山区高速公路隧道结构的设计技术与要点

点

摘要：我国拥有九百六十万平方公里的广袤土地，地形复杂，山区和丘陵的面积在总的国土面积中占比较高，因此，在我国经济发展中，山区高速公路隧道工程数量明显增多，隧道结构的设计在山区高速公路隧道建设中尤为关键.在可持续发展背景下，山区高速公路隧道结构的设计要充分考虑节能性，以减少运营和管理成本，提高工程的综合效益。

关键词：山区高速公路隧道;结构;设计;技术;要点 引言

近年来，我国山区高速公路建设规模不断增大，在建设过程中，由于地理环境条件影响和地形的限制，形成了很多长大下坡、隧道群、桥隧群路段，其中，桥隧道段作为确保山区高速公路工程建设质量的重要手段，其数量规模也在不断增加。我国丘陵和山区占比较多，约占国土面积的三分之二。在山区搭建道路，隧道的建设和维护不可或缺。由于隧道和传统的道路区别较大，其驾驶环境较为密封，因此，山区高速公路隧道结构的设计就显得尤为重要。

1隧道结构设计原则

隧道结构是影响隧道施工和运营期间安全性的核心因素。在综合考虑隧道结构力学特性及经济性的前提下，该隧道结构设计有以下基本原则：①要确保围岩和水少接触或不接触，掌子面开挖前能将水迅速排出，减少围岩软化；②对隧道掌子面注浆加固时，选择含水量低、凝结速度快的浆液；③隧洞开挖后及时施工衬砌，以约束围岩变形，提高围岩的承载能力；④隧道支护形式选择时可考虑柔性支护，并预留适当的变形空间；⑤隧道断面形式要合理，不宜出现应力集中现象；⑥根据隧道围岩级别及具体地质情况制定监控量测和超前地质预报方案，加强隧道结构的动态设计。

2山区高速公路隧道结构的设计技术与要点 2.1基于Web的隧道场景建模设计

隧道参数化模型的建立是实现隧道可视化的基础和关键。基于BIM建模及应用的要求，根据隧道洞身结构特点提出基于横断面序列的参数化建模的方法，将施工数据集成到参数模型上可生成隧道施工进度模型，在可视化阶段模拟隧道施工过程。在隧道的竣工模型基础上构造隧道施工模型。根据隧道施工工序，将施工进度分为掘进、初衬、二衬支护、二衬完成等施工阶段。根据施工数据将隧道按施工进度分段，对于每段隧道确定起止桩号位置，如果起止点位于两横断面之间则需要进行插值获得该横断面位置，再将起止位置之间的横断面数据顺序连接得到洞身进度模型。施工进程通过隧道内壁纹理变化来展现，绘制时根据进度情况绑定相关参数启用对应纹理贴图，展示符合隧道真实施工场景的隧道模型。在隧道场景中，地形和隧道模型分离建模，然后将建立好的隧道模型集成到地形场景中，在合成过程中会遇到模型之间交叉碰撞的问题。隧道属于隐蔽的地下工程，在地形表面之下绘制，因此处理隧道场景碰撞问题的关键是隧道洞口处与地形坡面的融合。以往的地形地物融合算法在前期需要复杂的几何布尔运算过程，因计算存在误差，影响算法稳定性。文中采用基于Shader的布尔运算解决隧道与地形间的碰撞问题，降低了计算复杂度，并且应用GPU并行运算，在时间上具有更好的性能。该方法有两个步骤:(1)地形裁剪。将洞口模型空间轮廓投影到地形平面后得到洞口边界多边形，阴影部分即为待裁剪多边形。采用Shader进行多边形裁剪，需要在地形绘制时利用Fragment Shader判断像素点与边界多边形位置关系。(2)裂缝修补。裁剪掉隧道上方的地形会造成地形和出入口模型之间有一个高度差，因此还需对裁剪形成的模型与地形之间的裂缝进行修补。最后对地形修正，将同一投影点对应边界多边形与地形三角形三维坐标按参数大小顺序生成三角形作为修补地形三角形，绘制时与地形结合实现裂缝修补。

2.2大断面盾构隧道结构整体化设计

随着我国综合国力的提升和盾构建造技术的长足进步,一大批涉及公路、铁路、公铁合建以及电力等多个行业的大断面盾构隧道工程大量涌现,将盾构隧道建造技术推向了世界前列。目前,我国盾构隧道的建设如火如荼,建造规模越来越

大、穿越地层越来越复杂、用途也由单一功能向多功能集约化发展,并已成为越江跨海通道建设的优选工法。目前,我国大断面盾构隧道的建设主要呈现出两个趋势,即结构断面大型化和工程条件复杂化。在断面大型化方面,随着公路、铁路、电力等领域运量、运速以及功能集成等要求,断面由中小断面向大断面及特大断面发展,隧道直径由中小直径向大直径、超大直径发展,并正在攻坚特大直径的技术瓶颈。盾构隧道结构断面增大使其使用功能不断丰富,多功能集成成为可能,代表着国际隧道技术发展的新浪潮,也是我国隧道工程发展的必然方向。盾构隧道结构整体化设计主要涉及到以下方面：1)从细部着手,通过理论分析、数值模拟、足尺试验等手段获取盾构隧道接头非线性力学特征与参数,以此为基础建立基于厚壳或实体的三维分析模型;2)考虑复杂地层荷载、内外水压以及施工荷载等与衬砌结构的交互作用,通过迭代计算法求解管片结构整体受力,该方法可准确体现高水压、多体接触、注浆层影响等效应,实现对大/特大断面盾构隧道结构内力和变形的精确求解;3)通过大量从模型到原型级别的试验研究、现场实测等手段对整体及局部力学行为、破坏特征以及计算模型进行验证与优化。

2.3隧道重筑仰拱设计施工

先按施做注浆管，灌注浆液为水泥浆液；注浆参数为水灰比0.8～1.1；注浆压力初压0.5～1.0MPa，终压2.0MPa，注浆时采用跳孔注浆，并做好封孔。锁脚钢管注浆结束后填塞M30水泥砂浆、插入加固钢筋增强抗剪能力，其余钢管注浆需设止浆塞。做好拱脚处注浆管与隧道拱脚的衔接，加强其对拱脚的稳固作用。注浆管采用梅花型布设，并与仰拱型钢焊接。隧道仰拱开挖后不得积水和长时间暴露，应及时回填并施做仰拱。隧道仰拱部分开挖时，隧道拱脚处须预留1m以上基岩保证拱脚稳定。仰拱底部开挖完成后，先凿槽施做拱脚支撑和仰拱型钢钢架，待支顶牢固、做好焊接后，方能开挖预留基岩并及时浇筑仰拱初支C40早强混凝土。及时施做仰拱二衬，待仰拱二衬施做完成并达到设计强度70%后进行仰拱回填。仰拱二衬在拱脚处须振捣密实，并布设Φ42注浆管在仰拱混凝土强度达到70%注浆填充密实。注浆管布设在横向排水管中间，注浆浆液应采用水泥砂浆，注浆压力≤0.1MPa，不得将浆液注入横向排水管。

2.4山区高速公路隧道通风设计

通风方案对隧道工程的运营环境具有显著影响，确保隧道内的空气质量是山区高速公路隧道通风设计中的重点内容。为维护汽车行驶的安全性和舒适性，就需以通风来确保隧道内污染物及有害气体浓度处于合理范围。该过程中的通风消耗巨大，所以应在节能的基础上注重空气质量，在不同条件下维持隧道的通风效果。具体设计如下：首先是通风方式的确定。山区高速公路隧道通风可按照风动力分为自然通风和机械通风两种形式，前者是借助气压和温度变化加快风流动速度，实现隧道通风效果。不过在设计过程中，经常会因为隧道所在区域的环境变化、结构特征及施工方法的影响，而导致通风质量出现变化。后者是利用专业设备完成隧道通风的一种方式，一般分为纵向、半横向、横向通风这三种形式。其次是明确风机的规格和配置，完善风道风机结构设计。通风设计应考虑工程的规模和防灾减灾的基本要求。为有效减少工程设计和运营成本，在山区高速公路隧道建设中，需以工程实际为基础，科学选择通风系统，设计中所选的通风系统也决定了通风机的选择。山区高速公路隧道通风设计中选择的风机类型，以轴流风机和射流风机这两种为主，设计人员要结合隧道实际情况，对设备规格、型号、运转模式、转速等进行综合考量，确保达到通风系统运转要求。理想的通风机型号要在符合通风要求的前提下具有较高的工作效率。射流风机具有成本低廉、性能良好等优势，是目前山区高速公路隧道通风中使用最为广泛的设备类型。山区高速公路隧道建设期间，也可联合使用射流风机和排风系统，以保障日常排风和发生火灾时的排烟效果。最后是合理选择及布置风机。射流风机无需投入较高的成本，具有良好的指向性和灵活性，能够适应隧道当中车流量变化，也可结合实际调整开启的数量。不过射流风机引导的通风系统由于运行效率不高，对隧道通风带来了一些不良影响。射流风机在应用中会因为性能曲线等的变化，使其出现升压现象。为解决这一问题，除了要合理选择风机规格和种类外，还需对射流风机与顶板的安装间距加以科学控制，改变射流运行轨迹，控制升压现象。射流风机安装中，为使射流涉及到所有的断面，顺利地将推力传送至隧道空间，射流风机安装中，需要对间距实行科学把控，以免风机间相互影响，致使射流扩散速度减弱。

2.5砂土地质条件水平的评估

对于砂土地质而言是不适合高速公路隧道的实际施工规范要求，不利于地理条件的实际操作方式。对于砂土地质的隧道，需要制定符合砂土地质条件的评估方法。注意实际影响的比例范围和水平。按照排水操作的管理要求，注重加强土质水平改造条件，做好升级管理。注意隧道开挖施工中砂土的实际评估标准。结合砂土开挖疏松的实际评估方式，加入一定量的材质标准，逐步提升砂土地质整体建设水平和操作效果。按照隧道实际的施工规范要求，分析实际的操作过程，注意加强隧道整体的框架加固效果分析。针对实际设计规范要求，充分考量隧道承受受压力均衡比例水平和承载力变化的要求。结合砂土地质的实际条件，做好有效的评估分析，对沙土地质变化的条件进行研究。

结语

总之，山区高速公路隧道在设计时不仅要考虑结构的力学特性，还要在满足安全的前提下保证工程造价最低，以此推动山区高速公路隧道的建设质量。

参考文献

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