淺埋隧道穿越既有高速公路設計與施工

李鵬

（遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧沈陽110003）

1 概述

1.1 工程概況

東湖電站引水隧道工程全長130.88 km，屬于超長隧道。該工程橫跨遼寧省清原、桓仁、新賓三縣，穿越位于撫順市清原滿族自治縣瓦子窯村既有高速公路段。隧道工程主洞樁號95+865～95+910 范圍，穿越G1212 高速公路段里程為K126+360，隧道線路與公路夾角51°。隧道施工對高速公路影響范圍為96+835～96+960，共計125.00 m。

1.2 工程地質

穿越G1212 高速公路段路面高程為255.00 m。洞頂埋深為12.30～16.90 m，地面圓礫覆蓋層厚度為5.00 m，下部為凝灰質砂巖、凝灰巖。上覆細粒土層（粉質粘土層及粉土層），層底埋深0.30～3.00 m，局部缺失，層底高程248.48～251.18 m，該層為微～弱透水；下部圓礫層一般呈稍密～中密狀態，局部松散，層底埋深3.80～9.50 m，層底高程241.99～247.64 m，為強透水巖層，場地內均有分布；最下部為紫色凝灰質粉砂巖、凝灰巖、頁巖及煤線。全風化巖多呈砂狀或散體狀，其下限高程為243.74～245.68 m，厚0～3.90 m；強風化巖多呈碎塊狀，其下限高程為227.80～246.60 m，厚0～16.90 m；弱風化巖多呈柱狀，厚度大于10.00 m，鉆孔深度范圍內未見微風化巖。

1.3 水文地質

該段地下水補給主要為大氣降水，巖體節理裂隙相互切割，構造裂隙與風化裂隙相連通，形成含水層。地下水主要為孔隙潛水和裂隙水，多成線狀、涌水狀。

1.4 地表條件

沈吉高速公路G1212 穿越位置距離渾河左岸山腳約50.00 m，高速路基高于兩側自然地坪4.00～5.00 m，路基頂寬45.00 m、底寬115.00 m，路基粘土填筑，密實。周邊主要為荒地、河灘地，無居民生活點。

2 拱圈荷載計算

隧道樁號96+835～96+960 范圍下穿高速公路段為Ⅴ類圍巖，隧道開挖斷面為馬蹄形，最大寬度為9.38 m。

按照JTG/T D70-2010《公路隧道設計細則》，隧道頂部圍巖為Ⅴ級圍巖，天然容重γ天取20 kN/m3，浮容重γ浮取10 kN/m3，圍巖彈性抗力系數取200 MPa/m，圍巖計算摩擦角φc取45°。

1）判別隧道是否是淺埋隧道，按照經驗公式：

式中：ω——寬度影響系數；i——圍巖壓力增減率，當Bt＞5.00 m 時，取0.1；Bt——洞身開挖寬度，m，Bt=9.38 m；h——荷載等效高度，m；S——圍巖類別，取5；Hp——深淺埋隧道判定深度，m。

計算得ω=1.438，h=10.35 m，Hp=20.70～26.00 m。

穿越高速公路段隧道埋深H為12.30～16.90 m，h＜H＜Hp，因此穿越段為淺埋隧道。

2）垂直荷載q按下式計算：

式中：q——垂直均布荷載，kN/m2；γ——圍巖重度，有地下水時取γ浮，kN/m3；H——洞頂覆土高度，取16.90 m；λ——側壓力系數；φc——圍巖計算摩擦角，取φc=45°；θ——頂拱土柱兩側摩擦角，為0.5～0.7φc，取θ=25°；β——側邊產生最大推力時的破裂角，（°）。

計算得q=276.38 kN/m2，λ=0.217。

3）作用于拱圈上部的水平分布荷載q1計算：

代入λ=0.217，計算得q1=73.35 kN/m2。

4）作用于拱圈下部的水平分布荷載q2計算：

式中：hi——隧洞開挖高，隧洞凈高為7.28 m，頂拱襯砌厚0.70 m，仰拱襯砌厚0.80 m，取hi=7.28+0.70+0.80=8.78 m。

計算得q2=111.45 kN/m2。

5）車輛荷載q車計算：按JTG B01-2003《公路工程技術標準》規定，G1212 高速公路的車輛荷載等級采用公路-Ⅰ級，按JTG D60-2004《公路橋涵設計通用規范》的規定，洞頂承受的汽車車輛荷載為后軸重力通過車輪按30°擴散角傳至洞頂的均布荷載，其值：

式中：P——汽車車輛荷載的后軸重力標準值，280 kN；A——后軸重力擴散至洞頂的面積，m2；H——洞頂以上埋土高度，取16.90 m；S1——行車方向的后軸輪距，取1.40 m；S2——垂直于行車方向的后軸輪距，取1.80 m；c——后軸著地長度，取0.20 m；d——后軸著地寬度，取0.60 m。

計算得q車=0.61 kN/m2。

6）水壓力計算：內水壓力，正常運行期間，洞內水深按6.00 m 考慮，檢修期及施工期洞內無水；外水壓力，正常運行期和檢修期，按最不利情況考慮，外水壓力水頭為16.5 m 更合適。

施工期不考慮外水壓力，初期支護承擔圍巖壓力的40%，二次襯砌承擔圍巖壓力的60%。圍巖荷載取q′=（276.38+0.61）×0.6=166.19 kN/m2，q′1=73.35×0.6=44.01 kN/m2，q′2=111.45×0.6=66.87 kN/m2。

在隧道穿越段施工前，從地表對地層進行注漿加固，加固范圍為公路軸向長度為14.56 m，與地面水平夾角60°方向斜向下進行注漿。洞內超前支護采用?108 管棚，初期支護采用I20a 鋼支撐配合鋼筋網和噴射混凝土聯合支護的形式。

3 施工方法及工藝

3.1 洞身開挖

洞身穿越凝灰質砂巖、凝灰巖，強度低、多變化。此外，公路車輛行駛頻繁，動荷載較大。為保證高速公路正常運行及隧道施工安全，該段洞身開挖采用臺階法、CRD 法組織施工。通過對圍巖情況進行判斷，在圍巖極度破碎地帶采用人工配合液壓鎬、風鎬開挖，以減少對圍巖的擾動；在圍巖整體性較好地段，可采用短進尺控制爆破。

3.2 隧道超前支護

該段隧道超前支護型式采用超前管棚，沿洞室開挖輪廓線全周均勻布設管棚，管棚中心間距40.0 cm；超前管棚采用外徑108 mm、壁厚6 mm，長25.00～30.00 m 的熱軋無縫鋼管，搭接長度按3.00 m 考慮。單節鋼管長4.00～6.00 m，每節之間采用?89 內套管焊接，接頭錯開布置；管棚內設置4?16 鋼筋籠，灌漿充填。

3.3 隧道初期支護

隧道的初期支護主要包括：

1）鋪設鋼筋網。鋼筋網：材料選用?8 鋼筋，網格尺寸20.0 cm×20.0 cm，掛網部位為頂拱和邊墻，網片搭接長度為15.0 cm。配合錨桿、噴混聯合支護。

2）噴射混凝土。選用混凝土標號C30W10，噴混厚30.0 cm，噴混部位為頂拱和邊墻，噴混工藝采用濕噴工藝，噴混壓力不小于0.20 MPa。

3）架設鋼拱架。材料選用I20a 型工字鋼，架設間距500～1 000 mm。

3.4 固結灌漿

灌漿孔按3.00 m 排距梅花形布設，深入圍巖3.50 m，孔徑38～40 mm。鉆孔采用YT-28 手風鉆鉆孔。

灌漿根據地質圍巖情況，采用相應的分序加密方法進行灌漿。灌漿壓力最大不超過1.5 MPa，具體參數通過灌漿試驗確定。漿液水灰比采用3∶1，2∶1，1∶1，0.5∶1 等4 個等級，施工時根據試驗結果進行調整。每段灌漿漿液按由稀到濃的原則灌注，初始水灰比為3∶1，逐級改變。當灌漿量超過300 L 或灌漿時間超過30 min，而注入率和灌漿壓力均無明顯變化時，更換下一級水灰比漿液繼續灌漿。在改變漿液水灰比后，注入率突然降低或灌漿壓力突然增加，立即查找原因，并將漿液換回原水灰比繼續灌注。

固結灌漿采用純壓式灌漿法，孔口需安裝封孔器。固結灌漿采用全孔一次灌漿工藝，優先采用單孔灌漿；當吸漿量小時，采用兩孔并聯灌漿；當發生串漿時，采用多孔并聯灌漿，但孔數不宜多于3個。

在設計灌漿壓力下，若灌漿的注入率小于0.4 L/min，再繼續灌注10 min 后結束灌漿。灌漿結束后，按技術要求封孔。

3.5 二次襯砌

根據此段淺埋隧道的特殊性，圍巖類別為Ⅴ類，加之穿越高速公路，動荷載較大。為了有效地控制圍巖變形，保證隧道上部高速公路的正常通行及隧道施工的安全，仰拱襯砌盡量緊跟開挖面施工，完成開挖及初期支護后，及時進行邊頂拱襯砌，邊頂拱整體澆筑。該穿越段隧道成洞斷面為馬蹄形，采用C35 鋼筋混凝土襯砌，仰拱與邊頂拱襯砌厚度均為50.0 cm，雙層配筋。

4 結語

對穿越段的設計，首先要充分考慮所穿越的建筑物，根據建筑物特點，首先分析地面以下至洞室部位應力分布，尤其要重點考慮高速公路的動荷載影響。根據開挖洞室的受力特點進行洞內及洞外支護設計，同時嚴格執行設計參數，對每個工序都要嚴謹對待，這樣才能形成系統的作業循環，保證開挖效率和施工安全及質量。此次穿越高速公路段影響范圍為125 m，施工中采用臺階法、CRD 法開挖，超前支護，加強初期支護等方法，確保該施工段未發生任何坍塌、冒頂等地質災害，亦未發生任何安全事故。較好地控制了節點性工期，也為工程的順利貫通提供了保障。