双曲隧道

摘要

一种双曲隧道，包括拱片层、现浇防水混凝土层和基础；现浇防水混凝土层位于围岩和拱片层之间并与两者紧密结合，拱片层的施工缝与现浇防水混凝土层的施工缝相互错开；拱片层由相互固定连接的预制拱片构成，预制拱片的内凹面对应于隧道空间，预制拱片的起拱与隧道轴线平行设置、即预制拱片的起拱与隧道的深度方向相平行；连接螺栓将相邻两预制拱片固定连接或/和拱内纵向拉筋将相邻的数块预制拱片拉结固定在一起；环形钢筋穿过位于同一深度截面的、相邻的两预制拱片的主筋弯钩处，主筋弯钩交叉固定于环形钢筋，将相邻的两预制拱片的外侧固定连接；预制拱片的连接肋、环形钢筋与围岩之间的混凝土层构成暗肋。

权利要求

1.一种双曲隧道，其特征在于：该双曲隧道包括拱片层(1)和现浇防水混凝土层(2)；所述现浇防水混凝土层(2)位于围岩和所述拱片层(1)之间并与两者紧密结合，所述拱片层(1)的施工缝与所述现浇防水混凝土层(2)的施工缝相互错开；所述拱片层(1)由相互固定连接的预制拱片构成，所述预制拱片的内凹面对应于所述隧道空间，所述预制拱片的起拱与所述隧道的深度方向相平行；连接螺栓(3)将相邻两所述预制拱片固定连接或/和拱内纵向拉筋(26)将相邻的数块所述预制拱片拉结固定在一起，环形钢筋(11)穿过位于同一深度截面的、相邻的两所述预制拱片的交叉主筋弯钩(12)处，所述主筋弯钩(12)交叉固定于所述环形钢筋(11)，将相邻的两所述预制拱片的外侧固定连接；

所述预制拱片的连接肋(13)、所述环形钢筋(11)与所述围岩三者之间的所述混凝土层(2)构成暗连接肋(18)。

2.如权利要求1所述的一种双曲隧道，其特征在于：加强拉筋(30)将不同层位的、相邻的两所述预制拱片的锚固搬运筋(15)固定连接，在所述拱片层(1)外侧面构成菱形钢筋网。

3.如权利要求1所述的一种双曲隧道，其特征在于：在与渗水迹象的围岩段对应的所述拱片层(1)内侧设有防水板(10)，该段路面(7)的下面设置反拱底板(8)，所述反拱底板(8)与所述路面(7)之间构成泄水通道(31)，基础(4)上开设与所述泄水通道(31)连通的泄水槽(9)，所述反拱底板(8)上面沿所述隧道深度设排水洞(6)，所述排水洞(6)侧面设进水孔，所述排水洞(6)沿所述隧道通长设置。

4.如权利要求3所述的一种双曲隧道，其特征在于：所述泄水通道(31)里填充有石料(5)。

5.如权利要求1所述的一种双曲隧道，其特征在于：所述拱片层(1)用加强预制拱片修筑。

6.如权利要求1所述的一种双曲隧道，其特征在于：所述拱片层(1)用设有肋槽(27)的预制拱片修筑，所述肋槽(27)内穿有肋槽横向拉筋(25)将相邻的所述预制拱片拉紧锚固。

7.如权利要求1所述的一种双曲隧道，其特征在于：对衬砌内缘压碎部位，所述拱片层(1)和所述现浇防水混凝土层(2)构成衬砌承载拱的外缘地层间空隙或不密实处灌注压浆(24)。

说明书

双曲隧道

[0001] 技术领域 本发明属于隧道及地下工程技术领域，适用于铁路、公路、冶金、煤炭、水电、水利、人防、国防等隧道、巷道、坑道、地道以及地下拱形厂房、城市地铁、民居窑洞等工程设施，具体地说是一种双曲隧道。

[0002] 背景技术 目前，双曲拱桥、双曲拱坝技术已经成熟，技术优势也比较明显；迄今为止，全世界隧道修建均采用单曲隧道，还没有双曲隧道。

[0003] 现有的利用预制构件组装的装配式隧道被许多国家作为技术发展的重要标志，具有降低成本、缩短工期的效果，但只能适用于一定尺寸、一定拱形的隧道建筑，缺乏通用性。 加之，没有考虑合理受力、立体受力、立即受力等优化措施，经济效益也为之逊色。

[0004] 目前，新奥法及复合式衬砌风靡世界，新奥法在世界各国产生了巨大影响，但争论也未间断过。 主要源于新奥法原理在实际工程应用中的界定问题，比如，在解释根据岩石特性曲线和支护特性曲线选择支护时，说明支护不能太刚，太刚则承受过多荷载，支护设计不经济；支护时机太晚或太柔，易造成松散压力形成。 很多人用岩石力学的方法、量测的方法、力学加经验的方法等来推求最合理的支护时机和支护刚度，围绕这一命题写过大量文章。 但广大工程技术人员，甚至学者在处理工程问题时，仍然用围岩分类及经验来确定支护参数。 并随时观测工程，危险时就加强支护，缩短开挖进尺，过分安全时就减少支护，并没有一套切实可行的设计方法。

[0005] 新奥法及复合式衬砌，虽然创新了保护围岩，最大限度地发挥围岩的自承力作用，采用了以喷锚支护为初期衬砌加模筑混凝土为二次衬砌的复合式衬砌，对施工安全、硬岩隧道的节约起了一定作用，但在诸多工程中也不乏失败的实例；硬岩隧道并不比46年前的整体式衬砌节约；软岩隧道又无法利用围岩的自承能力。

[0006] 发明内容 本发明的目的在于提供一种实现隧道建设安全、优质、快速、节约目标的双曲隧道。 该双曲隧道在建造过程中，将预制与现浇相结合，除发挥新奥法保护围岩，充分利用围岩承载力，实现围岩、衬砌共同承载外，还能发挥双曲优化复合结构的立即受力、立体受力和合理受力等优势，克服新奥法片面强调最大限度地发挥围岩的自承力作用，不作技术经济比较来保证其安全可靠性的做法，用一种全新的安全、简便、节约、可靠的方式，实现又好又快即安全、优质、环保、节约、设计快、施工快的建设隧道的目的。

[0007] 本发明实现上述目的所采取的技术方案如下：一种双曲隧道，其特征在于：该双曲隧道包括拱片层、现浇防水混凝土层和基础；现浇防水混凝土层位于围岩和拱片层之间并与两者紧密结合，拱片层的施工缝与现浇防水混凝土层的施工缝相互错开；拱片层由相互固定连接的预制拱片构成，预制拱片的内凹面对应于隧道空间，预制拱片的起拱与隧道轴线平行设置、即预制拱片的起拱与隧道的深度方向相平行；连接螺栓将相邻两预制拱片固定连接或/和用拱内纵向拉筋相邻的数块预制拱片拉结固定在一起；环形钢筋穿过位于同一深度截面的、相邻的两预制拱片的主筋弯钩处，主筋弯钩交叉固定于环形钢筋，将相邻的两预制拱片的外侧固定连接；预制拱片的连接肋、环形钢筋与围岩之间的混凝土层构成暗肋。

[0008] 进一步的，加强拉筋将不同层的、相邻的两预制拱片的锚固搬运筋固定连接，在拱片层外侧面构成菱形钢筋网。

[0009] 所说的双曲隧道是指隧道横截面本身的拱形隧道和沿隧道深度方向设置的拱片层，拱片层沿隧道的深度方向具有无数个纵向小拱，即每一片拱片就是一个小拱。

[0010] 本发明与现有技术相比，具有下述优势：

[0011] 第一、通过五步安全法，确保安全施工；

[0012] 邓刚指出：“为防止塌方并减小模筑混凝土衬砌所承受的地层压力，锚杆、喷混凝土、钢筋格栅、纵向超前大小管棚等措施均广泛被采用，其费用已占总支护费用的30％~50％……因此，结构计算中不考虑喷锚支护和岩体加固作用显然已十分不合理”。
这种不进行科学计算的做法，造成大多数隧道虽保证了安全，却造成了浪费；或者由于预加固不足以及寻找最佳支护点等待释放等原因，最后造成通天坍塌的事故。 历时数年始自英国，波及国际的围绕新奥法的一场争论，收集了116个新奥法施工的隧道塌方事例。

[0013] 应用本发明的14项试验工程实现了零事故，而且用于安全设施的耗费成倍减少。

[0014] 本发明与新奥法不同，不是靠超前支护、预支护和初期支护或加固围岩保证来保证安全的，而是利用围岩来压特性，在不增加投资的情况下，通过合理施工的五步安全法实现安全施工。

[0015] 五步安全法不是靠增加辅助措施和加大投资来保证安全，而是靠科学掌握和利用围岩变形塌方规律，优化设计施工来达到安全目的。 五步安全法包括：

[0016] 1、未支护导坑或全断面开挖，靠挖掘出具有优化拱形的围岩承载拱承载，延长围岩自稳时间。 在围岩自稳期间，快速用优化设计制作的预制拱片和泵送混凝土置换地下空间，力求在优化拱片保护下工作。 围岩来压越快，可使每次置换长度变短来适应。个别来压时间太快，置换长度缩短到一个拱片的长度如1m，仍不能满足安全要求时，则用注浆加固围岩承载拱；

[0017] 2、在泵送混凝土未达到强度时，靠已达到强度的拱片层承载。由于拱片层形成的多铰拱允许有限变形，能产生弹性抗力，自动调整应力，使拱轴更趋合理；

[0018] 3、围岩压力增加时，靠泵送混凝土压密和强度增加承载；

[0019] 4、荷载超载时，靠围岩、衬砌共同承载的安全储备解决；

[0020] 5、围岩变化超出设计控制值，衬砌产生变形，可用人工调整应力的方法控制，以确保工程安全。

[0021] 这五个步骤，使施工人员始终处在毗邻的、有足够承载能力的双曲隧道拱圈保护下，是工程安全施工，实现零事故的重要保证。

[0022] 第二、通过合理受力、立体受力，清除隧道常见病害，提高工程质量；王梦恕院士在分析了我国铁路隧道净空不足，侵入建筑界限、严重漏水、衬砌严重腐蚀裂损、仰拱变形损坏等病害后，提出以结构可靠性理论为基础，彻底清除隧道病害的建议。 本发明符合该建议的要求。

[0023] 本发明采用预制拱片和现浇混凝土结合修建的双曲隧道；根据围岩压力的实际情况，在现浇混凝土未曾凝固之前，由预制拱片组成的多铰拱受力，允许适当变形，以增强围岩的弹性抗力，充分发挥围岩承载的作用；现浇混凝土凝固之后，则与预制拱片组成刚性无铰拱隧道，与地层共同承载。 这种先柔后刚的结构，能与围岩来压的变化相适应。

[0024] 这种预制和现浇结合、多铰与无饺结合、刚性和柔性结合，实现了既允许衬砌适当变形，又不在初期、永久衬砌之间预留变形空间；既解决了调节支护刚度和支护时间的难题，又将变形限制在极小的范围内。 预留变形空间设在隧道内部，一般均大于实际变形值。 因此，既解决了隧道净空不足，侵入建筑界限问题，也加大了使用空间。

[0025] 本发明即双曲隧道，在解决围岩压力计算的基础上，严格按照合理拱轴设计施工，使衬砌断面上各个截面处于小偏心受压状态，不仅发挥了混凝土抗压强度大的优势，大大减薄了衬砌厚度；而且，由于各个截面受压，有力地限制了裂缝的发展。

[0026] 双曲隧道不存在新奥法隧道所具有的隧道排水不畅、衬砌开裂、防水层损伤三大渗漏根源。 双曲隧道具有完整的自然防排水系统，衬砌开裂基本清除；因不设伸缩缝、沉降缝，拱片层施工缝和现浇防水混凝土施工缝相互错开，故不存在贯通裂缝；现浇混凝土层为素混凝土浇注，堵塞了沿钢筋渗水通道；因不设锚杆和二次衬砌钢筋，不存在锚杆钢筋或二次衬砌钢筋戳破防水板问题；防水层并不设在二次支护的中间，而是根据工程需要，局部在拱片层内部敷设防水层，故也不存在初期支护与二次支护错动破坏防水层问题；不存在二次衬砌使用整体式模板台车致使脱模过早产生裂缝渗水问题；也不存在二次混凝土浇注引起防水卷材绷紧或拉破等问题。 而且这种局部排水槽，仅仅在经过治理尚有渗漏的个别地段设置，比全面设置防排水设施显著节约，也便于随时检修、增减或更换。

[0027] 第三、通过立即受力，承载与来压相适应和刚柔结合，临时支护与永久支护结2
合，减少多项工序，加快隧道施工；由于预制优化拱片承载能力很大，400KPa/m 的垂直压力、侧压力系数在0~1之间变化都能满足，又因拱片层能立即受力，具有支撑、模板和初期支护的多种作用，施工时不存在临时支撑、支模、拆模、锚杆、喷射混凝土和钢筋网架设等工序，一般也无需设置超前大小管棚，使施工速度明显加快。

[0028] 第四、通过优选承载主体和合理受力，实现工程全面节约；因本发明具有共同受力、合理受力、立即受力的优势，使隧道衬砌节约30％以上。 由于用6cm厚、30cm宽、100cm长的预制优化拱片和泵送现浇混凝土组成纵横双向双曲隧道，具有刚柔结合、先柔后刚的特点，既能使承载力与地压同步增长，又能允许适当变形，充分利用围岩的弹性抗力，发挥围岩与衬砌的共同承载作用；再通过横断面合理拱轴设计，充分发挥混凝土的抗压优势，在同样承载能力的基础上，使隧道衬砌减薄30~60％，实现了隧道建设资源、能源、时间、投资全面节约。

[0029] 第五、通过发挥预制构件和现浇防水混凝土结合的优势，实现隧道建设工业化、标准化施工；有关资料表明：“装配式衬砌比现场灌注混凝土降低成本10％~15％；预制板兼模板技术比活动模板灌注混凝土的方法降低成本20％~30％”。但存在构件不能通用互换问题。 本发明所用的优化拱片，受力性能良好，有利于实现大规模标准化、工业化预制生产，为进一步提高隧道质量、降低成本、加快进度创造条件。 用标准优化拱片和现浇泵送混凝土组合成任意双曲隧道和地下洞室，使隧道能快速安装、立即受力和优化承载，为实现隧道建设标准化、工厂预制化的工业化道路迈进了一步。

[0030] 第六、用不同于新奥法的全新理念，达到和超越支护结构理想化要求；《隧道工程设计要点集》指出：“一个理想的支护结构应满足以下基本要求，即必须能与周围围岩大面积牢固接触；初期支护与永久支护互相配合，协调一致地工作；允许支护体系产生有限制的变形；保证支护架设及时；支护结构能根据围岩动态及时进行调整修改；显然，某一种支护结构要完全满足上述技术要求是很困难的……”。

[0031] 本发明不仅可以满足理想支护的五大要求，而且，进一步改善了支护性能。 一是泵送混凝土现浇衬砌可以满足大面积牢固接触的要求；二是初期支护与永久支护不仅配合，而是两者合一；三是允许支护体系产生有限制的变形，而且能自动控制，无须考虑其支护刚度和支护时间的选择；四是不仅支护架设及时，而且架设后可以立即受力，符合围岩来压特性，支护强度随来压增长而增长；五是支护结构能根据围岩动态及时进行调整修改，不仅能自动调整应力，也能人工调整应力，对于围岩变化剧烈的特殊情况，还可根据围岩位移变形和应力大小进行瞬间快速动态设计，保证工程正常安全进行。

[0032] 第七、成洞迅速，安全度高；由于预制拱片在安装时已达到强度，快速成拱后可以立即受力，而且其总体强度随围岩压力增加而增加。 实现了临时支护与永久支护结合、柔性支护与刚性支护结合、自动应力调整与人工应力调整结合，使隧道施工安全性极大提高。

[0033] 本发明建设成14项试验工程，其中包括深埋、浅埋和超浅埋工程；包括中等围岩和软弱围岩以及湿陷性黄土中的坑地道工程；包括跨度达20.26m的大跨度地下工程和长200m/宽100m的大面积水下地下建筑，无一塌方安全事故，经过11--26年实际考验，至今完好。

[0034] 第八、优质；通过快速空间置换和可靠的变形控制，基本消除了净空不足，侵入建筑界限问题，消除了严重漏水、衬砌严重腐蚀裂损、仰拱变形损坏等隧道病害。

[0035] 第九、受力优化，节材、节能又节资：双曲隧道在隧道横向和纵向二个方向实现了受力优化，总体上变传统的平面受力为立体受力，充分发挥了围岩与衬砌共同受力和受压优势，使衬砌断面度比当今最先进的复合式衬砌平均减薄30％以上。 本发明双曲隧道的试验工程，除节省了新奥法的锚杆等安全技术或辅助措施外，分别节约混凝土12.5~65.47％，平均混凝土实际耗量减少41.1％。 工程造价平均降低28.6％，节约钢材
50％，节约木材90％以上。

[0036] 第十、快速；减少了超前支护、预支护、初期支护、临时支撑等工序，使衬砌工作时间减少一半。 由于双曲隧道的高承载能力和快速成洞，起到了多种辅助措施的作用，减少了大小管棚、锚杆、喷射混凝土、钢筋网架设、临时支撑、支模、拆模、等工序，施工速度加快1倍以上。

[0037] 第十一、环保；由于双曲隧道的建设工作量，优化预制拱片在预制厂完成，隧道施工现场主要是掘进、安装和泵送混凝土工作，且没有喷锚回弹、粉尘飞扬等弊病，有利于清洁施工。 而且，由于衬砌减薄，挖土量和废弃土方减少，有利于少占废土场地和环境保护。

[0038] 第十二、多功能；双曲隧道扩大了内部利用空间，实现了一物多用。 优化预制拱片节约的混凝土空间，可作为防潮、隔热、灯槽、通风通道等用途。 配合底拱还可形成完整的防排水系统。

[0039] 附图说明图1是本发明横断面示意图，

[0040] 图2是图1的I—I的剖面图，

[0041] 图3a是本发明横断面受力图，

[0042] 图3b是本发明纵断面受力图，

[0043] 图4a至图4e是五步安全法修筑本发明的示意图，

[0044] 图5a至图c是应力调整示意图，

[0045] 图6a是普通预制拱片结构示意图，

[0046] 图6b是加强预制拱片结构示意图，

[0047] 图6c是刹肩处预制拱片结构示意图，

[0048] 图7a拱片钢筋骨架的结构示意图，

[0049] 图7b拱片肋板钢筋的结构示意图，

[0050] 图8a拱片层外部连接立体结构示意图

[0051] 图8b拱片层外部连接示意图

[0052] 图8c是图8a的俯视图。

[0053] 图中：1—拱片层，2—现浇防水混凝土层，3—连接螺栓，4—基础，5—石料，6—排水洞，7—路面，8—反拱底板，9—泄水槽，10—防水板，11—环形钢筋，12—主筋弯钩，13—连接肋，14—钢筋骨架，15—锚固搬运筋，16—折钩，17—薄肋板，18—暗连接肋，19—连接孔，20—围岩承载拱，21—过梁，22—内缘压碎，23—内缘裂缝，
24—压浆，25—肋槽横向拉筋，26—拱内纵向拉筋，27—肋槽，28—灌浆孔，29—泄水孔，30—加强拉筋，31—泄水通道，32—拱轴线，33—压力曲线，34—垂直压力，35—水平侧向压力。

[0054] 具体实施方式 如图1与图2所示：一种双曲隧道，其特征在于：该双曲隧道包括拱片层1、现浇防水混凝土层2和基础4；现浇防水混凝土层2位于围岩和拱片层1之间并与两者紧密结合，拱片层1的施工缝与现浇防水混凝土层2的施工缝相互错开；拱片层1由相互固定连接的预制拱片构成，预制拱片的内凹面对应于隧道空间，预制拱片的起拱与隧道的深度方向相平行；连接螺栓3将相邻两预制拱片固定连接。参见图5C，当隧道纵向荷载突变时，可以在荷载突变处的附近范围内，将连接螺栓3改为一定长度的拱内纵向拉筋26；拱内纵向拉筋26将位于相同水平线的、相邻的数块预制拱片拉结固定在一起，进行拉紧锚固，使荷载纵向传递，以改善局部受力条件，以增强整体作用，解决纵向受力不均问题；三根环形钢筋11穿过位于同一深度截面的、相邻的两预制拱片的主筋交叉弯钩12处，主筋弯钩12交叉固定环形钢筋11，将相邻的两预制拱片的外侧固定连接；预制拱片的连接肋13、环形钢筋11与围岩之间的混凝土层2构成暗连接肋18。

[0055] 连接螺栓3也可作为安装防水板10或装修用的固定点。

[0056] 作为本发明的完善，为了加强拱片层1的抗压能力，参见图8a至图8c：加强拉筋30将不同层位的、相邻的两预制拱片的锚固搬运筋15的折钩16固定连接，在拱片层1外侧面构成菱形钢筋网。

[0057] 参见图1：在有渗水迹象的围岩段，可在与该渗水迹象的围岩段对应的拱片层1内侧设置防水板10，并在该段路面7的下面设置反拱底板8，反拱底板8与路面7之间构成泄水通道31，在基础4上开设与泄水通道31连通的泄水槽9，在反拱底板8上面沿隧道深度设排水洞6，排水洞6侧面设进水孔，渗水经防水板10流向泄水槽9、泄水通道31，通过进水孔进入排水洞6流出。 为了增强路面7的承载能力，反拱底板8与路面7构成的泄水通道31里填充有石料5作为盲沟。

[0058] 预制拱片已另行提交专利申请，它具有十分广泛的用途。 预制拱片的结构如图6a至图7b所示，包括钢筋骨架14及其外围的混凝土，拱片两端设有连接肋13，钢筋骨架14设有向外拱面伸展、延伸出连接肋13后端、向外侧弯折的主筋弯钩12，钢筋骨架
14中部固设有延伸出拱板外拱面的、向左右两侧延伸的锚固搬运筋15，锚固搬运筋15伸出端设有向中心线方向弯曲的折钩16；连接肋13设有用于将相邻拱片相互连接的连接孔
19。

[0059] 预制拱片有在三种结构，规格都是长1米、宽30厘米、厚6厘米、矢跨比小于1/8的坦拱拱片，属于拱形趋近区内的拱形。 其特点是对荷载分布变化有较大的适应能力，而且轴力大，偏心小，有利于将侧向土压力对结构的弯拉破坏转变为受压破坏，大大提高的了承载能力；适用于任何形状的隧道，有利于大规模工厂化预制生产。

[0060] 图6a所示是普通预制拱片；图6b是加强预制拱片，图6c是刹肩处用的封顶预制拱片。

[0061] 加强预制拱片的一侧或两侧设有薄肋板17(图示是一侧设有薄肋板的加强预制拱片)以加强拱片的刚度；薄肋板17上设有泄水水孔29，便于少量渗水流入排水沟排除。对于围岩特别松软的地段，使用加强预制拱片修筑拱片层1，进一步提高承载能力。

[0062] 加强预制拱片还可应用于拱、墙交界部分和墙中、拱顶、拱腰弯矩最大的部位。

[0063] 封顶预制拱片设有灌浆孔28，便于封顶浇灌的混凝土更加密实之用。

[0064] 参见图6a至图6c：在连接肋13设有肋槽27，以作为调整横向应力、防止横向受力不匀之用。设有肋槽27的预制拱片，用于地质条件极差、围岩压力变化大，荷载大小及分布情况难以预计的地段。

[0065] 本发明的拱片层1，现浇泵送防水混凝土层2及连接螺栓3，三者共同组合成双曲隧道衬砌。 修筑时，在二片轻便移动拱架上，将预制优化拱片，通过连接螺栓3组合成多铰拱，在多铰拱外部灌注泵送防水混凝土2，形成的组合结构，既作为支撑、模板和临时支护之用，也是永久支护的一部分。

[0066] 本发明不同于初期支护和二次衬砌组合的复合式衬砌，因为，复合式衬砌在初期支护和二次衬砌之间设隔离层，用于防水层和预留变形量空间，从力学功能上看，两层不是一体。 本发明即双曲隧道的拱片层和现浇混凝土层之间不设隔离层，其防水层和预留变形量空间设在预制拱片内部，预制和现浇层形成一体，是可以充分传递剪力的支护体系，更接近于单层衬砌。

[0067] 本发明也不同于传统的装配式衬砌，因为传统单层装配式衬砌仅适用于特定拱形，而本发明应用双曲优化组合结构(该双曲优化组合结构另外提交专利申请)可以组成任意拱形，是具有双向受力性能、巧妙地解决防排水问题的新型隧道结构。

[0068] 基础4按基底承载力要求适当扩大，以防止在反拱未完成前产生下沉。 最下层拱片部分应埋入基础4中，以增加墙基的整体性。

[0069] 图3a是本发明横断面受力图，在垂直压力34和双向水平侧压力35作用下，本发明能使压力曲线33尽量接近拱轴线32，使各截面处于小偏心受压状态，提高了承载能力。

[0070] 图3b是本发明纵断面受力图，除围岩压力转化为拱的轴力外，拱脚产生较大的相互平衡的水平推力，使暗肋18处于三向受力状态，提高了承载能力。

[0071] 五步安全法修筑的具体情况如图4a至图4e所示。

[0072] 第一步参见图4a：通过围岩承载拱20自稳。 每一步施工，均应开挖成具有合理拱轴的优化拱形，以增强围岩自承能力。 无论是采用全断面开挖法、双侧壁导坑法、环形导坑台阶法等，均需按荷载和洞室尺寸计算出的优化围岩承载拱施工，利用围岩承载，对延长围岩自稳时间，确保施工安全有着重要意义。

[0073] 第二步参见图4b：通过快速安装预制拱片构建拱片层1和向拱片外泵送混凝土修建现浇防水混凝土层2来实现快速支护、立即受力。 由于预制拱片已达设计强度，在泵送混凝土尚未凝固时就能发挥其承载作用，并能适应围岩压力的增长，有效地防止过大变形。 但这时形成一个多铰拱，既允许适当变形，又能发挥围岩的弹性抗力作用，通过自动调整应力，使拱轴更进一步接近合理。先墙后拱时要适当放大基础4，并将首片拱片与基础可靠连接；先拱后墙时，要在拱脚设置过梁21，以保证墙部施工安全。 而且要做好过梁21下面的刹肩工作，防止拱部下沉。

[0074] 第三步参见图4c：当围岩压力增加时，现浇防水混凝土层2也随之压密、强度增加，承载能力也增加。 当现浇防水混凝土层2达到设计强度和拱片层1共同承载时，加之，反拱底板8已经完成，完全可以满足设计强度和变形的要求。 而且，双曲隧道立体受力本身，就有一定超载能力，所以安全可以保证。

[0075] 第四步参见图4d：拱片层1和现浇防水混凝土层2构成衬砌承载拱。 当围岩变化显著结构超载较大时，靠围岩承载拱20和衬砌承载拱共同承载解决。 本发明研究证明：必需使围岩承载拱和衬砌承载拱完全按优化拱形吻合，才能发挥共同承载的作用。 否则，如果衬砌拱形不是优化拱形，则围岩和衬砌之间必将产生松动区导致片帮或冒顶，共同承载就不能实现。 由于软弱围岩承载能力很弱，通常按衬砌承载设计，围岩承载作为安全储备。 本发明提供了共同承载的必要条件，当结构超载后，安全储备自动发挥作用，而且防排水系统的完成，可以解决长大隧道常见的安全和渗漏问题。

[0076] 第五步参见图4e、图5c和图8a至图8c：围岩压力变化超出设计控制值衬砌产生变形时，则用人工调整应力的方法控制：根据不同情况，采用拱内纵向拉筋26、肋槽横向拉筋25、或局部外层注浆24或在预制拱片的凹进空间内增设型钢加强拱等方法处理。预测前方地质条件恶劣，可用加强拉筋30将不同层位的、相邻的两预制拱片的锚固搬运筋15固定连接，在拱片层1外侧面构成菱形钢筋网，以确保工程质量和安全。

[0077] 从第二步开始，施工人员始终处在毗邻的、有足够承载能力的双曲隧道拱圈保护下安全施工。

[0078] 应力调整如图5a至图5c所示。在预制拱片拼装完成和现浇混凝土尚未凝固前，这是一个具有一定柔性的可变多铰结构。 在围岩压力的作用下，它会产生适当的变形，自动调整内力，使结构与荷载相适应，并把部分荷载传给地层，使地层产生弹性抗力，从而达到受力合理的目的。 万一变形较大，就能看到裂缝或压碎的破坏征兆，这时需进行人工应力调整。

[0079] 图5a为荷载作用下洞室横断面变形图，此时产生了拱顶内缘压碎22和拱腰内缘裂缝23的破坏。

[0080] 图5b为针对破坏的应力调整方法。当负弯矩过大，拱内缘产生压碎破坏22，可采取在拱片层1和现浇防水混凝土层2构成衬砌承载拱的外缘地层间空隙或不密实处灌注压浆24的办法来解决。以增加该处荷载，以产生正弯矩、减小负弯矩的破坏作用；当正弯矩作用使拱内缘产生拉裂破坏23，可在裂缝及其附近区域，从肋槽27内穿入肋槽横向拉筋25拉紧锚固，以控制裂缝发展。

[0081] 图5C为隧道纵向荷载突变时的调整方法。由于荷载变化，受力不均、个别拱片挤入，可以在荷载突变处的附近范围内，将连接螺栓改为一定长度的拱内纵向拉筋26，将几个拱片拉在一起拉紧锚固，使荷载纵向传递，以改善局部受力条件，以增强整体作用，解决受力不均问题。

[0082] 双曲隧道由于采用了预制和现浇结合的优化双曲拱，能够立即受力、优化受力、立体受力，一般无须超前支护、预支护、初期支护等工序，靠五步安全法即可进行全断面施工，随着围岩情况的变坏，可以缩短每次进尺，当每次进尺缩短到一个拱片长工即1m时，仍然不能满足围岩自稳时间要求时，才考虑用其它可靠的成功方法，如环形开挖留核心土法，双侧壁导坑法等，保证工程安全、快速进展。 本发明完成工程实例14项，经过11--26年实际考验，至今完好。