與既有隧道平行小凈距的連拱隧道設計

葛競輝，林秀桂，李志剛

(上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092)

0 引言

隨著國家提出西部大開發戰略，近年來烏魯木齊經濟持續發展，交通供給嚴重滯后于交通需求，外環線承擔的交通量已遠超原設計預測交通量及實際承受能力，從而導致多個路段、立交節點、匝道出入口成為常發生擁堵路段和節點。為緩解烏魯木齊市區交通擁堵現狀，滿足外環線快速路網功能要求，需要對既有外環線進行改擴容。

原有外環線穿越雅瑪里克山設置了雅山隧道，外環擴容線路需要在雅山隧道附近穿越雅瑪里克山，規模為雙向4車道，車速為80 km/h。

1 隧道方案設計

1.1 方案比選

線路穿越山嶺的方案主要有：路塹和隧道。路塹方案工程造價低，風險小，工程可實施性好，但此方案需要涉及大量開挖土方，同時路塹與順接道路將現狀雅瑪里克山一分為二。目前雅瑪里克山頂部為雅山公園，路塹方案對公園整體布局和游園環境很不利。通過對比分析，外環改擴建項目線路穿越雅瑪里克山采用隧道方案型式，隧道名稱為雅瑪里克山隧道。

1.2 隧道型式比選

外環改擴建工程穿越雅瑪里克山的道路規模為雙向4車道，雅瑪里克山隧道可采用的結構型式為連拱隧道和分離式隧道。本文對連拱隧道型式和分離式隧道型式進行比選，詳見表1。

表1 隧道結構型式對比分析

由于地形原因，雅瑪里克山中間高兩側低，擬建雅瑪里克山隧道如采用分離式隧道，隧道區段較短，大部分區段將采用路塹形式，對既有雅山公園整體影響大；如采用連拱隧道，對環境影響小，隧道全長為345 m，采用一定措施后工期也可得到保障。通過綜合對比分析，最終確定雅瑪里克山隧道采用連拱隧道結構型式。

雅瑪里克山連拱隧道布置在既有雅山隧道左右線之間，并與其線位平行布置。為盡量減少新建隧道對既有雅山隧道的不利影響，雅瑪里克山隧道與既有雅山隧道最小豎向凈距約10 m，屬于典型的平行小凈距隧道[1]。

雅瑪里克山連拱隧道全長345 m，分為明洞段（18 m）、暗挖段（137 m）和明挖段（190 m）。明挖段施工結束后，上部覆土恢復綠化植被，對原有公園幾乎沒有影響。明挖段范圍較長，開挖深度6～16 m，為減少大面積開挖對既有隧道的影響，便于分區段不連續施工，避免明洞臺車對施工順序的制約，明挖段采用箱型結構，明洞段和暗挖段仍采用連拱斷面。

雅瑪里克山隧道平面布置詳見圖1，雅瑪里克山隧道暗挖段與雅山隧道相對位置詳見圖2。

圖1 隧道平面位置圖（單位：m）

圖2 隧道相對位置圖（單位：m）

2 隧道工程地質條件

隧道入口處，地形較陡，表層為0.3 m的①-1含礫黃土狀粉土、②角礫，下伏蘆草溝組含粉砂質泥灰巖、砂巖 P2（LCc、LCd），巖石屬軟巖 -較軟巖，巖體完整性破碎-較破碎，水文條件主要為山坡面流，匯水面積不集中，工程地質條件一般；隧道出口處地形較陡，表層為1.0～1.5 m的①-1含礫黃土狀粉土、②角礫，下伏蘆草溝組粉砂質泥灰巖、粉砂巖 P2（LCc、LCd），巖石屬軟巖 -較軟巖，巖體完整性破碎-較破碎。工程地質條件一般。

隧道抗震設防烈度8度，設計基本加速度值0.20 g，特征周期 0.4 s。

場地范圍內地表水與地下水均不發育，地下水對隧道的影響程度不大。

隧址區未發現滑坡、泥石流等不良地質作用。擬建隧道進出口和洞身場地整體穩定，適宜修建隧道。隧道圍巖節理裂隙較為發育，巖體較為破碎，根據巖土的主要物理力學指標、彈性波速、工程性質，結合巖石單軸抗壓強度（Rc），并結合巖體完整性系數（Kv），隧道圍巖基本質量級別為Ⅴ級。

雅瑪里克山隧道地質縱斷面布置詳見圖3。

圖3 隧道縱斷面布置圖（單位：m）

3 隧道結構設計

3.1 洞口設計

洞口應根據地形、地質條件，同時結合環境保護、洞外有關工程及施工條件、運營要求，通過經濟、技術比較確定。洞門型式應綜合洞口地形、地質、原生植被、洞口排水及邊仰坡穩定等因素確定。

雅瑪里克山隧道洞口地勢陡峭，附近的既有雅山隧道洞門為端墻式洞門，因此新建雅瑪里克山隧道洞門也采用端墻式洞門，與周圍環境相協調。進口端設置明挖段，出口端設置明洞。

3.2 內輪廓設計

雅瑪里克山隧道屬于城市山嶺隧道，在進行內輪廓設計時，充分考慮了建筑限界、功能需求、斷面經濟性、工程類比、結構受力特點、裝飾、防排水等因素。

經過多方案比選，連拱隧道斷面內輪廓采用曲墻拱型斷面(見圖4)。隧道內輪廓凈寬為21.64 m,凈高為8.335 m，單洞凈空斷面積為67.5 m2。

3.3 結構設計

隧道明洞段設計為C35整體式鋼筋混凝土現澆襯砌結構，設仰拱,仰拱混凝土為C35鋼筋混凝土(C15片石混凝土回填)。

圖4 隧道內輪廓布置圖（單位：mm）

隧道暗挖段按新奧法原理設計，經過工程類比和有限元軟件計算分析，采用復合式結構襯砌,初期支護采用噴混凝土、錨桿、鋼筋網和型鋼鋼架，二次襯砌采用C35整體式現澆鋼筋混凝土，復合式襯砌參數詳見表2,隧道襯砌斷面布置見圖5，連拱隧道二襯內力圖見圖6。復合式襯砌支護參數為預設計參數，可根據隧道施工中揭露的工程地質及水文地質條件加以調整。

表2 隧道襯砌支護參數表

圖5 隧道暗挖段襯砌斷面圖

隧道明挖段采用鋼筋混凝土單箱多室框架結構，具體布置詳見圖7。

隧道明挖段為矩形框架結構，暗挖段為連拱結構，斷面形式不同，為方便施工和滿足防水需求，明挖段結構在明暗挖結構對接處附近過渡為連拱結構斷面，然后再與暗挖段實現對接。過渡段構造圖詳見圖8。

圖6 連拱隧道二襯彎矩圖（單位：kN·m）

圖7 隧道明挖段斷面圖（單位：mm）

圖8 過渡段構造圖（單位：mm）

4 隧道施工工法

在遵循技術可行和經濟合理原則下，根據結構場地工程地質、圍巖級別、水文地質條件，確定采用適宜的開挖方法。

連拱隧道施工工法可選用三導洞法和導洞-正洞臺階法等工法[2]。本文對三導洞法和導洞-正洞臺階法進行對比分析，具體詳見表3。

隧道圍巖均為Ⅴ級，進出洞洞口均有不同程度偏壓，覆土較薄，與既有隧道平行且小凈距，豎向凈距最小約10 m，凈距最小約14 m，同時影響范圍內的既有雅山隧道襯砌為素混凝土襯砌，隧道暗挖段長度137 m，工期可以得到保障。同時采用有限元軟件進行施工全過程數值模擬，三導洞法引起既有隧道內力增量為導洞-正洞臺階法的70%，因此，經綜合對比分析，新建雅瑪里克山隧道施工工法推薦采用三導洞法。

表3 隧道施工工法對比分析

明挖段基坑寬度達25 m，基坑最大深度約16 m，大面積開挖卸載對既有隧道有不利影響，因此明挖段施工時，應充分利用“時空效應”的作用，分節段分區域施工，節段內分層開挖，施工中可結合監測數據調整施工步序。

5 既有隧道控制振速

隧道采用鉆爆法施工。連拱隧道施工步序較多，明挖段大面積爆破施工，隧道施工過程中爆破震動對周邊構筑物有不利影響，特別是隧道下方的既有雅山隧道，雅山隧道大部分二襯為素混凝土襯砌結構，且已運營十多年，新建隧道施工過程中，需要考慮對雅山隧道的爆破振動影響控制。

《爆破安全規程》（GB 6722—2003）中對爆破震動安全容許標準進行規定，水工隧洞安全允許振速7～15 cm/s，交通隧道安全允許振速10～20 cm/s[3]。

國內既有隧道附近新建工程的案例較多，既有隧道振速控制標準詳見表4。

表4 既有隧道控制振速[4-8]

基于國內規范及文獻對既有構筑物或隧道的容許控制振速的規定和研究，結合爆破主要影響范圍內既有雅山隧道二襯為素混凝土結構、圍巖為Ⅲ級，并考慮爆破施工期間隧道正常通行運營的客觀要求，既有雅山隧道容許振速取1.0 cm/s。隧道施工過程中，依據爆破振動實測數據和既有隧道振動響應情況，將既有隧道容許振速優化調整為2.0 cm/s，既提高了施工效率、縮短工期，又確保了既有隧道結構安全。

6 監控量測與反饋設計

隧道按照“新奧法”原理設計與施工，施工遵循“弱爆破、短開挖、強支護、早閉合、勤量測、襯砌緊跟”的原則，確保施工質量和安全，并結合反饋信息及時優化調整設計與施工。

為了及時掌握圍巖在開挖過程中的動態和支護結構的穩定狀態，提供有關隧道施工全面、系統的信息資料，并確保隧道施工安全與支護結構的穩定，確保既有隧道的正常運營和安全，對新建隧道和既有隧道進行施工全過程的監控量測。

新建雅瑪里克山隧道監測項目有：超前地質預報、地質和支護狀況觀察、水平凈空收斂、拱頂下沉、地表沉降、錨桿拉拔力等；既有雅山隧道監測項目有：二襯外觀、洞口邊仰坡位移、洞內變形、拱頂下沉監測、二襯混凝土表面應變和裂縫、爆破震動等。

除以上監測項目外，隧道開工后開展針對性的既有雅山隧道專項檢測，全面掌握雅山隧道結構和運營情況。隧道檢測和監測數據為隧道優化和調整提供必要依據和支撐。

7 結語

新建雅瑪里克山隧道與既有雅山隧道為平行小凈距隧道，新建隧道為連拱隧道，進出口偏壓嚴重，影響范圍內既有隧道結構為素混凝土，隧道設計過程中獲得的結論可為既有隧道附近新建隧道的設計和研究借鑒。

（1）隧道型式的選擇應綜合考慮地質條件、結構受力、環境影響、造價、工期等影響因素，通過對影響因素綜合分析，雅瑪里克山隧道采用連拱隧道型式。

（2）隧道施工工法的選擇，不僅考慮施工難易、造價和工期，更重要的是考慮隧道自身安全和支護穩定性，同時考慮對既有隧道的安全和正常運營的影響。

（3）監控量測是隧道新奧法的精髓，應開展施工全過程的監控量測，掌握施工過程中新建隧道和既有隧道圍巖、支護和結構等變化情況，為優化和調整施工提供依據，確保過程順利安全實施。

[1]JTG D70—2004，公路隧道設計規范 [S].

[2]李志厚，朱合華，丁文其.公路連拱隧道設計與施工關鍵技術[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3]GB 6722—2003，爆破安全規程 [S].

[4]郗慶桃.隧道爆破震動控制技術[J].爆破,1998,15(4):83–87.

[5]原郭兵，孟慶明.板桃隧道洞口段兩超小凈距隧道的施工[J].現代隧道技術,2002,39(1):54–57.

[6]王明年，潘曉馬，張成滿，等.鄰近隧道爆破振動響應研究[J].巖土力學,2004,25(3):412–414.

[7]王慶瑜.山地城市特大型橋隧建設探索與實踐-重慶嘉華工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

[8]趙東平，王明年，賈玲利.路塹邊坡開挖對鄰近既有隧道影響研究[J].巖土力學,2009,30(5):1399–1402.