_道路隧道设计规范_修编及关键技术细化研究_曹文宏

2016年第1期

地下工程与隧道

2016No. 1

《道路隧道设计规范》修编及关键技术细化研究

曹文宏，申伟强

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院）

摘 要：结合既有隧道工程运营和科技发展，对《道路隧道设计规范》（DG/TJ 08–2033—2008）进行了修编。重点介绍了修编过程中对“隧道洞口气流干扰与防治”、“隧道洞口天空面积百分比测试及对入口段照明设计的影响”、“新型防水材料性能及适用性研究”、“隧道保护要求”等课题的细化研究内容、方法、成果。以期有助于加深对规范修编的理解。关键词：规范修编 道路隧道 洞口气流干扰 天空面积 隧道保护

DOI:10.13547/j.cnki.dxgcysd.2016.01.001

1 规范修编的工程背景及指导思想

上海是一个濒江临海的国际大都市，市区又被黄浦江一分为二。为了满足上海社会经济发展的需要，早在1965～1971年间，上海就已在软土地区自主创新地建成了中国第一条单管双向2车道盾构法隧道——打浦路隧道；2008年前，还相继建成了大连路、复兴东路、翔殷路等盾构法隧道和双向8车道的外环沉管隧道，从而积累了一定的工程设计、施工经验。在此基础上，上海市隧道工程轨道交通设计研究院主编了上海市工程建设规范《道路隧道设计规范》（DG/TJ 08–2033—2008）（下称“原规范”），成为盾构法、沉管法隧道设计和管

理的依据之一。原规范执行7年多来，随着更大规模、更高难度的工程实践的增多，科技新成果的积累和应用，新工艺、新设备的不断涌现，设计思路的不断创新及被引用规范的修订等，有必要对原规范进行修编。 在原规范修编中，合理利用了现有工程的丰富资源，以贯彻国家相应法律、法规为前提，以优秀、成功的工程实践经验和科学综合成果为依据，补充了必要的关键技术

细化研究，以使修编后的规范能进一步反映近期的科技进步，做到技术先进、经济合理、安全适用。

2 原规范修编技术路线、修编内容

2. 1 修编技术路线

修编按准备、征求意见、送审、报批4个阶段进行（见图1）。2. 2 规范修编内容

在原规范22章7个附录的基础上，修编为23

图1 原规范修编工作流程图

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章8个附录。本次修编的主要内容有：

1） 将规范原第8章工程结构内容适当拓展分列成盾构段隧道、沉管段隧道、岸边段结构3节，并增加了抗震设计、结构耐久性设计各1节。 2） 增加第23章：隧道保护、监测要点。 3） 结合当前技术发展，相关引用规范修编、关键技术研究成果，对其余各章节予以修订、补充与深化。

Ai——出洞、 Ao、进洞口隧道横断面积（m2）。

针对洞口平齐、洞口错位、洞口设置中隔墙情况进行模拟计算。在车速80 km/h、无自然风干扰时，设置中隔墙的计算结果如表1所示。

表1 设置中隔墙的回流率

方案

高度长度

一2 H

二5 H

三1.5 H

四1.5 H

备注H为隧道净空高度D为隧道当量直径长度

—

3 原规范修编中的关键技术研究

为保证规范修编工作的质量和水平，在总结提炼工程实践经验的基础上，还对关键技术开展了专题测试和试验研究。

3. 1 隧道洞口气流干扰防治研究

原规范10.3.5条中要求：当隧道进、出洞口平行设置时，上、下行隧道中隔墙需向洞外延伸，延伸部分设计应符合以下规定： 1） 高度不宜低于隧道净空高度的2倍； 2） 长度不宜小于隧道水力直径的10倍。 但在已建隧道中，因受建设条件限制，中隔墙外延高度、长度满足规定者很少（仅长江隧道、外环隧道部分洞口），甚至有些中隔墙根本没有外延伸，那么，此时隧道洞口的污染物回流率是多少？能否满足设计要求呢？为此，规范修编中开展了平行洞口出口废气扩散对邻近隧道入口影响程度的研究，希望对工程设计提出切实可行、合理科学的规定。再结合1∶20缩尺模型试验，探索既有适当的防回流效果、又有较好的工程可实施性的洞口形式、尺寸要求。3. 1. 1 数值模拟计算 课题研究采用数值模拟（用Fluent模拟软件）进行计算，以隧道出洞口释放的CO作为示踪气体，计算混入相邻进洞口的CO量与出洞CO量的比值，定义为二次污染回流率。计算公式如下： CO的释放量：

Qo =∫AUo × Co × 10–6dA （1）

CO的回流量：

Qi =∫AUi× Ci × 10–6dA （2）

二次污染回流率为：

η = Qi / Qo × 100% （3）

；式中：Uo、Ui——出洞、进洞口气流速度（m/s）； Co、Ci——出洞、进洞口CO浓度（ppm）

oi

中隔墙

设置

2 D13.4

5 D8.13

2 D13.4

5 D8.92

回流率 / %

经比较，中隔墙取1.5倍隧道高度已有很好的防回流效果，当然加长中隔墙对隔离污染物的效果更为明显。 同样情况下，洞口平齐模拟计算的污染空气回流率约19.5%；出洞口在前、超出进洞口10 m时，模拟计算污染物回流率约2.6%。3. 1. 2 缩尺模型试验 选择典型双向4车道隧道洞口为研究对象，单洞内净宽9.35 m、净高5.5 m，按照1∶20的几何缩尺进行分组试验。根据相似理论，考虑了缩尺模型与原型之间保持几何、运动、动力相似。 1）洞口错位分为两种工况：洞口平齐、顺向错位（出洞口封闭段延伸10 m）。 2）中隔墙影响试验结果如表2所示。

表2 模型试验回流率表

试验工况

洞口平齐

顺向错位

设中隔墙

高度、长度——2 H、2 D

出洞洞口顺

进、出洞口高度、长度——2 H、5 D

向顺延0.5 m

纵向开口间

高度、长度——1.5 H、2 D距为零

10 m）

高度、长度——1.5 H、5 D

13.4

CO2回流率/%

8.13

17.5

1.26

13.48.92

特征

3. 1. 3 研究成果 数值模拟与模型试验结果基本吻合，研究成果可信。洞口顺向延伸10 m方案即可具有防止污

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染物回流效果。设中隔墙时，中隔墙高度不宜低

于1.5倍隧道高度、长度不宜小于2倍隧道当量直径；若有条件增加长度防回流效果尚可再提升。以上的研究结论为隧道洞口设计要求的修编提供了较为可靠的依据。

3. 2 隧道洞口天空面积百分比测试及对入口段照

明设计的影响3. 2. 1 研究背景 当车辆在驶入、通过和驶出隧道时，亮度的突然变化会使视觉产生“黑洞效应”或“白洞效应”。为此，隧道除设置24 h开启的基本照明段外，通常还需在洞口入口段、过渡段设置渐变式加强照明，使驾驶员的视觉逐步适应。由于隧道加强照明所用的光源功率一般都很大，中、长隧道中其用电量占了整条隧道用电量的40%～50%。 原规范12.3.1条入口段亮度（cd/m2）计算公式为：

Lth = k × L20(S) （4）

式中：k——入口段亮度折减系数，与行车速度有 关；

L20(S)—— 洞外环境亮度，取决于隧道洞口

的天空面积百分比，简称天空比。无实测资料时可参照《公路隧道设计规范》（JTG D70）中相应数值。

但公路隧道洞口周围一般比较空旷，受洞口顶棚结构、背景建筑物遮挡、植被等因素影响小，天空面积百分比的分档也相对稀疏，所以有必要根据上海地区的工程实际情况，测出相应的天空

。比数值η天空η

天空=

3. 2. 2 研究内容、关键技术及结果 利用快速成像式亮度距离同步测量技术，直接在行车过程中快速测量隧道入口场景亮度分布场，同时记录距离；再利用高精度洞口天空比数字图像处理技术，自动得到洞口天空比数值。 本次测试涵盖了上海地区15条已建成运行的越江隧道（30个洞口）以及中环线上的地下通道。分别得出了处于内环区域、内环–中环区域、中环–外环区域不同行车速度、不同洞口朝向情况下的L20取值范围，既有很好的针对性，又可由此起到一定的节能作用；同时，还根据测试结果给

出了不同洞口减光建筑对降低天空比、平缓亮度变化、满足视觉舒适性的评价，为减光建筑造型设计提供了依据。

3. 3 新型防水涂层材料性能、适用性研究 针对深埋水底隧道的工程特点，结构防水是至关重要的环节。地下工程要做到“滴水不漏”几乎不可能，所以对常见的变形缝防水、开裂裂缝堵漏防水都是确保高水位下结构长久防水性能的重要举措。随着新型防水材料的不断涌现，如何确定他们在隧道工程中的适用性、适用范围，是隧道工程防水设计中面临的新材料优选问题。3. 3. 1 喷涂速凝性防水涂层对变形缝、不规则裂

缝的水密性影响试验

1） 对变形缝处水密性影响。研究中，在带有不同宽度变形缝的组合试块迎水面上喷涂不同速凝性防水涂层——聚脲防水涂层、橡胶沥青防水层、丙烯酸防水层后，在设定水压（0.6 MPa）条件下，对各组试块分别进行加水压试验。其中丙烯酸防水涂层性能受环境、温度影响大，效果不佳；聚脲防水涂层在0.6 MPa水压条件下，变形缝能适应的附加张开量与涂层厚度的增加呈线性关系。如涂层厚度分别2 mm、3 mm、4 mm时，原缝宽10 mm的变形缝，能适应的最大附加张开量分别约为18.8 mm、29.0 mm、35.6 mm。速凝橡胶沥青防水涂层只适应变形缝宽度附加张开小于100%的情况。 2） 喷涂速凝型防水涂层对混凝土不规则裂缝水密性的影响。试验时，在已产生初始裂缝的结构迎水面，喷涂不同厚度、不同种类的防水涂层。在逐步增加至设定的0.6 MPa水压情况下，通过施加外力，使已有裂缝宽度不断扩大，并测出保持60 min稳定水压后不漏水的最大附加张开量。 通过不同类型涂层类比试验，可知聚脲防水涂层对不规则裂缝的开展有较好的防水效果。当初始裂缝宽度为0.1 mm、0.2 mm时，分别喷涂2 mm的涂层，在附加张开值达0.9～2.9 mm、2.8～7.8 mm时，仍能承受0.6 MPa水压1 h而不渗漏；对0.1 mm、0.2 mm初始裂缝分别喷涂厚2.5～2.6 mm、2.9～3.0 mm的丙烯酸盐涂层，可满足附加张开值达0.9 mm、2.8 mm时的防水要求；橡胶沥青涂层仅能适用于相对较小的张开范围。

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3. 3. 2 非固化橡胶沥青防水材料对变形缝、不规

则裂缝的防水性能试验

经过试验，在10 mm宽的变形缝处灌注非固化沥青防水材料，可以维持0.4 MPa水压0.5 h，当稍一张拉（缝宽增至11 mm）即发生漏水；而对不规则的初始裂缝，在0.4 MPa水压下，仅能保持短时间不漏水，适应附加张开量很小的情况。3. 3. 3 研究成果的应用 在原规范第9章工程防水章节中，拟对管节间变形缝、明挖段结构施工缝、不规则裂缝防水材料的选用中，增加防水性能可靠、适应性强、易操作的速凝性防水涂层材料。3. 4 隧道保护要求研究

已建成并处于稳定状态的隧道，当其荷载类、结构类或地基类的平衡遭到破坏时，必将产生新的不利附加影响，从而削弱隧道的安全储备。为确保既有隧道的安全运营和百年使用寿命，必须根据道路隧道工程自身的特点，提出有针对性的、合适的保护范围及要求。

3. 4. 1 隧道安全保护区范围的确定 隧道安全保护范围是指新建工程离既有隧道大于一定距离时，能基本保证隧道安全的定性控制标准。研究中根据计算、工程监测资料反馈，提出了如下一些保护要求： 1） 新建盾构法隧道工程的中心线离已建隧道边线的距离应不小于2.5 Z（Z为新建隧道顶埋深）。 （1）用peck公式计算。取新建隧道直径（外径）为10.0 m、12.0 m、15.0 m、18.0 m 4组；各组隧道顶埋深Z分别为1.0 D、1.5 D、2.0 D、2.5 D、3.0 D；地层损失率按要求分别控制为0.3%、0.5%、1.0%进行计算，计算中统一取地表沉降5 mm处为沉降槽的边界点（下同），计算得出沉降槽的半宽（即单侧影响范围）最大值为2.41 Z。

（2）有限元计算。利用ANSYS通用软件，假定土体为单一土层，服从Mohr-Colomb屈服准则，土体参数、计算种类与peck公式计算中所取一致，得出沉降槽半宽≤2.20 Z。

（3）工程监测资料分析。上海长江路隧道直径15 m，在隧道顶覆土为13.0 m、13.5 m 2处，施工时地层损失率分别为0.6%、1.0%，根据测得的地表沉降曲线，沉降槽半宽约为1.70 Z；上海长江隧道直径约15 m，隧道顶覆土1.23 D处，根据

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测得的地表沉降曲线，沉降槽半宽约为1.22 Z。 综合以上分析，出于安全考虑，要求新建隧道中心线与既有隧道边线距离不小于2.5 Z，以此作为既有隧道的安全保护范围。 2） 在隧道邻近进行板式支护深基坑工程时，当基坑的环境保护等级为一级时，基坑边线离既有隧道结构边线距离不应小于2.5 H（H为基坑开挖深度）。 分析中参照《基坑工程技术规范》（DG/TJ 08–61）提出的围护墙后地表沉降预估曲线，基坑边与隧道结构边线距离S = 2 H时，隧道地表部分仅有≤0.1（δv / δvm）的沉降（δv为坑外地表某点

，对有一定覆土厚度的沉降，δvm为地表最大沉降）

的大直径隧道而言，如此小的附加沉降影响所产生的结构变形、变位都很小，又考虑到S = 2 H位置正处在主影响区与次影响区的变化点，为安全计，取安全距离为2.5 H。

3. 4. 2 附加影响控制标准研究 隧道正常使用阶段，会因相邻工程的影响，在纵向局部地段产生附加变形，在轨道交通区间盾构隧道保护条例中，因列车运行需要，提出了较高标准：附加变形曲率半径≥15 000 m，相对弯曲≤1/2 500。而在原规范修编中，做了一些针对性的研究并提出了道路隧道附加影响控制标准。 1） 盾构段隧道附加变形曲率半径ρ≥12 000 m。研究中，以盾构隧道衬砌环与环间防水设计适应能力作为标准，目前一些代表性工程防水设计中，要求接缝能适应纵向均匀张开量为3～5.3（mm/m）。考虑到不均匀张开的可能，计算时取2 mm/m附加张开量为控制标准。根据已测得的附加变形的曲线线型y = f(x)，则可算得各

3

y'2)。经对不同直径、不点的曲率半径ρ =

''

同附加曲率半径隧道，按环缝允许张开量

10

9876543210

2 500

5 000

140

҃

D = 20 mD = 18 m

D = 15 mD = 12 m

D = 10 m

Ԫ NN

[1**********]020

00

7 50010 00012 50015 00017 500 Ҫ Ӧ N

2 5005 0007 50010 00012 50015 00017 500

Ӧ N

i = 1 200i = 1 500i = 2 000i = 2 500

Փ ҃

i = 1 000

Ϙ ὇NNeN Ὀ

D = 8 m

图2 接缝张开值、隧道直径、附加曲率半径关系图

图3 隧道曲率半径、相对弯曲、最大局部变形的关系

增大（或减小）隧道局部变形（沉陷）也增大，通过计算隧道曲率半径ρ与相对弯曲、隧道最大局部变形Δ的关系如图3所示。但为保证产生局部沉陷的路段路面不积水，根据路面结构构造设计，应使附加纵向变形量Δ≤80 mm。这样该路段仍能通过两侧排水沟顺利排除路面积水，以此求得当ρ≥12 000 m时，i≥1 200即可，即相对弯曲1/i≤1/1 200。

4 结语

规范的修编必须以科学、技术和实践经验的综合成果为基础，对需要细化、拓展的关键技术进行研究，积极考虑新技术、新工艺、新设备、新材料的运用，以“与时俱进”的指导思想来不断完善。以此方能提高规范对设计、施工的指导作用，并为我国建设更多、更好的世界一流隧道工程提供技术支撑。 （收稿日期：2015-12-16）

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2016年第1期

地下工程与隧道

2016No. 1

UNDERGROUND ENGINEERING AND TUNNELS

( Quarterly ) No. 1 Mar. 2016

Abstract of Main Contents

( 1 ) Refi nement Study of Key Technologies in Revision of Road Tunnel Design Code ······················································································Cao Wenhong, Shen Weiqiang Based on the existing tunnel operation experience and technological development, the revision of Road Tunnel Design Code (DG/TJ 08-2033-2008) has been carrying out. The paper introduces the contents, methods and results of the researches of "tunnel portal airflow interference and control", " test of percentage of the sky area at tunnel portal and its impact on lighting design in the threshold zone," "performance and applicability research of new waterproofing materials" and "tunnel protection requirements" in the revision process, which will contribute to deepening the understanding of the revisions in the Code.

( 6 ) Whole Life Cycle Based Safety Demonstration Approach Study of Urban Rail Transit Signaling System ·········································································································Wan Yong Bing To meet the need of safety assessment of urban rail transit signaling system, the whole life cycle based safety demonstration approach of signaling system is proposed. The approach is to build a safety demonstration model based on GSN and put the safety requirements and demonstration into the system's whole life cycle. It standardizes the demonstration procedure and methods, and unifies the process of safety demonstration. The approach has a certain theoretical value and practical significance for guiding the safety assessment of urban rail transit signaling system.

( 11 ) Analysis of Deformation Infl uence of Excavation Pit across Existing Rail Transit Structure within a Close Distance ·············································································Chen Wenyan, Shi Wenjie, Li Qinglai The design and construction of foundation pit of E zone of central plaza of China Fair Exhibition Center Complex (North Block) followed the "Time-Space Effect" principle, and achieved good deformation control. Combined with the engineering case of foundation pit across existing rail transit station and interval tunnel, the deformation influence of foundation excavation on the existing structure was simulated to guide the construction process so as to effectively reach the deformation control target.

( 15 ) Inspection and Results Analysis of Grouting behind Lining in Shanghai East Yan'an Road Tunnel by Ground Penetrating Radar ·············································································································Zhang Ming Grouting behind tunnel lining is one of the indispensable links in shield tunneling construction. In engineering practice, it is always difficult to control the actual effect of grouting behind lining. Combined with the rehabilitation projects of Shanghai East Yan'an Road Tunnel, the thickness of grouting behind tunnel

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