蔡?hào)|明 畢強(qiáng)

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082）

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及隧道修建技術(shù)的不斷提高， 修建分岔隧道結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)和選擇[1]。 這種形式的隧道含小凈距段、 連拱段和大斷面段， 分岔段的隧道結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜、 工序轉(zhuǎn)換比較頻繁， 設(shè)計(jì)、 施工的綜合難度較大， 國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)、 施工技術(shù)規(guī)范、 標(biāo)準(zhǔn)。 到目前為止， 國(guó)內(nèi)已有一些超大斷面分岔隧道修建的實(shí)例。 有必要對(duì)已建隧道進(jìn)行調(diào)研， 采用工程類(lèi)比的研究方法， 對(duì)本工程的設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)和借鑒。 因此開(kāi)展超大斷面分岔式隧道的設(shè)計(jì)、 施工技術(shù)調(diào)研工作就顯得很有必要[2]。

1 工程概況

蓮塘隧道是一座復(fù)雜的分岔式立交隧道， 隧道右線長(zhǎng)1455m， 左線長(zhǎng)1485m， 最大埋深約為150m， 設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h。 蓮塘隧道分岔段超大斷面位于左線K1 +890 ～K1 +941 段， 全長(zhǎng)51m。該區(qū)段主要為微風(fēng)化砂巖， 節(jié)理裂隙較發(fā)育， 地下水貧乏、 滲透性小， 超大斷面區(qū)域圍巖綜合判定為Ⅲ級(jí)。 蓮塘隧道分岔段結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 蓮塘隧道分岔段示意Fig.1 Cross section of Liantang tunnel at bifurcation

2 國(guó)內(nèi)超大斷面分岔隧道調(diào)研

調(diào)研了國(guó)內(nèi)已建隧道， 包括: 八字嶺隧道、漆樹(shù)槽隧道、 營(yíng)盤(pán)路湘江隧道、 拍盤(pán)隧道、 橫龍山隧道、 膠州灣海底隧道。 通過(guò)對(duì)以上隧道的調(diào)研， 整理出截至調(diào)研前國(guó)內(nèi)超大斷面分岔隧道的項(xiàng)目概況、 建設(shè)條件、 設(shè)計(jì)參數(shù)、 施工方法等。查閱關(guān)于超大斷面分岔隧道文獻(xiàn)[2-8]， 對(duì)本工程的設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)和借鑒。 采用工程類(lèi)比的研究方法， 擬定蓮塘隧道的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.1 調(diào)研內(nèi)容

(1）項(xiàng)目概況: 包括項(xiàng)目位置、 工程規(guī)模。

(2）建設(shè)條件: 包括地質(zhì)條件、 圍巖等級(jí)。

(3）設(shè)計(jì)參數(shù): 包括結(jié)構(gòu)形式、 開(kāi)挖斷面尺寸、 初期支護(hù)參數(shù)。

(4）施工方法: 不同斷面形式對(duì)應(yīng)的施工方法。

2.2 調(diào)研項(xiàng)目概述

1.湖北—八字嶺隧道

八字嶺隧道左線全長(zhǎng) 3525m， 右線全長(zhǎng)3548m， 單洞主車(chē)道數(shù)4 車(chē)道。 八字嶺隧道出口端采用的分岔式設(shè)計(jì)和施工當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)尚屬首例。 分岔式隧道在向分離式隧道過(guò)渡過(guò)程中設(shè)計(jì)有超大拱形、 連拱、 小間距和分離式獨(dú)立雙洞四種結(jié)構(gòu)形式。 其中超大跨拱型段長(zhǎng)58.6m， 凈跨度為 19.6m， 最大開(kāi)挖寬度為 23.9m， 高度為11.9m。

隧道大拱段位于出口段， 頂板厚度0 ～30m，圍巖巖性為弱-微風(fēng)化灰?guī)r， 薄-中厚層狀， 地表巖溶較發(fā)育， 地表及地下水自然排泄條件較好。 出口位于低中山斜坡位置， 山坡自然坡度28° ～ 45°， 巖體較完整， 圍巖類(lèi)別為Ⅲ ～ Ⅳ類(lèi)，成洞條件較好， 洞口圍巖較穩(wěn)定， 工程地質(zhì)條件較好。

大拱段采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖， 連拱段采用中導(dǎo)洞全斷面開(kāi)挖， 小凈距段采用了上下臺(tái)階法開(kāi)挖。

隧道大拱段初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 八字嶺隧道初期支護(hù)參數(shù)Tab.1 Initial support parameters of Baziling tumel

2.湖北—漆樹(shù)槽隧道

漆樹(shù)槽隧道左洞長(zhǎng) 1263.5m， 右洞長(zhǎng)1255m， 單洞主車(chē)道數(shù)2 ～4 車(chē)道。 出口段包括小凈距段、 連拱段、 大斷面段。 大斷面段最大開(kāi)挖高度為12.1m， 最大開(kāi)挖寬度為24.7m， 開(kāi)挖面積達(dá)241m2。

隧道圍巖由弱-微風(fēng)化灰?guī)r構(gòu)成， 巖層呈薄-中層狀構(gòu)造， 裂隙較發(fā)育， 無(wú)地表水， 地下水主要為基巖裂隙水、 巖溶裂隙水、 地表覆蓋層中的孔隙水， 水量大小受季節(jié)性影響。 大拱段圍巖是弱風(fēng)化與微風(fēng)化灰?guī)r， 洞口地段屬弱風(fēng)化灰?guī)r， 薄層狀結(jié)構(gòu)， 裂隙發(fā)育， 且存在一夾泥破碎帶， 圍巖自穩(wěn)承載能力很差。

在施工中， 對(duì)于大斷面段采用上下斷面法進(jìn)行開(kāi)挖， 下半斷面保留中間核心土， 對(duì)兩側(cè)邊墻進(jìn)行交錯(cuò)開(kāi)挖。 連拱段及小凈距段左右洞均采用了全斷面開(kāi)挖， 分先后行隧道分開(kāi)交叉開(kāi)挖。

隧道最大斷面初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 漆樹(shù)槽隧道初期支護(hù)參數(shù)Tab.2 Initial support parameters of Qishucao tunnel

3.湖南—營(yíng)盤(pán)路湘江隧道

營(yíng)盤(pán)路湘江隧道左洞長(zhǎng) 2723m， 右洞長(zhǎng)3022m， 單洞主車(chē)道為: 2 車(chē)道+1 車(chē)道。

工程地下水豐富， 有孔隙水及基巖裂隙水兩種類(lèi)型。 斷層破碎帶和圓礫層是該工程最主要的不良地質(zhì)體。 隧道先后穿過(guò)三條斷層破碎帶， 隧道暗挖段大部分地段覆土厚度為6.5m ～22.3m，而地下分岔超大斷面段達(dá)到23.49m、 高度13.62m。主要施工方法有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、 6 部CRD 法， 分超大斷面為小斷面， 初期支護(hù)步步成環(huán)。

超大斷面初期支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 營(yíng)盤(pán)路湘江隧道初期支護(hù)參數(shù)Tab.3 Initial support parameters of Yingpanlu Xiangjiang tunnel

4.山西—拍盤(pán)隧道

拍盤(pán)隧道左洞3479m， 右洞3447m， 單洞雙車(chē)道。 由雙洞單跨上下雙層橋隧混合結(jié)構(gòu)、 連拱結(jié)構(gòu)、 小凈距結(jié)構(gòu)和分離式結(jié)構(gòu)組成了復(fù)雜的分岔式隧道。 其開(kāi)挖跨徑達(dá)25.77m， 最大開(kāi)挖高度17.25m， 斷面面積達(dá)346.6m2。

洞口加強(qiáng)段按單側(cè)壁導(dǎo)坑法(中隔墻法）開(kāi)挖， Ⅲ類(lèi)圍巖按上下臺(tái)階法開(kāi)挖， Ⅱ類(lèi)圍巖按全斷面法開(kāi)挖。 小凈距隧道Ⅲ類(lèi)圍巖段按左洞先行、 上下臺(tái)階開(kāi)挖。 連拱隧道三導(dǎo)坑開(kāi)挖。

超大斷面初期支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 拍盤(pán)隧道初期支護(hù)參數(shù)Tab.4 Initial support parameters of Paipan tunnel

5.深圳—橫龍山隧道

橫龍山隧道隧道左洞長(zhǎng) 2330m， 右洞長(zhǎng)2275m， 單洞(3 + 1） 車(chē)道。 最大開(kāi)挖斷面達(dá)304.14m2、 最大斷面寬度29.171m、 最大斷面高度18.08m。

隧道采用新奧法施工， 三車(chē)道隧道V 類(lèi)圍巖地段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工； III 類(lèi)圍巖地段采用正臺(tái)階法或CD 工法施工； II、 III 類(lèi)圍巖地段采用正臺(tái)階法或全斷面法施工。 四車(chē)道隧道和喇叭口隧道段， IV 類(lèi)圍巖地段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工； II、 III 類(lèi)圍巖地段采用正臺(tái)階法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

超大斷面圍巖主要為花崗巖， 巖性較好， 裂隙不發(fā)育， 屬I(mǎi)I ～I(xiàn)II 類(lèi)圍巖。 初期支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 橫龍山隧道初期支護(hù)參數(shù)Tab.5 Initial support parameters of Henglongshan tunnel

6.青島—膠州灣海底隧道

膠州灣海底隧道， 又稱(chēng)膠州灣隧道。 隧道左洞長(zhǎng)2850m， 右洞長(zhǎng)2805m， 單洞三車(chē)道， 最大開(kāi)挖跨度28.202m、 高18.64m。

超大斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法開(kāi)挖， 連拱段采用中導(dǎo)洞法施工， 小凈距段采用CD 法的組合法施工。

最大斷面處隧道埋深16m ～18m， 洞頂以上有7m ～14m 微風(fēng)化基巖， 微風(fēng)化基巖多為塊狀砌體結(jié)構(gòu)或塊(石）碎(石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)， 巖質(zhì)堅(jiān)硬， 圍巖透水性弱， 自穩(wěn)能力好， 圍巖級(jí)別為Ⅱ～Ⅲ級(jí)。 超大斷面支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 膠州灣海底隧道初期支護(hù)參數(shù)Tab.6 Initial support parameters of Jiaozhouwan tunnel

2.3 調(diào)研成果總結(jié)

1.分岔式隧道分類(lèi)

分岔式公路隧道除行車(chē)橫洞、 行人橫洞外，按照其主要應(yīng)用領(lǐng)域可劃分為山嶺隧道與城市隧道。 山嶺地區(qū)形成分岔式隧道的主要特點(diǎn)是橋隧相接(或相近）， 城市地區(qū)形成分岔式隧道的主要特點(diǎn)是主線與分合流轉(zhuǎn)向匝道相接或在進(jìn)出口與立交相連。 如圖2 所示。

2.分岔式隧道結(jié)構(gòu)形式組成

分岔式隧道的組成由超大斷面段、 連拱段、小凈距段、 分離段組成， 如圖3 所示。

3.隧道分岔段形式及參數(shù)

調(diào)研隧道分岔段形式及參數(shù)見(jiàn)表7。

圖2 分岔式隧道分類(lèi)Fig.2 Classification of forked tunnel

圖3 分岔式隧道典型結(jié)構(gòu)形式組成Fig.3 Typical structure of forked tunnel

表7 隧道分岔段形式及參數(shù)Tab.7 Form and parameters of tunnel bifurcation section

4.隧道開(kāi)挖方法及支護(hù)參數(shù)

通過(guò)對(duì)隧道的調(diào)研， 可以總結(jié)出不同圍巖級(jí)別下， 超大斷面段、 連拱段和小凈距段隧道的施工方法以及超大斷面初期支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表8、表9。

表8 分岔段施工方法Tab.8 Construction method of forked section

表9 超大斷面初期支護(hù)參數(shù)Tab.9 Initial support parameters of super large section

3 蓮塘隧道設(shè)計(jì)方案

根據(jù)調(diào)研國(guó)內(nèi)已建超大斷面分岔隧道成果，采用工程類(lèi)比法擬定蓮塘隧道設(shè)計(jì)方案。

3.1 隧道形式

擬定蓮塘隧道分岔段形式為: 超大斷面段-連拱段-小凈距段-分離段。

3.2 斷面尺寸

根據(jù)工程需求及《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70 -2004）擬定蓮塘隧道最大斷面處建筑限界寬度為26.468m， 高度為5.0m， 建筑限界如圖4 所示。

圖4 最大斷面建筑限界Fig.4 Maximum section construction clearance

隧道內(nèi)輪廓以建筑限界為基礎(chǔ)， 綜合考慮路面超高、 襯砌結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、 照明及消防設(shè)施布置空間、 溝槽尺寸及隧道內(nèi)裝等擬定斷面形式及具體參數(shù)。 在滿(mǎn)足建筑限界、 運(yùn)營(yíng)設(shè)備安裝空間、 方便維修保養(yǎng)等前提下， 力求使凈空斷面利用率高， 結(jié)構(gòu)受力合理。 經(jīng)對(duì)襯砌受力、 造價(jià)等因素比較， 根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70 -2004）和《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01 -2003），并結(jié)合本線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和特點(diǎn)擬定。

根據(jù)現(xiàn)有調(diào)研資料表明， 一般三車(chē)道以及四車(chē)道公路隧道的扁平率多控制在0.5 ～0.7。通過(guò)三維數(shù)值模擬分析， 蓮塘隧道超大斷面扁平率為0.583， 超大斷面內(nèi)輪廓跨度27.45m、高16m， 隧道主洞內(nèi)輪廓采用受力條件好的三心圓形式。 為降低施工難度， 設(shè)計(jì)時(shí)確保隧道內(nèi)輪廓滿(mǎn)足路面超高的需要， 隧道內(nèi)輪廓位置相對(duì)隧道中線處路面標(biāo)高確定， 內(nèi)輪廓適用于本工程隧道路面橫坡的全部超高方式。 最大斷面處隧道內(nèi)輪廓如圖5 所示。

圖5 四車(chē)道(最大斷面)內(nèi)輪廓Fig.5 Inner contour of four lane (maximum section）

3.3 總體施工方法

國(guó)內(nèi)針對(duì)超大斷面(四車(chē)道以上）的工程研究表明， 雙側(cè)壁導(dǎo)洞的開(kāi)挖方式對(duì)于拱頂下沉、 水平收斂， 掌子面穩(wěn)定以及圍巖塑性區(qū)范圍的控制相對(duì)其他工法更為有效。 蓮塘隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法開(kāi)挖， 連拱段采用中導(dǎo)洞法施工， 小凈距段采用臺(tái)階—單側(cè)壁導(dǎo)坑法組合法施工。

3.4 支護(hù)方式

考慮到過(guò)多打設(shè)超前錨桿會(huì)破壞微風(fēng)化砂巖的完整性， 在超前支護(hù)方面僅針對(duì)明顯軟弱、 破碎的局部巖體打設(shè)超前砂漿錨桿(長(zhǎng)度和范圍根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定）。 Ⅲ級(jí)圍巖具有一定的自穩(wěn)時(shí)間， 初襯鋼拱架選用與噴混結(jié)合后期強(qiáng)度較高的8 字筋格柵拱架， 同時(shí)初襯采用大拱角方式， 以保證格柵鋼架落底堅(jiān)實(shí)。 開(kāi)挖跨度大， 可類(lèi)比的工程項(xiàng)目少， 初襯對(duì)于圍巖的穩(wěn)定效果難以量化， 二襯成環(huán)跨度大， 二襯采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 以保證工程安全。

考慮到工字型鋼拱架與混凝土的熱膨脹系數(shù)不同， 溫度變化時(shí)， 結(jié)構(gòu)通常會(huì)沿鋼拱架產(chǎn)生環(huán)向收縮裂縫。 鋼拱架背后的噴射混凝土較難充填密實(shí)， 這將在一定程度上影響支護(hù)效果。 另外，型鋼重量大， 運(yùn)輸稍有不便。 相比而言， 鋼格柵與混凝土的接觸面積大、 粘結(jié)效果好， 兩者能夠共同變形、 協(xié)同受力， 結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)收縮裂縫；拱架間空隙大， 噴射混凝土不容易出現(xiàn)較大的空洞現(xiàn)象； 鋼格柵重量輕， 制作簡(jiǎn)單， 運(yùn)輸和安裝方便， 工程造價(jià)低， 經(jīng)濟(jì)性較好。 因此， 綜合比較各因素， 選取鋼格柵聯(lián)合噴射混凝土及錨桿作為初期支護(hù)較為合適。

錨桿初擬布設(shè)方案為: 在拱頂及側(cè)墻范圍間隔1m 打設(shè)單根長(zhǎng)度為5m 的φ25 中空注漿錨桿。

綜上結(jié)合調(diào)研成果、 工程功能需求、 工程自身特點(diǎn)、 計(jì)算分析等內(nèi)容， 擬定蓮塘隧道最大斷面處支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表10。

表10 蓮塘隧道最大斷面初期支護(hù)參數(shù)Tab.10 Initial support parameters of maximum section of Liantang tunnel

4 結(jié)語(yǔ)

參考調(diào)研成果， 根據(jù)自身功能需求、 工程特點(diǎn)， 蓮塘隧道分岔段布置形式為超大斷面段-連拱段-小凈距段-分離段。 施工方法為超大斷面采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法， 連拱段采用中導(dǎo)洞法， 小凈距段采用臺(tái)階-單側(cè)壁導(dǎo)坑法組合法。 初期支護(hù)參數(shù): 局部打設(shè)φ22 超前砂漿錨桿； C30 噴射混凝土厚度33cm； 鋼支撐采用φ25 鋼筋格柵， 縱向間距 0.5m； 采用φ8 規(guī)格 20cm × 20cm 的鋼筋網(wǎng)，拱、 墻處雙層、 仰拱處單層布置； 拱、 墻處打設(shè)長(zhǎng)度為5m 的φ25 中空注漿錨桿， 間距 1m ×1m。參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工及地質(zhì)條件變化動(dòng)態(tài)調(diào)整。