基于國內外大斷面隧道調研對馬巒山隧道設計合理性的評價

劉靜靜

（深圳市交通公用設施建設中心，廣東 深圳 518040）

基于國內外大斷面隧道調研對馬巒山隧道設計合理性的評價

劉靜靜

（深圳市交通公用設施建設中心，廣東 深圳 518040）

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

大斷面隧道；扁平率；斷面型式；支護參數

0 引言

近年來，隨著城市化建設的逐步推進，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[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計理論大多數是采用經驗類比法，支護參數的選擇更多的是借鑒國內外類似工程經驗，并無一套成熟的技術可供參考[2-7]。

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

1 馬巒山隧道設計概況

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，發育有小規模斷層破碎帶，除洞口及節理裂隙發育段外，大部分區段圍巖級別以Ⅲ級為主。針對馬巒山隧道不同圍巖級別等情況，分別設計了不同的斷面型式、扁平率與支護參數（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計

表2 馬巒山隧道不同圍巖段支護參數統計

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。支護結構為采用錨桿、鋼筋網、噴射混凝土、格柵鋼拱架和二次襯砌的復合式襯砌型式。

2 扁平大斷面公路隧道資料調研分析及對馬巒山隧道設計合理性的評估

2.1 斷面型式方面

根據國內外斷面型式的調研資料，統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。

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

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

2.2 隧道扁平率方面

通過調研國內外資料，統計扁平率分布散點圖如圖2所示。

圖2 國內外大斷面隧道扁平率統計散點圖

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區間內，呈密集分布。

（2）國內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增加而減小。國外隧道隨車道數增加，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），具有國內大斷面隧道的一般特征，其扁平率設計符合常規，而相較于國外隧道，扁平率設計偏于保守，存在一定的優化空間。

2.3 隧道支護參數方面

2.3.1 噴射混凝土

通過調研國內外扁平大斷面隧道噴射混凝土厚度分布特征，依據不同圍巖級別歸納統計如圖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。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，對于Ⅴ級圍巖部分隧道，為了安全考慮，在部分危險區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。

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

2.3.2 錨桿

通過調研國內外扁平大斷面隧道錨桿分布特征，依據不同圍巖級別對參數歸納統計如圖4、圖5所示。

圖4 每平方米錨桿數散點分布圖

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；Ⅳ級圍巖條件下，每平方米錨桿數主要集中在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區間范圍內。Ⅳ級圍巖條件下，錨桿長度集中在3.5～4.5 m區間范圍內。Ⅲ級圍巖條件下，錨桿長度集中在3.0～4.0 m區間范圍內。II級圍巖條件下調研數據較少，不作分析。

（2）4車道錨桿間距：Ⅴ級圍巖條件下，每平方米錨桿數在1.0～2根（間距為1.0 m×1.0 m～1.0 m×0.5 m）范圍內都有；Ⅳ級圍巖條件下，每平方米錨桿數都是1.0根。Ⅲ級圍巖條件下，每平方米錨桿數主要集中在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區間范圍內。Ⅳ級圍巖條件下，錨桿長度集中在4.0～4.5 m區間范圍內。Ⅲ級圍巖條件下，錨桿長度集中在3.0～4.0 m區間范圍內。II級圍巖條件下調研數據較少，故未作分析。

（3）從統計來看，國外錨桿使用長度較國內普遍更長，但錨桿間距方面兩者接近。

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

2.3.3 鋼拱架

通過調研國內外扁平大斷面隧道剛拱架分布特征，依據不同圍巖級別參數歸納統計如圖6所示。

圖6 國內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。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計參數為I25a@1.0 m×1.0 m，在Ⅴ級圍巖一般段和Ⅲ級圍巖加寬段，設置鋼架參數分別為I22a@0.5 m×1.0 m和I16@0.75 m×1.0 m，和調研的大斷面隧道鋼架間距相近，處于常規區間范圍，初步判斷為基本合理。

2.3.4 二次襯砌

通過搜集國內外扁平大斷面隧道二襯厚度資料，依據不同圍巖級別參數歸納統計如圖7所示。

圖7 二襯厚度統計圖

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區間范圍內。Ⅳ級圍巖條件下，二襯厚度主要集中在40～50 cm區間范圍內。Ⅱ、Ⅲ級圍巖條件下，二襯厚度主要集中在40～50 cm區間范圍內。

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

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

3 結論

通過對國內外扁平大斷面隧道斷面型式、扁平率與支護參數的統計分析，結合依托深圳坪鹽通道馬巒山隧道的設計參數，得出了如下結論：

（1）馬巒山隧道設計的斷面型式、扁平率及支護參數基本符合目前國內外大斷面設計的趨勢，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）原設計扁平率為0.64，在國內隧道中處于合理區間，但相較于國外隧道，仍偏于保守，有優化空間。

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

[1]夏保祥,程崇國.三車道大斷面公路隧道研究現狀綜述[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響應及施工方法的研究[D].重慶:重慶大學,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,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-支護結構性態的數值模擬研究[D].重慶:重慶交通大學,2011.

[7]胡學兵大斷面公路隧道力學響應及圍巖穩定性評價研究[D].重慶：重慶交通學院，2003.

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2017-06-07

劉靜靜（1986-），女，江蘇鹽城人，經濟師，工程師,從事工程管理工作。