大跨度連拱隧道設計關鍵問題的研究

吳維杰

廣東粵路勘察設計有限公司 廣東廣州 510000

摘要：本文主要針對大跨度連拱隧道設計的關鍵問題展開了研究，通過結合具體的工程實例，分別對隧道建筑限界及內輪廓的設計、隧道襯砌結構設計、隧道施工方案設計、監控量測設計作了系統概述，以期能為有關方面的需要提供有益參考借鑒。

關鍵詞：大跨度；連拱隧道；設計；研究

所謂的連拱隧道，是由兩座隧道通過共用的中墻連成一體的雙洞隧道，是一種比較有發展前景的新型隧道結構。連拱隧道跨度大，空間利用率高，線形順暢，引線占地面積少，在平面線路和洞口位置的選擇上均較分修隧道具有一定的優越性，尤其解決了復雜地段修建分修隧道所存在的困難，成為在特定條件下修建隧道時采用較多的大跨度結構形式。基于此，本文就大跨度連拱隧道設計的關鍵問題進行了研究，相信能為類似隧道工程的建筑設計提供一定幫助。

1 工程概況

1.1 隧道工程概況

某隧道按連拱隧道形式布置，隧道長度為580m，屬于中隧道，最大埋深約為24m。按雙向六車道城市主干路設計（近期為雙向四車道機動車道+人非系統，遠期預留雙向六車道通行的條件），設計速度40km/h。

1.2 隧道工程地質、地貌概況

隧道西側為背斜核部，區內揭露的地層主要為寒武系中下統的饅頭組、毛莊組、徐莊組、張夏組地層，主要巖性為紫紅色頁巖、薄層狀泥灰巖、暗紫色～黃褐色粉砂巖、中厚層石灰巖等。隧道走向與巖層走向夾角在32°～55°。

2 隧道建筑限界及內輪廓設計

本隧道為市政道路隧道，按照近遠期考慮。單洞隧道建筑限界凈寬12.75m，凈高5.0m。

隧道內輪廓拱頂凈高為773cm（路面上），單洞凈寬為1380cm，單洞凈空面積為87.14m2，隧道總凈寬為3031cm。為道路排水需要，隧道路面橫坡為2.0%的單面坡。

3 隧道襯砌結構設計

3.1 襯砌結構計算分析

本隧道整體埋深較淺，最大埋深約24m，隧道圍巖以Ⅳ級圍巖為主，本文選取Ⅳ級圍巖淺埋段，埋深最大處作為結構最不利斷面（埋深23.3m），采用有限元計算軟件進行初期支護、二次襯砌的結構計算。

（1）隧道計算模型如圖1所示。

圖1 Ⅳ級圍巖淺埋段荷載及計算模型

從圖2、圖3二襯內力圖中看出，襯砌結構全斷面受壓，最大壓力發生在仰拱中部。

圖2 二次襯砌彎矩圖

圖3 二次襯砌軸力圖

（2）襯砌結構位移圖見圖4，圖5。

最大豎向沉降發生在拱頂，為10.4mm；最大側向位移發生在拱腳，為3.2mm，滿足要求。

圖4 隧道結構豎向位移圖

圖5 隧道結構側向位移圖

（3）二次襯砌截面強度驗算。

二次襯砌配筋量及其強度安全系數的計算結果見表1。

表1 二次襯砌鋼筋混凝土靜力分析結果

經表1計算結果分析，截面強度驗算（按組合截面進行內力分配），按照鋼筋混凝土進行結構強度驗算，其各個截面抗拉、抗壓安全系數均不小于2.0，符合設計要求。

3.2 襯砌結構設計參數

本隧道支護結構參數、襯砌斷面類型及襯砌結構尺寸以工程類比法為主，并通過數值計算分析進行校核，確定支護襯砌參數。各級圍巖襯砌結構支護參數如表2所示。

表2 隧道各級圍巖襯砌結構支護參數表

4 隧道施工方案設計

本隧道為總開挖跨度約32m的連拱隧道，屬于特大跨度隧道（B≥18m），且隧道埋深最大約為23m，整個隧道段落基本處于淺埋段，且Ⅳ級圍巖比例較高。隧道施工方案設計根據圍巖級別、工程地質、水文地質等條件，Ⅳ級圍巖段開挖采用中導洞—雙側導洞工法開挖。開挖方法見圖6。

圖6 隧道Ⅳ級圍巖段施工步序設計圖