單洞四車道隧道設(shè)計(jì)淺談

付大喜

(河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河南鄭州 450052)

單洞四車道隧道適用于單向行駛的四車道公路，相對于連拱隧道及分離式雙洞隧道具有車道連續(xù)且寬度大、行車舒適，交通安全性高，運(yùn)營管理較為方便，運(yùn)營通風(fēng)比較有利的優(yōu)點(diǎn)。近年來國內(nèi)已建設(shè)成少數(shù)幾座單洞四車道中短隧道，最長的是746 m的前鷗隧道，長隧道還未出現(xiàn)。單洞四車道長隧道跨度巨大(隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面凈寬19 m，緊急停車帶斷面凈寬21.5 m)，開挖面積達(dá)140 m2以上，屬超大斷面，施工工序多，工序間結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)換復(fù)雜，設(shè)計(jì)和施工難度較大，建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)較大。

1 概況

連霍高速公路洛陽至三門峽段原有雙向四車道高速公路需改擴(kuò)建為雙向八車道。義馬段、觀音堂段原有高速公路邊坡高，進(jìn)行單側(cè)或雙側(cè)拼寬需要開挖高路塹，難度很大。經(jīng)綜合論證，在路線北側(cè)采取單側(cè)加寬方案，以隧道形式通過。修建單向單洞四車道的隧道減少了交通流分合流點(diǎn)，調(diào)高了行車舒適性，更有利于線形的順接、行車的安全和運(yùn)營管理。

本段改擴(kuò)建項(xiàng)目擬設(shè)單洞四車道隧道3座，其中張茅隧道全長1 980 m，是目前我國最長的高速公路單洞四車道隧道。

1.1 地形地貌

張茅隧道處于陜縣硤石鄉(xiāng)與張茅鄉(xiāng)的交界處，區(qū)域地貌屬豫西低山區(qū)，地形起伏變化較大，區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，巖石裸露。隧址區(qū)地層巖性為震旦系(Z)安山巖，上部1.0～5.0 m中風(fēng)化，厚層狀構(gòu)造，巖質(zhì)較硬，傾向南東，傾角 175°～20°。

1.2 隧道建筑界限及內(nèi)輪廓

張茅隧道設(shè)計(jì)行車速度100 km/h，布置形式為單洞單向四車道，隧道建筑限界寬18.25 m(0.75 m+0.5 m+4×3.75 m+1 m+1 m)、限高5 m。設(shè)置兩處緊急停車帶通道和一處橫通道。

張茅隧道單洞四車道隧道內(nèi)輪廓最大跨度為19.0 m，凈空面積為140.9 m2。緊急停車帶內(nèi)輪廓的最大跨度為21.5 m，凈空面積為170 m2。內(nèi)輪廓圖見圖1。

圖1 單洞四車道隧道內(nèi)輪廓圖(單位:cm)

1.3 復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)

除明洞按整體式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，隧道暗洞襯砌均采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，按新奧法原理設(shè)計(jì)。暗洞洞身采用柔性支護(hù)體系復(fù)合式襯砌，即以管棚、超前小導(dǎo)管結(jié)合的超前支護(hù)，以系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、掛鋼筋網(wǎng)、型鋼鋼架、格柵拱架等為初期支護(hù)，模筑混凝土或鋼筋混凝土為二次襯砌，并在初期支護(hù)和二次襯砌之間設(shè)置防水層。

隧道斷面尺寸形式、支護(hù)參數(shù)、襯砌斷面尺寸的確定，主要采用工程類比法為主，經(jīng)數(shù)值模擬驗(yàn)證，結(jié)合構(gòu)造要求、經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較、圍巖級別、隧道埋深等因素綜合擬定(見表1)。

表1 單洞四車道隧道復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)表

2 張茅隧道大斷面開挖施工方案

2.1 隧道施工工法

通過分析已有的工程案例及研究成果，針對本項(xiàng)目大斷面隧道的設(shè)計(jì)施工問題進(jìn)行了諸多工法的比較研究，提出了具體的支護(hù)措施和施工工法。本項(xiàng)目建議采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和短臺階七步開挖法。

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序橫斷面示意圖

1)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法適用于大跨度或大斷面，特別是軟弱圍巖的施工(見圖2)。此法通過兩側(cè)壁減跨，把整個斷面分成多個較小的工作面，每個工作面均能及時封閉成環(huán)形支護(hù)結(jié)構(gòu)，能有效控制大跨度隧道拱頂下沉和周邊收斂。

2)短臺階七步開挖法。短臺階七步開挖法是采用2～3層短臺階，分步平行開挖，分步平行施作拱墻初期支護(hù)，混凝土仰拱超前施作及時閉合構(gòu)成穩(wěn)固的初期支護(hù)體系，保護(hù)圍巖的天然承載力，有效抑制圍巖變形(見圖3)。

圖3 短臺階七步開挖法施工工序橫斷面示意

3)開挖方式的選取。對于Ⅴ、Ⅳ級圍巖，由于地質(zhì)條件差，且多位于洞口及淺埋段，圍巖自穩(wěn)能力差，施工風(fēng)險(xiǎn)大，設(shè)計(jì)選用了雙側(cè)壁導(dǎo)坑的施工開挖方式。在側(cè)導(dǎo)坑的設(shè)計(jì)時考慮到了施工機(jī)械通行及施工的可行，兩導(dǎo)坑可同時作業(yè)，且互不干擾，施工進(jìn)度較快。由于臨時支護(hù)及臨時仰拱的存在，施工安全及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到了保證。

對于Ⅲ級圍巖，地質(zhì)條件較好，且多位于深埋段，圍巖有一定的自穩(wěn)能力。結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)，擬采用短臺階七步開挖法。

2.2 施工工法及初期支護(hù)計(jì)算分析

施工工法與初期支護(hù)采用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用ANSYS有限元分析軟件對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析驗(yàn)算和校核。計(jì)算對象主要針對V級淺埋雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，目的是為了驗(yàn)證施工工法及初期支護(hù)的安全性。對V級圍巖20 m埋深與40 m埋深兩種工況雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行模擬分析。

地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算結(jié)果表明，在V級圍巖20 m埋深條件下，當(dāng)不考慮輔助施工措施如超前管棚、注漿小導(dǎo)管等措施時，圍巖變形收斂而且穩(wěn)定，但變形量值較大，拱頂沉降最終值約56 mm，水平收斂約40 mm。此外，初期支護(hù)襯砌受力較大，最大壓應(yīng)力9 MPa出現(xiàn)在先行施工的左導(dǎo)洞拱腳處，最大拉應(yīng)力5 MPa出現(xiàn)在豎向臨時支撐的上下臺階接頭處。拉應(yīng)力量值已經(jīng)超標(biāo)。

圍巖位移、支護(hù)受力的設(shè)計(jì)見圖4、圖5。

限于篇幅限制，V級圍巖40 m埋深雙側(cè)壁導(dǎo)坑法計(jì)算分析不再贅述。根據(jù)分析結(jié)果，淺埋40 m較之淺埋20 m的圍巖變形及支護(hù)受力均為不利，這是由于在同為淺埋的情況下，隨著埋深增大，軟弱圍巖自重增加，而其強(qiáng)度指標(biāo)c、φ變化不大，導(dǎo)致圍巖壓力超過圍巖強(qiáng)度增長，故受力更為不利。

單洞四車道大跨度淺埋隧道的計(jì)算結(jié)果分析，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工是可行的，圍巖變形收斂且穩(wěn)定，初期支護(hù)雖然受力較大，但仍可控制在安全范圍內(nèi)。但鑒于圍巖位移量值較大，為防止局部塌方，應(yīng)考慮設(shè)置超前管棚或小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)支護(hù)。

2.3 施工進(jìn)度

施工時每個掌子面建議按以下進(jìn)度:Ⅴ級圍巖20 m/月;Ⅳ級圍巖30 m/月;Ⅲ級圍巖45 m/月。張茅隧道推薦方案由于是單洞四車道隧道，施工工序多，交叉作業(yè)頻繁，施工進(jìn)度較慢。按照正常施工進(jìn)度需要凈施工時間約27個月，不能滿足施工工期要求。綜合考慮在RK98+200處設(shè)置一處長度約50 m的橫通道增加一個工作面，另外在運(yùn)營期間作為逃生橫通道使用。

3 結(jié)束語

作為單洞四車道高速公路長隧道，國內(nèi)外工程實(shí)例很少，建設(shè)經(jīng)驗(yàn)匱乏。不可否認(rèn)，單洞四車道隧道有利于線形的順接、行車的安全和運(yùn)營管理且節(jié)約占地的優(yōu)點(diǎn)，有其無法替代的優(yōu)勢。在隧道超大斷面開挖施工安全和運(yùn)營期間防災(zāi)救援方面，單洞四車道方案存在較大風(fēng)險(xiǎn)，但此類風(fēng)險(xiǎn)可通過相應(yīng)技術(shù)手段進(jìn)行規(guī)避和解決。截稿時本方案仍處于方案比選階段，希望本文能為類似項(xiàng)目起到拋磚引玉的作用。

［1］JTG D70－2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］河南省交通勘察設(shè)計(jì)院.洛三高速公路改擴(kuò)建工程初步設(shè)計(jì)文件［R］，鄭州:河南省交通勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，2011.

［3］關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.