淺埋大斷面連拱隧道設(shè)計(jì)

武保華 陳 浩

(1.宜興市交通運(yùn)輸局，江蘇 宜興 214200;2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210005)

0 引言

連拱隧道1974年誕生于日本，此種結(jié)構(gòu)形式雖然起步較晚，然而卻有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。連拱隧道兩端接線對(duì)地形要求不高，布線方便，接線工程量小，線形順暢，特別適宜一些特殊地形和地質(zhì)條件的隧道建設(shè)。近年來，全國(guó)多條高速公路，積極推崇連拱隧道，并相繼被選用。鑒于連拱隧道可以較小限度地占用土地，較大限度地保護(hù)自然環(huán)境，隨著我國(guó)城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市道路的快速發(fā)展，今后在城市周邊交通繁忙的山丘地帶和山嶺重丘地區(qū)將會(huì)得到更大的發(fā)展。

1 工程概況

1.1 隧道工程概況

某隧道按連拱隧道形式布置，隧道長(zhǎng)度為580 m，屬于中隧道，最大埋深約為24 m。按雙向六車道城市主干路設(shè)計(jì)(近期為雙向四車道機(jī)動(dòng)車道+人非系統(tǒng)，遠(yuǎn)期預(yù)留雙向六車道通行的條件)，設(shè)計(jì)速度40 km/h。

圖1 隧道建筑限界（單位：cm）

1.2 隧道工程地質(zhì)、地貌概況

隧道西側(cè)為背斜核部，區(qū)內(nèi)揭露的地層主要為寒武系中下統(tǒng)的饅頭組、毛莊組、徐莊組、張夏組地層，主要巖性為紫紅色頁巖、薄層狀泥灰?guī)r、暗紫色～黃褐色粉砂巖、中厚層石灰?guī)r等。隧道走向與巖層走向夾角在32°～55°。

2 隧道建筑限界及內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)

本隧道為市政道路隧道，按照近遠(yuǎn)期考慮。單洞隧道建筑限界凈寬12.75 m，凈高5.0 m。建筑限界設(shè)計(jì)詳見圖1。

隧道內(nèi)輪廓拱頂凈高為773 cm(路面上)，單洞凈寬為1 380 cm，單洞凈空面積為87.14 m2，隧道總凈寬為3 031 cm。為道路排水需要，隧道路面橫坡為2.0%的單面坡。

3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

圖2 Ⅳ級(jí)圍巖淺埋段荷載及計(jì)算模型

本隧道整體埋深較淺，最大埋深約24 m，隧道圍巖以Ⅳ級(jí)圍巖為主，本文選?、艏?jí)圍巖淺埋段，埋深最大處作為結(jié)構(gòu)最不利斷面(埋深23.3 m)，采用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行初期支護(hù)、二次襯砌的結(jié)構(gòu)計(jì)算。

隧道計(jì)算模型如圖2 所示。

表1 二次襯砌鋼筋混凝土靜力分析結(jié)果

1)二次襯砌內(nèi)力圖見圖3，圖4。

從二襯內(nèi)力圖中看出，襯砌結(jié)構(gòu)全斷面受壓，最大壓力發(fā)生在仰拱中部。

2)襯砌結(jié)構(gòu)位移圖見圖5，圖6。

最大豎向沉降發(fā)生在拱頂，為10.4 mm;最大側(cè)向位移發(fā)生在拱腳，為3.2 mm，滿足要求。

3)二次襯砌截面強(qiáng)度驗(yàn)算。

二次襯砌配筋量及其強(qiáng)度安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表1。

圖4 二次襯砌軸力圖

經(jīng)表1 計(jì)算結(jié)果分析，截面強(qiáng)度驗(yàn)算(按組合截面進(jìn)行內(nèi)力分配)，按照鋼筋混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算，其各個(gè)截面抗拉、抗壓安全系數(shù)均不小于2.0，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)側(cè)向位移圖

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

本隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、襯砌斷面類型及襯砌結(jié)構(gòu)尺寸以工程類比法為主，并通過數(shù)值計(jì)算分析進(jìn)行校核，確定支護(hù)襯砌參數(shù)。各級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)如表2 所示。

表2 隧道各級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)表

4 隧道施工方案設(shè)計(jì)

本隧道為總開挖跨度約32 m 的連拱隧道，屬于特大跨度隧道(B≥18 m)，且隧道埋深最大約為23 m，整個(gè)隧道段落基本處于淺埋段，且Ⅳ級(jí)圍巖比例較高。隧道施工方案設(shè)計(jì)根據(jù)圍巖級(jí)別、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等條件，Ⅳ級(jí)圍巖段開挖采用中導(dǎo)洞—雙側(cè)導(dǎo)洞工法開挖。開挖方法見圖7。

圖7 隧道Ⅳ級(jí)圍巖段施工步序設(shè)計(jì)圖

圖7 中①為導(dǎo)洞上臺(tái)階超前支護(hù);②為中導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖、初期支護(hù);③為中導(dǎo)洞下臺(tái)階開挖、初期支護(hù);④為中隔墻混凝土施工;⑤為左側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階超前支護(hù);⑥為左側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖、初期支護(hù);⑦為左側(cè)導(dǎo)洞下臺(tái)階開挖、初期支護(hù);⑧為右側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階超前支護(hù);⑨為右側(cè)導(dǎo)洞上臺(tái)階開挖、初期支護(hù);⑩為右側(cè)導(dǎo)洞下臺(tái)階開挖、初期支護(hù);○1為中隔墻右側(cè)與中導(dǎo)洞右壁設(shè)置橫撐或回填;○12為左側(cè)主洞上臺(tái)階超前支護(hù);○13為左側(cè)主洞上臺(tái)階拱部環(huán)形開挖、初期支護(hù);○14為左側(cè)主洞上臺(tái)階核心土開挖;○15為左側(cè)主洞下臺(tái)階開挖、初期支護(hù);○16為左側(cè)主洞仰拱襯砌澆筑、回填;○17為左側(cè)主洞拱墻防水層、二次襯砌澆筑;○18為右側(cè)主洞上臺(tái)階超前支護(hù);○19為右側(cè)主洞上臺(tái)階拱部環(huán)形開挖、初期支護(hù);○20為右側(cè)主洞上臺(tái)階核心土開挖;○21為右側(cè)主洞下臺(tái)階開挖、初期支護(hù);○2為右側(cè)主洞仰拱襯砌澆筑、回填;○23為右側(cè)主洞拱墻防水層、二次襯砌澆筑。

5 監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)

結(jié)合本隧道大跨度淺埋的特點(diǎn)，施工過程中應(yīng)特別注重現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的配合，提供信息依據(jù)，確保施工安全。

監(jiān)控量測(cè)主要擬定為兩個(gè)方面:

1)位移量測(cè):量測(cè)拱頂下沉、各側(cè)導(dǎo)洞周邊收斂，以及拱腳、拱腰、仰拱、圍巖內(nèi)部位移。2)應(yīng)力、壓力量測(cè):量測(cè)中墻頂壓力、初期支護(hù)與圍巖接觸壓力、雙層初期支護(hù)間壓力、初期支護(hù)與二襯間接觸壓力、鋼拱架內(nèi)力、襯砌內(nèi)力、錨桿軸力等。

6 經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

1)本文結(jié)合淺埋大斷面隧道設(shè)計(jì)，對(duì)雙向六車道連拱隧道的斷面形式、結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)、施工方案等進(jìn)行了研究探討，并應(yīng)用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，為今后大斷面連拱隧道的設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

2)連拱隧道施工工序多而復(fù)雜，與其他形式隧道相比，更需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)及時(shí)掌握圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)動(dòng)態(tài)，確保施工安全的同時(shí)，進(jìn)一步能達(dá)到結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)和施工方案的動(dòng)態(tài)優(yōu)化等目的。

［1］JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］JTG F60-2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.

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