隧道棚洞設計與適用性研究

郭 朝 陽

(山西省公路局太原分局，山西 太原 030012)

1 工程概況

山西省某國道隧道以曲線(半徑為1 200 m)連續(xù)穿越兩座山體，路線采用分離式路基形式，隧道在兩座山體之間,左線存在42 m長路基,右線存在70 m長路基(路基段落示意見圖1)。

隧址區(qū)位于剝蝕侵蝕中山區(qū)和黃土覆蓋中山區(qū)內(nèi)，區(qū)內(nèi)地形起伏較大，基巖山脊發(fā)育，洞體地表地形較為破碎，地貌形態(tài)變化較大。

隧址區(qū)地處暖溫帶大陸季風性氣候，多年平均降水量為428 mm。地表水主要由大氣降水直接補給，隧址區(qū)未見有泉點出露，隧址范圍內(nèi)均為季節(jié)性沖溝，溝內(nèi)無地表水，隧道進口附近為細米河，該河流域多年平均徑流深為41.8 mm，年徑流量為497.4萬m3。隧址區(qū)霜凍現(xiàn)象較多，氣溫較低、冬季漫長、雨季集中、春凍早霜是其主要特點。

根據(jù)國家質(zhì)量技術監(jiān)督局發(fā)布的GB 18306—2015標準，《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》《中國地震動反應譜特征周期區(qū)劃圖》《中國地震綜合等震線圖》(1991年)，項目區(qū)地震動峰值加速度值為0.10g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，對應的地震烈度為7度。

綜上，隧道環(huán)境整體穩(wěn)定性一般。若此段路基部分采用路基形式，則可能存在高陡邊仰坡落石，冬季冰凍、夏季雨水等因素對公路運營造成安全隱患；同時，駕駛車輛頻繁出入隧道極易產(chǎn)生“白洞”與“黑洞”眩光效應，威脅駕駛員人身安全，故本項目考慮在該段落設置棚洞方案(棚洞位置見圖2)。

2 工程地質(zhì)綜合評價

2.1 隧道圍巖分級

根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》隧道圍巖分級綜合評判方法，隧道圍巖分級采用圍巖的堅硬程度及巖體的完整程度兩個基本因素的定性特征和基本質(zhì)量指標BQ值進行綜合評判來確定圍巖的級別，本隧道左右線路基段兩端圍巖級別低，為Ⅴ2級淺埋，經(jīng)現(xiàn)場勘察，主要以卵石、粉質(zhì)黏土為主，且存在砂礫層，土體結構松軟，極易產(chǎn)生落石。

2.2 隧道洞口穩(wěn)定性評價

左右線棚洞段洞口邊坡均為第四系中更新統(tǒng)(Q2)粉質(zhì)黏土及第三系保德組(N2b)卵石組成，存在砂礫層，左右線洞口位置自然斜坡坡度約47°～53°，自然條件下，邊坡穩(wěn)定性一般，對于隧道口仰坡，在工程條件下，嚴重降低雨水耐沖刷性，易產(chǎn)生局部塌陷，甚至引起整體坡面滑塌，穩(wěn)定性差，對該段落路基安全存在較大影響。

根據(jù)地形地貌水文地質(zhì)情況綜合判定，本隧道中部路基段應優(yōu)先考慮采用棚洞設計。

3 隧道棚洞方案論證分析

3.1 棚洞設置必要性分析

隧道洞口段由于駕駛員身處光線明暗變化區(qū)域，洞內(nèi)外光線的亮度反差變化易引起短暫性的視覺功能降低，此現(xiàn)象在進入隧道時尤為明顯，威脅駕乘人員的安全。因此隧洞進出口區(qū)域設置遮光棚洞顯得尤為重要，一則有效地處理了光線明暗的過渡問題，降低亮度劇變對駕駛員所造成的視覺沖擊。二則可以減弱隧道入口段的加強照明的亮度水平，降低隧道工程在運營期間的能耗。三是設置遮光棚洞，可以有效的抵擋來自冰霜、雨雪甚至路基邊坡落石、崩塌等對路基的危害。因此隧道進出口遮光棚洞的設置，對于改善行車環(huán)境，確保行車安全以及節(jié)能降耗都具有重要意義。

1)根據(jù)《公路工程技術標準》8.0.4.2：洞口內(nèi)外各3 s設計速度行程長度范圍線形應一致，《公路隧道設計規(guī)范》4.3.6，4.3.7條文說明：對本項目設計速度60 km/h，結構線形等保持協(xié)調(diào)滿足3 s行駛長度50 m(設計速度60 km/h，3 s距離為50 m)時較為安全。且本項目隧道位于圓曲線上，左線路基長42 m，右線路基長70 m，綜合考慮，采用棚洞形式既可避免車輛因路基和隧道交替變化而造成的眩光效應，也可在一定程度上消除道路線形等因素對行車安全的影響，提高隧道行車的舒適感。

2)根據(jù)JTG 3370.1—2018公路隧道設計規(guī)范第8.5.1宜采用明洞(棚洞)形式的規(guī)定：由地質(zhì)勘查報告可知，本項目隧道棚洞段洞口地質(zhì)條件差，邊仰坡穩(wěn)定性差，存在落石，滑塌等風險；同時洞頂覆蓋層薄且受兩端路塹落石、泥石流影響，因此，需要考慮在此路基段落設置棚洞。

3)氣候因素：隧址區(qū)氣候條件霜凍現(xiàn)象較多，存在氣溫較低、冬季漫長、雨季集中、春凍早霜等諸多不利因素，不利于隧道洞口與路基交接段行車安全，該路基段宜采用棚洞設計。

4)一般隧道設計中，為了有效的降低消除白洞與黑洞效應的影響，采取對洞口段照明強度加強的設計。有國內(nèi)學者研究指出，在隧道照明能耗中，洞口段加強照明占隧道照明能耗的55%左右[7]，隧道棚洞的設置，使得隧道洞內(nèi)外光線亮度過渡自然，洞口加強段照明強度可以一定程度上降低。因此，隧道棚洞方案可以達到節(jié)約能源，降低隧道營運成本的效果。

3.2 棚洞類型

根據(jù)JTG 3370.1—2018公路隧道設計規(guī)范第11.5.1條規(guī)定：在沿河傍山、陡峻路段及邊仰坡較高的隧道斜交洞口段，可設置棚洞。棚洞結構可分為拱形棚洞、半拱形棚洞、矩形棚洞。

本隧道路基段兩側(cè)為高路塹，邊仰坡較高，棚洞段需要克服來自仰坡方向滑坡推力，故棚洞采取拱形棚洞結構。

3.3 棚洞建筑界限

棚洞建筑界限應滿足隧道建筑界限的基本要求，與隧道洞口連接的棚洞，建筑界限應與隧道建筑界限相同；棚洞內(nèi)輪廓形狀和尺寸應根據(jù)地形條件、設置目的和結構形式擬定。

本項目棚洞建筑界限滿足隧道建筑的基本要求，棚洞隧道建筑界限寬度與隧道洞口處建筑界限寬度相同。

4 隧道棚洞方案設計

4.1 棚洞結構設計

隧道棚洞上部主體結構采用整體式鋼拱架，間距設置為3 m，縱向采用槽鋼連接，鋼拱架外側(cè)搭鋪透光遮光板材料；拱架下端部采用C30鋼筋混凝土結構，每3 m設置透光空洞；基礎結構采用C30鋼筋混凝土結構；厚度1 m，寬度2.7 m；并每隔9 m設置一道沉降縫。根據(jù)棚洞形式、受力條件、約束條件，對棚洞整體穩(wěn)定性和主要結構構件進行截面強度、裂縫分析驗算，符合規(guī)范要求(棚洞結構見圖3)。

4.2 棚洞段落路基設計

根據(jù)JTG 3370.1—2018公路隧道設計規(guī)范第11.5.7條規(guī)定：

1)棚洞基礎應設置于穩(wěn)固的地基上，當基礎位于軟弱地基上時，可采取整體式鋼筋混凝土底板、樁基、擴大基礎、基礎加深等措施。

2)棚洞基底高程低于邊溝溝底開挖高程應不小于200 mm；在有凍害地區(qū)，基底埋置深度不應小于結冰線以下250 mm。

3)當?shù)鼗鈧?cè)受水流沖刷影響時，應采取加固和防護措施。

4)在橫向斜坡地形，棚洞外側(cè)基礎埋置深度超過路面以下3 m時，宜在路面以下設置鋼筋混凝土橫向水平拉桿，并錨固于內(nèi)側(cè)基礎或巖體中；棚洞外側(cè)為立柱時，可加設縱梁與相鄰立柱連接。

為滿足以上規(guī)定，對路堤沉降的約束，設計著重考慮了以下幾個方面：

輕型眩光棚洞基礎承載力要求為不小于180 kPa，路基施工壓實后可以滿足其承載力要求；隧道洞段兩側(cè)路基進行寬填，寬填寬度1 m；填方路基邊坡采用普通填料且按一般路堤邊坡1∶1.5坡率設計；要求路基壓實度路床不小于96%，路堤不小于94%，施工嚴格控制路基壓實質(zhì)量，做好現(xiàn)場組織及沉降觀測，待工后沉降趨于穩(wěn)定后，再施作棚洞結構。

同時，為了進一步保障路基穩(wěn)定性，降低路基不均勻沉降對隧道棚洞結構造成結構破壞，要求在填挖結合部采取挖臺階、土工格柵、灰土碎石樁等減輕不均勻沉降的處置措施；在棚洞路基段落增設鋼管樁，增強地基承載力，降低不均勻沉降的影響。

要求在施工過程中加強監(jiān)測，如出現(xiàn)沉降幅度較大或沉降持續(xù)不穩(wěn)定時，及時調(diào)整工程措施，控制路基沉降值，以滿足工程需求。

4.3 路堤擋土墻設計

由于隧道路基段橫跨溝谷，為了消除雨水徑流等對路基的沖涮，設置了路堤擋墻，同時也約束其側(cè)向變形，減小路堤的側(cè)向變形引起的沉降，提高了路基的穩(wěn)定性。在設計時，同時綜合考慮上覆棚洞荷載、覆土及落石沖擊、填土高度以及車輛荷載等因素的影響，對該段落路堤、擋土墻進行邊坡和穩(wěn)定性驗算，并依據(jù)擋墻基底承載力要求，合理選擇基底處治措施；考慮到項目區(qū)氣候狀況，冬季凍土深度可達124 cm～130 cm，隧址區(qū)的最冷月平均氣溫-10.4 ℃，凍土深度達130 cm，按照規(guī)范要求，將基底埋置深度設置為不小于最大凍結深度以下250 mm，即埋深不小于155 cm。

4.4 棚洞段落防排水設計

棚洞靠山側(cè)和頂部結構外表面設置防水層，施工縫、沉降縫、變形縫進行防水設計?？可揭粋?cè)結構背面設排水盲溝，在靠山一側(cè)墻角按5 m～9 m間距設泄水孔。

棚洞結構頂部為遮光板，滿足排水需求；棚洞結構兩側(cè)邊坡設有路基排水溝，以滿足排水要求。

由于棚洞段落橫跨溝谷，為防止匯水沖刷路基，在棚洞段落處設置擋土墻，并設置盲溝、排水溝及兩道1 m～4.0 m混凝土蓋板涵。涵洞入口處設置擋墻，適當延長鋪砌遠接既有山溝并在鋪砌端頭設置垂裙，防止沖刷破壞；U型溝邊坡適當放緩，按3∶1設置；考慮涵洞上方棚洞的荷載影響，將其等效為6 m填土，設計時對涵洞蓋板及基礎等進行相應加強處理。

5 結語

隨著我國公路路網(wǎng)的逐步完善，由于線形指標、地形環(huán)境以及地方路網(wǎng)規(guī)劃和經(jīng)濟發(fā)展需要的限制，路線以隧道形式連續(xù)穿越山體的情況也愈來愈多。隧道之間短路基段落以棚洞設計，不僅有效避免了駕駛員因頻繁出入隧道而產(chǎn)生“白洞”與“黑洞”眩光效應，降低了邊坡落石、雨雪侵襲等因素對公路正常通行的影響，綜合提升了該段公路的穩(wěn)定性與安全，同時有效降低隧道照明能耗，達到節(jié)約能源的目的。

本項目方案設計中，針對因路線以隧道形式連續(xù)穿越山體而出現(xiàn)的中間短路基段落，基于行車安全舒適、經(jīng)濟等方面的考慮，采用棚洞方案，設計中對該方案的棚洞結構、照明、路基填筑、邊坡穩(wěn)定以及整體防排水設施進行了論證與方案設計，以期對后續(xù)相似工程案例提供有意義的參考。