青島膠州灣隧道的路基路面設(shè)計(jì)

羅小平

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司, 天津 300133)

1 概述

青島膠州灣隧道工程是連接青島市主城與輔城的重要通道,南接薛家島,北連團(tuán)島,下穿膠州灣灣口海域。隧道全長(zhǎng)約7 800 m,其中海底段約3 950 m,是一條以城市道路功能為主兼有公路功能的隧道。該隧道設(shè)計(jì)為雙向六車道,車速80 km/h,設(shè)兩條主隧道和一條服務(wù)隧道。工程采用鉆爆法施工,主隧道斷面內(nèi)面積為120.01 m2,行車道以上凈空斷面面積為96.35 m2。隧道內(nèi)外的路基和路面是承受車輛長(zhǎng)期行駛的基本載體,是公路隧道最重要的部位之一，穩(wěn)定、密實(shí)、勻質(zhì)的路基可為路面提供均勻的支承。為保證行車安全舒適，也需要路面有滿足車輛荷載作用的強(qiáng)度、抗滑性、平整和耐磨性。青島膠州灣隧道是我國(guó)修建的第一批海底隧道,也是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)海底公路隧道,建設(shè)經(jīng)驗(yàn)少,環(huán)境條件復(fù)雜。本文根據(jù)保證將來運(yùn)營(yíng)中的路基路面結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定的指導(dǎo)原則,對(duì)膠州灣隧道內(nèi)外的路基路面設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

2 路基設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

(1)隧道路基應(yīng)穩(wěn)定、密實(shí)、勻質(zhì),為路面結(jié)構(gòu)提供均勻的支承。

(2)路基結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合隧道主體結(jié)構(gòu)形式，考慮地質(zhì)、水文和環(huán)境條件的影響。

(3)根據(jù)沿線地形、地貌、地質(zhì)、水文、氣象等自然條件和環(huán)境保護(hù)的要求,本著因地制宜、就地取材的原則,選擇合理的橫斷面形式和邊坡坡率,并采用經(jīng)濟(jì)合理的排水防護(hù)工程及病害防治措施,防止各種不利因素對(duì)路基的危害,確保路基具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2.2 隧道內(nèi)路基

隧道內(nèi)路基路面與洞外路塹段相比存在一定的特殊性,必須結(jié)合隧道主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行全盤考慮,提出經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠和能滿足長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)要求的方案。結(jié)合本隧道的實(shí)際環(huán)境條件,隧道內(nèi)路基主要有兩種情況,一是陸域段隧道的路基設(shè)計(jì),二是海域段路基設(shè)計(jì)。海域隧道長(zhǎng)年位于海水之下,而且隧道的總體縱斷面為“V”形坡,地下水對(duì)結(jié)構(gòu)的影響大。而且隧道海域結(jié)構(gòu)底部因施工爆破產(chǎn)生松動(dòng)、裂縫,在汽車重載作用下造成松動(dòng),加上地下水的侵入,極易造成運(yùn)營(yíng)的病害。為控制底板在動(dòng)車載作用下翻漿冒泥等現(xiàn)象的發(fā)生,保證路基長(zhǎng)期穩(wěn)定性,主隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),海域段斷面采用三心圓拱形斷面,全部設(shè)置仰拱。陸域段采用三心圓拱形斷面,Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段斷面設(shè)置仰拱,僅在Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖段隧底為堅(jiān)硬穩(wěn)定的石質(zhì)地基時(shí),不設(shè)置仰拱,采用20 cm后的C25混凝土鋪底。隧道斷面形式見圖1。

圖1 隧道橫斷面形式(單位：mm)

帶有混凝土仰拱的防水襯砌有明顯優(yōu)點(diǎn),其中之一是排水系統(tǒng)容量可相對(duì)較小,加上防水系統(tǒng)將把海水與空氣分開,使得作為臨時(shí)支護(hù)的噴射混凝土和巖石錨桿暴露于海水,而混凝土襯砌和襯砌內(nèi)部結(jié)構(gòu)則暴露于隧道內(nèi)的廢氣環(huán)境中,從防腐蝕角度看,這是安全的?？紤]設(shè)置仰拱會(huì)帶來很多優(yōu)點(diǎn)諸如運(yùn)行期需要的抽水機(jī)容量低、行車隧道的排水系統(tǒng)簡(jiǎn)單和費(fèi)用低、排水系統(tǒng)堵塞的可能性很低,更重要的是道路基礎(chǔ)堅(jiān)硬、耐用,所以本隧道的大部分區(qū)域均設(shè)置了鋼筋混凝土仰拱。

2.3 隧道外接線段路基

根據(jù)市政規(guī)劃要求，兩端隧道外接線段整體式路面寬24 m,分離式路面寬12 m。整體式橫斷面布置為：0.75(土路肩)+0.75(路緣帶)+3.75+2×3.5+0.5(路緣帶)+0.5(新澤西護(hù)欄中央分隔帶)+0.5(路緣帶)+2×3.5+3.75+0.75(路緣帶)+0.75(土路肩)；分離式橫斷面布置為：0.75(土路肩)+0.75(路緣帶)+3.75+2×3.5+0.75(路緣帶)+0.75(土路肩)。路基邊坡采用放坡噴錨支護(hù)。為提高路床的整體強(qiáng)度,鑒于隧道石碴豐富,當(dāng)路堤填土高度小于等于1.5 m時(shí),路床80 cm全采用隧道碎石碴填筑,挖方路段超挖路床換填50 cm碎石碴,當(dāng)路床范圍內(nèi)為基巖時(shí),換填到基巖為止。整體式挖方段路基橫斷面布置見圖2。

圖2 隧道外接線整體式挖方段路基橫斷面布置(單位：cm)

3 路面設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方法和原則

通過對(duì)多條道路的設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)效果的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及相同自然條件區(qū)已建道路路面結(jié)構(gòu)的調(diào)查,根據(jù)青島道路建設(shè)的實(shí)際情況,結(jié)合本項(xiàng)目交通量大的實(shí)際特點(diǎn),充分吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)設(shè)計(jì)思想。依據(jù)該項(xiàng)目交通量、道路等級(jí)、交通組成等基礎(chǔ)資料,綜合考慮沿線氣候、水文、地質(zhì)及筑路材料分布情況,按照因地制宜、合理選材、方便施工,利于養(yǎng)護(hù)，盡量采用新技術(shù)、新工藝的原則選定各結(jié)構(gòu)層。按規(guī)范規(guī)定,采用雙圓垂直均布荷載作用下的彈性層狀體系理論,以設(shè)計(jì)彎沉值和瀝青面層及整體性基層的容許彎拉應(yīng)力控制計(jì)算路面結(jié)構(gòu)層次的厚度。除接線收費(fèi)站中心采用水泥混凝土路面外,其余路段采用瀝青混凝土路面,路面結(jié)構(gòu)厚度按趨向長(zhǎng)壽命厚度擬定。

3.2 隧道內(nèi)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如表1所示，隧道采用的路面結(jié)構(gòu)是一種剛?cè)岵?jì)、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的新型復(fù)合式路面。為提高路面使用壽命,除車、人行橫洞外水泥混凝土路面板接縫全部設(shè)置拉桿和傳力桿；考慮到水泥混凝土板接縫多,接縫處應(yīng)力反射集中,為減少接縫應(yīng)力反射裂縫,特在水泥混凝土與瀝青混凝土之間設(shè)置2 cm改性瀝青瑪蹄脂碎石(SMA-5)應(yīng)力吸收層。

表1 隧道內(nèi)路面結(jié)構(gòu)

水泥混凝土板的平面尺寸板塊平面劃分參照《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D40—2002)之規(guī)定,結(jié)合路面寬度、車道寬度、排水等因素綜合分析進(jìn)行板塊劃分?？v縫均設(shè)拉桿,橫縫均配傳力桿,脹縫處配置傳力桿；脹縫角隅處均配置角隅鋼筋；所有傳力桿、拉桿均設(shè)置在1/2板厚處,脹縫傳力桿需于涂瀝青端設(shè)滑動(dòng)套,脹縫傳力桿不涂瀝青端應(yīng)與托筋點(diǎn)焊,同時(shí)錨固鋼筋也與支架鋼筋點(diǎn)焊成一體。脹縫填縫板為橡膠泡沫板,填縫料采用高彈性瀝青橡膠。

4 路基、路面排水系統(tǒng)及防護(hù)工程設(shè)計(jì)

圖3 隧道內(nèi)路基路面排水系統(tǒng)(單位：mm)

4.1 隧道內(nèi)路基路面排水

運(yùn)營(yíng)期間隧道內(nèi)的主要水來源為圍巖裂隙水、清洗用水和消防用水,排水系統(tǒng)由環(huán)向排水板、縱向排水管、橫向泄水管和玻璃鋼管水溝組成。為了維護(hù)方便和施工方便,排水溝設(shè)在路面兩側(cè)下方,不設(shè)中央排水溝。在隧道初期支護(hù)與二次襯砌之間拱墻范圍內(nèi)設(shè)置卷材、無紡布和凹凸排水板等滲水層,結(jié)構(gòu)滲水通過可清洗的DN100雙壁波紋縱向排水盲管匯集,然后通過φ100 mm的橫向PVC泄水管匯到路面兩側(cè)的φ500 mm玻璃鋼管水溝,兩玻璃鋼管水溝通過DN100雙壁波紋橫向透水管連通。圍巖水通過φ500 mm玻璃鋼管水溝,清洗和消防水通過路面兩側(cè)的排水邊溝,一起匯入隧道內(nèi)設(shè)置的三個(gè)廢水池,通過泵送排出洞外(如圖3所示)。

為保證路面排水通暢,在路面板下設(shè)縱、橫排水管,縱、橫向排水管設(shè)于施工縫處,管位預(yù)留200 mm×100 mm的槽,槽內(nèi)填充級(jí)配碎石。縱向排水管沿隧道通長(zhǎng)設(shè)置。

4.2 隧道外接線路基路面排水

從保證路基穩(wěn)定、減少水土流失以及盡量減少對(duì)沿線環(huán)境不利影響的角度出發(fā),充分考慮了工程建設(shè)的實(shí)際情況和環(huán)境的特殊要求,對(duì)路基路面綜合排水進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過設(shè)置路側(cè)邊溝和線外涵洞等連通排水溝,使得路基范圍內(nèi)的地表水通過排水設(shè)施排入沿線的溝渠、河流內(nèi),形成完整的排水體系。路基排水系統(tǒng)由排水溝、邊溝、截水溝，以及天然河流、溝渠等組成。邊溝內(nèi)的水一般通過排水設(shè)施排入河道、溝渠內(nèi)。

路表表面排水通過路面邊部集中排水,路面水匯集后通過急流槽送入路基兩側(cè)排水溝,急流槽間距一般為40 m,凹曲線底部必須設(shè)一道急流槽(急流槽采用C20混凝土預(yù)制)；另一部分路面水通過土路肩下的排水體系將水排出。

路面內(nèi)部排水：新建路基采用基層頂面鋪設(shè)改性乳化瀝青稀漿封層,土路肩采用碎石(土)培筑,外包防水土工布,碎石頂采用C20混凝土預(yù)制板封頂,以排除面層滲水。

4.3 路基防護(hù)

路基的防護(hù)工程是防治路基病害、保證路基穩(wěn)定、改善環(huán)境景觀、保護(hù)生態(tài)平衡的重要措施。隧道接線段路基的防護(hù)及排水設(shè)計(jì)中充分考慮了綠化景觀的要求,力求盡量做到與沿線的自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。

根據(jù)路區(qū)的氣候環(huán)境、工程地質(zhì)和材料等選用適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)工程類型或采取綜合措施,以保證路基的穩(wěn)定。同時(shí)為提高環(huán)境保護(hù),更好的與周圍自然環(huán)境相協(xié)調(diào),減少圬工體積,在每種防護(hù)形式中均增大了植草綠化的面積,具體方案如下：

(1)路堤邊坡,當(dāng)路基填土高度H≤4.0 m時(shí),邊坡采用鋪設(shè)三維土工網(wǎng)墊、液壓噴播植草防護(hù)。

(2)路塹邊坡,隧道黃島端現(xiàn)狀為丘陵郊區(qū),隧道口挖方路段巖石邊坡采用客土噴播綠化防護(hù),其他土質(zhì)邊坡采用鋪設(shè)三維土工網(wǎng)墊、液壓噴播植草防護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

海底隧道在我國(guó)的建設(shè)才剛剛起步,隨著跨海交通采用隧道方式的優(yōu)勢(shì)越顯突出和地下工程技術(shù)的發(fā)展,越來越多的海底隧道正在計(jì)劃之中。海底隧道惡劣的環(huán)境使得隧道路基路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性問題給材料和隧道工程師提出了新的課題。影響路基路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素是多方面的,涉及到所處環(huán)境、結(jié)構(gòu)、材料、施工工藝和監(jiān)測(cè)養(yǎng)護(hù)維修等,本文根據(jù)青島膠州灣隧道的具體設(shè)計(jì),提出一些保障路基路面結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)措施,旨在拋磚引玉,供類似工程參考。

[1]王夢(mèng)恕.對(duì)21世紀(jì)我國(guó)隧道工程建設(shè)的建議[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2001(1)

[2]中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司.青島膠州灣隧道施工圖設(shè)計(jì)文件[R].天津：中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,2008

[3]中華人民共和國(guó)交通部.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70—2004)[S].北京：人民交通出版社,2004.11

[4]中華人民共和國(guó)交通部.公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50—2004)[S].北京：人民交通出版社,2004

[5]中華人民共和國(guó)交通部.公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D50—2006)[S].北京：人民交通出版社,2006

[6]中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院.青島膠州灣灣口海底隧道工程地質(zhì)詳勘報(bào)告(中間報(bào)告)[R].武漢：中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院,2006