件导致的。而在连拱隧道的病害治理中，我们要结合地质条件和病害，经过研究讨论得出一种合理的治理方案。两种类型的隧道横断面形式，各有其自身的优缺点和适用范围，因此在隧道的设计时，对隧道断面的选择，设计人员应结合当地的地质状况、经济、人口和土地资源进行选择。
在隧道的单洞的断面形式的比较研究中，我们主要谈到了圆形断面形式、拱形
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断面形式、椭圆形断面形式。我们分析了三种断面形式的受力和线形。做为后两种断面形式基础的圆形断面形式，具有受力易于分析，结构稳定。但是在现代的隧道施工中，圆形断面形式的运用是较少的。圆形断面形式往往被作为其他断面形式的模板。在施工中，拱形断面形式和椭圆形断面形式无疑为施工带来了困难，这两种断面形式围岩应力都是非圆形断面隧道的围岩应力分布。拱形断面形式多采用平面弹性理论中的复变函数解决法。但是，对于大断面公路隧道，由于车道数的增加，宽度加大了，而高度变化不大，使建筑限界变得扁平，因此，拱形隧道就不得不做成具有扁平的拱形结构。而椭圆曲线是公路隧道横断面的一种优化曲线，具有函数连续、光滑美观、受力合理、设计计算便利等优点，可作为公路隧道的一种横断面形。但在地下工程中直接使用椭圆形断面的实例并不多，因为它的断面利用率低，施工不便．只有专用的泄水隧道、通风隧道等工程用它较为合理。因此，在隧道单洞的断面形式选择中，我们要因地制宜采取最为合理的断面形式。
综上所述，我们对隧道断面形式做了比较研究，合理的隧道横断面对隧道是十分重要，在以后，隧道的横断面将得到不断的发展，隧道横断面的形式更加得的优化，而且隧道的横断面将不断丰富。
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西南科技大学本科生毕业论文
致谢
光影似箭，转眼间大学生活就要结束了。回想在这大学四年里，我们无论在知识和技能都得到了很大的提高，特别是专业知识的学习，更为我们以后从事自己的工作时，打下了很深的理论知识。作为最后检验我们的一道关卡——毕业论文，在苏老师的指导下，我们按照任务书认认真真的做着毕业设文。毕业论文是对我们大学四年所学知识的一个综合运用。才开始做毕业时，对于毕业论文还没有一个系统的概念。拿到毕业论文任务书，不知道怎么下手。这时我们得到了苏老师和研究生刘得富的帮助，他为我们理清了思路，让我们对毕业论文有了初步的了解。而在写论文时，又是苏老师和师兄给我们的论文提出意见，指出不合理的地放，让我们修改，从而保证了我们按质按量的完成了毕业设计。在这里我对他们表示感谢，感谢他们为我们所付出努力和关心。同时，还要感谢我们本组的成员，在他们的帮助下，我才能按时完成我的毕业论文。
在这大学四年里，我所学的知识，为我顺利的完成毕业论文有了很大的帮助。在这里我首先感谢我的母校西南科技大学，他为我们提供了这么好的学习场所和学习氛围。其次要感谢我们学校的所有老师，是他们传受了我知识和技能，是他们为我们找到了人生的目标。最后还要感谢可爱的同学们，正是在大家的共同努力下，才为我留下了美好的大学生活。
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西南科技大学本科生毕业论文
参考文献
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