连拱隧道

连拱隧道结构选型与设计

公路连拱隧道从20世纪90年代初伴随着我国公路隧道的建设而开始采用，由于我国交通基础设施建设规模的逐步扩大和连拱隧道设计经验的积累，连拱隧道的数量和规模不断增加，特别是在200 0年以后，连拱隧道更是普遍采用。

由于在公路建设中对环保要求的提高，中短隧道在一条线中的数量增多，因为连拱隧道在布线、洞口接线等的优点，所以中短隧道常采用连拱隧道。如福建、浙江、湖南、河南、云南、贵州等省目前正在建设或在2000年以后建设的高速公路中；连拱隧道数量所占隧道总数量的比例很高。元磨高速公路全线23座隧道中，连拱隧道数量有16座，占70％；思小高速公路全线15座隧道中，连拱隧道有13座，占87％；贵州玉凯高速公路全线25座隧道有12座为连拱隧道，河南宛坪高速公路几乎所有的隧道均为连拱隧道。今后连拱隧道仍是牛短隧道所采用的一种主要结构型式。本文主要根据贵州在连拱隧道建设过程中的现状，介绍对连拱隧道一些设计总结。

2 连拱隧道的适用性及结构选型

2.1 连拱隧道的适用性

通过国内对连拱隧道的研究总结，目前连拱隧道建设中的一些关键问题已基本得到解决，但毕竟连拱隧道结构和分离式隧道差异较大，所以分析连拱隧道的优缺点对于是否采用连拱隧道具有重要的意义。连拱隧道的主要优点为：在短隧道中避免洞口分幅；线路布线方便；洞口占地面积较少；可保持路线线型流畅；城市中连拱隧道可以大大减少拆迁，降低工程造价；便于和隧道外的桥梁或特殊工程的相连。缺点为：隧道结构复杂；施工工序多、进度慢；洞口的边仰坡处理较困难，特别是偏压陡坡地段；浅埋偏压地形段处理较复杂；就隧道而言造价相对较高。根据连拱隧道的优缺点，认为连拱隧道适用于以下条件：隧道长度较短；工程地质条件较好；隧道洞口地形条件较好；采用分离式隧道时布线困难；结合隧道洞外工程综合分析，采用连拱隧道造价较低。

2.2 连拱隧道结构选型

目前国内常采用的连拱隧道结构型式的区别主要表现在中墙上。按中墙形状的不同，可分为直中墙和曲中墙连拱隧道，从中墙结构型式可分为整浇中墙和三层中墙连拱隧道。目前国内在建的隧道大部分都采用三层曲(直)中墙结构型式。最近几年来，全国已经建成了很多三层曲中墙和一些三层直中墙的连拱隧道，从修建过程中和建成后的效果看，彻底解决了原来连拱隧道的渗漏水情况，并且在施工过程中未发现结构存在稳定的问题，从实际建设效果来看，采用三层中墙的连拱隧道是一种理想的结构型式。图1为三层直中墙和整浇直中墙连拱隧道的中墙构造对比图，三层曲中墙连拱隧道与其类似。

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2.2.1 三层中墙和整浇中墙结构型式相比的主要优缺点

优点为：

a．三层中墙结构使得连拱隧道的防排水设计更加完善，并且从结构本身的施工工序方面较好地保证了连拱隧道防排水的施工质量，从而彻底解决了以往连拱隧道普遍渗漏水的问题。具体表现在防水板是在二次衬砌中墙处延伸至隧道边墙底，且在二次衬砌施工前一次铺设完毕，二次衬砌在中墙顶处无施工缝。

b. 三层中墙结构的中墙顶．回填密实度更易保证。由于中间墙只相当于分离式隧道的初期支护，不需要和二次衬砌相连，中墙顶也没有其他的防排水等措施，所以三层中墙顶的回填密室度更易保证。 c．三层中墙结构更利于结构受力。从图1可看出，三层中墙的顶部支撑范围远大于单层直墙的连拱隧道，三层中墙结构的中隔墙可形成对隧道围岩的有效支撑，可有效控制中导坑洞顶围岩的变形，改善了隧道的受力状态；有效地控制了隧道中墙顶围岩变形及松动区的发展。

d．三层直中墙结构在隧道的整个建设过程中所反映的结构稳定性更好，解决了隧道在建设过程中由于中墙位移所引起的结构开裂等病害问题；由于单层中墙的连拱隧道中墙在力学体系转换的过程中，中墙承受了支护和二衬所带来的压力和不平衡推力，所以在施工过程中容易引发中墙位移和开裂；同时中墙顶部施工时对围岩的支撑宽度较窄，回填不容易密实，所以中墙自身抗稳定的能力也较弱。而三层中墙结构的中隔墙稳定性较好，首先在施工力学体系转换中，中隔墙只承受初期支护的不平衡压力；二次衬砌所传递的力有限，同时中墙顶部的支撑和回填有利于中墙稳定，中隔墙所受的力同单层直中墙的中墙相比，其所受的压力更有利于稳定(三层中墙的中间墙所受的支护和二衬压力的力臂较单层中墙的有利)。

e．对三层直中墙结构的中隔墙的侧向约束可减弱，贵州的三层直中墙和三层曲中墙连拱隧道在施工过程中只设横向钢支撑或未进行横向支撑，隧道也没有出现较大位移，降低了隧道造价。

缺点为：

a．三层中墙连拱隧道的缺点主要为，三层中墙的总厚度要大于单层直中墙的结构型式，这是因为中墙的三层哪一层都不能太薄，每一层在施工过程中和建成后都存在力学体系的转化，具有着不同的作用；而单层直中墙结构在施工过程中和建成后其作用基本未发生变化。

b．同样厚度的单层直中墙的抗弯刚度一般大于三层直中墙的刚度，就中墙的承载能力而言，单层直中墙的墙体承载力更好。

2.2.2 三层直中墙和三层曲中墙的结构型式对比，

目前国内连拱隧道的设计以三层中墙结构为主，三层中墙结构中又以三层曲墙的连拱隧道为主。三层直中墙结构和三层曲中墙结构的设计、施工和防排水等方面基本类似，但由于三层直中墙结构中间路面边缘间的距离墙较三层曲中墙连拱隧道窄2m左右，所以三层直中墙结构较曲墙结构体现连拱隧道结构的优点更加充分，而缺点主要为美观性较差。具体为采用三层直中墙结构时，洞口段的路基宽度一般都能满足最小要求，可不进行加宽，而只需对中央分隔带的宽度按有关要求过渡即可；而对于三层曲中墙结构，由于左右路面中间边缘间的距离为4.5m左右，一般情况下洞外路基必须加宽，才能满足最小的路基宽度要求，同时洞外的中央分隔带过渡长度也远大于三层直中墙结构。

2.2.3 总结

通过以上分析，目前连拱隧道在建设中的一些关键技术问题基本得到解决，但隧道的施工工艺仍没有较大的突破，所以建议在高速公路中的一些中短隧道，特别是短隧道采用连拱隧道结构型式是可行的，但要处理好隧道洞口的接线问题。隧道的结构型式首选三层曲中墙和三层直中墙；当洞外路基宽度和接线不受连拱隧道影响时，宜采用三层曲中墙的连拱隧道；若隧道对洞外路基宽度和接线影响较大时，应采用三层直中墙的连拱隧道。

3 连拱隧道设计要点

连拱隧道设计的重点为隧道断面型式、中导坑及中墙、施工工序的设计。下面根据自己的一些体会，谈谈三层中墙的连拱隧道在设计时的考虑。

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3.1 连拱隧道合理的结构断面设计

总体上隧道断面型式按三种地质情况进行确定，为土质、软岩或断层破碎带(围岩级别为Ⅴ、Ⅵ级)；较软岩、硬岩(围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级)；硬岩(围岩级别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级)。下面就以上

情况进行分别说明：

a．土质、软岩或断层破碎带(围岩级别为Ⅴ、Ⅵ级)衬砌断面结构型式

这种地层的特点为：隧道所受的竖向及水平压力大，基底承载力及围岩的弹性抗力较小，

围岩软弱遇水易软化，因此要求结构要有足够的承载力，支护体系应有足够的稳定性，在

施工过程中不应产生大的变形及位移。因此在这种地质情况下；隧道开挖后支护应及时封

闭，同时隧道开挖轮廓应尽量圆顺，避免一些直线的开挖，初期支护在底部应封闭。

b．较软岩、硬岩(围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级)的衬砌断面结构型式

这种地层的特点为：隧道所受的竖向及水平压力较小，基底承载力及围岩的弹性抗力较大，因此就断面型式而言，针对土质、软岩或断层破碎带衬砌断面结构型式的一些要求，在这

种围岩情况下可以弱化。在这种地质情况下，底部的初期支护可不封闭，但设计时要求隧

道的仰拱能及时跟进，以达到隧道支护及时封闭的要求，同时也自然地提高了仰拱的作用。

c．硬岩(围岩级别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级)的衬砌断面结构型式

这种地层的特点为：隧道所受的竖向及水平压力均相对很小，特别是水平压力显著减小，基底承载力及围岩的弹性抗力都很大，因此隧道基本不会发生稳定和破坏的情况，承载力也没有问题。所以应采用不带仰拱的衬砌型式。在这种情况下，最需考虑的是隧道后续开挖对已经做好的支护或二次衬砌的震动影响。通过中导坑的开挖，其自然地起到了隔断左右洞爆破震动的传递，所以在设计时要求开挖时注意一点就可以了。

3.2 连拱隧道中导坑及中隔墙的设计

隧道中导坑设计断面比较小，结构稳定，是连拱隧道施工过程中最安全的施工阶段。把它单独进行讨论，是因为中导坑和中隔墙的设计直接关系到以后连拱隧道施工质量、施工过程中隧道稳定等问题。

3.2.1 中导坑设计

(1)中导坑应偏向于主洞先开挖的一侧

a．这样可使得在同样宽度的情况下，在一侧可获得较大的施工空间，可进行施工人员的走动及布设施工设施。

b，如果需要在中导坑一侧回填土石或混凝土、加设横向钢支撑时，由于在中导坑开挖宽度一样时，该侧宽度较窄，可节约工程数量，降低造价。

c．隧道主洞开挖并施工了支护和二次衬砌后，会对中隔墙产生较大的水平推力，将中导坑向该侧偏移，中隔墙顶围岩对中墙的抗力是有利于中墙稳定的。

d．中隔墙顶为一侧高一侧低，中隔墙施工时一般采用泵送混凝土施工，显然从较宽一侧进行输送，靠混凝土的自重和流动，容易保证中隔墙顶的密实性。

e．连拱隧道在中导坑开挖后一侧主洞开挖时，隧道可形成的松动区较大，所以中导坑偏向一侧时隧道形成坍落拱的宽度较小，有利于降低围岩对隧道的压力。

f．当一侧洞室已建成，另一洞室开挖时，中墙承受先建成洞室的初期支护的侧向压力，中导坑偏向先开挖一侧时可减小倾覆力的力臂，有利于中隔墙的稳定性。

(2)中导坑开挖底面应较中隔墙底面略高

因为在中导坑开挖后，随着施工设备的碾压和水的浸泡，中隔墙底容易软化，表层破碎，而中隔墙在施工过程中需承受很大的竖向压力，所以必须保证基底围岩的承载力。若在开挖时先预留一定的厚度作为保护层；则在中隔墙施工时可边清除扩挖基底边浇注中隔墙，这样可保证基底围岩的完整性。通常围岩越差的隧道，预留的厚度也越大。

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(3)中导坑(侧导坑)的宽度不能太窄

由于中导坑必须先开挖施工，一般要求中导坑需先贯通；从施工进度和安全的角度出发，导坑开挖和支护的施工均应采用挖掘机等设备进行，所以要求其必须具备一定的开挖宽度。通过对现场实际施工设备及具体施工操作的调查，中导坑支护后的净宽不宜小于4.5m。

3.2.2 中隔墙设计

在三层中墙连拱隧道的中隔墙和单层中墙连拱隧道的作用有些差异，但究其在各施工阶段情况来看，其所受的外力大小等情况和单层直中墙的连拱隧道中墙差异不大，所以中隔墙的设计应和原连拱隧道设计的要求一样。但由于在二次衬砌施工后，其作用不大，也容许其有一定的裂缝，所以设计安全系数可减小。具体的建议为：

a．中隔墙的厚度应根据不同围岩类别来定，但最小厚度不应小于70cm。

b．设计时应注意中隔墙基底的宽度，以增强中隔墙的稳定性。

c．最好能在中隔墙顶部增加一些锚杆，且锚杆伸人中隔墙不小于50cm的长度，以增强中隔墙抗倾覆的能力。

d．中隔墙设计应支撑到导坑的顶部，即要求施工时一次施工至顶部。

3.2.3 中隔墙侧向支撑

由于三层中墙连拱隧道在施工时的结构稳定性较传统连拱隧道结构型式更好，通过贵州10多座三层中墙连拱隧道建设积累的经验，认为对中隔墙的横向支撑只需设一些钢支撑或不设支撑；而按传统对中墙一侧回填土石或片石混凝土，一方面投资较大，延长施工工期，并且隧道开挖时对已完成的工程振动较大，如果不回填，则可对冲击波起到隔离的作用。综上所述，采用三层中墙的连拱隧道一般可不对中墙采取横向约束措施，但在存在较大偏压时需采取一些横向支撑，同时必须保证中墙顶回填密实。

3.3 隧道防排水设计

对于三层中墙连拱隧道而言，其结构本身防排水设计的施工和分幅隧道相比基本一致，所以防排水设计只需参照分幅隧道进行设计即可，而分幅隧道的防排水设计已经积累了很丰富的设计和施工经验。

根据分幅隧道的防排水设计思路，需要在防水板和初期支护之间铺设环向和纵向盲沟。对于三层中墙连拱隧道而言，在中墙处需要在二衬和中隔墙间安装环向盲沟和纵向盲沟；由于中隔墙采用模筑混凝土，并且在二次衬砌和中隔墙间无任何预留变形量，所以在该处防排水的设计和施工与分幅隧道有一些差异。通过在依托工程的施工和课题组研究基础上，建议解决该问题采取的措施为：

a．隧道的环向盲沟和中墙间的纵向盲沟应选取扁状的塑料盲沟，以减小对中隔墙或二次衬砌空间的侵入。

b．由于二次衬砌是连拱隧道的主要承载结构，在高围岩级别中均采用钢筋混凝土结构，所以盲沟不能侵入二次衬砌。建议中隔墙的钢筋布置时适当增加一定的保护层厚度，同时在中隔墙施工时预留盲沟所需的槽。

3.4 连拱隧道合理的施工工序

对三层中墙连拱隧道而言，其施工工序对隧道的稳定和结构安全影响很大，施工工序不仅仅是平面的施工顺序，尚应注意在隧道纵向方面的开挖和施工控制，如各工序之间的纵向距离控制。

3.4.1 软岩低围岩类别的三层中墙连拱隧道施工工序

截至目前贵州已建成连拱隧道8座，正在建设的连拱隧道有，12座。通过现场对这些隧道的支护、施工过程中的稳定性等实地工程调查，栽们认为合理的软岩低围岩类别的三层中墙施工顺序设计要点为：

a．隧道的施工工序首先应选取三导坑法进行施工。

b．地质条件略好时，可采用中导坑开挖+主洞微台阶法开挖，上半断面超前的距离不大于10m。

c. 后开挖主洞的开挖，需在先开挖主洞的二次衬砌施工后进行。

3.4.2 硬岩及高围岩类别的三层直中墙连拱隧道施工工序

硬岩及高围岩类别相对于软岩低围岩类别而言具有：隧道基底承载力高，围岩侧压力小，总的隧道压力小等特点。所以隧道的施工工序也应不同于软岩低围岩连拱隧道，建议采用的施工工序为中导坑法开挖；主洞开挖可采用台阶法或全断面开挖；后开挖主洞的开挖，最好在先开挖主洞的二次衬砌施工后进行。当受施工制约时，可根据实际施工时视围岩和中墙结构和厚度等情况，左右洞可同时开挖。

3.4.3 洞口浅埋偏压段的施工工序

一般情况下连拱隧道属浅埋的短隧道。由于连拱隧道宽度较宽，所以在洞口段常会出现偏压地形偏压或地质构造偏压，而对于这种情况下的施工主要应注意确定内、外侧那一个主洞先开挖。国内目前关于这个问题的讨论或争议较大，通过实地处理的一些浅埋偏压连拱隧道的经验和一些计算分析结果，认为应先开挖外侧的隧道。当外侧隧道的二次衬砌完成后，才能进行内侧隧道的开挖和施工。主要理由为：

a．如果先施工内侧的隧道，则在外侧主洞开挖时，由于隧道所受向外的偏压很大，容易引起内侧已建隧道的变形和开裂。同时外侧主洞埋深更小，如施工时发生坍塌，则会使得内侧已完成的隧道处于非常不利的偏压情况，一般情况下隧道的失稳也是在所难免。

b. 在浅埋偏压条件下，通常外侧主洞的围岩条件相对较差，成洞困难。如果能够将成洞困难的外侧主洞先施工完毕，则对于条件相对较好的内侧主洞施工进度更能够保证。内侧隧道开挖时，外侧已完成的隧道所受偏压有限，隧道的稳定易于保证。

c．根据数值模拟分析，先开挖外侧主洞，其影响范围相对较小；如果先施工内侧主洞，其影响范围要大，围岩的松弛给后续的外侧主洞施工造成不利影响。主要反映在先开挖内侧较先开挖外侧隧道时隧道围岩的内部位移和塑性区明显偏大。

4 总结

经过最近几年国内对连拱隧道设计和施工的不断研究、总结，连拱隧道的设计已比较成熟。所以可以根据实际选线时采用一些连拱隧道，特别是在围岩地质条件较好、隧道洞口地形有利的中短隧道更宜选用连拱隧道。写本文的目的是希望同行能对连拱隧道形成正确的认识，在实际应用时有条件地通过综合比较分析而选用连拱隧道结构型式。