與既有隧道平行小凈距的連拱隧道設(shè)計

葛競輝，林秀桂，李志剛

(上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092)

0 引言

隨著國家提出西部大開發(fā)戰(zhàn)略，近年來烏魯木齊經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，交通供給嚴重滯后于交通需求，外環(huán)線承擔的交通量已遠超原設(shè)計預(yù)測交通量及實際承受能力，從而導(dǎo)致多個路段、立交節(jié)點、匝道出入口成為常發(fā)生擁堵路段和節(jié)點。為緩解烏魯木齊市區(qū)交通擁堵現(xiàn)狀，滿足外環(huán)線快速路網(wǎng)功能要求，需要對既有外環(huán)線進行改擴容。

原有外環(huán)線穿越雅瑪里克山設(shè)置了雅山隧道，外環(huán)擴容線路需要在雅山隧道附近穿越雅瑪里克山，規(guī)模為雙向4車道，車速為80 km/h。

1 隧道方案設(shè)計

1.1 方案比選

線路穿越山嶺的方案主要有：路塹和隧道。路塹方案工程造價低，風(fēng)險小，工程可實施性好，但此方案需要涉及大量開挖土方，同時路塹與順接道路將現(xiàn)狀雅瑪里克山一分為二。目前雅瑪里克山頂部為雅山公園，路塹方案對公園整體布局和游園環(huán)境很不利。通過對比分析，外環(huán)改擴建項目線路穿越雅瑪里克山采用隧道方案型式，隧道名稱為雅瑪里克山隧道。

1.2 隧道型式比選

外環(huán)改擴建工程穿越雅瑪里克山的道路規(guī)模為雙向4車道，雅瑪里克山隧道可采用的結(jié)構(gòu)型式為連拱隧道和分離式隧道。本文對連拱隧道型式和分離式隧道型式進行比選，詳見表1。

表1 隧道結(jié)構(gòu)型式對比分析

由于地形原因，雅瑪里克山中間高兩側(cè)低，擬建雅瑪里克山隧道如采用分離式隧道，隧道區(qū)段較短，大部分區(qū)段將采用路塹形式，對既有雅山公園整體影響大；如采用連拱隧道，對環(huán)境影響小，隧道全長為345 m，采用一定措施后工期也可得到保障。通過綜合對比分析，最終確定雅瑪里克山隧道采用連拱隧道結(jié)構(gòu)型式。

雅瑪里克山連拱隧道布置在既有雅山隧道左右線之間，并與其線位平行布置。為盡量減少新建隧道對既有雅山隧道的不利影響，雅瑪里克山隧道與既有雅山隧道最小豎向凈距約10 m，屬于典型的平行小凈距隧道[1]。

雅瑪里克山連拱隧道全長345 m，分為明洞段（18 m）、暗挖段（137 m）和明挖段（190 m）。明挖段施工結(jié)束后，上部覆土恢復(fù)綠化植被，對原有公園幾乎沒有影響。明挖段范圍較長，開挖深度6～16 m，為減少大面積開挖對既有隧道的影響，便于分區(qū)段不連續(xù)施工，避免明洞臺車對施工順序的制約，明挖段采用箱型結(jié)構(gòu)，明洞段和暗挖段仍采用連拱斷面。

雅瑪里克山隧道平面布置詳見圖1，雅瑪里克山隧道暗挖段與雅山隧道相對位置詳見圖2。

圖1 隧道平面位置圖（單位：m）

圖2 隧道相對位置圖（單位：m）

2 隧道工程地質(zhì)條件

隧道入口處，地形較陡，表層為0.3 m的①-1含礫黃土狀粉土、②角礫，下伏蘆草溝組含粉砂質(zhì)泥灰?guī)r、砂巖 P2（LCc、LCd），巖石屬軟巖 -較軟巖，巖體完整性破碎-較破碎，水文條件主要為山坡面流，匯水面積不集中，工程地質(zhì)條件一般；隧道出口處地形較陡，表層為1.0～1.5 m的①-1含礫黃土狀粉土、②角礫，下伏蘆草溝組粉砂質(zhì)泥灰?guī)r、粉砂巖 P2（LCc、LCd），巖石屬軟巖 -較軟巖，巖體完整性破碎-較破碎。工程地質(zhì)條件一般。

隧道抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計基本加速度值0.20 g，特征周期 0.4 s。

場地范圍內(nèi)地表水與地下水均不發(fā)育，地下水對隧道的影響程度不大。

隧址區(qū)未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流等不良地質(zhì)作用。擬建隧道進出口和洞身場地整體穩(wěn)定，適宜修建隧道。隧道圍巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖體較為破碎，根據(jù)巖土的主要物理力學(xué)指標、彈性波速、工程性質(zhì)，結(jié)合巖石單軸抗壓強度（Rc），并結(jié)合巖體完整性系數(shù)（Kv），隧道圍巖基本質(zhì)量級別為Ⅴ級。

雅瑪里克山隧道地質(zhì)縱斷面布置詳見圖3。

圖3 隧道縱斷面布置圖（單位：m）

3 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 洞口設(shè)計

洞口應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)條件，同時結(jié)合環(huán)境保護、洞外有關(guān)工程及施工條件、運營要求，通過經(jīng)濟、技術(shù)比較確定。洞門型式應(yīng)綜合洞口地形、地質(zhì)、原生植被、洞口排水及邊仰坡穩(wěn)定等因素確定。

雅瑪里克山隧道洞口地勢陡峭，附近的既有雅山隧道洞門為端墻式洞門，因此新建雅瑪里克山隧道洞門也采用端墻式洞門，與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。進口端設(shè)置明挖段，出口端設(shè)置明洞。

3.2 內(nèi)輪廓設(shè)計

雅瑪里克山隧道屬于城市山嶺隧道，在進行內(nèi)輪廓設(shè)計時，充分考慮了建筑限界、功能需求、斷面經(jīng)濟性、工程類比、結(jié)構(gòu)受力特點、裝飾、防排水等因素。

經(jīng)過多方案比選，連拱隧道斷面內(nèi)輪廓采用曲墻拱型斷面(見圖4)。隧道內(nèi)輪廓凈寬為21.64 m,凈高為8.335 m，單洞凈空斷面積為67.5 m2。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

隧道明洞段設(shè)計為C35整體式鋼筋混凝土現(xiàn)澆襯砌結(jié)構(gòu)，設(shè)仰拱,仰拱混凝土為C35鋼筋混凝土(C15片石混凝土回填)。

圖4 隧道內(nèi)輪廓布置圖（單位：mm）

隧道暗挖段按新奧法原理設(shè)計，經(jīng)過工程類比和有限元軟件計算分析，采用復(fù)合式結(jié)構(gòu)襯砌,初期支護采用噴混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和型鋼鋼架，二次襯砌采用C35整體式現(xiàn)澆鋼筋混凝土，復(fù)合式襯砌參數(shù)詳見表2,隧道襯砌斷面布置見圖5，連拱隧道二襯內(nèi)力圖見圖6。復(fù)合式襯砌支護參數(shù)為預(yù)設(shè)計參數(shù)，可根據(jù)隧道施工中揭露的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件加以調(diào)整。

表2 隧道襯砌支護參數(shù)表

圖5 隧道暗挖段襯砌斷面圖

隧道明挖段采用鋼筋混凝土單箱多室框架結(jié)構(gòu)，具體布置詳見圖7。

隧道明挖段為矩形框架結(jié)構(gòu)，暗挖段為連拱結(jié)構(gòu)，斷面形式不同，為方便施工和滿足防水需求，明挖段結(jié)構(gòu)在明暗挖結(jié)構(gòu)對接處附近過渡為連拱結(jié)構(gòu)斷面，然后再與暗挖段實現(xiàn)對接。過渡段構(gòu)造圖詳見圖8。

圖6 連拱隧道二襯彎矩圖（單位：kN·m）

圖7 隧道明挖段斷面圖（單位：mm）

圖8 過渡段構(gòu)造圖（單位：mm）

4 隧道施工工法

在遵循技術(shù)可行和經(jīng)濟合理原則下，根據(jù)結(jié)構(gòu)場地工程地質(zhì)、圍巖級別、水文地質(zhì)條件，確定采用適宜的開挖方法。

連拱隧道施工工法可選用三導(dǎo)洞法和導(dǎo)洞-正洞臺階法等工法[2]。本文對三導(dǎo)洞法和導(dǎo)洞-正洞臺階法進行對比分析，具體詳見表3。

隧道圍巖均為Ⅴ級，進出洞洞口均有不同程度偏壓，覆土較薄，與既有隧道平行且小凈距，豎向凈距最小約10 m，凈距最小約14 m，同時影響范圍內(nèi)的既有雅山隧道襯砌為素混凝土襯砌，隧道暗挖段長度137 m，工期可以得到保障。同時采用有限元軟件進行施工全過程數(shù)值模擬，三導(dǎo)洞法引起既有隧道內(nèi)力增量為導(dǎo)洞-正洞臺階法的70%，因此，經(jīng)綜合對比分析，新建雅瑪里克山隧道施工工法推薦采用三導(dǎo)洞法。

表3 隧道施工工法對比分析

明挖段基坑寬度達25 m，基坑最大深度約16 m，大面積開挖卸載對既有隧道有不利影響，因此明挖段施工時，應(yīng)充分利用“時空效應(yīng)”的作用，分節(jié)段分區(qū)域施工，節(jié)段內(nèi)分層開挖，施工中可結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整施工步序。

5 既有隧道控制振速

隧道采用鉆爆法施工。連拱隧道施工步序較多，明挖段大面積爆破施工，隧道施工過程中爆破震動對周邊構(gòu)筑物有不利影響，特別是隧道下方的既有雅山隧道，雅山隧道大部分二襯為素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，且已運營十多年，新建隧道施工過程中，需要考慮對雅山隧道的爆破振動影響控制。

《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2003）中對爆破震動安全容許標準進行規(guī)定，水工隧洞安全允許振速7～15 cm/s，交通隧道安全允許振速10～20 cm/s[3]。

國內(nèi)既有隧道附近新建工程的案例較多，既有隧道振速控制標準詳見表4。

表4 既有隧道控制振速[4-8]

基于國內(nèi)規(guī)范及文獻對既有構(gòu)筑物或隧道的容許控制振速的規(guī)定和研究，結(jié)合爆破主要影響范圍內(nèi)既有雅山隧道二襯為素混凝土結(jié)構(gòu)、圍巖為Ⅲ級，并考慮爆破施工期間隧道正常通行運營的客觀要求，既有雅山隧道容許振速取1.0 cm/s。隧道施工過程中，依據(jù)爆破振動實測數(shù)據(jù)和既有隧道振動響應(yīng)情況，將既有隧道容許振速優(yōu)化調(diào)整為2.0 cm/s，既提高了施工效率、縮短工期，又確保了既有隧道結(jié)構(gòu)安全。

6 監(jiān)控量測與反饋設(shè)計

隧道按照“新奧法”原理設(shè)計與施工，施工遵循“弱爆破、短開挖、強支護、早閉合、勤量測、襯砌緊跟”的原則，確保施工質(zhì)量和安全，并結(jié)合反饋信息及時優(yōu)化調(diào)整設(shè)計與施工。

為了及時掌握圍巖在開挖過程中的動態(tài)和支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，提供有關(guān)隧道施工全面、系統(tǒng)的信息資料，并確保隧道施工安全與支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，確保既有隧道的正常運營和安全，對新建隧道和既有隧道進行施工全過程的監(jiān)控量測。

新建雅瑪里克山隧道監(jiān)測項目有：超前地質(zhì)預(yù)報、地質(zhì)和支護狀況觀察、水平凈空收斂、拱頂下沉、地表沉降、錨桿拉拔力等；既有雅山隧道監(jiān)測項目有：二襯外觀、洞口邊仰坡位移、洞內(nèi)變形、拱頂下沉監(jiān)測、二襯混凝土表面應(yīng)變和裂縫、爆破震動等。

除以上監(jiān)測項目外，隧道開工后開展針對性的既有雅山隧道專項檢測，全面掌握雅山隧道結(jié)構(gòu)和運營情況。隧道檢測和監(jiān)測數(shù)據(jù)為隧道優(yōu)化和調(diào)整提供必要依據(jù)和支撐。

7 結(jié)語

新建雅瑪里克山隧道與既有雅山隧道為平行小凈距隧道，新建隧道為連拱隧道，進出口偏壓嚴重，影響范圍內(nèi)既有隧道結(jié)構(gòu)為素混凝土，隧道設(shè)計過程中獲得的結(jié)論可為既有隧道附近新建隧道的設(shè)計和研究借鑒。

（1）隧道型式的選擇應(yīng)綜合考慮地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)受力、環(huán)境影響、造價、工期等影響因素，通過對影響因素綜合分析，雅瑪里克山隧道采用連拱隧道型式。

（2）隧道施工工法的選擇，不僅考慮施工難易、造價和工期，更重要的是考慮隧道自身安全和支護穩(wěn)定性，同時考慮對既有隧道的安全和正常運營的影響。

（3）監(jiān)控量測是隧道新奧法的精髓，應(yīng)開展施工全過程的監(jiān)控量測，掌握施工過程中新建隧道和既有隧道圍巖、支護和結(jié)構(gòu)等變化情況，為優(yōu)化和調(diào)整施工提供依據(jù)，確保過程順利安全實施。

[1]JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范 [S].

[2]李志厚，朱合華，丁文其.公路連拱隧道設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3]GB 6722—2003，爆破安全規(guī)程 [S].

[4]郗慶桃.隧道爆破震動控制技術(shù)[J].爆破,1998,15(4):83–87.

[5]原郭兵，孟慶明.板桃隧道洞口段兩超小凈距隧道的施工[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2002,39(1):54–57.

[6]王明年，潘曉馬，張成滿，等.鄰近隧道爆破振動響應(yīng)研究[J].巖土力學(xué),2004,25(3):412–414.

[7]王慶瑜.山地城市特大型橋隧建設(shè)探索與實踐-重慶嘉華工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

[8]趙東平，王明年，賈玲利.路塹邊坡開挖對鄰近既有隧道影響研究[J].巖土力學(xué),2009,30(5):1399–1402.