長沙市夏鵑路隧道工程設(shè)計關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)研究

談小琪

(湖南湘江新區(qū)管理委員會，湖南 長沙 410000)

1 項(xiàng)目概況

夏鵑路位于長沙市梅溪湖國際新城二期規(guī)劃區(qū)域中軸線處，呈南北走向，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。道路全長2 988 m，規(guī)劃路基標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度為48 m，雙向六車道，設(shè)計速度為50 km/h，中間預(yù)留雙向軌道交通。

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。受環(huán)境保護(hù)要求、夏鵑路控制規(guī)劃用地紅線及道路斷面的限制，夏鵑路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。隧道南北兩端山體坡度均較陡峭，高差達(dá)53 m，山巒起伏，植被茂盛。工程設(shè)計范圍為夏鵑路下穿智慧公園隧道工程的隧道部分及兩側(cè)接線道路(雪松路—龍柏路，見圖1、圖2)。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，工程區(qū)域上覆地層為較薄的植物層及第四系殘積(Qel)粉質(zhì)黏土，隧道區(qū)下伏基巖為元古界(Pt)板溪群馬底驛組泥質(zhì)板巖及砂質(zhì)板巖。地勢呈西高東低、南高北低。

圖1 夏鵑路隧道工程的位置

圖2 夏鵑路隧道三維模型

2 工程設(shè)計方案

2.1 總體方案

根據(jù)梅溪湖國際新城二期控制性規(guī)劃，現(xiàn)階段對于研究工程范圍內(nèi)的橫斷面布置存在影響的主要因素有：1) 中運(yùn)量專用車道的設(shè)置；2) 人非車道的通行設(shè)置；3) 機(jī)動車的交通組織；4) 隧道結(jié)構(gòu)的受力；5) 對于夏鵑路智慧公園段的環(huán)境保護(hù)。

受以上因素的影響，夏鵑路隧道為市政道路的一部分，兩邊的道路均已完成，故隧道進(jìn)出洞位置均已確定。夏鵑路穿越智慧公園段橫斷面設(shè)計如下：保持隧道斷面和夏鵑路標(biāo)準(zhǔn)斷面一致，采用左、右主路隧道及左、右人非隧道四洞隧道形式；為減少橫斷面占地寬度，中間車行隧道采用連拱隧道形式，兩邊人非隧道為單獨(dú)小凈距隧道布置在車行主隧道兩側(cè)，與主隧道凈距為5.65 m；整個車行主隧道為2×18.817 m(外包)連拱隧道，獨(dú)立的人非隧道寬度為7.73 m(外包)，隧道總長280 m，采用暗挖方案。由于隧道線形位置處于智慧公園兩個山包的坡腳之間，隧道在較短范圍內(nèi)出現(xiàn)半明半暗、全暗、反向半明半暗、全暗、再半明半暗5段，結(jié)構(gòu)受力及施工難度較大。隧道洞口段采用半明半暗的進(jìn)洞方式。隧道平面布置見圖3。

圖3 夏鵑路隧道總體平面布置(單位：m)

2.2 隧道工程方案

2.2.1 橫斷面設(shè)計

受夏鵑路控制規(guī)劃用地紅線及道路斷面的限制，夏鵑路隧道采用連拱隧道形式，長280 m，為小間距+連拱+小間距群體隧道(見圖4)。

圖4 夏鵑路隧道總體布置標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：mm)

根據(jù)隧道建筑限界采用三心圓方法確定車行隧道最優(yōu)內(nèi)輪廓斷面：半徑R1=9 025 mm的拱圈；半徑R2=6 080 mm的側(cè)墻；半徑R3=1 900 mm的與仰拱連接的過渡曲線；仰拱半徑R4=2 500 mm。車行隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)輪廓見圖5。

2.2.2 超前支護(hù)

根據(jù)工程地質(zhì)勘測資料及現(xiàn)場實(shí)地踏勘，該項(xiàng)目所在地區(qū)圍巖級別較差，其中進(jìn)洞口圍巖級別更差。為防止圍巖變形，在進(jìn)洞口加強(qiáng)段設(shè)計采用大管棚超前支護(hù)，進(jìn)洞后根據(jù)圍巖情況設(shè)置注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)。

考慮到進(jìn)出洞口加強(qiáng)段處由于土體無自穩(wěn)能力，采用大管棚超前支護(hù)設(shè)計，隧道拱部135°范圍及中隔墻頂部設(shè)置大管棚，環(huán)向間距0.4 m，外角3°。大管棚采用外徑108 mm、壁厚6.0 mm熱軋無縫鋼管加工而成。

圖5 車行隧道內(nèi)輪廓(單位：mm)

2.2.3 初期支護(hù)

連拱隧道襯砌一般采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)由噴射砼、系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼架支撐組成，鋼架與錨桿、鋼筋網(wǎng)焊接為一體，與圍巖密貼，形成承載結(jié)構(gòu)。初期支護(hù)設(shè)計參數(shù)見表1。

2.2.4 二次襯砌

該工程二次襯砌采用C30鋼筋砼結(jié)構(gòu)，施工時要求采用全斷面模板臺車一次整體澆筑。二次襯砌設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 隧道復(fù)合式襯砌及支護(hù)參數(shù)

2.3 隧道結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

采用荷載結(jié)構(gòu)法，運(yùn)用有限元模擬軟件，選取全暗埋段、大偏壓淺埋段兩個典型斷面進(jìn)行隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。二次襯砌結(jié)構(gòu)斷面情況見表2，計算模型見圖6，計算參數(shù)見表3。

表2 二次襯砌結(jié)構(gòu)計算斷面情況

圖6 二次襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算計算模型

表3 二次襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算計算參數(shù)

二次襯砌結(jié)構(gòu)計算時，Ⅴ級圍巖重度取19 kN/m3，地層彈性抗力系數(shù)取150 MPa/m，二次襯砌鋼筋砼重度取25 kN/m3，彈性模量取31.0 GPa，二次襯砌承擔(dān)所有荷載。計算結(jié)果見圖7～9、表4、圖10、圖11。

圖7 二次襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算軸力計算結(jié)果(單位：kN)

圖8 二次襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算彎矩計算結(jié)果(單位：kN·m)

圖9 二次襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算安全系數(shù)趨勢圖

表4 二次襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

圖10 中隔墻拉應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖11 中隔墻壓應(yīng)力云圖(單位：MPa)

驗(yàn)算結(jié)果表明：1) 斷面一左側(cè)隧道與右側(cè)隧道相比安全系數(shù)稍高，左側(cè)隧道拱腰及拱頂位置的安全系數(shù)為6～8，右側(cè)隧道在左拱腰、拱頂、右拱腰位置的安全系數(shù)分別為4.06、4.33、4.21，其中右側(cè)隧道左拱腰位置的安全系數(shù)最小。2) 斷面二右側(cè)隧道與左側(cè)隧道相比安全系數(shù)稍高，右側(cè)隧道拱腰及拱頂位置的安全系數(shù)為4～7，左側(cè)隧道在左拱腰、拱頂、右拱腰位置的安全系數(shù)分別為3.04、3.21、3.08，其中左側(cè)隧道左拱腰位置的安全系數(shù)最小。3) 斷面一中隔墻最大拉應(yīng)力為1.08 MPa，最大壓應(yīng)力為4.69 MPa；斷面二中隔墻最大拉應(yīng)力為1.23 MPa，最大壓應(yīng)力為5.16 MPa。根據(jù)JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》，C30砼的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為14.3 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1.43 MPa，中隔墻的最大拉、壓應(yīng)力均小于設(shè)計值，受力滿足要求。

2.4 隧道施工開挖設(shè)計

在遵循技術(shù)可行和經(jīng)濟(jì)合理的原則下，通過總結(jié)連拱隧道施工經(jīng)驗(yàn)，確定夏鵑路隧道群施工順序?yàn)橄冗M(jìn)行連拱隧道中導(dǎo)洞施工并貫通，然后分別進(jìn)行東西兩側(cè)人非隧道施工并貫通，最后進(jìn)行車行連拱隧道施工。主洞進(jìn)洞采用三導(dǎo)洞-雙側(cè)導(dǎo)洞法，施工工序見圖12。

1開挖中導(dǎo)洞；2中導(dǎo)洞貫通后澆筑中墻；3開挖左側(cè)導(dǎo)洞；4左側(cè)導(dǎo)洞支護(hù)；5回填中墻頂空間；6左洞拱部開挖；7左洞拱部支護(hù)；8開挖左洞下半斷面及仰拱；9澆筑左洞仰拱及二次襯砌；10開挖右側(cè)導(dǎo)洞；11右側(cè)導(dǎo)洞支護(hù)；12右洞拱部開挖；13右洞拱部支護(hù)；14開挖右洞下半斷面及仰拱；15澆筑右洞仰拱及二次襯砌。

3 結(jié)語

夏鵑路隧道工程規(guī)模不大，但鑒于市政工程的特殊性，工程線位受整個路網(wǎng)規(guī)劃影響，不能過多調(diào)整，故其具有淺埋、偏壓、大跨徑的特點(diǎn)，難度極大。對其總體方案、隧道橫斷面、支護(hù)參數(shù)、開挖方案等進(jìn)行分析和針對性設(shè)計，得出以下結(jié)論：

(1) 隧道橫斷面為小間距+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3層復(fù)合式曲中墻，其中初期支護(hù)采用C25噴射砼+錨桿+鋼筋網(wǎng)+鋼支撐，二次襯砌采用C30鋼筋砼，輔以大管棚或超前小導(dǎo)管支護(hù)。通過結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算，二次襯砌、中隔墻的安全性和受力均滿足要求。

(2) 隧道開挖方案為先進(jìn)行連拱隧道中導(dǎo)洞施工并貫通，再進(jìn)行兩側(cè)人非隧道施工并貫通，最后進(jìn)行車行連拱隧道施工。隧道開挖采用三導(dǎo)洞-雙側(cè)導(dǎo)洞法。