隧道工程總體設計方案研究
——以茶埡隧道項目為例

張中立

(江蘇蘇通大橋有限責任公司,江蘇 南通 226017)

0 引言

隧道設計的優劣對隧道施工的質量具有至關重要的影響。隧道設計應該與隧道工程的特性相匹配,設計理念和技術規范必須與現代公路建設的發展水平相適應。在隧道設計過程中,環保理念應始終處于核心地位,以避免對地表植被、人文和自然景觀,以及居民生活用水的負面影響。

1 項目概況

隧道長約1 700 m,設置1處停車帶即可滿足規范要求,鑒于該隧道地質條件較差,建議設置1處緊急停車帶、4處人行橫洞。左右洞共設置4處緊急停車帶、2處車行橫洞、4處人行橫洞。洞身段測量線間距約24 m,設計按小凈距隧道處理投資高、施工麻煩。鑒于該隧道地質條件較差,除洞口段外測量線間距應加大至30 m,按標準的分離式隧道進行設計,對隧道洞身線位進行優化,洞身段測量線間距加大,洞口段V級圍巖凈距在2倍開挖寬度(約24 m)以內施工按照小凈距隧道處理,其余段按照正常分離式隧道進行設計。核實洞身深埋段是否有鉆至隧底以下的鉆孔,若有應補充至隧道縱斷面圖上,在隧道縱斷面圖上補充洞身深埋段的鉆孔。洞身巖性為中風化泥質灰巖,應進一步核實全部劃分為V級圍巖的合理性。宏觀看,圍巖分段不合理,如V1級圍巖最短,僅21 m。

2 隧道設計技術標準

(1)公路等級:雙洞四車道二級公路。(2)設計速度:60 km/h。(3)隧道防水等級:二級,二次襯砌混凝土抗滲等級不小于P8。(4)隧道路面橫坡(正常路拱):單向坡-2%(直線段)。(5)隧道縱坡:控制在0.30%～3.0%。(6)隧道設計洪水頻率:1/100。(7)隧道地震基本烈度為Ⅵ度,抗震設防烈度為Ⅶ度[1]。

3 隧道總體設計方案

3.1 建設規模

通過研究機動車和慢行交通需求以及工程實施可行性后,茶埡隧道選用雙向四車道,以更好地滿足機動車交通需求。此外,為滿足行人和車輛的需求,隧道內部設置了4處人行橫通道和2處車行橫通道,提供更加便捷的過街和通行方式。在地面上,還設置輔助道路,以滿足沿線地區出行的需求以及路網的連通性,使得整個交通系統更加完善和高效。

3.2 平縱面設計

茶埡隧道萬源端左線洞口位于R=850的圓曲線上,萬源端右線洞口位于R=920的圓曲線上;八臺端左線洞口位于R=650的圓曲線上,八臺端右線洞口位于R=650的圓曲線上,洞口地段滿足洞內外“3S設計行程”的線型一致。隧道左右線均設置“人”字坡,右線按行車方向為2.48%的上坡接1.305%的下坡,左線按行車方向為0.878%的上坡接2.49%的下坡。

3.3 隧道洞口設計

茶埡隧道萬源端洞口左右線地形偏壓,均采用偏壓端墻式洞門,左洞明洞長12 m,右洞明洞長10 m;八臺端洞口左右線地形嚴重偏壓,均采用偏壓端墻式洞門,左洞設置長8 m的明洞,右洞設置長5 m的明洞。

本隧道萬源端和八臺端的洞門主體均采用C20混凝土材料,墻厚1.4 m。洞門墻基礎深入巖土體平均深度不小于1 m,洞門墻基礎的基底承載力要求不小于350 kPa,明洞地基承載力不得小于300 kPa,施工前應檢測地基承載力,不滿足要求時需進行換填。萬源端右洞的洞門和明洞段基底采用C15混凝土換填至巖層面,以滿足承載力要求。本隧道萬源端和八臺端的洞門均采用偏壓臺階端墻式,洞門頂部檐面和墻身正立面分別鋪貼瓷磚和石板進行裝飾。

3.4 隧道襯砌結構設計

3.4.1 明洞襯砌

明洞襯砌采用60 cm C30鋼筋混凝土結構,填土高度應不小于2 m,并不宜大于5 m,明洞頂回填區域上部進行種草綠化,洞口的邊仰坡面進行修坡和綠化,同周邊地形環境相協調。明洞襯砌應該在洞口開挖完成之后立即進行施工,并滿足設計強度后進行回填。在結構計算期間,應考慮回填土荷載、結構自重荷載、坡頂滾石沖擊荷載以及施工荷載。同時,對于仰拱和采用漿砌片石回填的邊墻部分,需考慮地基彈性抗力的影響。明洞與洞門之間設置2圈連接鋼筋,作為抗震構造措施。通過連接鋼筋,增強洞門墻同明洞結構的連接,增加其結構的穩定性[2]。

3.4.2 洞身襯砌

隧道洞身采用了“新奧法”原理的復合式襯砌結構,結合了多種初期支護手段,如錨桿、噴混凝土或鋼筋網噴混凝土、鋼拱架等,并且以鋼筋混凝土用于二次襯砌,以此共同構成永久性承載結構。此外,為了防止滲水,在初期支護與二次襯砌之間鋪設土工布并增加了0.15 cm厚的EVA防水板作為防水層。根據圍巖等級、工程地質和水文地質條件、地形和埋深、結構受力特點,以及施工和環境條件,按照公路隧道設計規范,并通過工程類比綜合分析,最終確定襯砌結構的支撐參數。

根據詳勘報告,本隧道洞身段圍巖均為Ⅴ級,根據隧道凈距、埋深的不同,本隧道襯砌采用了普通分離式襯砌和小凈距襯砌兩種類型。在隧道兩端洞口地段,1B<隧道凈距≤2B(B為隧道開挖跨度)的區域采用小凈距形式。本隧道其余地段,2B<隧道凈距,采用分離式襯砌。分離式襯砌根據隧道巖體破碎程度、埋深大小、偏壓情況等共設置Ⅴ級圍巖深埋段襯砌(S-Ⅴa)、Ⅴ級圍巖構造破碎段襯砌(S-Ⅴb)、Ⅴ級圍巖洞口淺埋偏壓加強段襯砌(S-Ⅴc)、Ⅴ級圍巖行車橫洞口加強段襯砌(S-Ⅴd)、Ⅴ級圍巖緊急停車帶襯砌(ST-Ⅴ)等5種襯砌結構形式。小凈距襯砌采用XS-Ⅴ襯砌,適用于1B<隧道凈距≤2B地段。

本隧道的人行橫洞均位于Ⅴ級圍巖中,人行橫洞采用SR-Ⅴ襯砌,人行橫洞的洞口段采用30 cm鋼筋混凝土結構加強;人行橫洞同主洞相交的部位主洞采用S-Ⅴb鋼筋混凝土結構進行加強。本隧道的車行橫道均位于Ⅴ級圍巖中,車行橫道采用SC-Ⅴ襯砌,車行橫道的洞口段采用40 cm鋼筋混凝土結構加強。車行橫道與主洞相交的部分使用S-Ⅴd的鋼筋混凝土結構進行強化[3]。

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(1)初期支護:在Ⅴ級圍巖地段,初始支撐結構由工字鋼鋼拱架、系統錨桿、C25噴射混凝土、鋼筋網所組成,為了提升系統錨桿的穩定性,可以使用Φ25中空注漿錨桿來增強。鋼拱架具有高剛度和發揮作用快的優點,因此較為適合在跨度大、圍巖自穩能力差的地段應用。使用Φ22的鋼筋在每榀鋼拱架間進行交錯相連接,同時采用焊接形式將其與超前注漿小導管焊成一個整體,與圍巖緊密貼合,形成承載結構。

(2)二次襯砌:在Ⅴ級圍巖地段中的隧道洞口淺埋段、偏壓段和洞身構造破碎帶,由于巖體風化嚴重、節理發育,圍巖條件相對較差,為Ⅴ2級圍巖地段。二次襯砌可以選用鋼筋混凝土結構等級為C30,并要求緊跟掌子面。針對Ⅴ級圍巖地段中的洞身深埋地段,圍巖條件相對較好,為Ⅴ1級圍巖地段,二次襯砌同樣采用C30鋼筋混凝土結構,但是需要結合現場監測數據,準確判斷二次襯砌的施工時間,以最大限度地發揮初期支護的承載能力。

3.5 輔助施工設計

3.5.1 超前長管棚

在隧道洞口Ⅴ級圍巖地質條件較差的地段,注漿技術可有效提高圍巖的承載能力,增強巖體對結構的彈性抗力,經過注漿處理后,結構受力情況得到顯著改善。管棚鋼管選用長度為3 m、6 mΦ108×6 mm熱軋無縫鋼管,環向間距為0.4 m。然而,鋼管應布設在襯砌拱部,其打設角度為仰角1°～3°(不包括路線縱坡)。

3.5.2 超前小導管

隧道Ⅴ級圍巖地段采用超前小導管進行施工,小導管長度為4.5 m、Φ42 mm×3.5 mm熱軋無縫鋼管,環向間距40 cm,S-Ⅴa襯砌段超前小導管的縱向間距為3.2 m,S-Ⅴb、S-Ⅴc、S-Ⅴd、XS-Ⅴ、ST-Ⅴ襯砌段超前小導管的縱向間距均為3.0 m。施工中,應確保每環超前小導管的縱向搭接長度不小于1.0 m。小導管以10°～15°外傾角打入拱部圍巖后,及時進行注漿施工。針對注漿方法的選用,單液注漿是本項目最為理想的選擇,它不僅使工藝更簡單,還可以降低施工成本,且具有更高的固結強度。因此,在開始正式注漿之前,進行單液注漿實驗是非常必要的。在單液注漿時,使用純水泥漿液。如果單液注漿的效果良好,能夠達到固結圍巖的目的,那么整個隧道都可以采用單液注漿的方案。主要注漿參數如下:水泥漿水灰比為1∶1;注漿壓力為0.4～1.0 MPa;終壓為2.0 MPa。在注漿施工過程中,通常以單管達到設計的注漿量作為結束的標準。當注漿壓力達到設計終壓并持續10 min后,如果進漿量仍然沒有達到設計的注漿量,也可以停止注漿工作。在注漿過程中,需要詳細記錄所有的數據,以便進行分析和改進。此外,還需要密切觀察初期支護和工作面的狀態,以確保安全。

3.6 防排水設計

3.6.1 防排水設計原則

根據本隧道的水文地質特征及周圍環境情況,進行隧道防排水設計時應遵循“防、排、截、堵”相結合的原則,采用因地制宜的綜合治理方法,構建完整的防水系統和排水系統,以實現隧道防水的可靠性和排水的暢通性。通過這種綜合治理方法,運營期間隧道內可以保持基本干燥,從而確保結構的正常使用和行車安全。

在穿越隧道的過程中,若遇到嚴重的涌水段或洞周圍局部涌水,需要按照超前鉆孔的實際情況進行測試與探究。如有必要,可以選用全斷面深孔預注漿、全斷面周邊預注漿或開挖后周邊局部注漿等舉措,來封閉地下水的流動通道以及裂隙,這樣可以規避地表水過度流失,從而保護居民的生活和農業灌溉用水免受影響。

隧道明洞段采用黏土隔水層作為第一道防線防止地表水滲透,明洞襯砌外鋪設1.5 mm EVA防水卷材和350 g/m2無紡布(無紡布為防水板內外兩層布設)作為第二道防水措施。在隧道工程中,為了防止水滲入洞內,采取多種措施。首先,在暗洞段,使用超前小導管預注漿、系統錨桿和噴射混凝土,形成一個圍巖加固圈,作為防水的第一道防線。其次,在初期支護和二次襯砌之間鋪設1.5 mm的EVA防水卷材與350 g/m2的無紡布,將它們設置在靠近圍巖的一側,作為第二道防水措施。隧道二次襯砌混凝土的抗滲等級為P8,作為隧道防水最后一道防線。隧道防水措施及施工方法詳見相關設計文件、規范和操作規程等。施工縫采用外貼式EVA止水帶+中埋式橡膠止水帶進行防水,沉降縫采用外貼式EVA止水帶+中埋式鋼邊橡膠止水帶進行防水。

3.6.3 排水措施

地面水和地下水以分開引排的形式來設計,潔污分流更環保,以確保隧道內排水暢通。在隧道路面兩側設置縱向排水邊溝,用于排除隧道路面積水、清洗和消防水等污濁水,其縱坡應與隧道縱坡相一致。在隧道底部設置40 cm×40 cm矩形排水溝以排出襯砌背后積水,并沿隧道縱向上每隔250～300 m設置中央排水溝檢查井。

在初始支撐和第二次襯砌之間,利用環向Φ50 mm的軟式彈簧透水管進行設置,按照400 cm一道的標準布置,當水量較大時,需要加密一道。這種透水管可以將水引入縱向的Φ100 mmHDPE雙壁打孔波紋管內,該管應設計在標高以下0.88 m的位置。同時,隧道邊墻的底部選用橫向Φ100 mmPVC塑料排水管,將水引排至中心水溝,然后排出洞外。

在路面基層下部設置Φ50 mmHDPE雙壁打孔波紋管連通至中心水溝,以防止路面層冒水,縱向間距10 m一道。集中股水流處經注漿堵水后再設置Φ50 mm軟式彈簧透水管,管端部應穿越初期支護直接與股水流處對接以達到更好的排水效果,水量豐富地段可結合現場情況適當加密。各管件接頭及交叉接頭必須用多通管連接,確保排水暢通。打孔波紋管均外裹無紡布。

3.7 洞口防排水設計

為了防止地表的匯水沖蝕洞口,在其上方設網狀的截水溝,以引導地表的水流向路基邊溝或洞門外端的自然溝谷,從而構建一個完善的洞外排水系統,保護洞口工程免受水害影響。為使排水順暢,排水坡度與地面縱坡同坡、排水設施轉向處應做到圓順過渡。

3.8 注漿防水

為了盡量減少隧道開挖后對地下水結構的影響,減少地下水的流失,保護好沿線生態環境及居民生活、生產用水,應對以下情況采取注漿堵水:在隧道施工開挖前,對預測涌水量大的地段、斷層破碎帶和軟弱地層進行超前預注漿,對地下水進行封堵。在隧道開挖后,存在大股涌水或大面積滲漏水地段,應采取襯砌前圍巖注漿,對地下水進行封堵,減少地下水排放量。在隧道開挖后,開挖面存在出露的股水,也應進行注漿堵水。若在進行初期支護后,壁面仍然存在滲漏水時,應向初期支護背后實施注漿封堵。隧道襯砌背后設有縱橫向排水管,將封堵后剩余的地下水引入隧道中心溝排出洞內,此排水量應遠小于地下水的補給量。若隧道底板圍巖裂隙及節理發育時應進行注漿加固處理。

4 結語

在進行隧道設計過程中,應盡量減少對邊坡和仰坡的開挖高度,以降低對原始地形的破壞程度。同時,對于開挖后形成的表面,應進行綠化,以加強對環境的保護。在設計中,可以采用物探和地質雷達等先進科技手段,預先規劃相應措施以處理可能遇到的不良地質情況,確保隧道的安全性和穩定性。并且,應該采用動態設計的方式根據實際情況不斷調整和完善設計方案以確保隧道工程的順利進行。