岢臨高速隧道設(shè)計難點問題探討

王小杰

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

岢嵐至臨縣高速公路長124 km，是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”中西縱高速公路的重要組成部分，也是山西省西部把第四橫（保德—五臺長城嶺）和第五橫（平定楊樹莊—佳縣）高速公路串聯(lián)起來的重要路段。本項目采用四車道高速公路標準建設(shè)，設(shè)計速度采用80 km/h，路基寬度24.5 m，汽車荷載等級為公路－Ⅰ級。項目區(qū)穿越山西省岢嵐縣、興縣、臨縣境內(nèi)，沿線地形復(fù)雜，地形相對高差大，溝壑縱橫，橋涵構(gòu)造物較多，橋涵、隧道及互通位置是本合同段的主要控制點。全線共設(shè)23座隧道，其中特長隧道1座/3 256.5 m，長隧道3座/7 029.5 m，中隧道4座/2 705.5 m，短隧道15座/4 832.5 m。

2 岢臨高速隧道設(shè)計難點問題

該項目沿線地形、地質(zhì)條件較為復(fù)雜，不良地質(zhì)發(fā)育，隧道類型較多，這使得隧道的設(shè)計面臨著很多特殊的問題，如較大路面橫坡超高情況下隧道襯砌輪廓線的擬定、襯砌結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化設(shè)計、小凈距隧道中間巖柱加固原則、連拱隧道中隔墻厚度確定、防排水優(yōu)化設(shè)計等，解決這一系列問題是岢臨高速隧道成功修建的關(guān)鍵。

3 岢臨高速隧道難點問題設(shè)計

3.1 隧道建筑限界及內(nèi)輪廓擬定

岢臨高速隧道平縱線形、隧道幾何尺寸凈空斷面和隧道照明標準均按80 km/h行車速度設(shè)計；隧道建筑限界凈寬10.25 m（0.75 m檢修道＋0.50 m左側(cè)側(cè)向?qū)挾龋?×3.75 m行車道＋0.75 m右側(cè)側(cè)向?qū)挾龋?.75 m檢修道），凈空限界高度5.0 m。針對行車速度80 km/h的隧道，《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTJ070－2004）給出了相應(yīng)的標準內(nèi)輪廓設(shè)計圖（R1=543，R2=793，R3=100，R4=1 500）[1]，但該規(guī)范給出的標準內(nèi)輪廓實際上只適用于路面橫坡為-3%～+3%路段，對于路面橫坡為-4%～+4%路段便會侵限。岢臨高速隧道類型較多，一些中短隧道路面橫坡超高較大，對于這些特殊隧道，本項目擬定了新的隧道內(nèi)輪廓斷面（R1=550，R2=790，R3=100，R4=1 500）。

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化設(shè)計

3.2.1 超前支護設(shè)計

隧道施工一般采用的輔助施工措施主要有：超前長管棚、超前小導(dǎo)管和超前錨桿等。根據(jù)先前項目建設(shè)經(jīng)驗，土質(zhì)圍巖采用超前小導(dǎo)管注漿實際效果一般，因此本項目對于隧道洞內(nèi)無長管棚支護的Ⅴ級土質(zhì)和Ⅳ級淺埋土質(zhì)地段采用了超前小鋼管支護，小鋼管不注漿，施工完畢后只用砂漿充填。超前長管棚設(shè)置于隧道洞口；超前小導(dǎo)管設(shè)置在隧道洞內(nèi)無長管棚支護的Ⅴ級巖石質(zhì)、Ⅳ級緊急停車帶地段；超前錨桿設(shè)置在隧道洞身Ⅳ級深埋土質(zhì)、Ⅳ級巖石質(zhì)、Ⅲ級緊急停車帶地段。

3.2.2 土質(zhì)圍巖襯砌設(shè)計

本項目地質(zhì)條件較為復(fù)雜，Ⅴ級土質(zhì)和Ⅳ級土質(zhì)圍巖均有出現(xiàn)。根據(jù)山西省多個高速項目土質(zhì)圍巖隧道建設(shè)經(jīng)驗，對于Ⅴ級土質(zhì)圍巖不論是淺埋還是深埋，仰拱都是薄弱點，在落底過程中都易產(chǎn)生大變形甚至塌方。因此本項目隧道設(shè)計中，Ⅴ級土質(zhì)圍巖襯砌初期支護仰拱都做了閉合成環(huán)優(yōu)化設(shè)計，以降低Ⅴ級土質(zhì)圍巖施工的風險程度。對于Ⅳ級土質(zhì)圍巖，二次襯砌成環(huán)閉合即可。Ⅴ級深埋土質(zhì)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計圖見圖1。

圖1 Ⅴ級深埋土質(zhì)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3.2.3 抗偏壓襯砌設(shè)計

該項目沿線地形條件較為復(fù)雜，不良地質(zhì)發(fā)育，不少隧道洞口存在不同程度的偏壓。對于一般偏壓情況的隧道，只需洞口采取偏壓明洞即可，偏壓明洞的長度可以根據(jù)偏壓情況進行選擇調(diào)整。但對于偏壓段落較長的隧道，除了洞口需采用偏壓明洞外，暗洞亦需進行偏壓設(shè)計才更合理。Ⅴ級淺埋軟巖質(zhì)圍巖偏壓襯砌設(shè)計圖見圖2。3.2.4 超淺埋段蓋挖法設(shè)計

圖2 Ⅴ級淺埋軟巖質(zhì)圍巖偏壓襯砌設(shè)計圖

該項目沿線地形條件較為復(fù)雜，溝壑縱橫，特長、長隧道洞身穿越地段會碰到淺埋或超淺埋，覆蓋層較薄，淺埋段在清除虛方后有漏天的現(xiàn)象。處理超淺埋可以采取兩種可能施工方案：明挖法、蓋挖法。但相對于明挖法，蓋挖法有利于恢復(fù)地貌，不影響地表排水，施工難度小，不影響施工進度，安全問題易于預(yù)防，經(jīng)濟投入少等優(yōu)點[2]。因此本項目采用蓋挖法對洞身超淺埋段進行設(shè)計。施工工序按以下步驟進行。

a）首先按1∶0.5的開挖坡率清除隧道頂部淺埋段沖溝里的虛方，直到新鮮基巖面。

b）經(jīng)過測量放線，確定漏天段（包括初期支護在內(nèi)）的外輪廓線，并采用壓實土胎作為隧道護拱部分的模型。

c）施作頂部混凝土護拱，拱腳采用鎖腳錨管加固，頂部初期支護鋼拱架預(yù)埋于護拱之中。

d）隧道開挖順利通過后，用漿砌片石沿溝心進行鋪設(shè)對洞頂沖溝進行治理，盡量恢復(fù)天然排水地貌。王家溝隧道蓋挖段落襯砌設(shè)計圖見圖3。

圖3 王家溝隧道蓋挖段落襯砌設(shè)計圖

3.3 小凈距隧道中間巖柱加固原則

中巖柱所處的部位和其受力特點決定了小凈距隧道中巖柱加固是設(shè)計和施工的關(guān)鍵，在施工過程中，中巖柱加固技術(shù)和加固時機選擇是否合理，都直接影響到小凈距隧道施工的安全[3]。本項目在參照《公路隧道設(shè)計細則》（JTG/T D70－2010）與四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計院撰寫的《雙洞小凈距隧道設(shè)計、施工關(guān)鍵技術(shù)研究總報告》的基礎(chǔ)上，并結(jié)合省內(nèi)外不少工程實例，制定了小凈距隧道中間巖柱加固原則。

對于Ⅴ級圍巖，當隧道左右洞凈距為6～8 m時，采用對穿預(yù)應(yīng)力錨桿加固中間巖柱，左右洞均采用側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，先行洞側(cè)導(dǎo)坑開挖施作錨桿后，對錨桿進行初次張拉，后行洞開挖暴露錨桿端部后對錨桿施加預(yù)拉力至設(shè)計值，并對先行洞錨桿補張拉至設(shè)計值；當隧道左右洞凈距為8～15 m時，采用加長系統(tǒng)錨桿加固中間巖柱，先行洞采用上下臺階法施工，后行洞采用側(cè)壁導(dǎo)坑法施工；當隧道左右洞凈距為15～20 m時，采用加長系統(tǒng)錨桿加固中間巖柱，左右洞均采用上下臺階法施工。對于Ⅳ級圍巖，當隧道左右洞凈距為6～8 m時，采用對穿預(yù)應(yīng)力錨桿加固中間巖柱，先行洞采用上下臺階法施工，后行洞采用側(cè)壁導(dǎo)坑法施工；當隧道左右洞凈距為8～20 m時，采用加長系統(tǒng)錨桿加固中間巖柱，左右洞均采用上下臺階法施工。

3.4 連拱隧道中隔墻厚度確定

目前我國連拱隧道設(shè)計,中隔墻厚度主要是依據(jù)經(jīng)驗類比法來確定。《公路隧道設(shè)計細則》（JTG/T D70－2010）規(guī)定，雙車道連拱隧道設(shè)計為復(fù)合式中隔墻時，中隔墻厚度不宜小于1.0 m[4]。據(jù)此并結(jié)合省內(nèi)外在建、已建連拱隧道各參數(shù)取值的經(jīng)驗，制定中隔墻設(shè)計寬度為1.6 m。

3.5 防排水優(yōu)化設(shè)計

隧道防排水遵循“防、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則進行設(shè)計，對地表水、地下水妥善處理，形成一個完善通暢的防排水系統(tǒng)。使隧道防水可靠，排水暢通，運營期間隧道內(nèi)不滲不漏，基本干燥，以保證結(jié)構(gòu)和設(shè)備的正常使用和行車安全[1]。

本項目隧道類型較多，特長、長、中短隧道均有出現(xiàn)。結(jié)合隧道實際排水量等因素，對于特長、長隧道，采用70 cm×50 cm矩形中心排水溝；對于中短隧道，采用D40 cm圓形中心排水溝。本項目所在區(qū)處于嚴寒地區(qū)，為滿足隧道保溫要求，對隧道洞口段300 m做了特殊保溫設(shè)計，隧道洞口段300 m內(nèi)縱向排水管、橫向排水管外側(cè)均包裹2 cm聚氨酯保溫材料，其他段不包裹；中心排水溝洞口段300 m內(nèi)中心排水溝外側(cè)包裹5 cm聚氨酯保溫材料，其他段不包裹。

4 結(jié)語

岢臨高速沿線地形、地質(zhì)條件較為復(fù)雜，不良地質(zhì)發(fā)育，隧道類型較多，隧道設(shè)計面臨著很多特殊的問題，如較大路面橫坡超高情況下隧道襯砌輪廓線的擬定、襯砌結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化設(shè)計、小凈距隧道中間巖柱加固原則、連拱隧道中隔墻厚度確定、防排水優(yōu)化設(shè)計等。通過對此一系列主要技術(shù)問題的分析與解決，保證了岢臨高速隧道順利修建，同時亦為其他復(fù)雜山區(qū)公路隧道設(shè)計提供了參考。