隧道工程總體設(shè)計(jì)方案研究
——以茶埡隧道項(xiàng)目為例

張中立

(江蘇蘇通大橋有限責(zé)任公司,江蘇 南通 226017)

0 引言

隧道設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)隧道施工的質(zhì)量具有至關(guān)重要的影響。隧道設(shè)計(jì)應(yīng)該與隧道工程的特性相匹配,設(shè)計(jì)理念和技術(shù)規(guī)范必須與現(xiàn)代公路建設(shè)的發(fā)展水平相適應(yīng)。在隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中,環(huán)保理念應(yīng)始終處于核心地位,以避免對(duì)地表植被、人文和自然景觀,以及居民生活用水的負(fù)面影響。

1 項(xiàng)目概況

隧道長(zhǎng)約1 700 m,設(shè)置1處停車帶即可滿足規(guī)范要求,鑒于該隧道地質(zhì)條件較差,建議設(shè)置1處緊急停車帶、4處人行橫洞。左右洞共設(shè)置4處緊急停車帶、2處車行橫洞、4處人行橫洞。洞身段測(cè)量線間距約24 m,設(shè)計(jì)按小凈距隧道處理投資高、施工麻煩。鑒于該隧道地質(zhì)條件較差,除洞口段外測(cè)量線間距應(yīng)加大至30 m,按標(biāo)準(zhǔn)的分離式隧道進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)隧道洞身線位進(jìn)行優(yōu)化,洞身段測(cè)量線間距加大,洞口段V級(jí)圍巖凈距在2倍開挖寬度(約24 m)以內(nèi)施工按照小凈距隧道處理,其余段按照正常分離式隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)。核實(shí)洞身深埋段是否有鉆至隧底以下的鉆孔,若有應(yīng)補(bǔ)充至隧道縱斷面圖上,在隧道縱斷面圖上補(bǔ)充洞身深埋段的鉆孔。洞身巖性為中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r,應(yīng)進(jìn)一步核實(shí)全部劃分為V級(jí)圍巖的合理性。宏觀看,圍巖分段不合理,如V1級(jí)圍巖最短,僅21 m。

2 隧道設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)公路等級(jí):雙洞四車道二級(jí)公路。(2)設(shè)計(jì)速度:60 km/h。(3)隧道防水等級(jí):二級(jí),二次襯砌混凝土抗?jié)B等級(jí)不小于P8。(4)隧道路面橫坡(正常路拱):單向坡-2%(直線段)。(5)隧道縱坡:控制在0.30%～3.0%。(6)隧道設(shè)計(jì)洪水頻率:1/100。(7)隧道地震基本烈度為Ⅵ度,抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度[1]。

3 隧道總體設(shè)計(jì)方案

3.1 建設(shè)規(guī)模

通過(guò)研究機(jī)動(dòng)車和慢行交通需求以及工程實(shí)施可行性后,茶埡隧道選用雙向四車道,以更好地滿足機(jī)動(dòng)車交通需求。此外,為滿足行人和車輛的需求,隧道內(nèi)部設(shè)置了4處人行橫通道和2處車行橫通道,提供更加便捷的過(guò)街和通行方式。在地面上,還設(shè)置輔助道路,以滿足沿線地區(qū)出行的需求以及路網(wǎng)的連通性,使得整個(gè)交通系統(tǒng)更加完善和高效。

3.2 平縱面設(shè)計(jì)

茶埡隧道萬(wàn)源端左線洞口位于R=850的圓曲線上,萬(wàn)源端右線洞口位于R=920的圓曲線上;八臺(tái)端左線洞口位于R=650的圓曲線上,八臺(tái)端右線洞口位于R=650的圓曲線上,洞口地段滿足洞內(nèi)外“3S設(shè)計(jì)行程”的線型一致。隧道左右線均設(shè)置“人”字坡,右線按行車方向?yàn)?.48%的上坡接1.305%的下坡,左線按行車方向?yàn)?.878%的上坡接2.49%的下坡。

3.3 隧道洞口設(shè)計(jì)

茶埡隧道萬(wàn)源端洞口左右線地形偏壓,均采用偏壓端墻式洞門,左洞明洞長(zhǎng)12 m,右洞明洞長(zhǎng)10 m;八臺(tái)端洞口左右線地形嚴(yán)重偏壓,均采用偏壓端墻式洞門,左洞設(shè)置長(zhǎng)8 m的明洞,右洞設(shè)置長(zhǎng)5 m的明洞。

本隧道萬(wàn)源端和八臺(tái)端的洞門主體均采用C20混凝土材料,墻厚1.4 m。洞門墻基礎(chǔ)深入巖土體平均深度不小于1 m,洞門墻基礎(chǔ)的基底承載力要求不小于350 kPa,明洞地基承載力不得小于300 kPa,施工前應(yīng)檢測(cè)地基承載力,不滿足要求時(shí)需進(jìn)行換填。萬(wàn)源端右洞的洞門和明洞段基底采用C15混凝土換填至巖層面,以滿足承載力要求。本隧道萬(wàn)源端和八臺(tái)端的洞門均采用偏壓臺(tái)階端墻式,洞門頂部檐面和墻身正立面分別鋪貼瓷磚和石板進(jìn)行裝飾。

3.4 隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4.1 明洞襯砌

明洞襯砌采用60 cm C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),填土高度應(yīng)不小于2 m,并不宜大于5 m,明洞頂回填區(qū)域上部進(jìn)行種草綠化,洞口的邊仰坡面進(jìn)行修坡和綠化,同周邊地形環(huán)境相協(xié)調(diào)。明洞襯砌應(yīng)該在洞口開挖完成之后立即進(jìn)行施工,并滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行回填。在結(jié)構(gòu)計(jì)算期間,應(yīng)考慮回填土荷載、結(jié)構(gòu)自重荷載、坡頂滾石沖擊荷載以及施工荷載。同時(shí),對(duì)于仰拱和采用漿砌片石回填的邊墻部分,需考慮地基彈性抗力的影響。明洞與洞門之間設(shè)置2圈連接鋼筋,作為抗震構(gòu)造措施。通過(guò)連接鋼筋,增強(qiáng)洞門墻同明洞結(jié)構(gòu)的連接,增加其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[2]。

3.4.2 洞身襯砌

隧道洞身采用了“新奧法”原理的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),結(jié)合了多種初期支護(hù)手段,如錨桿、噴混凝土或鋼筋網(wǎng)噴混凝土、鋼拱架等,并且以鋼筋混凝土用于二次襯砌,以此共同構(gòu)成永久性承載結(jié)構(gòu)。此外,為了防止?jié)B水,在初期支護(hù)與二次襯砌之間鋪設(shè)土工布并增加了0.15 cm厚的EVA防水板作為防水層。根據(jù)圍巖等級(jí)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、地形和埋深、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),以及施工和環(huán)境條件,按照公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范,并通過(guò)工程類比綜合分析,最終確定襯砌結(jié)構(gòu)的支撐參數(shù)。

根據(jù)詳勘報(bào)告,本隧道洞身段圍巖均為Ⅴ級(jí),根據(jù)隧道凈距、埋深的不同,本隧道襯砌采用了普通分離式襯砌和小凈距襯砌兩種類型。在隧道兩端洞口地段,1B<隧道凈距≤2B(B為隧道開挖跨度)的區(qū)域采用小凈距形式。本隧道其余地段,2B<隧道凈距,采用分離式襯砌。分離式襯砌根據(jù)隧道巖體破碎程度、埋深大小、偏壓情況等共設(shè)置Ⅴ級(jí)圍巖深埋段襯砌(S-Ⅴa)、Ⅴ級(jí)圍巖構(gòu)造破碎段襯砌(S-Ⅴb)、Ⅴ級(jí)圍巖洞口淺埋偏壓加強(qiáng)段襯砌(S-Ⅴc)、Ⅴ級(jí)圍巖行車橫洞口加強(qiáng)段襯砌(S-Ⅴd)、Ⅴ級(jí)圍巖緊急停車帶襯砌(ST-Ⅴ)等5種襯砌結(jié)構(gòu)形式。小凈距襯砌采用XS-Ⅴ襯砌,適用于1B<隧道凈距≤2B地段。

本隧道的人行橫洞均位于Ⅴ級(jí)圍巖中,人行橫洞采用SR-Ⅴ襯砌,人行橫洞的洞口段采用30 cm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加強(qiáng);人行橫洞同主洞相交的部位主洞采用S-Ⅴb鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。本隧道的車行橫道均位于Ⅴ級(jí)圍巖中,車行橫道采用SC-Ⅴ襯砌,車行橫道的洞口段采用40 cm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。車行橫道與主洞相交的部分使用S-Ⅴd的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化[3]。

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(1)初期支護(hù):在Ⅴ級(jí)圍巖地段,初始支撐結(jié)構(gòu)由工字鋼鋼拱架、系統(tǒng)錨桿、C25噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)所組成,為了提升系統(tǒng)錨桿的穩(wěn)定性,可以使用Φ25中空注漿錨桿來(lái)增強(qiáng)。鋼拱架具有高剛度和發(fā)揮作用快的優(yōu)點(diǎn),因此較為適合在跨度大、圍巖自穩(wěn)能力差的地段應(yīng)用。使用Φ22的鋼筋在每榀鋼拱架間進(jìn)行交錯(cuò)相連接,同時(shí)采用焊接形式將其與超前注漿小導(dǎo)管焊成一個(gè)整體,與圍巖緊密貼合,形成承載結(jié)構(gòu)。

(2)二次襯砌:在Ⅴ級(jí)圍巖地段中的隧道洞口淺埋段、偏壓段和洞身構(gòu)造破碎帶,由于巖體風(fēng)化嚴(yán)重、節(jié)理發(fā)育,圍巖條件相對(duì)較差,為Ⅴ2級(jí)圍巖地段。二次襯砌可以選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等級(jí)為C30,并要求緊跟掌子面。針對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖地段中的洞身深埋地段,圍巖條件相對(duì)較好,為Ⅴ1級(jí)圍巖地段,二次襯砌同樣采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),但是需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),準(zhǔn)確判斷二次襯砌的施工時(shí)間,以最大限度地發(fā)揮初期支護(hù)的承載能力。

3.5 輔助施工設(shè)計(jì)

3.5.1 超前長(zhǎng)管棚

在隧道洞口Ⅴ級(jí)圍巖地質(zhì)條件較差的地段,注漿技術(shù)可有效提高圍巖的承載能力,增強(qiáng)巖體對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性抗力,經(jīng)過(guò)注漿處理后,結(jié)構(gòu)受力情況得到顯著改善。管棚鋼管選用長(zhǎng)度為3 m、6 mΦ108×6 mm熱軋無(wú)縫鋼管,環(huán)向間距為0.4 m。然而,鋼管應(yīng)布設(shè)在襯砌拱部,其打設(shè)角度為仰角1°～3°(不包括路線縱坡)。

3.5.2 超前小導(dǎo)管

隧道Ⅴ級(jí)圍巖地段采用超前小導(dǎo)管進(jìn)行施工,小導(dǎo)管長(zhǎng)度為4.5 m、Φ42 mm×3.5 mm熱軋無(wú)縫鋼管,環(huán)向間距40 cm,S-Ⅴa襯砌段超前小導(dǎo)管的縱向間距為3.2 m,S-Ⅴb、S-Ⅴc、S-Ⅴd、XS-Ⅴ、ST-Ⅴ襯砌段超前小導(dǎo)管的縱向間距均為3.0 m。施工中,應(yīng)確保每環(huán)超前小導(dǎo)管的縱向搭接長(zhǎng)度不小于1.0 m。小導(dǎo)管以10°～15°外傾角打入拱部圍巖后,及時(shí)進(jìn)行注漿施工。針對(duì)注漿方法的選用,單液注漿是本項(xiàng)目最為理想的選擇,它不僅使工藝更簡(jiǎn)單,還可以降低施工成本,且具有更高的固結(jié)強(qiáng)度。因此,在開始正式注漿之前,進(jìn)行單液注漿實(shí)驗(yàn)是非常必要的。在單液注漿時(shí),使用純水泥漿液。如果單液注漿的效果良好,能夠達(dá)到固結(jié)圍巖的目的,那么整個(gè)隧道都可以采用單液注漿的方案。主要注漿參數(shù)如下:水泥漿水灰比為1∶1;注漿壓力為0.4～1.0 MPa;終壓為2.0 MPa。在注漿施工過(guò)程中,通常以單管達(dá)到設(shè)計(jì)的注漿量作為結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并持續(xù)10 min后,如果進(jìn)漿量仍然沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)的注漿量,也可以停止注漿工作。在注漿過(guò)程中,需要詳細(xì)記錄所有的數(shù)據(jù),以便進(jìn)行分析和改進(jìn)。此外,還需要密切觀察初期支護(hù)和工作面的狀態(tài),以確保安全。

3.6 防排水設(shè)計(jì)

3.6.1 防排水設(shè)計(jì)原則

根據(jù)本隧道的水文地質(zhì)特征及周圍環(huán)境情況,進(jìn)行隧道防排水設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循“防、排、截、堵”相結(jié)合的原則,采用因地制宜的綜合治理方法,構(gòu)建完整的防水系統(tǒng)和排水系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)隧道防水的可靠性和排水的暢通性。通過(guò)這種綜合治理方法,運(yùn)營(yíng)期間隧道內(nèi)可以保持基本干燥,從而確保結(jié)構(gòu)的正常使用和行車安全。

在穿越隧道的過(guò)程中,若遇到嚴(yán)重的涌水段或洞周圍局部涌水,需要按照超前鉆孔的實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)試與探究。如有必要,可以選用全斷面深孔預(yù)注漿、全斷面周邊預(yù)注漿或開挖后周邊局部注漿等舉措,來(lái)封閉地下水的流動(dòng)通道以及裂隙,這樣可以規(guī)避地表水過(guò)度流失,從而保護(hù)居民的生活和農(nóng)業(yè)灌溉用水免受影響。

隧道明洞段采用黏土隔水層作為第一道防線防止地表水滲透,明洞襯砌外鋪設(shè)1.5 mm EVA防水卷材和350 g/m2無(wú)紡布(無(wú)紡布為防水板內(nèi)外兩層布設(shè))作為第二道防水措施。在隧道工程中,為了防止水滲入洞內(nèi),采取多種措施。首先,在暗洞段,使用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿、系統(tǒng)錨桿和噴射混凝土,形成一個(gè)圍巖加固圈,作為防水的第一道防線。其次,在初期支護(hù)和二次襯砌之間鋪設(shè)1.5 mm的EVA防水卷材與350 g/m2的無(wú)紡布,將它們?cè)O(shè)置在靠近圍巖的一側(cè),作為第二道防水措施。隧道二次襯砌混凝土的抗?jié)B等級(jí)為P8,作為隧道防水最后一道防線。隧道防水措施及施工方法詳見(jiàn)相關(guān)設(shè)計(jì)文件、規(guī)范和操作規(guī)程等。施工縫采用外貼式EVA止水帶+中埋式橡膠止水帶進(jìn)行防水,沉降縫采用外貼式EVA止水帶+中埋式鋼邊橡膠止水帶進(jìn)行防水。

3.6.3 排水措施

地面水和地下水以分開引排的形式來(lái)設(shè)計(jì),潔污分流更環(huán)保,以確保隧道內(nèi)排水暢通。在隧道路面兩側(cè)設(shè)置縱向排水邊溝,用于排除隧道路面積水、清洗和消防水等污濁水,其縱坡應(yīng)與隧道縱坡相一致。在隧道底部設(shè)置40 cm×40 cm矩形排水溝以排出襯砌背后積水,并沿隧道縱向上每隔250～300 m設(shè)置中央排水溝檢查井。

在初始支撐和第二次襯砌之間,利用環(huán)向Φ50 mm的軟式彈簧透水管進(jìn)行設(shè)置,按照400 cm一道的標(biāo)準(zhǔn)布置,當(dāng)水量較大時(shí),需要加密一道。這種透水管可以將水引入縱向的Φ100 mmHDPE雙壁打孔波紋管內(nèi),該管應(yīng)設(shè)計(jì)在標(biāo)高以下0.88 m的位置。同時(shí),隧道邊墻的底部選用橫向Φ100 mmPVC塑料排水管,將水引排至中心水溝,然后排出洞外。

在路面基層下部設(shè)置Φ50 mmHDPE雙壁打孔波紋管連通至中心水溝,以防止路面層冒水,縱向間距10 m一道。集中股水流處經(jīng)注漿堵水后再設(shè)置Φ50 mm軟式彈簧透水管,管端部應(yīng)穿越初期支護(hù)直接與股水流處對(duì)接以達(dá)到更好的排水效果,水量豐富地段可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)加密。各管件接頭及交叉接頭必須用多通管連接,確保排水暢通。打孔波紋管均外裹無(wú)紡布。

3.7 洞口防排水設(shè)計(jì)

為了防止地表的匯水沖蝕洞口,在其上方設(shè)網(wǎng)狀的截水溝,以引導(dǎo)地表的水流向路基邊溝或洞門外端的自然溝谷,從而構(gòu)建一個(gè)完善的洞外排水系統(tǒng),保護(hù)洞口工程免受水害影響。為使排水順暢,排水坡度與地面縱坡同坡、排水設(shè)施轉(zhuǎn)向處應(yīng)做到圓順過(guò)渡。

3.8 注漿防水

為了盡量減少隧道開挖后對(duì)地下水結(jié)構(gòu)的影響,減少地下水的流失,保護(hù)好沿線生態(tài)環(huán)境及居民生活、生產(chǎn)用水,應(yīng)對(duì)以下情況采取注漿堵水:在隧道施工開挖前,對(duì)預(yù)測(cè)涌水量大的地段、斷層破碎帶和軟弱地層進(jìn)行超前預(yù)注漿,對(duì)地下水進(jìn)行封堵。在隧道開挖后,存在大股涌水或大面積滲漏水地段,應(yīng)采取襯砌前圍巖注漿,對(duì)地下水進(jìn)行封堵,減少地下水排放量。在隧道開挖后,開挖面存在出露的股水,也應(yīng)進(jìn)行注漿堵水。若在進(jìn)行初期支護(hù)后,壁面仍然存在滲漏水時(shí),應(yīng)向初期支護(hù)背后實(shí)施注漿封堵。隧道襯砌背后設(shè)有縱橫向排水管,將封堵后剩余的地下水引入隧道中心溝排出洞內(nèi),此排水量應(yīng)遠(yuǎn)小于地下水的補(bǔ)給量。若隧道底板圍巖裂隙及節(jié)理發(fā)育時(shí)應(yīng)進(jìn)行注漿加固處理。

4 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)盡量減少對(duì)邊坡和仰坡的開挖高度,以降低對(duì)原始地形的破壞程度。同時(shí),對(duì)于開挖后形成的表面,應(yīng)進(jìn)行綠化,以加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的保護(hù)。在設(shè)計(jì)中,可以采用物探和地質(zhì)雷達(dá)等先進(jìn)科技手段,預(yù)先規(guī)劃相應(yīng)措施以處理可能遇到的不良地質(zhì)情況,確保隧道的安全性和穩(wěn)定性。并且,應(yīng)該采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的方式根據(jù)實(shí)際情況不斷調(diào)整和完善設(shè)計(jì)方案以確保隧道工程的順利進(jìn)行。