劉靜靜

（深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東 深圳 518040）

基于國內(nèi)外大斷面隧道調(diào)研對馬巒山隧道設(shè)計合理性的評價

劉靜靜

（深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東 深圳 518040）

以國內(nèi)外扁平大斷面隧道斷面型式、扁平率與支護參數(shù)的統(tǒng)計分析為基礎(chǔ)，對依托深圳坪鹽通道工程的馬巒山隧道的設(shè)計參數(shù)進行了初步評估，得出結(jié)論：馬巒山隧道設(shè)計的斷面型式、扁平率及支護參數(shù)基本符合目前國內(nèi)外大斷面設(shè)計的趨勢，總體上較為合理，但存在一定的優(yōu)化空間。

大斷面隧道；扁平率；斷面型式；支護參數(shù)

0 引言

近年來，隨著城市化建設(shè)的逐步推進，交通量激增，兩車道城市道路已不能滿足日益增長的車流量需求，城市主干道大多以三車道為主，扁平大斷面道路隧道大量出現(xiàn)[1-3]，如北京八達嶺潭峪溝隧道、重慶鐵山坪隧道和真武山隧道、廣東韶關(guān)靠椅山隧道、寶林山隧道、深圳大梅沙隧道等。大斷面低扁平率道路隧道的建設(shè)在緩解交通壓力、拓展隧道的通行能力、提高隧道行車舒適性的同時，帶來了一系列問題：大斷面公路隧道的設(shè)計理論大多數(shù)是采用經(jīng)驗類比法，支護參數(shù)的選擇更多的是借鑒國內(nèi)外類似工程經(jīng)驗，并無一套成熟的技術(shù)可供參考[2-7]。

近年來,我國對大斷面隧道的研究取得了一些成績,但同國外經(jīng)濟發(fā)達國家(尤其是北歐國家和日本)相比,我國在大斷面隧道設(shè)計、施工及其關(guān)鍵技術(shù)等諸多方面還存在著較大的差距[1,3]。有鑒于此，本文主要以調(diào)研的國內(nèi)外扁平大斷面公路隧道資料為基礎(chǔ)，通過對斷面型式、扁平率及支護參數(shù)特征等分析，總結(jié)當(dāng)前國內(nèi)外扁平大斷面隧道的設(shè)計特征，以期為我國的大斷面隧道設(shè)計、施工提供參考。

1 馬巒山隧道設(shè)計概況

擬建的馬巒山隧道為坪鹽通道全線控制性工程，全長約7.89 km，屬特長城市道路隧道。馬巒山隧道開挖跨度達16 m左右（見表1），若考慮設(shè)置緊急停車帶，隧道最大開挖斷面近200 m2，屬典型的扁平大斷面城市隧道[7]。

隧道巖體以花崗巖為主，發(fā)育有小規(guī)模斷層破碎帶，除洞口及節(jié)理裂隙發(fā)育段外，大部分區(qū)段圍巖級別以Ⅲ級為主。針對馬巒山隧道不同圍巖級別等情況，分別設(shè)計了不同的斷面型式、扁平率與支護參數(shù)（見表1、表2）。

表1 馬巒山隧道不同圍巖段斷面型式與扁平率統(tǒng)計

表2 馬巒山隧道不同圍巖段支護參數(shù)統(tǒng)計

從表1、2中可知，馬巒山隧道屬典型的大-超大斷面隧道，扁平率在0.6～0.7間變化。支護結(jié)構(gòu)為采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、格柵鋼拱架和二次襯砌的復(fù)合式襯砌型式。

2 扁平大斷面公路隧道資料調(diào)研分析及對馬巒山隧道設(shè)計合理性的評估

2.1 斷面型式方面

根據(jù)國內(nèi)外斷面型式的調(diào)研資料，統(tǒng)計斷面型式分布如圖1所示。

圖1 斷面型式分布圖

由圖中可知，3車道隧道斷面型式主要是三心圓，占50%，其次是五心圓占36%，單心圓最少，占14%。4車道隧道斷面型式主要五心圓，占55%，其次是三心圓，占45%，單心圓型式基本不采用。

根據(jù)表1、表2可知，馬巒山Ⅱ、Ⅲ級圍巖非加寬段（3車道）設(shè)計資料采用了單心圓，Ⅲ級圍巖加寬段（相當(dāng)于4車道）、Ⅴ級圍巖段（3車道）設(shè)計中采用了五心圓。其中，Ⅲ級圍巖非加寬段設(shè)計中采用單心圓直墻式，在3車道斷面型式中較為少見。

對照統(tǒng)計資料，Ⅲ級圍巖非加寬段設(shè)計斷面型式（單心圓）與三心圓斷面型式間，Ⅴ級圍巖、Ⅲ級圍巖加寬段設(shè)計斷面型式（五心圓）與三心圓斷面間，具有一定的優(yōu)化空間。

2.2 隧道扁平率方面

通過調(diào)研國內(nèi)外資料，統(tǒng)計扁平率分布散點圖如圖2所示。

圖2 國內(nèi)外大斷面隧道扁平率統(tǒng)計散點圖

由圖中可以看出，大斷面隧道扁平率具有如下特征：

（1）國內(nèi)大斷面隧道，在扁平率上相較于國外扁平大斷面隧道普遍更高，主要集中在0.6～0.7區(qū)間內(nèi)，呈密集分布。

（2）國內(nèi)3車道、4車道隧道扁平率基本集中在0.6～0.75范圍之間，扁平率并沒有隨車道數(shù)增加而減小。國外隧道隨車道數(shù)增加，扁平率明顯降低，4車道隧道跨度在20 m以上的，扁平率基本分布在0.5以下。

（3）國內(nèi)大斷面隧道在扁平率整體上大于國外隧道。隨著隧道跨度不斷增大，無論國內(nèi)外隧道，在扁平率上呈減小趨勢，即呈長尾狀分布，說明隨著公路隧道斷面不斷增大，扁平化設(shè)計是必然趨勢。

馬巒山隧道斷面扁平率處于0.6～0.7之間（三角點所示），具有國內(nèi)大斷面隧道的一般特征，其扁平率設(shè)計符合常規(guī)，而相較于國外隧道，扁平率設(shè)計偏于保守，存在一定的優(yōu)化空間。

2.3 隧道支護參數(shù)方面

2.3.1 噴射混凝土

通過調(diào)研國內(nèi)外扁平大斷面隧道噴射混凝土厚度分布特征，依據(jù)不同圍巖級別歸納統(tǒng)計如圖3所示。

圖3 噴射混凝土厚度散點分布圖

由圖3可知：隧道噴混凝土厚度大致集中在散點圖中的虛線框內(nèi)。Ⅱ級圍巖洞身噴混凝土厚度主要位于10～25 cm之間；Ⅲ級圍巖的噴混凝土厚度主要處于20～30 cm之間；Ⅳ、Ⅴ級圍巖的噴混凝土厚度大多是25～35 cm范圍內(nèi)，對于Ⅴ級圍巖部分隧道，為了安全考慮，在部分危險區(qū)域加大噴混凝土厚度以及采用雙層噴射混凝土的方法。對于不同等級圍巖內(nèi)隧道噴射混凝土厚度，隨著隧道斷面面積的增大，都會有不同程度的加厚。

馬巒山隧道設(shè)計的噴射混凝土厚度亦在框內(nèi)分布，其中Ⅲ級圍巖非加寬段（面積134 m2）設(shè)計噴混凝土厚度15 cm，相較于同類型隧道略小。Ⅴ級圍巖段設(shè)計（面積155 m2）噴混凝土厚度31 cm，Ⅲ級圍巖加寬段設(shè)計噴混凝土厚度25 cm，相較于同類型隧道，處于常規(guī)區(qū)間范圍，初步判斷為基本合理。

2.3.2 錨桿

通過調(diào)研國內(nèi)外扁平大斷面隧道錨桿分布特征，依據(jù)不同圍巖級別對參數(shù)歸納統(tǒng)計如圖4、圖5所示。

圖4 每平方米錨桿數(shù)散點分布圖

圖5 錨桿長度散點分布圖

由圖4、圖5分析如下：

（1）三車道錨桿間距：Ⅴ級圍巖條件下，每平方米錨桿數(shù)集中在1.0～1.78根（間距為1.0 m×1.0 m～0.75 m×0.75 m）范圍內(nèi)；Ⅳ級圍巖條件下，每平方米錨桿數(shù)主要集中在1.0根（間距為1.0 m×1.0 m）左右；Ⅲ級圍巖條件下，每平方米錨桿數(shù)主要集中在0.69根（間距為1.2 m×1.2 m）左右；Ⅱ級圍巖條件下，每平方米錨桿數(shù)主要集中在0.44根（間距為1.5 m×1.5 m）左右。

錨桿長度：Ⅴ級圍巖條件下，錨桿長度集中在4.0～6.0 m區(qū)間范圍內(nèi)。Ⅳ級圍巖條件下，錨桿長度集中在3.5～4.5 m區(qū)間范圍內(nèi)。Ⅲ級圍巖條件下，錨桿長度集中在3.0～4.0 m區(qū)間范圍內(nèi)。II級圍巖條件下調(diào)研數(shù)據(jù)較少，不作分析。

（2）4車道錨桿間距：Ⅴ級圍巖條件下，每平方米錨桿數(shù)在1.0～2根（間距為1.0 m×1.0 m～1.0 m×0.5 m）范圍內(nèi)都有；Ⅳ級圍巖條件下，每平方米錨桿數(shù)都是1.0根。Ⅲ級圍巖條件下，每平方米錨桿數(shù)主要集中在0.69根左右。

錨桿長度：Ⅴ級圍巖條件下，錨桿長度集中在4.5～5.0 m區(qū)間范圍內(nèi)。Ⅳ級圍巖條件下，錨桿長度集中在4.0～4.5 m區(qū)間范圍內(nèi)。Ⅲ級圍巖條件下，錨桿長度集中在3.0～4.0 m區(qū)間范圍內(nèi)。II級圍巖條件下調(diào)研數(shù)據(jù)較少，故未作分析。

（3）從統(tǒng)計來看，國外錨桿使用長度較國內(nèi)普遍更長，但錨桿間距方面兩者接近。

結(jié)合馬巒山隧道設(shè)計的錨桿參數(shù)可知：Ⅲ級圍巖非加寬段、Ⅲ級圍巖加寬段及Ⅴ級圍巖段錨桿參數(shù)為L=3.5 m@1.2 m×1.2 m（環(huán)×縱）、L=3.5 m@1.0 m×1.0 m（環(huán)×縱）、L=4 m@0.8 m×1.0 m（環(huán)×縱），在同類型隧道中屬于常規(guī)范圍，初步判斷較為合理。

2.3.3 鋼拱架

通過調(diào)研國內(nèi)外扁平大斷面隧道剛拱架分布特征，依據(jù)不同圍巖級別參數(shù)歸納統(tǒng)計如圖6所示。

圖6 國內(nèi)外大斷面隧道鋼拱架間距

從圖中可以看出：不同圍巖鋼拱架間距在0.5-1 m之間，即多集中在圖中虛線框內(nèi)。Ⅲ級圍巖條件下，隧道鋼拱架間距主要分布于1～1.5 m之間；Ⅳ級圍巖，隧道鋼拱架間距主要是0.7～1.3 m之間；Ⅴ級圍巖，隧道鋼拱架間距主要是0.5～1 m之間。對于不同等級圍巖內(nèi)隧道鋼拱架間距，隨著隧道斷面面積的增大，鋼拱架間距都會有不同程度的減小。

馬巒山隧道在Ⅴ級圍巖加強段剛拱架設(shè)計參數(shù)為I25a@1.0 m×1.0 m，在Ⅴ級圍巖一般段和Ⅲ級圍巖加寬段，設(shè)置鋼架參數(shù)分別為I22a@0.5 m×1.0 m和I16@0.75 m×1.0 m，和調(diào)研的大斷面隧道鋼架間距相近，處于常規(guī)區(qū)間范圍，初步判斷為基本合理。

2.3.4 二次襯砌

通過搜集國內(nèi)外扁平大斷面隧道二襯厚度資料，依據(jù)不同圍巖級別參數(shù)歸納統(tǒng)計如圖7所示。

圖7 二襯厚度統(tǒng)計圖

從圖中可以看出：

（1）3車道：Ⅴ級圍巖條件下，二襯厚度主要集中在40～60 cm區(qū)間范圍內(nèi)。Ⅳ級圍巖條件下，二襯厚度主要集中在40～50 cm區(qū)間范圍內(nèi)。Ⅱ、Ⅲ級圍巖條件下，二襯厚度主要集中在40～50 cm區(qū)間范圍內(nèi)。

（2）4車道：Ⅴ級圍巖條件下，二襯厚度主要集中在50～80 cm區(qū)間范圍內(nèi)。Ⅳ級圍巖條件下，二襯厚度主要集中在50～70 cm區(qū)間范圍內(nèi)。Ⅱ、Ⅲ級圍巖條件下，二襯厚度主要集中在45～70 cm區(qū)間。

馬巒山Ⅴ級圍巖段設(shè)計二襯厚度為60 cm，Ⅲ級圍巖非加寬段設(shè)計二襯厚度為45 cm，在同類型隧道中處于常規(guī)范圍區(qū)間，初步判斷較為合理。Ⅲ級圍巖加寬段設(shè)計二襯厚度為55 cm，在同類型隧道中處于略微偏低水平。

3 結(jié)論

通過對國內(nèi)外扁平大斷面隧道斷面型式、扁平率與支護參數(shù)的統(tǒng)計分析，結(jié)合依托深圳坪鹽通道馬巒山隧道的設(shè)計參數(shù)，得出了如下結(jié)論：

（1）馬巒山隧道設(shè)計的斷面型式、扁平率及支護參數(shù)基本符合目前國內(nèi)外大斷面設(shè)計的趨勢，總體上較為合理。

（2）馬巒山隧道在斷面型式及扁平率上，具有一定的優(yōu)化空間，以Ⅲ級圍巖非加寬段為例，單心圓與三心圓兩種斷面型式仍有優(yōu)化的可能性。扁平率方面，Ⅲ級圍巖加寬段（有臨時停車帶）原設(shè)計扁平率為0.64，在國內(nèi)隧道中處于合理區(qū)間，但相較于國外隧道，仍偏于保守，有優(yōu)化空間。

（3）支護參數(shù)方面，馬巒山隧道設(shè)計初步判斷較為合理，但也有優(yōu)化空間。以Ⅲ級圍巖非加寬段為例，其錨桿參數(shù)為L=3.5 m，間距 1.2 m×1.2 m（環(huán)×縱），相較于同類型國內(nèi)外隧道，偏于保守，可適度優(yōu)化。

[1]夏保祥,程崇國.三車道大斷面公路隧道研究現(xiàn)狀綜述[J].地下空間,2002,22(4):360-366.

[2]劉洪洲.大跨度扁坦隧道施工的力學(xué)響應(yīng)及施工方法的研究[D].重慶:重慶大學(xué),1999.

[3]程崇國,王新平.對3車道大斷面公路隧道問題的思考[J].公路交通技術(shù),2002(9):74-77.

[4]于海龍,王瑞峰.大斷面公路隧道的斷面形式研究[J].四川建筑,2006,26(3):65-67.

[5]王飛,于海龍.大斷面公路隧道斷面形狀數(shù)值分析與研究[J].公路,2002(8):210-216.

[6]金鑫.高速公路大斷面隧道施工過程圍巖-支護結(jié)構(gòu)性態(tài)的數(shù)值模擬研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2011.

[7]胡學(xué)兵大斷面公路隧道力學(xué)響應(yīng)及圍巖穩(wěn)定性評價研究[D].重慶：重慶交通學(xué)院，2003.

作者投稿易忽視的重要內(nèi)容

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1009-7716（2017）10-0191-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.059

2017-06-07

劉靜靜（1986-），女，江蘇鹽城人，經(jīng)濟師，工程師,從事工程管理工作。