蓮塘隧道超大斷面分岔處設(shè)計參數(shù)擬定

蔡東明 畢強

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 100082）

引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展以及隧道修建技術(shù)的不斷提高， 修建分岔隧道結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種趨勢和選擇[1]。 這種形式的隧道含小凈距段、 連拱段和大斷面段， 分岔段的隧道結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜、 工序轉(zhuǎn)換比較頻繁， 設(shè)計、 施工的綜合難度較大， 國內(nèi)外還沒有相應(yīng)的設(shè)計、 施工技術(shù)規(guī)范、 標(biāo)準(zhǔn)。 到目前為止， 國內(nèi)已有一些超大斷面分岔隧道修建的實例。 有必要對已建隧道進行調(diào)研， 采用工程類比的研究方法， 對本工程的設(shè)計施工提供指導(dǎo)和借鑒。 因此開展超大斷面分岔式隧道的設(shè)計、 施工技術(shù)調(diào)研工作就顯得很有必要[2]。

1 工程概況

蓮塘隧道是一座復(fù)雜的分岔式立交隧道， 隧道右線長1455m， 左線長1485m， 最大埋深約為150m， 設(shè)計時速80km/h。 蓮塘隧道分岔段超大斷面位于左線K1 +890 ～K1 +941 段， 全長51m。該區(qū)段主要為微風(fēng)化砂巖， 節(jié)理裂隙較發(fā)育， 地下水貧乏、 滲透性小， 超大斷面區(qū)域圍巖綜合判定為Ⅲ級。 蓮塘隧道分岔段結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 蓮塘隧道分岔段示意Fig.1 Cross section of Liantang tunnel at bifurcation

2 國內(nèi)超大斷面分岔隧道調(diào)研

調(diào)研了國內(nèi)已建隧道， 包括: 八字嶺隧道、漆樹槽隧道、 營盤路湘江隧道、 拍盤隧道、 橫龍山隧道、 膠州灣海底隧道。 通過對以上隧道的調(diào)研， 整理出截至調(diào)研前國內(nèi)超大斷面分岔隧道的項目概況、 建設(shè)條件、 設(shè)計參數(shù)、 施工方法等。查閱關(guān)于超大斷面分岔隧道文獻[2-8]， 對本工程的設(shè)計施工提供指導(dǎo)和借鑒。 采用工程類比的研究方法， 擬定蓮塘隧道的設(shè)計參數(shù)。

2.1 調(diào)研內(nèi)容

(1）項目概況: 包括項目位置、 工程規(guī)模。

(2）建設(shè)條件: 包括地質(zhì)條件、 圍巖等級。

(3）設(shè)計參數(shù): 包括結(jié)構(gòu)形式、 開挖斷面尺寸、 初期支護參數(shù)。

(4）施工方法: 不同斷面形式對應(yīng)的施工方法。

2.2 調(diào)研項目概述

1.湖北—八字嶺隧道

八字嶺隧道左線全長 3525m， 右線全長3548m， 單洞主車道數(shù)4 車道。 八字嶺隧道出口端采用的分岔式設(shè)計和施工當(dāng)時在國內(nèi)尚屬首例。 分岔式隧道在向分離式隧道過渡過程中設(shè)計有超大拱形、 連拱、 小間距和分離式獨立雙洞四種結(jié)構(gòu)形式。 其中超大跨拱型段長58.6m， 凈跨度為 19.6m， 最大開挖寬度為 23.9m， 高度為11.9m。

隧道大拱段位于出口段， 頂板厚度0 ～30m，圍巖巖性為弱-微風(fēng)化灰?guī)r， 薄-中厚層狀， 地表巖溶較發(fā)育， 地表及地下水自然排泄條件較好。 出口位于低中山斜坡位置， 山坡自然坡度28° ～ 45°， 巖體較完整， 圍巖類別為Ⅲ ～ Ⅳ類，成洞條件較好， 洞口圍巖較穩(wěn)定， 工程地質(zhì)條件較好。

大拱段采用上下臺階法開挖， 連拱段采用中導(dǎo)洞全斷面開挖， 小凈距段采用了上下臺階法開挖。

隧道大拱段初期支護設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 八字嶺隧道初期支護參數(shù)Tab.1 Initial support parameters of Baziling tumel

2.湖北—漆樹槽隧道

漆樹槽隧道左洞長 1263.5m， 右洞長1255m， 單洞主車道數(shù)2 ～4 車道。 出口段包括小凈距段、 連拱段、 大斷面段。 大斷面段最大開挖高度為12.1m， 最大開挖寬度為24.7m， 開挖面積達241m2。

隧道圍巖由弱-微風(fēng)化灰?guī)r構(gòu)成， 巖層呈薄-中層狀構(gòu)造， 裂隙較發(fā)育， 無地表水， 地下水主要為基巖裂隙水、 巖溶裂隙水、 地表覆蓋層中的孔隙水， 水量大小受季節(jié)性影響。 大拱段圍巖是弱風(fēng)化與微風(fēng)化灰?guī)r， 洞口地段屬弱風(fēng)化灰?guī)r， 薄層狀結(jié)構(gòu)， 裂隙發(fā)育， 且存在一夾泥破碎帶， 圍巖自穩(wěn)承載能力很差。

在施工中， 對于大斷面段采用上下斷面法進行開挖， 下半斷面保留中間核心土， 對兩側(cè)邊墻進行交錯開挖。 連拱段及小凈距段左右洞均采用了全斷面開挖， 分先后行隧道分開交叉開挖。

隧道最大斷面初期支護設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 漆樹槽隧道初期支護參數(shù)Tab.2 Initial support parameters of Qishucao tunnel

3.湖南—營盤路湘江隧道

營盤路湘江隧道左洞長 2723m， 右洞長3022m， 單洞主車道為: 2 車道+1 車道。

工程地下水豐富， 有孔隙水及基巖裂隙水兩種類型。 斷層破碎帶和圓礫層是該工程最主要的不良地質(zhì)體。 隧道先后穿過三條斷層破碎帶， 隧道暗挖段大部分地段覆土厚度為6.5m ～22.3m，而地下分岔超大斷面段達到23.49m、 高度13.62m。主要施工方法有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、 6 部CRD 法， 分超大斷面為小斷面， 初期支護步步成環(huán)。

超大斷面初期支護參數(shù)見表3。

表3 營盤路湘江隧道初期支護參數(shù)Tab.3 Initial support parameters of Yingpanlu Xiangjiang tunnel

4.山西—拍盤隧道

拍盤隧道左洞3479m， 右洞3447m， 單洞雙車道。 由雙洞單跨上下雙層橋隧混合結(jié)構(gòu)、 連拱結(jié)構(gòu)、 小凈距結(jié)構(gòu)和分離式結(jié)構(gòu)組成了復(fù)雜的分岔式隧道。 其開挖跨徑達25.77m， 最大開挖高度17.25m， 斷面面積達346.6m2。

洞口加強段按單側(cè)壁導(dǎo)坑法(中隔墻法）開挖， Ⅲ類圍巖按上下臺階法開挖， Ⅱ類圍巖按全斷面法開挖。 小凈距隧道Ⅲ類圍巖段按左洞先行、 上下臺階開挖。 連拱隧道三導(dǎo)坑開挖。

超大斷面初期支護參數(shù)見表4。

表4 拍盤隧道初期支護參數(shù)Tab.4 Initial support parameters of Paipan tunnel

5.深圳—橫龍山隧道

橫龍山隧道隧道左洞長 2330m， 右洞長2275m， 單洞(3 + 1） 車道。 最大開挖斷面達304.14m2、 最大斷面寬度29.171m、 最大斷面高度18.08m。

隧道采用新奧法施工， 三車道隧道V 類圍巖地段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工； III 類圍巖地段采用正臺階法或CD 工法施工； II、 III 類圍巖地段采用正臺階法或全斷面法施工。 四車道隧道和喇叭口隧道段， IV 類圍巖地段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工； II、 III 類圍巖地段采用正臺階法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

超大斷面圍巖主要為花崗巖， 巖性較好， 裂隙不發(fā)育， 屬II ～III 類圍巖。 初期支護參數(shù)見表5。

表5 橫龍山隧道初期支護參數(shù)Tab.5 Initial support parameters of Henglongshan tunnel

6.青島—膠州灣海底隧道

膠州灣海底隧道， 又稱膠州灣隧道。 隧道左洞長2850m， 右洞長2805m， 單洞三車道， 最大開挖跨度28.202m、 高18.64m。

超大斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法開挖， 連拱段采用中導(dǎo)洞法施工， 小凈距段采用CD 法的組合法施工。

最大斷面處隧道埋深16m ～18m， 洞頂以上有7m ～14m 微風(fēng)化基巖， 微風(fēng)化基巖多為塊狀砌體結(jié)構(gòu)或塊(石）碎(石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)， 巖質(zhì)堅硬， 圍巖透水性弱， 自穩(wěn)能力好， 圍巖級別為Ⅱ～Ⅲ級。 超大斷面支護參數(shù)見表6。

表6 膠州灣海底隧道初期支護參數(shù)Tab.6 Initial support parameters of Jiaozhouwan tunnel

2.3 調(diào)研成果總結(jié)

1.分岔式隧道分類

分岔式公路隧道除行車橫洞、 行人橫洞外，按照其主要應(yīng)用領(lǐng)域可劃分為山嶺隧道與城市隧道。 山嶺地區(qū)形成分岔式隧道的主要特點是橋隧相接(或相近）， 城市地區(qū)形成分岔式隧道的主要特點是主線與分合流轉(zhuǎn)向匝道相接或在進出口與立交相連。 如圖2 所示。

2.分岔式隧道結(jié)構(gòu)形式組成

分岔式隧道的組成由超大斷面段、 連拱段、小凈距段、 分離段組成， 如圖3 所示。

3.隧道分岔段形式及參數(shù)

調(diào)研隧道分岔段形式及參數(shù)見表7。

圖2 分岔式隧道分類Fig.2 Classification of forked tunnel

圖3 分岔式隧道典型結(jié)構(gòu)形式組成Fig.3 Typical structure of forked tunnel

表7 隧道分岔段形式及參數(shù)Tab.7 Form and parameters of tunnel bifurcation section

4.隧道開挖方法及支護參數(shù)

通過對隧道的調(diào)研， 可以總結(jié)出不同圍巖級別下， 超大斷面段、 連拱段和小凈距段隧道的施工方法以及超大斷面初期支護參數(shù)見表8、表9。

表8 分岔段施工方法Tab.8 Construction method of forked section

表9 超大斷面初期支護參數(shù)Tab.9 Initial support parameters of super large section

3 蓮塘隧道設(shè)計方案

根據(jù)調(diào)研國內(nèi)已建超大斷面分岔隧道成果，采用工程類比法擬定蓮塘隧道設(shè)計方案。

3.1 隧道形式

擬定蓮塘隧道分岔段形式為: 超大斷面段-連拱段-小凈距段-分離段。

3.2 斷面尺寸

根據(jù)工程需求及《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTGD70 -2004）擬定蓮塘隧道最大斷面處建筑限界寬度為26.468m， 高度為5.0m， 建筑限界如圖4 所示。

圖4 最大斷面建筑限界Fig.4 Maximum section construction clearance

隧道內(nèi)輪廓以建筑限界為基礎(chǔ)， 綜合考慮路面超高、 襯砌結(jié)構(gòu)受力特點、 照明及消防設(shè)施布置空間、 溝槽尺寸及隧道內(nèi)裝等擬定斷面形式及具體參數(shù)。 在滿足建筑限界、 運營設(shè)備安裝空間、 方便維修保養(yǎng)等前提下， 力求使凈空斷面利用率高， 結(jié)構(gòu)受力合理。 經(jīng)對襯砌受力、 造價等因素比較， 根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTGD70 -2004）和《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01 -2003），并結(jié)合本線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和特點擬定。

根據(jù)現(xiàn)有調(diào)研資料表明， 一般三車道以及四車道公路隧道的扁平率多控制在0.5 ～0.7。通過三維數(shù)值模擬分析， 蓮塘隧道超大斷面扁平率為0.583， 超大斷面內(nèi)輪廓跨度27.45m、高16m， 隧道主洞內(nèi)輪廓采用受力條件好的三心圓形式。 為降低施工難度， 設(shè)計時確保隧道內(nèi)輪廓滿足路面超高的需要， 隧道內(nèi)輪廓位置相對隧道中線處路面標(biāo)高確定， 內(nèi)輪廓適用于本工程隧道路面橫坡的全部超高方式。 最大斷面處隧道內(nèi)輪廓如圖5 所示。

圖5 四車道(最大斷面)內(nèi)輪廓Fig.5 Inner contour of four lane (maximum section）

3.3 總體施工方法

國內(nèi)針對超大斷面(四車道以上）的工程研究表明， 雙側(cè)壁導(dǎo)洞的開挖方式對于拱頂下沉、 水平收斂， 掌子面穩(wěn)定以及圍巖塑性區(qū)范圍的控制相對其他工法更為有效。 蓮塘隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法開挖， 連拱段采用中導(dǎo)洞法施工， 小凈距段采用臺階—單側(cè)壁導(dǎo)坑法組合法施工。

3.4 支護方式

考慮到過多打設(shè)超前錨桿會破壞微風(fēng)化砂巖的完整性， 在超前支護方面僅針對明顯軟弱、 破碎的局部巖體打設(shè)超前砂漿錨桿(長度和范圍根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定）。 Ⅲ級圍巖具有一定的自穩(wěn)時間， 初襯鋼拱架選用與噴混結(jié)合后期強度較高的8 字筋格柵拱架， 同時初襯采用大拱角方式， 以保證格柵鋼架落底堅實。 開挖跨度大， 可類比的工程項目少， 初襯對于圍巖的穩(wěn)定效果難以量化， 二襯成環(huán)跨度大， 二襯采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 以保證工程安全。

考慮到工字型鋼拱架與混凝土的熱膨脹系數(shù)不同， 溫度變化時， 結(jié)構(gòu)通常會沿鋼拱架產(chǎn)生環(huán)向收縮裂縫。 鋼拱架背后的噴射混凝土較難充填密實， 這將在一定程度上影響支護效果。 另外，型鋼重量大， 運輸稍有不便。 相比而言， 鋼格柵與混凝土的接觸面積大、 粘結(jié)效果好， 兩者能夠共同變形、 協(xié)同受力， 結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)收縮裂縫；拱架間空隙大， 噴射混凝土不容易出現(xiàn)較大的空洞現(xiàn)象； 鋼格柵重量輕， 制作簡單， 運輸和安裝方便， 工程造價低， 經(jīng)濟性較好。 因此， 綜合比較各因素， 選取鋼格柵聯(lián)合噴射混凝土及錨桿作為初期支護較為合適。

錨桿初擬布設(shè)方案為: 在拱頂及側(cè)墻范圍間隔1m 打設(shè)單根長度為5m 的φ25 中空注漿錨桿。

綜上結(jié)合調(diào)研成果、 工程功能需求、 工程自身特點、 計算分析等內(nèi)容， 擬定蓮塘隧道最大斷面處支護參數(shù)見表10。

表10 蓮塘隧道最大斷面初期支護參數(shù)Tab.10 Initial support parameters of maximum section of Liantang tunnel

4 結(jié)語

參考調(diào)研成果， 根據(jù)自身功能需求、 工程特點， 蓮塘隧道分岔段布置形式為超大斷面段-連拱段-小凈距段-分離段。 施工方法為超大斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法， 連拱段采用中導(dǎo)洞法， 小凈距段采用臺階-單側(cè)壁導(dǎo)坑法組合法。 初期支護參數(shù): 局部打設(shè)φ22 超前砂漿錨桿； C30 噴射混凝土厚度33cm； 鋼支撐采用φ25 鋼筋格柵， 縱向間距 0.5m； 采用φ8 規(guī)格 20cm × 20cm 的鋼筋網(wǎng)，拱、 墻處雙層、 仰拱處單層布置； 拱、 墻處打設(shè)長度為5m 的φ25 中空注漿錨桿， 間距 1m ×1m。參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場施工及地質(zhì)條件變化動態(tài)調(diào)整。