某超大斷面隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

錢文斐

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

0 引言

目前我國主要依照日本隧協(xié)建議表將開挖斷面積大于140 m2的隧道定義為超大斷面隧道，其尺寸基本為單洞三車道規(guī)模。隨著解決城市交通擁堵問題的深入，單洞四車道規(guī)模的隧道建設(shè)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)施工及運(yùn)營期間的安全至關(guān)重要，但可借鑒的相關(guān)資料較少。本文以楊柳井隧道為例，探討超大斷面隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模

楊柳井隧道是貴陽中環(huán)路關(guān)鍵控制性節(jié)點(diǎn)工程，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，為分離式長隧道。其中，左線隧道起訖里程LK2+979.3～LK4+149，長1 169.7 m；右線隧道起訖里程 RK2+966.6～RK4+107.9，長1 141.3 m。

1.2 工程地質(zhì)

工程地質(zhì)主要以耕植土、人工填土、硬塑紅黏土、三疊系松子坎組的白云巖夾有少量薄層泥灰?guī)r、三疊系安順組的中風(fēng)化泥晶白云巖及少量溶塌角礫巖為主。

隧址區(qū)大部分地段為溶蝕、侵蝕構(gòu)造、中低山地貌區(qū)，碳酸鹽巖分布較廣，受溶蝕影響，巖溶地貌較為發(fā)育。洞身圍巖以Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主。

1.3 水文地質(zhì)

根據(jù)場(chǎng)區(qū)地下水的含水類型、富水性及巖層間的水力聯(lián)系，將隧道通過地段內(nèi)地下水類型劃分為巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散層孔隙水。

2 建筑限界及內(nèi)輪廓確定

2.1 建筑限界

根據(jù)交通需求，并結(jié)合隧道維修養(yǎng)護(hù)要求，建筑限界寬度為18.75 m，其組成為左側(cè)檢修道0.75 m+左側(cè)側(cè)向?qū)挾?.5 m+車行道寬度3.5 m×3+3.75 m+右側(cè)側(cè)向?qū)挾?.5 m+右側(cè)檢修道2.5 m。建筑限界高度為5 m。與現(xiàn)行規(guī)范相比而言，整體規(guī)模稍大于標(biāo)準(zhǔn)四車道隧道（見圖1）。

圖1 隧道建筑限界（單位：mm）

2.2 內(nèi)輪廓

內(nèi)輪廓扁平率值越大，雖然有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，但是會(huì)加大隧道斷面，增加工程造價(jià)，因此需要尋找兩者的最佳結(jié)合點(diǎn)。

通過查閱國內(nèi)已建超大斷面隧道的案例，內(nèi)輪廓扁平率數(shù)值主要集中在0.6～0.7（見圖2）。經(jīng)綜合比選，該工程隧道內(nèi)輪廓凈寬19.378 m，凈高11.971 m，扁平率值為0.618，凈空面積約為180.7 m2（見圖 3）。

圖2 國內(nèi)已建超大斷面隧道扁平率分布情況

圖3 隧道內(nèi)輪廓（單位：mm）

3 隧道結(jié)構(gòu)

3.1 結(jié)構(gòu)選型

目前國內(nèi)現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70—2010）提出對(duì)于四車道隧道Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下，可采用三次支護(hù)的結(jié)構(gòu)形式，其中第三層襯砌盡可能在洞室收斂變形的情況下施作?？紤]到在施工工期緊張的情況下，如采用三次支護(hù)形式將增加施工工序、增加工期。設(shè)計(jì)中提出在加強(qiáng)初期支護(hù)及二次襯砌的剛度及強(qiáng)度條件下，仍采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式。

3.2 襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)

對(duì)于初期支護(hù)的主要加強(qiáng)措施如下：

（1）采用鋼纖維噴射混凝土替代噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)作用，主要基于以下考慮：

a.鋼纖維混凝土呈現(xiàn)較高的抗裂、抗沖擊和抗彎韌性等性能。

b.使用鋼纖維可以省去掛鋼筋網(wǎng)工序，縮短支護(hù)時(shí)間，起到及時(shí)快速支護(hù)的作用。

（2）同樣截面高度的H型鋼的抗彎模量較之工字鋼大，因此擬對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖段采用H型鋼以增加支護(hù)強(qiáng)度與剛度。

對(duì)于二次襯砌的主要加強(qiáng)措施如下：

（1）適當(dāng)提高二次襯砌標(biāo)號(hào)及厚度，以增強(qiáng)其強(qiáng)度與剛度。

（2）適當(dāng)提高二次襯砌對(duì)于圍巖壓力的分擔(dān)比例，較之規(guī)范提出的最高分擔(dān)比例值增加10%。

3.3 圍巖壓力確定

現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70—2010）中對(duì)于單洞深埋的圍巖壓力提出了兩種計(jì)算公式，考慮到該工程的洞室開挖寬度接近22 m，遠(yuǎn)大于礦山法經(jīng)驗(yàn)公式所要求的15 m范圍，因此擬采取普氏公式確定圍巖壓力。

3.4 復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)

經(jīng)過類比及計(jì)算分析，相關(guān)支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 隧道洞身各類圍巖的支護(hù)參數(shù)

4 施工工法

考慮到該隧道開挖斷面大，擬采取“劃大為小”的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。先錯(cuò)幅施工左、右兩側(cè)導(dǎo)洞，再施工中間導(dǎo)洞，最后根據(jù)監(jiān)控量測(cè)成果拆除臨時(shí)支撐，施工防水層及仰拱、二次襯砌（見圖4）。

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工工序圖

以左線LK3+300里程（隧址圍巖為Ⅴ級(jí)）為例，拱頂沉降點(diǎn)、兩條水平收斂線的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖5～圖7所示。

圖5 拱頂沉降曲線

圖6 上部邊墻水平收斂曲線

圖7 下部邊墻水平收斂曲線

由以上可知，拱頂累計(jì)下沉量為14.54 mm，上下水平向累計(jì)收斂值分別為12.22 mm、12.21 mm。

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋信息可知，隧道變形及收斂基本于15 d趨于穩(wěn)定，隧道支護(hù)參數(shù)及施工工法合理可行。

5 超淺埋段

該隧道右線 RK3+105～RK3+155、左線 LK3+135～LK3+175段覆蓋層厚度在4～6 m，覆跨比僅為0.18～0.27,典型的地質(zhì)橫斷面如圖8所示。右線基本位于中風(fēng)化巖層中，地表構(gòu)筑物主要為鋼結(jié)構(gòu)民房、圍墻、木房、水渠、盆景等。左線拱頂大多位于土層中，拱腰及以下位于中風(fēng)化巖層中，地表構(gòu)筑物主要為水渠、民房、木房、盆景等。

圖8 RK3+130（LK3+139.228）里程處地質(zhì)橫剖面（單位：m）

5.1 支護(hù)襯砌方案

采取加強(qiáng)支護(hù)及襯砌措施，參照S5a型復(fù)合式襯砌參數(shù)（見表1），考慮到拱頂覆蓋層厚度較小，拱頂錨桿作用不明顯，故擬取消拱頂120°范圍的錨桿布置。

5.2 超前支護(hù)方案

由于該段覆跨比極小，掌子面開挖所形成的潛在滑動(dòng)面將延伸至地表，從而產(chǎn)生冒頂事故，因此采取加強(qiáng)此段超前支護(hù)措施，隔斷隧道開挖對(duì)地表的影響。

超前支護(hù)采取超前大管棚結(jié)合超前小導(dǎo)管預(yù)注漿相結(jié)合的方案。超前管棚采用?108×6 mm熱軋無縫鋼管，長度20 m，環(huán)向間距40 cm，縱向間距12 m；超前小導(dǎo)管采用?42×4 mm熱軋無縫鋼管,長度5m，環(huán)向間距40 cm，縱向間距1.5m；超小導(dǎo)管與超前管棚環(huán)向間隔布置（見圖9）。

圖9 超淺埋段超前支護(hù)橫斷面（單位：mm）

5.3 掌子面加固方案

對(duì)于左洞掌子面，其上半部分為人工填土，下半部分為中風(fēng)化巖石，開挖過程中易出現(xiàn)上半部土體失穩(wěn)滑塌現(xiàn)象，影響地表的盆景及圍墻安全。為此采取加固掌子面上半部分措施，具體如下（見圖 10）：

圖10 左洞掌子面上半部分加固方案（單位：mm）

（1）?42×4 mm注漿鋼管進(jìn)行注漿加固，長度為3 m，間距為1.5 m×1.5 m,梅花形布置。

（2）土層表面進(jìn)行噴錨支護(hù)護(hù)面，其中C25噴射混凝土厚度10cm，?8鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)格大小為200mm×200 mm。

5.4 施工要求

為了縮短該段隧道洞室的臨空時(shí)間，保證洞室的安全性，施工中應(yīng)以一個(gè)管棚長度為一個(gè)施工單元，只有當(dāng)一個(gè)施工單元全斷面封閉成環(huán)后且二次襯砌施作后方可進(jìn)行下一個(gè)單元施工。

6 巖溶發(fā)育段

該隧道右線K2+497～K2+505段出現(xiàn)貫通至地表的溶腔，溶腔橫向?qū)挾燃s5 m，縱向長度約8 m，隧道拱頂至地表高差約為21 m（見圖11）。

圖11 溶洞處置方案（單位：mm）

6.1 溶腔處置方案

該段在初期支護(hù)、二次襯砌施工后，從地表溶洞后自上而下對(duì)不穩(wěn)定的溶腔壁進(jìn)行噴錨網(wǎng)加固，支護(hù)參數(shù)如下：C25噴射混凝土10 cm；?8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距0.2 m×0.2 m；錨桿采用長度3 m的?22砂漿錨桿,間距按1.2 m×1.2 m梅花形布置。此外，施作緩沖層減小落塊對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的不利影響，具體措施為在初期支護(hù)背后先回填1.5 m厚度混凝土后再吹砂2 m厚度。

6.2 加強(qiáng)排水措施

一方面在地表溶洞口周邊設(shè)置截水溝，防止地表水進(jìn)入溶腔范圍；另一方面在溶洞空腔內(nèi)按間距2 m×2 m的間距梅花形布置豎向排水管，排水管采用HDPE100管材，頂部高出緩沖層50 cm，并采用無紡布進(jìn)行包裹，防止管口堵塞，底部接入縱向排水管，將溶腔內(nèi)可能的積水及時(shí)排出。

6.3 加強(qiáng)防水措施

首先對(duì)地表溶洞口周邊的地表裂隙采用水泥砂漿進(jìn)行填充，以防地表下順裂隙下滲至空腔范圍；其次采用鋼筋混凝土蓋板對(duì)溶洞口進(jìn)行封閉，并且用錨桿進(jìn)行固定；最后在鋼筋混凝土蓋板上用黏土夯實(shí)，其高度高出周邊地表不小于2 m。

7 結(jié) 語

目前該隧道已運(yùn)營通行，其設(shè)計(jì)思路及理念可為后續(xù)類似工程提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)。但筆者認(rèn)為目前國內(nèi)為了確保超大跨隧道結(jié)構(gòu)的安全，設(shè)計(jì)方案大多偏于保守，尚存在精細(xì)化設(shè)計(jì)的空間，如超大斷面的尺寸邊界效應(yīng)尚待系統(tǒng)性研究、不同施工工法產(chǎn)生的圍巖壓力存在的差別等。這些尚待學(xué)者結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)一步研究及探討。