大跨度偏壓淺埋連拱城市隧道設計關鍵節(jié)點研究

近年來，城市交通建設發(fā)展迅速，城市用地也愈發(fā)緊張。受線路選線、地形條件、地質(zhì)條件、周邊環(huán)境及隧道選型等因素限制，具有占地面積小、挖方量小、線形流暢、線路布線方便、運營安全等特點的連拱隧道越來越多地被廣泛應用。同時，由于城市隧道土體緊張、修建環(huán)境較為復雜、拆遷工程量難度大，以及連拱隧道具有的埋深淺、跨度大、受雨季地表水影響大、洞口易出現(xiàn)偏壓作用等特點，給大跨度偏壓淺埋連拱隧道施工增加了難度，土體難以形成拱效應，易造成地表塌陷或塌方，影響隧道施工安全，并對周圍環(huán)境造成極大危害。從目前國內(nèi)已建成的連拱隧道工程來看，施工過程中均不同程度地出現(xiàn)了坍塌、襯砌大面積裂縫、襯砌接頭處嚴重滲漏水等問題[1]-[7]。因此，為克服淺埋偏壓地質(zhì)條件對隧道施工影響、降低施工事故發(fā)生概率、確保施工安全順利進行，對大跨度偏壓淺埋連拱城市隧道設計關鍵節(jié)點進行研究、優(yōu)化其設計與施工方案，就顯得十分必要。

本文以夏鵑路下穿智慧公園隧道工程為例，從隧道結構設計、進出洞方案、中間鏤空段設計、施工方案等關鍵節(jié)點方面進行分析，并進行針對性設計，以期提供安全合理的隧道設計參數(shù)及方案，確保工程順利實施，也為今后類似項目提供參考和借鑒。

1.工程概況

1.1 工程簡介

梅溪湖二期地處岳麓副中心，位于長沙市岳麓片區(qū)的西側(cè)。夏鵑路道路工程位于梅溪湖國際新城二期規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的中軸線處，南北走向，北起紅楓路、南至梅溪湖路西延路，是貫通金橋樞紐和大王山的城市主干道，是長沙市西部片區(qū)南北干線路網(wǎng)的重要組成部分。

圖1 夏鵑路下穿智慧公園隧道位置示意圖

圖2 夏鵑路下穿智慧公園隧道效果圖

圖3 隧道縱斷面圖

智慧公園位于夏鵑路中段、雪松路與龍柏路之間，山體起伏較大，隧道南北兩端山體坡度均較為陡峭，高差達53m，山巒起伏、植被茂盛。由于受到環(huán)境保護要求、夏鵑路控制規(guī)劃用地紅線及道路斷面的限制，采用連拱隧道下穿智慧公園山體，北側(cè)與規(guī)劃雪松路相接，南側(cè)與龍柏路相接。該隧道工程段的建成，有利于打通智慧公園山體對梅溪湖二期區(qū)域的隔斷，實現(xiàn)夏鵑路南北全線貫通，加強梅溪湖國際新城二期南北片區(qū)的有效連接。

圖4 隧道縱斷面設計圖

圖5 連拱隧道計算模型圖

圖6 軸力圖/kN

圖7 彎矩圖/kN·m

夏鵑路下穿智慧公園隧道工程，兩側(cè)接線道路隧道部分（雪松路～龍柏路）、夏鵑路與雪松路交叉口。工程起訖樁號為K1+931.453～K2+520，全長588.547m，其中隧道全長320m、暗埋段長280m。道路等級為城市主干道，雙向八車道，設計時速50km/h。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)勘察結果，場地內(nèi)分布的地層主要有植物層、第四系沉積淤泥層、第四系殘積粉質(zhì)黏土層，下伏基巖為元古界泥質(zhì)、砂質(zhì)板巖。除ZK2+216.0～ZK2+281.0、YK2+214.0～YK2+258.0區(qū)段圍巖等級為Ⅳ級，其余區(qū)段均為Ⅴ級。

擬建出洞口里程K2+280～K2+460右側(cè)段為魚塘一及五眼塘，隧道出口標高低于魚塘現(xiàn)地表水面標高。地下水主要為孔隙水和基巖裂隙水。基巖裂隙水主要賦存于強風化泥質(zhì)板巖及砂質(zhì)板巖中，穩(wěn)定水位深度為4.60m-29.50m。

2.項目特點

隧道受城市規(guī)劃用地、地形地質(zhì)條件、道路斷面限制等因素制約，隧道具有以下特點：

一是大跨度、超淺埋、偏壓、軟弱圍巖：車行隧道為雙向八車道連拱隧道，單洞跨徑達14.7m，屬超大跨徑暗挖連拱隧道，覆土厚度較薄，最深約24m，且偏壓嚴重，尤其洞口段、中間鏤空段。圍巖以全風化～強風化泥質(zhì)、砂質(zhì)板巖為主，屬軟弱圍巖，自穩(wěn)能力較差，為Ⅴ級圍巖。

二是隧道覆土厚度變化大，中間存在鏤空段：由于山體起伏，隧道覆土厚度變化大，隧道中間存在鏤空段，加之邊仰坡影響，給進、出洞設計及施工帶來困難。

三是橫斷面類型多樣：由于隧道短、地質(zhì)條件復雜、大跨淺埋偏壓的影響，需設置橫斷面類型多樣，有明洞、半明半暗、暗埋等。

四是國內(nèi)相似案例經(jīng)驗少：該隧道目前是國內(nèi)首例大跨、淺埋、偏壓、連拱隧道群設計，相關設計及施工案例經(jīng)驗積累少，設計、施工方案難度大。

3.關鍵節(jié)點分析及解決措施

3.1 連拱隧道結構設計分析

隧道橫斷面與夏鵑路道路斷面保持一致，保留人非通行空間，同時為減小總跨徑，將人非與行車隧道分離，整體斷面形式為“小間距＋連拱＋小間距”的四洞隧道群，其中，車行隧道為連拱隧道，兩側(cè)為人非隧道。連拱隧道采用防排水較好的三層復合式曲中墻，并根據(jù)類似工程經(jīng)驗類比[8]-[11]，確定曲墻四心圓拱的內(nèi)輪廓斷面，其相關參數(shù)分別為：R1=9025mm；R2=6080mm；R3=1900mm；R4=25173mm。

表1 隧道復合式襯砌支護參數(shù)

為驗證隧道結構方案的合理性，采用荷載-結構法，選取偏壓較為嚴重的典型斷面，利用有限元計算軟件同濟曙光軟件計算連拱隧道結構內(nèi)力，分析其結構安全性。選取斷面左側(cè)行車隧道埋深15.46m、右側(cè)行車隧道埋深4.70m。計算時Ⅴ級圍巖重度19kN/m3，地層彈性抗力系數(shù)取150 MPa/m，二襯鋼筋砼重度25kN/m3，彈性模量31.0GPa，二襯承擔所有荷載。

受偏壓影響，左側(cè)隧道結構安全受影響更大，左隧道左拱腰、拱頂、右拱腰位置，彎矩分別為3598.26kN·m、2713.97kN·m、3662.50kN·m，對應軸力分別為719.74kN、771.22kN、679.10kN，計算安全系數(shù)分別為3.0、3.2、3.1，滿足設計規(guī)范中安全儲備[12]。

3.2 進出洞方案分析

隧道南北兩側(cè)的洞口均位于嚴重的偏壓地段，開挖造成的邊坡高度均在15m-22m 范圍，邊坡穩(wěn)定性存在較大的風險。遵循隧道進出洞“早進晚出”的原則，比選左、右線隧道“同時進洞”與“先后進洞”兩種方案，其中，“先后進洞”方案目工程案例豐富，可借鑒的經(jīng)驗較多、能有效減小挖方量與邊仰坡坡高，減小邊坡穩(wěn)定性風險，對自然景觀破壞較小等優(yōu)點，且隧道屬于市政道路隧道，對洞口的安全性與美觀協(xié)調(diào)性有著較高的要求，綜合分析采用“先后進洞”方案，左右洞成洞位置錯位13m，故在隧道進出洞處為“一明一暗”斷面。同時為保證安全順利進洞，采用φ108超前大管棚作為輔助措施進洞，大管棚長度為40m，大管棚的注漿作用可提高圍巖自身承載能力，改善結構受力條件。設計時考慮在該段采用C30砼偏壓擋墻和回填土反壓措施，減小偏壓對隧道結構安全影響。

利用同濟曙光有限元軟件，采用地層結構法，建立二維有限元模型計算分析，模型邊界范圍左側(cè)選取隧道群總跨度的2.5倍，隧道底部選取單個隧道跨度的3倍，其余邊界按照地形及設計選取。模型左右側(cè)邊界條件為水平位移約束，底部豎向位移約束，上部自由邊界。土層、中隔墻、初襯采用平面單元，連拱隧道、人非隧道二襯采用梁單元。超前支護措施等效加固圈模擬，采用摩爾-庫倫準則。圍巖及支護參數(shù)分別根據(jù)勘察報告及設計規(guī)范選取。

圖8 軸力圖/ kN

圖9 彎矩圖/kN·m

由于偏壓作用影響，左側(cè)隧道比右側(cè)隧道安全系數(shù)較小，左側(cè)行車隧道最小安全系數(shù)為4.1，位于左拱腰位置；右側(cè)行車隧道最小安全系數(shù)為4.7，位于左側(cè)拱腰、靠近拱頂位置；左側(cè)人非隧道最小安全系數(shù)為3.9，位于左拱腰位置，右側(cè)人非隧道最小安全系數(shù)為12.3，位于拱頂位置。隧道結構安全均滿足設計規(guī)范要求。

3.3 鏤空段設計分析

由于隧道覆土厚度變化較大，導致線路中間位置存在鏤空段、邊仰坡穩(wěn)定性問題。綜合施工便利性、經(jīng)濟性、合理性等分析，該段設計采用明洞方案，周邊邊仰坡采取φ25錨桿+面層內(nèi)嵌鋼筋網(wǎng)+100mm 厚噴射混凝土加固處置措施。采用理正邊坡計算軟件分析邊坡穩(wěn)定性。結果為潛在圓弧滑動面時，安全系數(shù)為1.33，潛在折線滑動面時，安全系數(shù)為1.45，塊體滑動驗算時；安全風險系數(shù)為1.33，均滿足規(guī)范及設計要求，并對明洞隧道結構進行驗算，受邊坡的影響，右側(cè)隧道安全系數(shù)相對低，彎矩控制值為265.47kN·m，1541.14kN，最小安全系數(shù)為8.2，滿足規(guī)范要求。

3.4 施工方案設計

由于隧道群在國內(nèi)的施工案例比較罕見，結合福銀高速金雞山隧道施工經(jīng)驗并根據(jù)隧道施工理論分析，確定先將連拱隧道中導洞的施工并貫通，然后分別進行東西兩側(cè)人非隧道的施工并貫通，最后再進行車行連拱隧道的施工。

（1）洞身段方案

隧道洞身段均為淺埋偏壓，圍巖穩(wěn)定性，采用雙側(cè)壁導坑法施工，導洞上臺階一般開挖進尺0.5m-1.0m，不宜太長，下臺階長度為開挖洞徑的1.5倍，具體施工步驟如下：

①～③ 中導洞輔助措施施工及開挖，中導洞初期支護，中墻基底加設小導管，澆筑中隔墻。

圖10 洞身施工方案圖

④～⑧ 施作超前支護，開挖左（右）洞外側(cè)導洞上臺階，并施作其第一層初期支護、臨時支護，施作鎖腳錨桿，開挖左（右）洞外側(cè)導洞下臺階，并施作其第一層初期支護、臨時支護。

⑨～? 施作超前支護，開挖左洞內(nèi)側(cè)導洞上臺階，施作其第一層初期支護、臨時支護，施作鎖腳錨桿，開挖左洞內(nèi)側(cè)導洞下臺階，施作其第一層初期支護、臨時支護。

?～? 施作超前支護，開挖右洞內(nèi)側(cè)導洞上臺階，施作其第一層初期支護、臨時支護，施作鎖腳錨桿；開挖右洞內(nèi)側(cè)導洞下臺階，施作其第一層初期支護、臨時支護。

?～? 開挖左洞中部上臺階，施作其第一層初期支護，開挖左洞中部中臺階，施作左洞中部臨時支護；開挖左洞中部下臺階，施作其第一層初期支護，施作左洞仰拱第二層初期支護，施作左洞仰拱二次襯砌。

?～? 開挖右洞中部上臺階，施作其第一層初期支護，開挖右洞中部中臺階，施作右洞中部臨時支護；開挖右洞中部下臺階，施作其第一層初期支護，施作右洞仰拱第二層初期支護；施作右洞仰拱二次襯砌。

?～? 先拆除左洞臨時支護，施作左洞第二層初期支護，施作左洞防排水設施，整體澆筑左洞二次襯砌，右洞工序同左洞。

（2）洞口與明洞施工方案

洞口段開挖施工前必須施作好洞頂截水溝；邊坡防護必須與邊坡開挖同步進行，開挖到成洞面附近時要求預留核心土體，待洞口長管棚施工完成后再開挖進洞。

一明一暗段施工時，采用臺階法對暗洞開挖。先進行中導洞開挖、臨時支護、襯砌及中導洞側(cè)邊回填，接著對暗洞大管棚施工，上臺階開挖并初期支護，完成后對明洞側(cè)山體開挖，并采取有效支護措施，暗洞下臺階開挖及其初期支護，仰拱封閉。待暗洞初期支護封閉后對暗洞二襯施工，并開挖后對明洞側(cè)偏壓擋墻下部進行澆筑及明洞外露段二襯襯砌施工。最后進行擋墻上部澆筑采取傍山隧道逆做法進行施工以及洞頂回填。

4.結語

通過對夏鵑路下穿智慧公園隧道的結構設計、進出洞方案設計、鏤空段設計、施工方案設計關鍵節(jié)點深入分析，并做針對性設計，得出以下結論：

隧道斷面形式為小間距＋連拱＋小間距的四洞隧道群，其中，車行隧道為連拱隧道，兩側(cè)為人非隧道。連拱隧道采用三層復合式曲中墻，其中，初期支護采用C25噴射砼+φ22組合錨桿+鋼支撐，二襯采用700mm 厚C30鋼筋砼，輔以大管棚或超前小導管輔助措施，計算驗證設計方案滿足要求。

隧道進出洞采用“先后進洞”方案，設置“一明一暗”斷面。施工采用長度為40m 的φ108 超前大管棚作為輔助措施進洞，并在該段采用C30 砼偏壓擋墻和回填土反壓措施。

鏤空段采用明洞方案，并對周邊邊坡采取φ25錨桿+面層內(nèi)嵌鋼筋網(wǎng)+100mm 厚噴射混凝土加固處置措施，邊坡穩(wěn)定性及結構安全驗算均滿足要求。

先連拱隧道中導洞施工并貫通，再進行兩側(cè)人非隧道施工并貫通，最后進行車行連拱隧道的施工。車行連拱隧道采用雙側(cè)壁導坑法施工，人非隧道采用臺階法施工。