復合式隧道襯砌結構設計方法探究

楊孟君

中國公路工程咨詢集團有限公司(武漢)橋隧分公司 湖北 武漢 430000

1 引言

隧道支護結構按新奧法原理設計,采用復合式襯砌結構,隧道各級圍巖復合式襯砌設計支護參數選擇以工程類比為主。復合式襯砌施工工作的開展,應能提升結構設計方案的施工效果,掌握設計標準原則,不斷優化設計方法,提升設計水平,消除不良的結構設計隱患。

2 工程概況

某工程隧道施工,所處位置屬于亞熱帶、暖溫帶高原季風氣候。全年氣溫不高,晴天較少,雨日較多。主導風向為西北風和東南風,年均風速2.1m/s,最大風速18m/s,刮風時間甚少,一般2～3級。水系多表現為樹枝狀,絕大多數河流具有陡峭的“V”形斷面,縱坡大,水流湍急。除區域性干流外,一般支流水量具有明顯的季節變化。路線所經區域內的構造形跡主要以北東向為主而展布的一系列斷裂、褶皺構造。斷裂多見于背斜核部或兩翼,走向一般40～60°,大多數斷裂略呈S形,與褶皺大體平行；力學性質均屬壓性和壓扭性。

3 隧道結構設計原則和標準

3.1 設計原則 隧道設計以“安全、經濟、適用、美觀”作為基本原則。隧道洞口設計嚴格控制邊仰坡高度,避免大挖大刷,盡量實現低仰坡進洞,盡量降低對沿線脆弱的生態環境的影響；洞身設計需要考慮提升安全性、長期穩定性和功能性指標,在設計中,要采取多方設計結合模式,提升排水效果,具備較高防滲效果。隧道土建設計充分體現動態反饋設計、信息化施工、動態管理的理念。隧道設計工作的開展需要根據施工目標要求,結合各種規范技術、質量和安全管控要求,結合實際的地質環境條件和水文條件,確定可靠的設計方案,在設計工作開展中,能具備較高的可行性保障,同時能彰顯較高的環境保護和生態理念,在結構設計工作開展中,應能同時兼顧經濟性指標要求,保障在設計工作開展中,能滿足各種施工目標需求,同時達到最大化成本節約效果。

3.2 設計標準 隧道結構設計速度為80km/h；雙向四車道,行車道寬度2×3.75m；公路Ⅰ級,隧道結構安全等級為一級。拱、墻達到二級防水標準,結構不允許漏水；襯砌背后不積水。地震動峰值加速度系數為0.1～0.2g,地震基本烈度Ⅶ～Ⅷ度。路面基本照明亮度不低于3.5cd/m2。結構設計使用年限為100年。

4 復合式隧道襯砌結構設計方法

4.1 小凈距隧道隧道襯砌結構設計 小凈距隧道襯砌結構具有突出的穩定保障,但是需要考慮施工開展因素,結合具體的施工技術開展流程以及所應用的機械設備,優化設計方案。路線布設盡量少占耕地,本項目小凈距隧道主要布設于連拱分岔段。小凈距隧道：“少擾動、快加固、勤量測、早封閉”的原則,保障隧道襯砌結構存在較小的變形隱患,保障施工能安全、穩定。小凈距隧道支護結構先行洞與后行洞掌子面間距控制在45m以上,先行洞初支完成并達到設計強度后,后行洞方可開挖,爆破震動速度限制在15cm/s。

4.2 連拱隧道隧道襯砌結構設計 連拱隧道適合特殊的地質環境條件,如洞口狹窄、對洞口的間距有明確的規定要求的工程設計。中墻設計是連拱隧道的關鍵環節,往往受洞外接線影響較大,故需特別強調設計與施工安全、防排水系統可靠性的有機結合。為確保連拱隧道施工安全,爆破震動速度不應大于15cm/s。在襯砌結構的設計工作開展中,能發揮突出的結構設計優勢,考慮連拱結構的施工技術要求,做好技術隱患的規避,保障在施工過程中,能按照設計方案,實現襯砌結構較好施工技術優勢的提升,一定程度上能獲得較高的施工管控效果。

4.3 緊急停車帶襯砌結構設計 長大隧道在行車方向的右側設置緊急停車帶,其設置間距根據行車橫通道的布置,總體按照不超過750m控制。長度小于1000m的隧道不設緊急停車帶。緊急停車帶結合隧道地質情況盡量布設在隧道洞身圍巖較好地段；緊急停車帶襯砌斷面采用三心圓,建筑限界凈高5.0 m,其有效長度不小于40m,過渡段長度不小于5m,寬度取3.0m,加右側向寬度0.75m,其路面橫坡為1%,其變坡點為標準建筑限界的右側行車道的外邊沿

4.4 人行、車行橫通道 人行、車行橫通道的設置按照規范考慮,一般在左右洞室之間間隔不大于750米設置一處聯絡兩主洞的車行橫通道,在兩行車橫通道之間設置兩處聯絡兩主洞的人行橫通道,行車橫洞設置于緊急停車帶處,人行、車行橫通道布置與隧道軸線正交。

4.5 構造措施

(1)縱向構造。在隧道內不同圍巖等級交界處、結構變化處設置變形縫,在洞口段及連續Ⅳ、Ⅴ級圍巖中每80米應設一道,洞身Ⅲ級圍巖段變形縫間距按不大于100米設置,以適應不均勻沉降。變形縫設計具體見防水設計圖。

(2)背后注漿。別后注漿工作要及時,保障結構體能盡早的形成穩定支撐作用,在施工過程中,可以發揮良好的抗水體侵蝕作用,在構造措施的施工過程中,能發揮出良好的施工管控力,保障各種施工質量指標能穩定可靠的開展。注漿作業關鍵是要能提升注漿材料的性能質量,在注漿過程中,應控制注漿量和注漿壓力,保障注漿液充滿整個注漿空間,在施工過程中,需要保障注漿均勻的流出注漿孔,保障漿液充滿整個注漿區域。

4.6 結構防排水 結構防排水主要是能做好結構施工的質量管控,能提升鋼筋混凝土結構的密實性在,在施工過程中,需要做好質量驗收,保障施工效果提升,同時能做到在施工過程中,發揮出良好的不良病害識別和及時處理效果,主要是能做到對結構裂縫及時的處理,消除不良的結構滲漏隱患。結構自防水采用C30、P8(鋼筋)混凝土,處理好施工縫與變形縫的防水；施工中應加強管理,確保混凝土的密實性,關鍵是處理好施工縫與變形縫的防水。結構防排水設計工作的開展應能注重采取防、排結合的方式,采取系統化防排水機制,不同防水系統之間相互配合,提升襯砌結構的防水能力,在施工過程中,注意做好工藝技術的管控,提升結果防排水能力。

(1)結構自防水。隧道復合式襯砌結構,主要是初期襯砌承擔所有荷載進行設計,所以初期襯砌結構具有較高的結構防水能力提升效果,在結果自防水的施工工作開展中,能發揮出較高的結構自防水設計管控效果,進一步提升結構體防水能力,保障隧道工程在長期的使用過程中,都能具備較高的結構穩定使用能力。

(2)外輔加防水層防水。在初期支護和二次襯砌之間拱墻敷設400g/㎡無紡布與1.5mm厚PVC防水板,采用半包分區防水,所有變形縫與施工縫外側均設EVA外貼式止水帶；防水材料主要技術指標應滿足有關規范的要求。

(3)變形縫、施工縫防水。變形縫、施工縫應作為防水防滲控制的重點,在施工過程中,通常需要制定可靠的防水結構方案,在施工過程中,能做好有關材料的施工控制,保障施工效果提升,全面實現在施工管控中,能發揮出良好的結構材料質量控制、施工環節質量管控效果。施工過程中,應能發揮出較高的工藝技術控制效果,在施工層面上,應能確保具備較高的技術人員技術水平控制能力,做好技術交底,明確施工要點,在焊接施工、位置控制、質量檢查環節都能發揮較高的施工管控效果。

(4)排水措施。隧道洞內排水是在隧道兩側設縱向排水邊溝,沿隧道周邊縱向設DN110HDPE雙壁打孔波紋管,引入隧道兩側排水溝內,具體見“隧道結構防排水設計圖”。地面排水應能可靠設置排水位置,根據排水需求,確定排水結構的坡度,避免出現水體滯留隱患。

4.7 隧道進出口及洞門設計” 隧道進出口及洞門位置對存在較大的擾斷塌陷隱患,在施工層面上,需要保障施工結構具備足夠的承載能力,保障隧道進出口位置,在長期受到各種動荷載的影響下,始終能保持較高的穩定性、安全性。洞口設計也需要保障具備較高的美感要求,符合美學理念,同時體現簡潔、受力明確合理的特點。為提升洞口設計美感,可以通過加設裝飾線條的方式,打造各種可靠設計造型,提升設計優勢,保障在設計工作開展中,能發揮較高的美學保障,同時能實現在設計工作開展中,不會影響結構的安全。隧道洞門施工前先清除洞口坡體上碎石堆積體同時清理山坡危石等,再進行明洞基坑的施工。暗洞開挖后,在洞口段支護變形基本穩定的前提下應盡快施做明洞及洞門。

5 結語

復合式襯砌設計工作的開展,需要滿足多方面的要求,同時考慮施工因素,不斷對設計方案優化,提升設計實施效果,保障隧道結構能滿足各種工程建設要求。