溫州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 / 袁鄭棋

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)交通需求普遍提高，近郊隧道普遍要求設(shè)計(jì)非機(jī)動(dòng)車道；而《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第13.3.4條規(guī)定：對(duì)長(zhǎng)度大于1000m的隧道，嚴(yán)禁在同一孔內(nèi)設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道或人行道。目前一般的做法多為在機(jī)動(dòng)車隧道外側(cè)設(shè)置專用非機(jī)動(dòng)車道隧道，在斷面上出現(xiàn)了四洞并列的情況，隧道口占地很大，往往達(dá)到80米到100米的寬度。受現(xiàn)有的土地政策影響，分離式的四洞并列隧道往往很難實(shí)施。雙層隧道結(jié)構(gòu)提供了較好的解決方案，即可滿足非機(jī)動(dòng)車道的需求，又可滿足少占用地的要求。溫州某在建城市主干道雙層隧道工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面有所突破創(chuàng)新，可供同行借鑒。

一、工程概況

（一）項(xiàng)目概況

溫州某在建城市主干道，設(shè)計(jì)速度60km/h，機(jī)動(dòng)車道雙向六車道（兩側(cè)設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道和人行道），路基寬度50米；設(shè)置一座長(zhǎng)隧道（左洞長(zhǎng)1360米，右洞長(zhǎng)1430米），隧道寬度13.75米，采用雙向六車道分離式雙層隧道結(jié)構(gòu)。

隧道上層機(jī)動(dòng)車道凈寬13.75米。斷面組成：13.75米＝0.75米（左側(cè)檢修道，含余寬0.25米）+0.75米（左側(cè)側(cè)向?qū)挾龋鄬?.25米）+3.75米+2×3.50米（行車道）+0.75米（右側(cè)側(cè)向?qū)挾龋?0.75米（右側(cè)檢修道），凈高：4.50米。

隧道下層非機(jī)動(dòng)車道凈寬6.5米。斷面組成：6.5米=3.5米（非機(jī)動(dòng)車道）+3.0米（人行道）；凈高：3米。隧道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

圖1 隧道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

（二）工程地質(zhì)條件

隧道洞口段為緩坡地貌,坡度8-15°,植被發(fā)育。地表分布第四系殘坡積含碎石粉質(zhì)粘土、含黏性土碎石,灰黃色,稍濕,可塑、松散,層厚3-6.5米左右,天然狀態(tài)下尚穩(wěn)定,開(kāi)挖狀態(tài)易坍塌；隧道圍巖為殘坡積碎石土、全-強(qiáng)風(fēng)化含角礫晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r，[BQ]＜250，穩(wěn)定性差。

隧道洞身段主要穿越中-微風(fēng)化含角礫晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r。中風(fēng)化巖灰色,堅(jiān)硬,節(jié)理裂隙較發(fā)育,微張-閉合,面平直,完整性一般,[BQ]=300~420間，節(jié)理裂隙不發(fā)育,巖體較完整。地下水主要為基巖裂隙水,與地表聯(lián)系弱,水量貧乏,水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。洞身發(fā)育 F1—F6斷裂構(gòu)造，主要表現(xiàn)為破碎帶、節(jié)理密集帶。破碎帶寬1-4米，個(gè)別斷裂走向與線路小角度斜交。影響隧道圍巖的完整性和穩(wěn)定性。隧道圍巖比例見(jiàn)表1。

表1 隧道圍巖分級(jí)統(tǒng)計(jì)一覽表

二、隧道斷面設(shè)計(jì)

（一）隧道斷面比選

根據(jù)本項(xiàng)目工可資料地質(zhì)與水文地質(zhì)、洞口用地、洞口接線條件、隧道長(zhǎng)度、隧道結(jié)構(gòu)類型與施工安全等因素綜合考慮；設(shè)計(jì)階段對(duì)隧道斷面做了兩種方案的比選。見(jiàn)表2。

表2 方案比選表

T方案是新建兩個(gè)分離式（洞口段局部小間距）的隧道。隧道采用上下層結(jié)構(gòu)，上層為三車道的機(jī)動(dòng)車道，下層為非機(jī)動(dòng)車道和人行道； B方案是由兩個(gè)分離式（洞口段局部小間距）機(jī)動(dòng)車道的主洞和兩個(gè)非機(jī)動(dòng)車道及人行道的輔洞組成，左右側(cè)各新建一個(gè)單洞非機(jī)動(dòng)車道及人行道隧道。

T 方案隧道充分利用隧道自身結(jié)構(gòu)合理布置斷面，無(wú)需做輔洞，設(shè)兩個(gè)雙向分離式六車道的主洞，斷面采用上下層結(jié)構(gòu)，上層為三車道的機(jī)動(dòng)車道，下層為輔道（非機(jī)動(dòng)車道及人行道，道路輔道在隧道口設(shè)置過(guò)渡，機(jī)動(dòng)車道及人行道平坡進(jìn)入隧道，機(jī)動(dòng)車道上坡進(jìn)入隧道上層。該方案非機(jī)動(dòng)車及行人在隧道外無(wú)需橫穿道路，保證交通順暢安全。T方案隧道下層右側(cè)設(shè)置了綜合管線通道，可供大量的通信、供電、供水等設(shè)施管線通過(guò)隧道，可滿足隧道進(jìn)出口片區(qū)發(fā)展市政設(shè)施升級(jí)的需要。

（二）隧道橫斷面設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析，推薦方案隧道內(nèi)輪廓采用四心圓卵形斷面，上下層結(jié)構(gòu)。上層為三車道的機(jī)動(dòng)車道，橫向布置為0.75m（左側(cè)檢修道）+0.5m（左側(cè)向?qū)挾龋?2×3.75m+3.5m（機(jī)動(dòng)車道）+0.75m（右側(cè)向?qū)挾龋?0.75m（右側(cè)檢修道）=13.75m（總寬），機(jī)動(dòng)車道凈高4.5m；下層為輔道，橫向布置為3.5m（非機(jī)動(dòng)車道）+3.0m（人行道）=6.5m（總寬），非機(jī)動(dòng)車道凈高3.0m，人行道凈高2.5m；內(nèi)空凈面積約為111.31平方（詳見(jiàn)上圖）。

隧道橫斷面采用錨噴支護(hù)復(fù)合模注砼襯砌，內(nèi)夾防排水層。在隧道上層機(jī)動(dòng)車道有排水要求側(cè)檢修道下設(shè)矩形排水溝,下層輔道路基中心設(shè)中央排水溝。隧道下層斷面左側(cè)為通風(fēng)通道兼緊急逃生通道，凈高2.0m，可供緊急逃生用；右側(cè)為綜合管線通道，凈高2.0m，供隧道電纜及市政綜合管線使用。

三、隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本情況

明洞采用曲墻帶仰拱的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。拱墻厚度為0.8m，仰拱厚度為0.8m。

暗挖隧道段按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。初期支護(hù)承擔(dān)全部圍巖基本荷載，二襯作為安全儲(chǔ)備承擔(dān)特殊荷載（水壓力、地震等）；采用超前支護(hù)和多種輔助工法，改善加固圍巖,調(diào)動(dòng)部分圍巖自承能力；根據(jù)地質(zhì)采用不同開(kāi)挖方法及時(shí)支護(hù)。采用曲墻有仰拱復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)（V級(jí)圍巖二襯采用55cm厚C30鋼筋砼、Ⅳ級(jí)圍巖加強(qiáng)段采用50cm厚C30砼、Ⅳ級(jí)圍巖一般段采用45cm厚C30砼、Ⅲ級(jí)圍巖一般段采用40cm厚C30砼），洞口淺埋、偏壓段采用加強(qiáng)復(fù)合式襯砌（二襯采用60cmC30鋼筋砼）。

π字形中隔層：中隔板采用55cm厚C30鋼筋砼結(jié)構(gòu)，兩側(cè)隔墻厚50cm。π字形中隔層緊跟隧道二襯結(jié)構(gòu)施工，與二襯連接部位采用預(yù)留鋼筋形式，澆筑段長(zhǎng)度要求與二襯一致，施工縫處理方式與二襯一致。

（二）二襯結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析結(jié)果

二襯結(jié)構(gòu)驗(yàn)算根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、支護(hù)參數(shù)、圍巖級(jí)別、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、隧道埋置深度、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，并結(jié)合周邊工程環(huán)境、支護(hù)手段和施工方法的選擇，并對(duì)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期、環(huán)保和使用效果作綜合比較。按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)深埋淺埋隧道分界深度、淺埋隧道和深埋隧道的計(jì)算方法、裂縫寬度控制（不大于0.2mm），對(duì)其在施工階段和使用階段，根據(jù)正常使用極限狀態(tài)的要求，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算，并進(jìn)行抗裂和裂縫開(kāi)展寬度驗(yàn)算。

分析采用ANSYS軟件計(jì)算。結(jié)算結(jié)果表明：彎矩在拱頂和墻腳內(nèi)側(cè)達(dá)到最大值，剪力在墻腳處最大、軸力拱圈均勻分布；洞口段（最不利段）各關(guān)鍵點(diǎn)的內(nèi)力與裂縫寬度計(jì)算結(jié)果，如表3所示。

表3 正常使用狀態(tài)下襯砌關(guān)鍵點(diǎn)受力及配筋計(jì)算表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隧道左側(cè)墻趾內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值分別為：M=111kN.m（內(nèi)側(cè)受拉），N=-285KN（受壓），V=-388KN；設(shè)計(jì)采用6Φ22受力鋼筋雙側(cè)對(duì)稱布設(shè)，C30相對(duì)界限受壓區(qū)高度=0.56，取b=1000mm長(zhǎng)的截面，高度即混凝土厚度h=600mm，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)K=1.7。

設(shè)計(jì)配筋和裂縫控制滿足規(guī)范要求。

（三）π字形中隔層驗(yàn)算分析結(jié)果

π字形結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮的主要荷載見(jiàn)下表4。

表4 π字形結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算表

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）對(duì)以上荷載按最不利組合進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)跨中的內(nèi)力值分別為：M=72.258kN.m（內(nèi)側(cè)受拉），N=-9.03KN（受壓），V=0.1KN；設(shè)計(jì)采用5Φ22受力鋼筋雙側(cè)對(duì)稱布設(shè)，C30相對(duì)界限受壓區(qū)高度=0.56，取b=1000mm長(zhǎng)的截面，高度即混凝土厚度h=500mm。

π字形結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的裂縫寬度驗(yàn)算結(jié)果為0.045mm＜0.2mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

四、隧道口過(guò)渡段設(shè)計(jì)

隧道外道路機(jī)動(dòng)車道和輔道（含非機(jī)動(dòng)車道、人行道）在進(jìn)入隧道前必須進(jìn)行機(jī)非分離，實(shí)現(xiàn)平面行駛到縱面豎向上下行駛。設(shè)計(jì)機(jī)動(dòng)車道在隧道口采用爬坡進(jìn)洞，輔道平坡（實(shí)為微小的上坡）進(jìn)洞，在隧道洞口設(shè)置120度轉(zhuǎn)角箱涵（三孔），輔道斜向進(jìn)入箱涵，箱涵中心線與輔道對(duì)齊，箱涵輔道主孔大小6.5m（寬）×3.5m（高），兩側(cè)孔大小3.5m（寬）×3.5m（高）；該過(guò)渡段還需實(shí)現(xiàn)以下功能過(guò)渡：

1.隧道中央排水溝從箱涵底部鋪設(shè)；

2.市政綜合管線及給水管道需要通過(guò)箱涵右邊側(cè)孔洞進(jìn)入隧道；

3.隧道下層輔道左側(cè)通風(fēng)通道在隧道口處設(shè)置了通風(fēng)井，通風(fēng)井通過(guò)箱涵左側(cè)孔洞將風(fēng)量接入隧道。

五、隧道開(kāi)挖方法設(shè)計(jì)

三車道雙層隧道開(kāi)挖面積較大。Ⅴ級(jí)圍巖洞口加強(qiáng)段開(kāi)挖面積達(dá)172平方，開(kāi)挖高度13.2米，開(kāi)挖寬度16.5米，較一般三車道隧道（洞口段約145平方）約大20%左右，施工難度較大，設(shè)計(jì)過(guò)程遵循“管超前，嚴(yán)注漿，短開(kāi)挖，強(qiáng)支護(hù)，勤量測(cè)，早封閉”的基本原則。圍巖較差的地段盡量減少單次開(kāi)挖面積，快速支護(hù)，縮短圍巖無(wú)支護(hù)狀態(tài)的暴露時(shí)間。各圍巖段施工方法如下：

1.隧道明洞段采用放坡開(kāi)挖法；隧道暗挖段按新奧法原理組織施工，采用光面爆破、錨噴支護(hù)、拱墻一次襯砌，噴混凝土采用濕噴工藝。

2.Ⅲ級(jí)圍巖段采用中壁法（CD法）開(kāi)挖：左右側(cè)導(dǎo)坑各采用雙臺(tái)階開(kāi)挖，臺(tái)階高度約6.5米，臺(tái)階長(zhǎng)度3~5米控制，左右側(cè)導(dǎo)坑錯(cuò)開(kāi)約15米；臨時(shí)支護(hù)必要時(shí)設(shè)置。

3.Ⅳ級(jí)圍巖段采用采用交叉中壁法（交叉CD法）開(kāi)挖：左右側(cè)隔壁各采用三臺(tái)階開(kāi)挖，臺(tái)階高度約4.5米，臺(tái)階長(zhǎng)度3~5米控制，左右側(cè)導(dǎo)坑錯(cuò)開(kāi)約15米；中隔壁采用鋼架作臨時(shí)支撐，臺(tái)階底設(shè)臨時(shí)仰拱，三個(gè)臺(tái)階交叉漸次開(kāi)挖。單次開(kāi)挖長(zhǎng)度不超過(guò)兩榀鋼支撐。

4.Ⅴ級(jí)圍巖段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法（CRD法）開(kāi)挖：左右兩側(cè)導(dǎo)坑各采用雙臺(tái)階開(kāi)挖，中間臨時(shí)巖柱采用三臺(tái)階臺(tái)階高度約4.5米，臺(tái)階長(zhǎng)度3~5米控制，兩側(cè)導(dǎo)坑先行開(kāi)挖，中間臨時(shí)巖柱最后開(kāi)挖，左右側(cè)壁導(dǎo)坑錯(cuò)開(kāi)約15米，導(dǎo)坑超前臨時(shí)巖柱約30米；中間臨時(shí)巖柱寬度控制5米，中隔壁采用鋼架作臨時(shí)支撐，臺(tái)階底設(shè)臨時(shí)仰拱，三個(gè)臺(tái)階交叉漸次開(kāi)挖。單次開(kāi)挖長(zhǎng)度不超過(guò)兩榀鋼支撐。

5.全隧道二襯分兩次砌筑，中隔層以下仰拱超前施做，仰拱施工整斷面一次成型，同時(shí)注意中隔層連接部位的預(yù)留鋼筋設(shè)置；中隔層以上拱墻及拱部一次性灌注。

隧道開(kāi)挖后，應(yīng)及時(shí)施作初期支護(hù)和二次襯砌，待全隧道貫通，二次襯砌施作完畢后，再施作中隔板。

六、結(jié)語(yǔ)

目前，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市建設(shè)均提出了更高的需求，土地保護(hù)政策也越來(lái)越嚴(yán)格，近郊有非機(jī)通行需求的隧道和二級(jí)公路特長(zhǎng)隧道的逃生通道都可考慮采用雙層隧道方案，相信未來(lái)會(huì)有更多的雙層隧道投入建設(shè)。因此，這種大斷面雙層隧道結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步地深入研究。希望本文能夠起到拋磚引玉的效果，通過(guò)更多的工程案例總結(jié)出更好的經(jīng)驗(yàn)供同行借鑒。