1、韓家?guī)X四車道隧道設(shè)計與施工技術(shù)研究萬明富 魏明祥(遼寧省交通勘測設(shè)計院 沈陽 1 10005)時 磊(遼寧省公路勘測設(shè)計公司 沈陽 110005)摘 要 本文結(jié)合沈大高速公路改擴建工程中韓家?guī)X四車道隧道的設(shè)計、施工與課題研究，簡要介紹大跨度隧道的設(shè)計、施工有關(guān)技術(shù)。關(guān)鍵詞 大跨度隧道設(shè)計施工研究1 工程概況11 韓家?guī)X四車道隧道越嶺方案的歷史背景韓家?guī)X隧道是沈大高速公路擴建為八車道時出現(xiàn)的單洞四車道隧道，隧道位于大連市金洲區(qū)北部約65km 處，老沈大高速公路的西側(cè)。老沈大高速公路以大開挖的方式穿越韓家?guī)X，最大開挖深度超過30m 。這次改擴建工程的設(shè)計過程中，在確定越嶺方案前，先后比較過如下幾個

2、方案：方案一是在老高速公路基礎(chǔ)上加寬，即將老路邊坡繼續(xù)刷去。該方案施工簡單，但是陽至大連方向在該處上坡坡度較大，超過規(guī)范要求，要改善縱坡就要繼續(xù)下挖，必然帶來更深的挖方邊坡，破壞山體和環(huán)境。方案二是離開老高速公路適當(dāng)距離修一座單洞三車道隧道或一座兩車道聯(lián)體隧道(兩洞同時作為下行線)，前者必然使交通能力在隧道處出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象，后者則導(dǎo)致視覺上的不順暢。方案三是在方案二的平面線位上修筑單洞四車道隧道作為下行線，老沈大高速公路作為上行線，上述兩方案存在的問題將得到解決，但是該方案實施起來技術(shù)相對復(fù)雜。經(jīng)過反復(fù)論證，決定采用方案三作為韓家?guī)X最終的越嶺方案。12 工程簡介韓家?guī)X隧道起迄樁號為K344+63

3、55 一K345+1565，隧道全長521m，隧道縱坡為16 ，隧道位于R 一5500m 的圓曲線上。隧道區(qū)表層為小于4m 厚的碎石土，基巖為巖與頁巖、泥灰?guī)r互層，灰?guī)r為硬質(zhì)巖，頁巖、泥灰?guī)r為軟質(zhì)巖。隧道進出口段均為類圍巖，圍巖極不穩(wěn)定。2 四車道隧道設(shè)計方案21 四車道隧道斷面形式隧道斷面設(shè)計必須掌握好兩個指標(biāo)：一是隧道的安全，二是隧道的造價。在隧道跨度一定的情況下，隧道的最大開挖高度就成為決定上述兩個指標(biāo)的關(guān)鍵因素。在其他條件相同的情況下，一般是最大開挖高度大(即矢跨比大)，隧道結(jié)構(gòu)受力就趨向有利，隧道的安全性較高，但這將帶來更多的挖方和工程材料，反之最大開挖高度小(即矢跨比小)，隧道結(jié)構(gòu)

4、受力就不利。為了保證隧道安全，必然要適當(dāng)?shù)丶訌娭ёo襯砌參數(shù)。所以，如何確定一個相對合理的斷面，使其技術(shù)上可行，經(jīng)濟上合理，是本隧道設(shè)計的關(guān)鍵。211 四車道隧道的凈空斷面要求為了保持交通通暢，隧道幾何線形與凈空按與洞外路基相同的設(shè)計時速(120kmh)設(shè)計，隧道基本總寬度為19OOm(一075+050+075-4 ×375+075+050+0 ·75m)，建筑限界凈高55m，檢修道凈高25m 。212 單洞四車道隧道的襯砌斷面設(shè)計在滿足隧道凈空斷面的前提下，擬訂幾種尺寸的隧道斷面，進行初步分析計算，選擇相對較優(yōu)斷面作為隧道的襯砌內(nèi)輪廓斷面。首先，確定隧道襯砌斷面的總體構(gòu)成形

5、式，拱部是采用單心圓、三心圓或是五心圓，要由兩個標(biāo)準(zhǔn)來衡量：一是凈空斷面的利用率(經(jīng)濟因素)，二是圍巖、支護襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)(安全因素)。上述幾種形式的斷面見圖1(a)，(b)，(c)。()單 圜圖1 隧道襯砌拱部方案比較圖對上述幾種形式的斷面進行比較(其他條件相同前提下)，比較結(jié)果見表1 ?？梢钥闯?，拱部采用五心圓方案時效果更為理想。表1 隧道斷面分析成果比較表方案名稱 結(jié)構(gòu)特點 斷面利用率 力學(xué)特點拱部為一個圓弧，側(cè)墻與仰 側(cè)墻與仰拱交接處應(yīng)力集中現(xiàn) 拱部單心圓 較低拱交接處不圓順 象較大拱部為三個圓弧，側(cè)墻與仰 側(cè)墻與仰拱交接處應(yīng)力集中現(xiàn) 拱部三心圓 較高拱交接處不圓順 象較大拱部為五

6、個圓弧，側(cè)墻與仰 側(cè)墻與仰拱交接處應(yīng)力集中現(xiàn) 拱部五心圓 較高拱交接處圓順 象較小然后，對五心圓斷面進行進一步優(yōu)化，即進行不同矢跨比的力學(xué)效應(yīng)比較，確定出隧道的幾何斷面，如圖2 所示。22 結(jié)構(gòu)設(shè)計支護襯砌參數(shù)與注意事項221 支護襯砌參數(shù)在確定隧道內(nèi)輪廓斷面的同時，初步擬訂一套支護襯砌參數(shù)，然后利用相關(guān)軟件進行分析計算，并調(diào)整支護襯砌參數(shù)。隧道支護襯砌參數(shù)見表2 。222 結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項這里不詳細介紹結(jié)構(gòu)分析過程，僅就結(jié)構(gòu)計算分析后應(yīng)注意的事項進行討論。a配筋設(shè)計：考慮到隧道斷面太大，圍巖變形周期長，使得襯砌結(jié)構(gòu)建成后可能產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全和美觀；如果有滲漏現(xiàn)象產(chǎn)生，在北方由于存在凍融

7、現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)的影響更為嚴(yán)重，所以在襯砌結(jié)構(gòu)中必須進行適當(dāng)配筋。表2 隧道支護參數(shù)表(主洞)圍 襯 初期支護與超前支護 二次襯砌巖 砌 錨桿 噴射混凝土 鋼拱架 管棚 拱圈 仰拱明 30 號鋼筋 30 號鋼筋Sm 混凝土厚 混凝土厚 洞75cm 75cm淺 西25 中空錨桿，單根 西108 ×6r am 25 號鋼筋 25 號鋼筋S0 長6Om，間距040 30cm 厚25 號 I18 號鋼拱 大管棚， 環(huán) 混凝土厚 混凝土厚 埋 鋼纖維混凝土 架×080m 距40cm 75cm 75cm西25 中空錨桿，單根 西50 ×5r am 25 號鋼筋 25 號鋼筋I(lǐng) S

8、2 長6Om，間距050 30cm 厚25 號 I 18 號鋼拱 小管棚， 環(huán) 混凝土厚 混凝土厚×080m鋼纖維混凝土 架 距40cm 75cm 75cm25 中空錨桿，單根 cP22 超前錨 25 號鋼筋 25 號鋼筋I(lǐng) S3 長55m，間距075 26cm 厚25 號 I 18 號鋼拱×1OOm鋼纖維混凝土 架 桿，環(huán)距 混凝土厚 混凝土厚40crn 7Oc122 70cmcP25 中空錨桿，單根 25 號鋼筋 S4 長5Om，間距1O0 22cm 厚25 號 I 16 號鋼拱鋼纖維混凝土 架 混凝土厚×1OOm 65cmb仰拱設(shè)置：考慮到隧道跨度較大，在類

9、及其以下類別的圍巖中均設(shè)置了仰拱。c基礎(chǔ)設(shè)計：在類圍巖中襯砌沒有設(shè)置仰拱，上覆荷載傳遞到襯砌基礎(chǔ)時，襯砌墻腳產(chǎn)生較大的應(yīng)力。為了保障墻腳不受破壞，基礎(chǔ)尺寸要求加大加厚。d洞口加強：隧道洞口處于較為不利的受力狀態(tài)，隧道洞口穩(wěn)定與否直接決定了能否安全進洞。為了達到這個目的，在隧道洞口設(shè)置一段加強性一次襯砌。25 大跨度隧道施工方案231 施工方案比較由于單洞四車道隧道沒有系統(tǒng)成熟的施工經(jīng)驗可以借鑒，設(shè)計過程中擬訂了兩種施工方案。施工開挖方案及其優(yōu)缺點如圖3 、表3 所示，以設(shè)仰拱襯砌為例，無仰拱段可以借鑒，適當(dāng)調(diào)整即可。232 方案選擇圖2 四車道隧道襯砌斷面與凈空限界圖根據(jù)各方案對應(yīng)的支護參數(shù)，

10、采用數(shù)值方法對各個施工環(huán)節(jié)進行力學(xué)分析，對存在的安全隱患采取切實可行的預(yù)防措施后，兩個方案均可行。韓家?guī)X隧道雖然長度僅有500 多米，但是由于沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒，每個施工環(huán)節(jié)需要進行摸索才能推廣，要全面鋪開施工需要花費很長時間；同時由于北方冬天漫長，有效的年度工期較短。而韓家?guī)X隧道是整個沈大高速公路改擴建工程中的關(guān)鍵控制工程，決定著整條高速公路的工期。所以最終推薦施工速度快、經(jīng)過系統(tǒng)有效地組織仍能夠安全施工的上下臺階法作為隧道施工方案，但是風(fēng)險相對較大。 (a)雙側(cè)壁導(dǎo)洞上下臺階法 (b)上下臺階法圖5 施工開挖方案圖表5 施工開挖工序及優(yōu)缺點比較表開挖工序 步驟序號雙側(cè)壁導(dǎo)洞上下臺階法

11、上下臺階法1 左導(dǎo)洞開挖 拱部超前支護(管棚、超前錨桿等)2 左導(dǎo)洞初期支護(錨、噴、網(wǎng))上臺階開挖3 右導(dǎo)洞開挖 拱部初期支護(錨、噴、網(wǎng))4 右導(dǎo)洞初期支護(錨、噴、網(wǎng))左側(cè)下臺階開挖5 拱部超前支護(管棚、超前錨桿等)左側(cè)仰拱初期支護(噴)6 上臺階開挖 右側(cè)下臺階開挖7 拱部初期支護(錨、噴、網(wǎng))右側(cè)仰拱初期支護(噴)8 下臺階開挖 二次襯砌(先仰拱、后拱部)9 仰拱初期支護(噴)10 二次襯砌(先仰拱、后拱部)a施工較為安全 優(yōu)點 施工工序轉(zhuǎn)換較為簡單b事故發(fā)生后能夠及時地控制局面a圍巖受擾動次數(shù)多 開挖后圍巖變形不好控制 缺點b施工工序轉(zhuǎn)換較為復(fù)雜 施工安全相對較差備注 在洞口第一

12、循環(huán)時，需要設(shè)置一次襯砌，該工序在上臺階初期支護結(jié)束后進行。5 現(xiàn)場施工承包商結(jié)合自己的技術(shù)實力、機構(gòu)設(shè)備、管理水平，選擇上下臺階法作為隧道施工方案，并對該方案進行了適當(dāng)優(yōu)化，對施工中可能存在的安全隱患進行充分考慮，對安全隱患進行了充分的應(yīng)急準(zhǔn)備工作，使得旋工得以正常進行。51 應(yīng)急措施在現(xiàn)場常備一定數(shù)量的工字鋼拱架，當(dāng)現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果或調(diào)查結(jié)果表明隧道圍巖或初期支護存在安全隱患時，應(yīng)當(dāng)及時架立鋼拱架，并封閉臨時仰拱(也采用鋼拱架)。52 方案局部調(diào)整隧道施工過程中，遇到一些非常軟弱的圍巖。K344+97o-K345-025 段的地質(zhì)情況報告，上臺階施工到K344+96o-970 的幾個循環(huán)中

13、，發(fā)現(xiàn)圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙中有大量粘土，并有少量裂隙水，圍巖完整性、穩(wěn)定性較差。開挖到K344982 處時，發(fā)現(xiàn)隧道開挖斷面左側(cè)有一斷層，圍巖非常破碎，右側(cè)圍巖非常完整。為了保證隧道施工的安全和質(zhì)量，將支護襯砌參數(shù)、相應(yīng)范圍及施工控制進行調(diào)整。321 循環(huán)進尺長度縮短因為巖石很差，循環(huán)進尺不能過大，堅持每循環(huán)進尺控制在80cm 以內(nèi)。322 初期支護與超前支護在隧道左側(cè)圍巖較差段，原設(shè)計為類圍巖，實際施工時采用S3 初期支護及超前支護參數(shù)；在隧道右側(cè)圍巖較好段，仍采用S4 初期支護參數(shù)。323 側(cè)墻部位及鎖腳錨桿在圍巖較差的地方，左側(cè)側(cè)墻必須增設(shè)鎖腳錨桿。324 二次襯砌二次襯砌厚度維持S4

14、 不變。325 仰拱部位在基礎(chǔ)地質(zhì)很差、承載力較小的區(qū)段，地基難以承擔(dān)上部傳遞下來的荷載，就必須設(shè)置仰拱，仰拱厚度與拱部厚度保持一致。側(cè)墻部位開挖應(yīng)當(dāng)注意開挖輪廓，并對地基進行專門的加固處理。4 科研課題41 科研課題的主要內(nèi)容關(guān)于隧道結(jié)構(gòu)方面課題的主要內(nèi)容如下：a確定隧道最優(yōu)設(shè)計斷面、圍巖的支護方式、支護參數(shù)；b計算機模擬分析計算，確定隧道在不同圍巖的開挖工藝及支護、襯砌施作的最佳時機；研究隧道可能出現(xiàn)突發(fā)事件的應(yīng)急方案；C室內(nèi)相似模擬實驗，確定隧道在不同圍巖的開挖工藝及支護、襯砌施作的最佳時機；d現(xiàn)場監(jiān)控量測并提供現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，供業(yè)主、監(jiān)理及承包商進行現(xiàn)場生產(chǎn)管理；e反演計算，核實圍巖及其支護襯砌參數(shù)。42 有關(guān)研究數(shù)據(jù)限于篇幅，僅將有關(guān)監(jiān)控量測的結(jié)論敘述如下：深部位移監(jiān)測主要采用三點位移計，分別監(jiān)測30m 、25m 、20m 深部圍巖的位移狀況。根據(jù)初步監(jiān)測，約在深度22 25m 時，深部位移就為零；量測接觸應(yīng)力值分別為009MPa 和003MPa，隨著時間的推移，量測值的變化不大。這說明開挖方法、初期支護是合理可行的；頂板下沉數(shù)據(jù)表明頂板在初期支護初有一定的下沉，后期基本停止，地表下沉監(jiān)測和噴層無一開裂就是很