・隧道／地下工程・　

大断面小净距隧道断面优化及其设计参数研究　

顾洪源　

（中铁二局集团勘测设计院有限责任公司，成都６１００３１）　

摘　要：对于大跨度小净距隧道而言，合理扁平率及双洞间距的设计对于节约成本，提高隧道线形规划具有至关重　要的作用，因此，优化大跨度小净距隧道的扁平率及其间距是隧道设计施工面临的关键问题。以某双洞８车道隧　道施工为研究背景，通过数值模拟及理论分析，对断面优化及其设计参数进行了深入研究。研究结果表明：随着高　宽比的增加，拱顶位移逐渐减少，水平收敛逐渐增大，在高宽比为２．０时达到理想状态，这个时候的拱顶位移和水　平收敛基本相同，此时断面有利于开挖。当高宽比取理想高宽比２．０时，这时应力较均匀，是开挖的理想断面，同　时考虑行车通行的建筑界限，取高宽比为０．６３３３是合理的。隧洞埋深对塑性半径和周边位移的影响极大；弹性范　围内的支护阻力与隧洞变形成正比；塑性半径随着围岩强度的增加而减小。　关键词：大断面；小净距隧道；断面形态；设计参数　中图分类号：Ｕ４５２．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—２９５４（２０１３）０２—００８５—０４　

Ｓｅｃｔｉｏｎ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　

Ｌａｒｇｅ－Ｓｐａｎｎｅｄ　Ｓｍａｌｌ－ｓｐａｃｅｄ　Ｔｗｉｎ－ｔｕｂｅ　Ｔｕｎｎｅｌ　

ＧＵ　Ｈｏｎｇ—ｙｕａｎ　（Ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　ＥＲＪＵ　Ｇｒｏｕｐ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｔｏ　ｌａｒｇｅ－ｓｐａｎｎｅｄ　ｓｍａｌｌ—ｓｐａｃｅｄ　ｔｗｉｎ—ｔｕｂｅ　ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｆｌａｔｔｅｎｉｎｇ　ｒａｔｉｏ　

ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｌｅａｒ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｔｕｂｅ　ｐｌａｙｓ　ａ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｏｎ　ｃｏｓｔ　ｓａｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｓｈａｐｅ　ｐｌａｎｎｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｌａｔｔｅｎｉｎｇ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｗｉｎ—ｔｕｂｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎｎｅｄ　

ｓｍａｌｌ－ｓｐａｃｅｄ　ｔｗｉｎ—ｔｕｂｅ　ｔｕｎｎｅｌｓ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｔｏｏｋ　ｔｈｅ　

ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｅｉｇｈｔ・－ｌａｎｅ　ｔｗｉｎ－－ｔｕｂｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ－－ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ：　

ｔｈｅ　ｖａｕｌｔ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔ　

ｒａｔｉｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ａｎｄ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔ　ｒａｔｉｏ　ｉｓ　２．０，ｉｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｉｄｅａｌ　ｓｔａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖａｕｈ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　ｉｓ　ｂａｓｉｃａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ，ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ａｒｅ　ｍｏｒｅ　ｕｎｉｆｏｒｍ，ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ　ｔｏ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ．　

Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｌｅａｒａｎｃｅ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｕｌａｒ　ｔｒａｆｆｉｃ，ｔａｋｉｎｇ　ａｎ　ａｓｐｅｃｔ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　

０．６３３３　ｉｓ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｕｎｎｅｌ　ｂｕｒｉｅｄ　ｄｅｐｔｈ　ｈａｓ　ａ　ｇｒｅａｔ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｒａｄｉｕｓ　ａｎｄ　ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｔｏ　ｔｕｎｎｅｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｅｌａｓｔｉｃ　

ｒａｎｇｅ；ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｒａｄｉｕｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌａｒｇｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ；ｓｍａｌｌ—ｓｐａｃｅｄ　ｔｕｎｎｅｌ；ｓｅｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｍ；ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　

随着隧道开挖断面的加大，尤其是修建４车道公　

路隧道时，隧道内轮廓断面积往往达到１７０　ｍ　以上，　隧道跨度大大增加，而隧道高度增加不明显，隧道呈严　

重的扁平形状结构，围岩应力场重分布更加复杂，对隧　

道结构整体稳定性极为不利　。同时，随着开挖断　面的增大，隧道建筑限界上部的空间就会增大，土石方　

开挖量成倍增加。在满足隧道建筑限界和净空前提　

收稿日期：２０１２—０３—１９；修回日期：２０１２—０６—０６　作者简介：顾洪源（１９８４一），男，工程师，Ｅ・ｍａｉｌ：４５２２４９６８２＠ｑｑ．ＣＯＢ。　

铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２０１３（０２）　下，降低隧道的扁平率，提高空间利用率，隧道开挖面　

积将相应减小，同时隧道支护周长也有所减小，但随着　扁平率的降低，隧道应力集中程度、竖向收敛相应增　

加，为满足稳定性要求，需增强隧道支护，而且扁平率　的降低使得隧道施工难度加大，对后期运营维护提出　

了较高的要求。为提高隧道结构的安全稳定性，且节　约工程建设费用，必须选择合理的隧道断面轮廓，控制　

好隧道的扁平率　。因此，如何选择合理的断面形　式、确定隧道合理的扁平率，是隧道工程技术人员面临　的一个重大研究课题。　

ＲＳ　顾洪源一大断面小净距隧道断面优化及其设计参数研究　

ｇ　１２．５　１０．５　彗　

４．５　２　高宽比　图４　毛洞位移随高宽比变化　

一１．　１＿２　１．４　善一１．６　－Ｒ一１　８　ｊ　一２．０　旧一２．２　一２２．．４６　－２．８　图７　高宽比　图５　支护时位移随高宽比变化　

高宽比　．５　０　６　０．７　０．８　０．９　ｌ　０　１．１　１．２　

边墙环向应力随高宽比变化　

３大断面隧道设计参数研究　

３．１　隧洞埋深的影响　隧洞埋深体现在竖直初始应力中。图９为塑性半　

径随埋深的变化曲线（ａ＝１０　ｍ，Ｖ级围岩）。从图中可　

看出，塑性半径随着隧洞埋深的增加而增加。例如，在　支护阻力＝０．４　ＭＰａ时，隧洞埋深６０　ｉｎ时的塑性半径　

为１１．６３　ｍ（塑性区范围１．６３　ｍ），而隧洞埋深１２０　１＂１１　时的塑性半径为１８．０８　ｍ。　

３５　

３０　

２５　星２０　

１５　

ｌＯ　Ｏ　２０　４０　６０　８０　１０ｏ　ｌ２０　隧道埋深，ｍ　图９塑性半径随埋深的变化曲线　

图１０为周边位移随埋深的变化曲线（ａ＝１０　ｍ，Ｖ　

级围岩）。从图中可看出，周边位移随着隧洞埋深的　

增加而急剧增加。例如，在支护阻力：０．４　ＭＰａ时，隧　

洞埋深６０　ｍ时的周边位移为７．０　ｍｍ，而隧洞埋深　１２０　ｍ时的周边位移达到３０．５　ｍ。可见，隧洞埋深对　

塑性半径和周边位移的影响极大。　３．２支护阻力的影响　围岩变形过大，将直接影响隧洞的稳定，为控制围　

岩变形，保证隧洞稳定，在隧洞周边施加支护是常用手　

段。支护产生的支护阻力对围岩变形起着抑制作用。　常用的隧洞支护有锚杆、喷混凝土、钢筋网、钢拱　

架、二衬等，不同支护方式的作用机理有所不同，其支　护效果也不同，一般情况下都是多种支护的联合使其　

铁道标准设计　月ＡＩＬＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２０１３（０２）　厘　３５　３０　２５　２０　１５　１０　５　４０　

蚕　－２０　藩

一－１ｏｏ８０　

—１２Ｏ　图６　・隧道／地下工程・　

拱顶环向应力随高宽比变化　

高宽比　图８拱底环向应力随高宽比变化　

隧道埋深，ｍ　图１０周边位移随埋深的变化曲线　

发挥最佳效果，其支护阻力共同产生。弹性范围内的　

支护阻力与隧洞变形成正比。　图１１为喷混凝土最大支护阻力随厚度的变化曲　线（隧洞半径＝１０　ｍ）。从图中可看出，喷混凝土最大　

支护阻力随厚度的增加成正比增加。同时，混凝土强　

度等级越高，支护阻力越大。２０　ｃｍ厚的Ｃ２０混凝土　

的支护阻力为０．２２　ＭＰａ。　

嘎耀凝土厚度／ｃｍ　图１１　喷混凝土最大支护阻力随厚度的变化曲线　

图ｌ２为二衬最大支护阻力随厚度的变化曲线　

（隧洞半径＝１０　ｍ）。从图中可看出，与喷混凝土类似，　

二衬最大支护阻力随厚度的增加成正比增加。同时，　

混凝土强度等级越高，支护阻力越大。与喷混凝土相　

比，二衬厚度大，混凝土强度等级高，其支护阻力大得　多。例如，６０　ｃｍ厚的Ｃ３０混凝土的支护阻力为　

８７　・隧道／地下工程・　顾洪源一大断面小净距隧道断面优化及其设计参数研究　

０．９９　ＭＰａ。因此，二衬对控制围岩变形最有效。　

模筑混凝土厚度／ｃｍ　图１２　二衬最大支护阻力随厚度的变化曲线　

钢拱架为线支护结构，其支护阻力的计算比较复　

杂，为简化起见，可按支护间距进行等效计算。图　ｌ３为钢拱架最大支护阻力随间距的变化曲线（隧洞半　

径＝１０　ｍ）。从图中可看出，钢拱架最大支护阻力随间　

距成反比关系。同时，钢拱架型号对钢拱架最大支护　

阻力影响显著。例如，０．５　ｍ钢拱架，型号Ｉ１６的最大　支护阻力为０．０９　ＭＰａ，而型号Ｉ２２ｂ的最大支护阻力为　

０．１７　ＭＰａ　

皇　岛　

钢拱架间距／ｍ　图１３钢拱架最大支护阻力随间距的变化曲线　

钢拱架的刚度大，抗拉强度高，对控制围岩变形非　

常有效，即使钢材屈服后仍能提供一定的支护阻力，对　

提高软弱围岩隧洞的稳定性非常有效。由于钢拱架的　

刚度大（２１０　ＧＰａ），约为混凝土的１０倍，一般都是钢拱　

架失效后才会出现喷混凝土的开裂、剥落等。　

钢筋网为面支护结构，但由于厚度小，能提供的支　

护阻力非常小，主要配合其他支护结构起到防止局部　

掉块、关键块的滑动。　

锚杆在工程实践中被证明为有效的支护手段，特　

别是对节理岩体，控制关键块的滑落非常有效。由于　

是点支护，加上与岩层走向、岩体强度、锚杆长度、端部　

形式、锚杆施工质量密切相关，其支护阻力的计算非常　

复杂，主要作用是保持围岩的整体性，与其他支护结构　

联合更为有效。　

图ｌ４为塑性半径随支护阻力的变化曲线（ａ＝　

１０　ｍ，Ｖ级围岩）。从图中可看出，塑性半径随着支护　

阻力的增加而减小。例如，在隧洞埋深＝３００　ｍ时，无　支护时的塑性半径为２０．７　ｍ，而支护阻力＝０．８　ＭＰａ　

时的塑性半径缩小为９．７　ｍ。　文护阻）Ｊ／ＭＰａ　图１４塑性半径随支护阻力的变化曲线　

以间距０．８　ｍ　Ｉ１８型钢的钢支撑和喷２０　ｃｍ厚混　

凝土的初期支护为例，其初期支护阻力为０．３７　ＭＰａ，　隧洞埋深６０　ｍ的塑性区约为１２　ｍ（塑性区范围　

２．０　ｍ）。　３．３　围岩强度的影响　围岩抗压强度表现为粘结力和内摩擦角，由于摩　

擦角变化相对较小，故围岩强度常以粘结力表示。图　

１５为塑性半径随围岩黏结力的变化曲线（ａ＝１０　ｍ，＝　２３．５。，隧洞埋深６０　ｍ）。从图中可看出，塑性半径随　

着黏结力的增加而减小。例如，无支护状态下，Ｃ：　０．２　ＭＰａ的塑性区为２０．７　ｍ，而Ｃ＝１．０　ＭＰａ的塑性区　

急剧减少到７．４　ｍ。这对锚杆长度设计非常重要。同　

样，周边位移随着黏结力的增加也急剧减小（图１６）。　

黏聚力／ＭＰａ　图１５　塑性半径随围岩黏聚力的变化曲线　

吕　龄　

匿　

黏聚力／ＭＰａ　图１６周边位移随黏聚力的变化曲线　

４　结论　

本文以某双洞八车道小净距隧道为工程依托，通　

过数值模拟和理论分析对大断面隧道断面优化及其设　

计参数进行了较深入的研究，得出如下主要结论。　

（１）随着高宽比的增加，拱顶位移逐渐减少，水平　收敛逐渐增大，在高宽比为２．０时达到理想状态，这个　

８８　铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２０１３（０２）