隧道下穿已建高速公路設計方案比選

侯豪斌

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

近年來，我國公路建設發展迅速，2012年已超越美國成為高速公路通車總里程最長的國家，至2013年底，我國高速公路總里程已達104 468 km[1]。公路下穿在建或已建成公路時，多采用頂推框架、隧道或將原路改造為橋梁等結構形式，當受地形、工期、保通、環保等條件限制時又多采用隧道結構形式。本文以某高速公路與已建高速公路交叉時，采用隧道下穿已建高速公路路基段為例，對下穿隧道所采用施工方案進行分析比較，并提出合理結構形式。

1 概述

1.1 工程概況

已建高速公路路基路面已施工完成，計劃12月底通車，某高速公路與已建高速公路立體交叉，由于時間緊迫、工程質量要求較高，擬采用隧道形式下穿已建高速公路，并計劃9月中旬開工建設。隧道洞口位于已建高速公路路基坡腳東側，已建高速公路為雙向四車道高速公路，路基寬度24.5 m，設計行車速度80 km/h，交叉段路面高差約15.7 m，平面位置見圖1。

1.2 地質條件

隧道拱部處于高速公路路基填方段，洞身下部圍巖為碎石土。已建高速路基填方以黃土夾雜棄方石渣為主，邊坡坡率為1∶1.5；碎石土中碎石成分以片麻巖為主，粒徑大小不一，碎石間主要充填砂礫，稍密—中密，天然密度2.0 g/cm3，基本承載力為δ0=300 kPa，內摩擦角φ=36° ，壓縮模量Es=30 MPa，側壓力系數K0=0.28。

1.3 主要技術指標

圖1 平面位置圖

a）某高速公路為雙向四車道高速公路，設計速度80 km/h，路基寬度24.5 m。

b）隧道采用分離式隧道，建筑限界9.75×5.0 m。

c）抗震設防烈度：按Ⅶ度地震設防。

2 方案比選

隧道下穿路基段最初采用明挖法設計，由于明挖法對原路基破壞發生范圍大，交通中斷時間長，且已建高速公路計劃12月底通車，空檔時間約105 d，明挖法難于有效保證已建高速通車時間；其后對暗挖法、蓋挖法進行了研討，各實施方案及比較如下。

2.1 明挖法

明挖法結構形式簡單，質量容易控制，技術安全可靠，是諸多施工方法中較為經濟的一種施工方法。

2.1.1 基坑開挖圍護

基坑開挖高度19 m、寬度最大約55 m，分兩級開挖，上下級間設2 m平臺。上級邊坡主要為路基填土，采用1∶1放坡，10 cm C20噴射混凝土護面；下級邊坡主要為碎石土層，采用1∶0.75坡率，土釘墻支護，土釘長度4～6 m，間距為2 m。

2.1.2 隧道結構

明挖段隧道采用C30鋼筋混凝土明洞結構，拱墻及仰拱厚度為70 cm，明洞結構采用φ22@20配筋，地基承載力要求大于等于300 kPa，經計算最大裂縫寬度為墻腳處0.165 mm，滿足地下工程防水混凝土結構裂縫寬度不得大于0.2 mm的要求[2]。

圖2 明挖法設計方案

2.1.3 基坑回填

明洞結構混凝土達到設計強度后并鋪設防水層后進行基坑回填。主要回填料為：下部采用級配碎石水泥拌合料，水泥摻量5%；上部采用碎石土，壓實度不小于96%。

2.1.4 工期

隧道明洞左線長110 m，右線長95 m，土方約9.5萬m3，以左線作為工期控制長度，按施工進場、施工準備、明洞開挖、明洞結構、洞頂回填、路面恢復、附屬結構等所需時間計算工期，總時長約105 d，與已建高速公路通車空檔時間相當。

2.2 暗挖法

暗挖法可在不破壞已建高速公路的情況下進行隧道施工。進洞位置距已建高速公路路基坡腳約8 m，左線下穿已建高速公路73 m，右線71 m，采用復合式襯砌結構（見圖3）。由于隧道埋深最大處僅7.95 m，拱頂以上為路基回填土，自穩能力較差，為確保施工安全、控制地表沉降，擬采用“超前大管棚+全長拱部中空注漿錨桿注漿”的輔助施工措施。

圖3 暗挖法設計方案

2.2.1 隧道結構

隧道初期支護采用噴射C25早強混凝土30 cm，內設I20a鋼拱架（@=60 cm）、雙層φ8鋼筋網（@=20×20 cm），設長4 m的D25中空注漿錨桿（@=60×80 cm）；二襯采用C30鋼筋混凝土結構，厚度為50 cm，主筋采用φ22@20 cm配筋。

2.2.2 輔助措施

a）隧道拱部120°范圍打設φ108超前大管棚，管棚單根長30 m，在管棚形成的保護殼下進行隧道開挖作業。

b）全長拱部120°范圍打設長4 m的D25中空注漿錨桿并注漿加固洞周土體，提高其自穩能力。

2.2.3 施工控制

由于本段隧道穿越已建成路基，對地表沉降要求嚴格，采用三臺階七步開挖法施工，循環進尺控制在60 cm，嚴格按照“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉”的原則進行施工，初期支護及時閉合成環能有效控制拱頂下沉及地表下沉量[3]。同時做好本段監控量測工作，堅持“動態設計、動態施工”原則。經模擬計算，施工后地表沉降值達25 mm。

圖4 暗洞施工后地表沉降值

2.2.4 工期

由于本段隧道拱部以上為回填路基，且對地表沉降要求嚴格，為最大限度減少隧道開挖對已建成路面的影響，建議先行隧道穿越路基段之后再施工后行隧道。根據工程經驗，按施工進場、施工準備、明洞施工、輔助施工、暗洞施作、附屬結構等所需時間計算工期，總時長約255 d，由于暗洞對原路基無破壞，對已建高速公路通車時間無影響。

2.3 蓋挖法

蓋挖法具有明挖法施工結構形式相對簡單、質量容易控制、技術安全可靠、經濟的優點，同時蓋挖法施工拱蓋后，可快速恢復已建高速公路路面，對原路交通影響時間短。

2.3.1 結構形式

基坑開挖至距隧道路面設計標高4.5 m后，施作φ108鋼管樁，長度為6 m，每組2根，與豎向交角分別為10°和20°，然后施工拱蓋，拱蓋結構厚度為60 cm，主筋采用φ22@25 cm配筋。

蓋挖法暗洞施工由初支和二襯兩部分組成，初支上部與拱蓋相銜接。支護參數為：初支采用噴射C25早強混凝土 30 cm，內設 I20a鋼拱架（@=60 cm）、雙層 φ8鋼筋網（@=20×20 cm），設長 4 m的D25中空注漿錨桿（@=60×80 cm）；二襯采用C30鋼筋混凝土結構，厚度為50 cm，主筋采用φ22@20 cm配筋。

圖5 蓋挖法設計方案

2.3.2 基坑回填

拱蓋達到設計強度后，鋪設防水層，然后進行基坑回填。回填分為兩層，坑底至拱蓋頂以上1 m采用級配碎石水泥拌合料回填，每隔2 m滿鋪一層土工格柵；拱蓋頂1 m以上至路面結構層下采用碎石土回填，每隔2 m滿鋪一層土工格柵。填料要求與明挖法同。

2.3.3 工期

由于左右線隧道外輪廓相距僅15 m，路基回填后施工暗洞時左右洞有一定影響，建議路基段先行洞與后行洞間隔不小于20 m。根據工程經驗，按施工進場、施工準備、土方開挖、拱蓋施工、土方回填、路面恢復、暗洞施工，以及附屬結構、明洞施工等所需時間計算工期，總時長約210 d；其中對已建高速交通影響的主要為施工進場、施工準備、土方開挖、拱蓋施工、土方回填、路面恢復、明洞施工等，所需時長約75 d。

2.4 方案比選

3種方法目前都相對成熟，能保證施工質量及沉降控制，在以上3種方法結構設計、工期安排、工程難度、工程造價、工程風險等進行了詳細的比較，詳見表1。

表1 各工法比較

經過對比研究，明挖法雖然造價較低，但其土方量大，對環境影響大，受氣候影響大，雨季施工或旱季施工中遇到大雨，臨時邊坡失穩的概率增大[4]，同時明挖法施工須隧道結構達到設計強度后方能回填，施工工期長，由于征地、降水等施工影響因素較多，工期難以保證，以及受行政審批等因素影響，工期將大于105 d，不能保證已建高速公路通車時間；暗挖法在不破壞已建高速公路路面情況下進行施工，對通車時間無影響，但其工序復雜，地表沉降較難控制，易影響到已建高速行車舒適性，同時由于工序復雜，施工工期長，工程造價較高；蓋挖法雖然需施作鋼管樁及拱蓋，但其基坑邊坡無需防護，造價適中，拱蓋施作并達到設計強度后即可回填恢復路面，對通車影響小，暗洞在拱蓋保護下施作，無需考慮地表沉降影響，施工工期適中。綜合各工法難易程度、質量控制、工程造價、對已建高速公路影響程度等因素，最終選擇蓋挖法施工方案。

3 結語

采用隧道形式穿越已建或運營高速公路已成為與高速公路立體交叉的重要形式，在實際操作中也有較多的工程可以類比，但各項目在實施中都有自己的特點，因此，工程人員應根據所在項目的位置、地形地貌、人文、地質條件、交通組織形式、環保、工期要求等特點選擇適合自己工程的施工方案，以期在質量、經濟、工期、環境、社會影響等方面達到合理的平衡。就本項目而言，由于已建高速公路路基路面均已建成，給隧道施工時間僅有105 d，項目實施過程中存在降水、地質變化等不確定因素，所需工期將大于105 d，同時行政審批也是影響工期的一大因素，明挖法明顯不適合本項目；暗挖法雖不影響已建高速公路通車，但其工序復雜、造價較高、地表沉降難以控制，因此在這種有限工期的情況下，結構形式較簡單、技術成熟、造價相對適中的蓋挖法成為首選。

綜上所述，采用隧道形式穿越已建或運營高速公路，需綜合地理位置、地形地貌、人文、地質條件、交通組織形式、工期要求等因素選擇合理的施工方案，實施過程中還需考慮到施工準備、地質變化、人為干擾、行政審批等不確定性因素，這樣才能充分保證工程如期完成。