基于投資最優(yōu)的隧洞設(shè)計方案比選

摘 要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展，隧道的修建越來越多，如何在滿足結(jié)構(gòu)使用性能的基礎(chǔ)上，做到投資最優(yōu)，是隧道修建急需解決的問題。文章結(jié)合某隧道設(shè)計成功實踐，詳細闡述了基于投資最優(yōu)的該遂洞設(shè)計關(guān)鍵的洞線方案、隧洞單、雙洞方案和洞底高程設(shè)計方案的確定過程，可供同類工程設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：投資最優(yōu)；水工隧洞；設(shè)計

1 工程概況

某進出口地面高程90～97m，山頂高程214～293m。。隧洞進口由斷層f1、節(jié)理L1、斷層F1形成的楔形體屬不穩(wěn)定體，應(yīng)加強固坡措施。洞身段樁號為378+467～380+117，378+467～378+594段處在構(gòu)造發(fā)育帶內(nèi)，巖體的完整性已遭較大的破壞，極易產(chǎn)生塌方，圍巖評價為不穩(wěn)定，為Ⅳ類圍巖；378+594～379+194段地表燧石條帶白云巖為弱風化巖，洞頂板以上至少有50m厚的微風化巖，巖體完整性好，地下水活動微弱，為Ⅱ類圍巖，圍巖評價為基本穩(wěn)定，局部可能存在小型不穩(wěn)定組合體，工程地質(zhì)條件較好； 379+194～379+294段地表燧石條帶白云巖為弱風化巖，洞頂板以上至少有30～50m厚的微風化巖，位于向斜南西翼，受向斜構(gòu)造的影響，巖體層間結(jié)合性較差，局部節(jié)理發(fā)育，地下水有可能局部富集，為Ⅲ類圍巖，圍巖穩(wěn)定評價為穩(wěn)定性差，可能存在不穩(wěn)定組合體； 379+294～379+354段處于向斜軸部及F2斷層帶中，巖體結(jié)構(gòu)為碎裂結(jié)構(gòu)，地下水較活躍，為Ⅳ類圍巖，圍巖穩(wěn)定評價為不穩(wěn)定，局部可能產(chǎn)生坍落； 379+354～379+454段地表燧石條帶白云巖為弱風化巖，洞頂板以上有30～40m厚的微風化巖。本段位于向斜北東翼，受向斜構(gòu)造的影響，巖體層間結(jié)合性較差，局部節(jié)理發(fā)育，地下水有可能局部富集，為Ⅲ類圍巖，圍巖穩(wěn)定評價為穩(wěn)定性差，可能存在不穩(wěn)定組合體； 379+454～380+014段地表巖石即為弱風化巖，頂板以上微風化巖厚20～120m，巖體完整性好，地下水活動微弱，為Ⅱ類圍巖，圍巖評價為基本穩(wěn)定，局部可能存在小型不穩(wěn)定組合體，工程地質(zhì)條件較好； 380+014～380+117段地表巖石即為弱風化，局部發(fā)育小規(guī)模破碎帶，節(jié)理發(fā)育但閉合，地下水活動微弱，為Ⅲ類圍巖。隧洞工程區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s，相當于原地震基本烈度6度區(qū)，按6度設(shè)防，工程建筑物不進行抗震計算。

2 基于投資最優(yōu)洞線方案比選

洞線I隧洞方案為崗頭隧洞于新建村東北穿越崗頭山，洞身長1300m，該隧洞進口段斷層節(jié)理發(fā)育，斷層破碎帶較寬，進出口均有較厚的覆蓋層，上覆圍巖薄，工程地質(zhì)條件差，成洞困難；洞線II方案為避開不良地質(zhì)段，將洞線西移300m，案隧洞主體長1650m，隧洞軸線走向NE33°50′10″，巖層走向NW280°～300°，洞線與巖層走向近乎垂直，有利于洞身圍巖穩(wěn)定，隧洞進出口地面高程90.0～97.0m，山頂高程214～293m，洞身段地質(zhì)為層狀巖體單一結(jié)構(gòu)，巖性為燧石條帶白云巖，Ⅱ、Ⅲ類圍巖占隧洞總長的89%，巖體完整性好；方案主要技術(shù)經(jīng)濟比較見表1。

基于投資最優(yōu)考慮，由于洞線II方案主體工程投資減少4252萬元，最后被確定為推薦方案。

3 基于投資最優(yōu)隧洞單、雙洞方案比選

隧洞設(shè)計流量125m3/s，加大流量150m3/s，洞身長1650m。經(jīng)過水力計算，提出單、雙洞兩種方案，見圖1，經(jīng)濟比較見表2。

（a）雙洞方案 （b）單洞方案

圖1 單雙洞線方案洞身斷面圖

表3 方案主要工程量對比

基于投資最優(yōu)考慮，由于雙洞方案單洞線方案減少投資1138萬元，最后被確定為推薦方案。

4 基于投資最優(yōu)洞底高程的確定

鑒于在隧洞上下游渠段內(nèi)的設(shè)計水深只有4.5m，隧洞分配水頭值為0.345m，而隧洞需要的底寬為7.8m，不具備形成有壓隧洞的條件，采用無壓隧洞。根據(jù)工程類比和經(jīng)濟分析，在Ⅱ、Ⅲ類圍巖中采用錨噴支護作為永久支護是經(jīng)濟的。采用圓拱直墻型斷面，斷面單一，施工簡便，造價較低，故確定采用圓拱直墻型斷面。按照常規(guī)設(shè)計，洞底高程的縱向布置常采用上下游渠底高程連線，經(jīng)水力計算斷面凈寬為9.3m×2，洞內(nèi)設(shè)計水深4.38m，加大水深4.87m，斷面高寬比為0.84；對于洞底高程進理論分析和水工模型試驗，提出了洞底高程降低0.9m的布置方案，兩種比較方案主要工程數(shù)量對比見表3。洞底降低0.9m比洞底不降低節(jié)省投資669.1萬元，降低洞底方案明顯優(yōu)于不降洞底方案，選為推薦方案。

5 結(jié)束語

隧洞設(shè)計過程中，在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，始終堅持基于投資最優(yōu)的原則確定各種方案，取得了很好的經(jīng)濟效益，可供同類工程設(shè)計參考。

參考文獻

[1]蔣勝波，劉剛.吉茶高速公路坡頭隧道設(shè)計方案比選[J].中外公路，2007（3）.

[2]梁文灝，李國良.烏鞘嶺特長隧道方案設(shè)計[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004（2）.

[3]梁文灝，劉培碩，李國良，劉 ，陳紹華.關(guān)角隧道設(shè)計方案比選[J].隧道建設(shè)，2007（4）.

[4]張竹清.城際鐵路隧道平行下穿既有河道方案設(shè)計[J].鐵道標準設(shè)計，2012（1）.

作者簡介：劉斌（1987-），男，漢族，本科，助理工程師，主要從事鐵路與公路施工工作。