隧道下穿已建高速公路設(shè)計(jì)方案比選

侯豪斌

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

近年來，我國公路建設(shè)發(fā)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(dá)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?qū)⒃犯脑鞛闃蛄旱冉Y(jié)構(gòu)形式，當(dāng)受地形、工期、保通、環(huán)保等條件限制時又多采用隧道結(jié)構(gòu)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(jìn)行分析比較，并提出合理結(jié)構(gòu)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(jì)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(zhì)量要求較高，擬采用隧道形式下穿已建高速公路，并計(jì)劃9月中旬開工建設(shè)。隧道洞口位于已建高速公路路基坡腳東側(cè)，已建高速公路為雙向四車道高速公路，路基寬度24.5 m，設(shè)計(jì)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(zhì)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(nèi)摩擦角φ=36° ，壓縮模量Es=30 MPa，側(cè)壓力系數(shù)K0=0.28。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 平面位置圖

a）某高速公路為雙向四車道高速公路，設(shè)計(jì)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(shè)防烈度：按Ⅶ度地震設(shè)防。

2 方案比選

隧道下穿路基段最初采用明挖法設(shè)計(jì)，由于明挖法對原路基破壞發(fā)生范圍大，交通中斷時間長，且已建高速公路計(jì)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(jìn)行了研討，各實(shí)施方案及比較如下。

2.1 明挖法

明挖法結(jié)構(gòu)形式簡單，質(zhì)量容易控制，技術(shù)安全可靠，是諸多施工方法中較為經(jīng)濟(jì)的一種施工方法。

2.1.1 基坑開挖圍護(hù)

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(shè)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(hù)面；下級邊坡主要為碎石土層，采用1∶0.75坡率，土釘墻支護(hù)，土釘長度4～6 m，間距為2 m。

2.1.2 隧道結(jié)構(gòu)

明挖段隧道采用C30鋼筋混凝土明洞結(jié)構(gòu)，拱墻及仰拱厚度為70 cm，明洞結(jié)構(gòu)采用φ22@20配筋，地基承載力要求大于等于300 kPa，經(jīng)計(jì)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(jié)構(gòu)裂縫寬度不得大于0.2 mm的要求[2]。

圖2 明挖法設(shè)計(jì)方案

2.1.3 基坑回填

明洞結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后并鋪設(shè)防水層后進(jìn)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(shí)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(jìn)場、施工準(zhǔn)備、明洞開挖、明洞結(jié)構(gòu)、洞頂回填、路面恢復(fù)、附屬結(jié)構(gòu)等所需時間計(jì)算工期，總時長約105 d，與已建高速公路通車空檔時間相當(dāng)。

2.2 暗挖法

暗挖法可在不破壞已建高速公路的情況下進(jìn)行隧道施工。進(jìn)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(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)（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(wěn)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(shè)計(jì)方案

2.2.1 隧道結(jié)構(gòu)

隧道初期支護(hù)采用噴射C25早強(qiáng)混凝土30 cm，內(nèi)設(shè)I20a鋼拱架（@=60 cm）、雙層φ8鋼筋網(wǎng)（@=20×20 cm），設(shè)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(jié)構(gòu)，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(shè)φ108超前大管棚，管棚單根長30 m，在管棚形成的保護(hù)殼下進(jìn)行隧道開挖作業(yè)。

b）全長拱部120°范圍打設(shè)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(wěn)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(yán)格，采用三臺階七步開挖法施工，循環(huán)進(jìn)尺控制在60 cm，嚴(yán)格按照“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉”的原則進(jìn)行施工，初期支護(hù)及時閉合成環(huán)能有效控制拱頂下沉及地表下沉量[3]。同時做好本段監(jiān)控量測工作，堅(jiān)持“動態(tài)設(shè)計(jì)、動態(tài)施工”原則。經(jīng)模擬計(jì)算，施工后地表沉降值達(dá)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(yán)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(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，按施工進(jìn)場、施工準(zhǔn)備、明洞施工、輔助施工、暗洞施作、附屬結(jié)構(gòu)等所需時間計(jì)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(jié)構(gòu)形式相對簡單、質(zhì)量容易控制、技術(shù)安全可靠、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，同時蓋挖法施工拱蓋后，可快速恢復(fù)已建高速公路路面，對原路交通影響時間短。

2.3.1 結(jié)構(gòu)形式

基坑開挖至距隧道路面設(shè)計(jì)標(biāo)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(jié)構(gòu)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(hù)參數(shù)為：初支采用噴射C25早強(qiáng)混凝土 30 cm，內(nèi)設(shè) I20a鋼拱架（@=60 cm）、雙層 φ8鋼筋網(wǎng)（@=20×20 cm），設(shè)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(jié)構(gòu)，厚度為50 cm，主筋采用φ22@20 cm配筋。

圖5 蓋挖法設(shè)計(jì)方案

2.3.2 基坑回填

拱蓋達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，鋪設(shè)防水層，然后進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，按施工進(jìn)場、施工準(zhǔn)備、土方開挖、拱蓋施工、土方回填、路面恢復(fù)、暗洞施工，以及附屬結(jié)構(gòu)、明洞施工等所需時間計(jì)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(jìn)場、施工準(zhǔn)備、土方開挖、拱蓋施工、土方回填、路面恢復(fù)、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(zhì)量及沉降控制，在以上3種方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工期安排、工程難度、工程造價、工程風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行了詳細(xì)的比較，詳見表1。

表1 各工法比較

經(jīng)過對比研究，明挖法雖然造價較低，但其土方量大，對環(huán)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(wěn)的概率增大[4]，同時明挖法施工須隧道結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)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(jìn)行施工，對通車時間無影響，但其工序復(fù)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(fù)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(hù)，造價適中，拱蓋施作并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后即可回填恢復(fù)路面，對通車影響小，暗洞在拱蓋保護(hù)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(zhì)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(jié)語

采用隧道形式穿越已建或運(yùn)營高速公路已成為與高速公路立體交叉的重要形式，在實(shí)際操作中也有較多的工程可以類比，但各項(xiàng)目在實(shí)施中都有自己的特點(diǎn)，因此，工程人員應(yīng)根據(jù)所在項(xiàng)目的位置、地形地貌、人文、地質(zhì)條件、交通組織形式、環(huán)保、工期要求等特點(diǎn)選擇適合自己工程的施工方案，以期在質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、工期、環(huán)境、社會影響等方面達(dá)到合理的平衡。就本項(xiàng)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(xiàng)目實(shí)施過程中存在降水、地質(zhì)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(xiàng)目；暗挖法雖不影響已建高速公路通車，但其工序復(fù)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(jié)構(gòu)形式較簡單、技術(shù)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(yùn)營高速公路，需綜合地理位置、地形地貌、人文、地質(zhì)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(shí)施過程中還需考慮到施工準(zhǔn)備、地質(zhì)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。