某超大斷面隧道結構設計關鍵技術

錢文斐

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

目前我國主要依照日本隧協建議表將開挖斷面積大于140 m2的隧道定義為超大斷面隧道，其尺寸基本為單洞三車道規模。隨著解決城市交通擁堵問題的深入，單洞四車道規模的隧道建設呈現增加趨勢，其結構設計對施工及運營期間的安全至關重要，但可借鑒的相關資料較少。本文以楊柳井隧道為例，探討超大斷面隧道結構設計的關鍵技術。

1 工程概況

1.1 工程規模

楊柳井隧道是貴陽中環路關鍵控制性節點工程，設計時速為80 km/h，為分離式長隧道。其中，左線隧道起訖里程LK2+979.3～LK4+149，長1 169.7 m；右線隧道起訖里程 RK2+966.6～RK4+107.9，長1 141.3 m。

1.2 工程地質

工程地質主要以耕植土、人工填土、硬塑紅黏土、三疊系松子坎組的白云巖夾有少量薄層泥灰巖、三疊系安順組的中風化泥晶白云巖及少量溶塌角礫巖為主。

隧址區大部分地段為溶蝕、侵蝕構造、中低山地貌區，碳酸鹽巖分布較廣，受溶蝕影響，巖溶地貌較為發育。洞身圍巖以Ⅳ、Ⅴ級為主。

1.3 水文地質

根據場區地下水的含水類型、富水性及巖層間的水力聯系，將隧道通過地段內地下水類型劃分為巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散層孔隙水。

2 建筑限界及內輪廓確定

2.1 建筑限界

根據交通需求，并結合隧道維修養護要求，建筑限界寬度為18.75 m，其組成為左側檢修道0.75 m+左側側向寬度0.5 m+車行道寬度3.5 m×3+3.75 m+右側側向寬度0.5 m+右側檢修道2.5 m。建筑限界高度為5 m。與現行規范相比而言，整體規模稍大于標準四車道隧道（見圖1）。

圖1 隧道建筑限界（單位：mm）

2.2 內輪廓

內輪廓扁平率值越大，雖然有利于支護結構受力，但是會加大隧道斷面，增加工程造價，因此需要尋找兩者的最佳結合點。

通過查閱國內已建超大斷面隧道的案例，內輪廓扁平率數值主要集中在0.6～0.7（見圖2）。經綜合比選，該工程隧道內輪廓凈寬19.378 m，凈高11.971 m，扁平率值為0.618，凈空面積約為180.7 m2（見圖 3）。

圖2 國內已建超大斷面隧道扁平率分布情況

圖3 隧道內輪廓（單位：mm）

3 隧道結構

3.1 結構選型

目前國內現行《公路隧道設計細則》（JTG/T D70—2010）提出對于四車道隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下，可采用三次支護的結構形式，其中第三層襯砌盡可能在洞室收斂變形的情況下施作?？紤]到在施工工期緊張的情況下，如采用三次支護形式將增加施工工序、增加工期。設計中提出在加強初期支護及二次襯砌的剛度及強度條件下，仍采用復合式襯砌結構形式。

3.2 襯砌支護結構

對于初期支護的主要加強措施如下：

（1）采用鋼纖維噴射混凝土替代噴射混凝土+鋼筋網作用，主要基于以下考慮：

a.鋼纖維混凝土呈現較高的抗裂、抗沖擊和抗彎韌性等性能。

b.使用鋼纖維可以省去掛鋼筋網工序，縮短支護時間，起到及時快速支護的作用。

（2）同樣截面高度的H型鋼的抗彎模量較之工字鋼大，因此擬對于Ⅴ級圍巖段采用H型鋼以增加支護強度與剛度。

對于二次襯砌的主要加強措施如下：

（1）適當提高二次襯砌標號及厚度，以增強其強度與剛度。

（2）適當提高二次襯砌對于圍巖壓力的分擔比例，較之規范提出的最高分擔比例值增加10%。

3.3 圍巖壓力確定

現行《公路隧道設計細則》（JTG/T D70—2010）中對于單洞深埋的圍巖壓力提出了兩種計算公式，考慮到該工程的洞室開挖寬度接近22 m，遠大于礦山法經驗公式所要求的15 m范圍，因此擬采取普氏公式確定圍巖壓力。

3.4 復合式襯砌支護參數

經過類比及計算分析，相關支護參數見表1。

表1 隧道洞身各類圍巖的支護參數

4 施工工法

考慮到該隧道開挖斷面大，擬采取“劃大為小”的雙側壁導坑法。先錯幅施工左、右兩側導洞，再施工中間導洞，最后根據監控量測成果拆除臨時支撐，施工防水層及仰拱、二次襯砌（見圖4）。

圖4 雙側壁導坑施工工序圖

以左線LK3+300里程（隧址圍巖為Ⅴ級）為例，拱頂沉降點、兩條水平收斂線的監測數據曲線如圖5～圖7所示。

圖5 拱頂沉降曲線

圖6 上部邊墻水平收斂曲線

圖7 下部邊墻水平收斂曲線

由以上可知，拱頂累計下沉量為14.54 mm，上下水平向累計收斂值分別為12.22 mm、12.21 mm。

從監測數據反饋信息可知，隧道變形及收斂基本于15 d趨于穩定，隧道支護參數及施工工法合理可行。

5 超淺埋段

該隧道右線 RK3+105～RK3+155、左線 LK3+135～LK3+175段覆蓋層厚度在4～6 m，覆跨比僅為0.18～0.27,典型的地質橫斷面如圖8所示。右線基本位于中風化巖層中，地表構筑物主要為鋼結構民房、圍墻、木房、水渠、盆景等。左線拱頂大多位于土層中，拱腰及以下位于中風化巖層中，地表構筑物主要為水渠、民房、木房、盆景等。

圖8 RK3+130（LK3+139.228）里程處地質橫剖面（單位：m）

5.1 支護襯砌方案

采取加強支護及襯砌措施，參照S5a型復合式襯砌參數（見表1），考慮到拱頂覆蓋層厚度較小，拱頂錨桿作用不明顯，故擬取消拱頂120°范圍的錨桿布置。

5.2 超前支護方案

由于該段覆跨比極小，掌子面開挖所形成的潛在滑動面將延伸至地表，從而產生冒頂事故，因此采取加強此段超前支護措施，隔斷隧道開挖對地表的影響。

超前支護采取超前大管棚結合超前小導管預注漿相結合的方案。超前管棚采用?108×6 mm熱軋無縫鋼管，長度20 m，環向間距40 cm，縱向間距12 m；超前小導管采用?42×4 mm熱軋無縫鋼管,長度5m，環向間距40 cm，縱向間距1.5m；超小導管與超前管棚環向間隔布置（見圖9）。

圖9 超淺埋段超前支護橫斷面（單位：mm）

5.3 掌子面加固方案

對于左洞掌子面，其上半部分為人工填土，下半部分為中風化巖石，開挖過程中易出現上半部土體失穩滑塌現象，影響地表的盆景及圍墻安全。為此采取加固掌子面上半部分措施，具體如下（見圖 10）：

圖10 左洞掌子面上半部分加固方案（單位：mm）

（1）?42×4 mm注漿鋼管進行注漿加固，長度為3 m，間距為1.5 m×1.5 m,梅花形布置。

（2）土層表面進行噴錨支護護面，其中C25噴射混凝土厚度10cm，?8鋼筋網的網格大小為200mm×200 mm。

5.4 施工要求

為了縮短該段隧道洞室的臨空時間，保證洞室的安全性，施工中應以一個管棚長度為一個施工單元，只有當一個施工單元全斷面封閉成環后且二次襯砌施作后方可進行下一個單元施工。

6 巖溶發育段

該隧道右線K2+497～K2+505段出現貫通至地表的溶腔，溶腔橫向寬度約5 m，縱向長度約8 m，隧道拱頂至地表高差約為21 m（見圖11）。

圖11 溶洞處置方案（單位：mm）

6.1 溶腔處置方案

該段在初期支護、二次襯砌施工后，從地表溶洞后自上而下對不穩定的溶腔壁進行噴錨網加固，支護參數如下：C25噴射混凝土10 cm；?8鋼筋網，網格間距0.2 m×0.2 m；錨桿采用長度3 m的?22砂漿錨桿,間距按1.2 m×1.2 m梅花形布置。此外，施作緩沖層減小落塊對隧道結構的不利影響，具體措施為在初期支護背后先回填1.5 m厚度混凝土后再吹砂2 m厚度。

6.2 加強排水措施

一方面在地表溶洞口周邊設置截水溝，防止地表水進入溶腔范圍；另一方面在溶洞空腔內按間距2 m×2 m的間距梅花形布置豎向排水管，排水管采用HDPE100管材，頂部高出緩沖層50 cm，并采用無紡布進行包裹，防止管口堵塞，底部接入縱向排水管，將溶腔內可能的積水及時排出。

6.3 加強防水措施

首先對地表溶洞口周邊的地表裂隙采用水泥砂漿進行填充，以防地表下順裂隙下滲至空腔范圍；其次采用鋼筋混凝土蓋板對溶洞口進行封閉，并且用錨桿進行固定；最后在鋼筋混凝土蓋板上用黏土夯實，其高度高出周邊地表不小于2 m。

7 結 語

目前該隧道已運營通行，其設計思路及理念可為后續類似工程提供可借鑒經驗。但筆者認為目前國內為了確保超大跨隧道結構的安全，設計方案大多偏于保守，尚存在精細化設計的空間，如超大斷面的尺寸邊界效應尚待系統性研究、不同施工工法產生的圍巖壓力存在的差別等。這些尚待學者結合現場施工進一步研究及探討。