淺埋大斷面連拱隧道設計

武保華 陳 浩

(1.宜興市交通運輸局，江蘇 宜興 214200;2.江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210005)

0 引言

連拱隧道1974年誕生于日本，此種結構形式雖然起步較晚，然而卻有獨特的優勢。連拱隧道兩端接線對地形要求不高，布線方便，接線工程量小，線形順暢，特別適宜一些特殊地形和地質條件的隧道建設。近年來，全國多條高速公路，積極推崇連拱隧道，并相繼被選用。鑒于連拱隧道可以較小限度地占用土地，較大限度地保護自然環境，隨著我國城市規模的不斷擴大，城市道路的快速發展，今后在城市周邊交通繁忙的山丘地帶和山嶺重丘地區將會得到更大的發展。

1 工程概況

1.1 隧道工程概況

某隧道按連拱隧道形式布置，隧道長度為580 m，屬于中隧道，最大埋深約為24 m。按雙向六車道城市主干路設計(近期為雙向四車道機動車道+人非系統，遠期預留雙向六車道通行的條件)，設計速度40 km/h。

圖1 隧道建筑限界（單位：cm）

1.2 隧道工程地質、地貌概況

隧道西側為背斜核部，區內揭露的地層主要為寒武系中下統的饅頭組、毛莊組、徐莊組、張夏組地層，主要巖性為紫紅色頁巖、薄層狀泥灰巖、暗紫色～黃褐色粉砂巖、中厚層石灰巖等。隧道走向與巖層走向夾角在32°～55°。

2 隧道建筑限界及內輪廓設計

本隧道為市政道路隧道，按照近遠期考慮。單洞隧道建筑限界凈寬12.75 m，凈高5.0 m。建筑限界設計詳見圖1。

隧道內輪廓拱頂凈高為773 cm(路面上)，單洞凈寬為1 380 cm，單洞凈空面積為87.14 m2，隧道總凈寬為3 031 cm。為道路排水需要，隧道路面橫坡為2.0%的單面坡。

3 隧道襯砌結構設計

3.1 襯砌結構計算分析

圖2 Ⅳ級圍巖淺埋段荷載及計算模型

本隧道整體埋深較淺，最大埋深約24 m，隧道圍巖以Ⅳ級圍巖為主，本文選取Ⅳ級圍巖淺埋段，埋深最大處作為結構最不利斷面(埋深23.3 m)，采用有限元計算軟件進行初期支護、二次襯砌的結構計算。

隧道計算模型如圖2 所示。

表1 二次襯砌鋼筋混凝土靜力分析結果

1)二次襯砌內力圖見圖3，圖4。

從二襯內力圖中看出，襯砌結構全斷面受壓，最大壓力發生在仰拱中部。

2)襯砌結構位移圖見圖5，圖6。

最大豎向沉降發生在拱頂，為10.4 mm;最大側向位移發生在拱腳，為3.2 mm，滿足要求。

3)二次襯砌截面強度驗算。

二次襯砌配筋量及其強度安全系數的計算結果見表1。

圖4 二次襯砌軸力圖

經表1 計算結果分析，截面強度驗算(按組合截面進行內力分配)，按照鋼筋混凝土進行結構強度驗算，其各個截面抗拉、抗壓安全系數均不小于2.0，符合設計要求。

圖6 隧道結構側向位移圖

3.2 襯砌結構設計參數

本隧道支護結構參數、襯砌斷面類型及襯砌結構尺寸以工程類比法為主，并通過數值計算分析進行校核，確定支護襯砌參數。各級圍巖襯砌結構支護參數如表2 所示。

表2 隧道各級圍巖襯砌結構支護參數表

4 隧道施工方案設計

本隧道為總開挖跨度約32 m 的連拱隧道，屬于特大跨度隧道(B≥18 m)，且隧道埋深最大約為23 m，整個隧道段落基本處于淺埋段，且Ⅳ級圍巖比例較高。隧道施工方案設計根據圍巖級別、工程地質、水文地質等條件，Ⅳ級圍巖段開挖采用中導洞—雙側導洞工法開挖。開挖方法見圖7。

圖7 隧道Ⅳ級圍巖段施工步序設計圖

圖7 中①為導洞上臺階超前支護;②為中導洞上臺階開挖、初期支護;③為中導洞下臺階開挖、初期支護;④為中隔墻混凝土施工;⑤為左側導洞上臺階超前支護;⑥為左側導洞上臺階開挖、初期支護;⑦為左側導洞下臺階開挖、初期支護;⑧為右側導洞上臺階超前支護;⑨為右側導洞上臺階開挖、初期支護;⑩為右側導洞下臺階開挖、初期支護;○1為中隔墻右側與中導洞右壁設置橫撐或回填;○12為左側主洞上臺階超前支護;○13為左側主洞上臺階拱部環形開挖、初期支護;○14為左側主洞上臺階核心土開挖;○15為左側主洞下臺階開挖、初期支護;○16為左側主洞仰拱襯砌澆筑、回填;○17為左側主洞拱墻防水層、二次襯砌澆筑;○18為右側主洞上臺階超前支護;○19為右側主洞上臺階拱部環形開挖、初期支護;○20為右側主洞上臺階核心土開挖;○21為右側主洞下臺階開挖、初期支護;○2為右側主洞仰拱襯砌澆筑、回填;○23為右側主洞拱墻防水層、二次襯砌澆筑。

5 監控量測設計

結合本隧道大跨度淺埋的特點，施工過程中應特別注重現場監控量測的配合，提供信息依據，確保施工安全。

監控量測主要擬定為兩個方面:

1)位移量測:量測拱頂下沉、各側導洞周邊收斂，以及拱腳、拱腰、仰拱、圍巖內部位移。2)應力、壓力量測:量測中墻頂壓力、初期支護與圍巖接觸壓力、雙層初期支護間壓力、初期支護與二襯間接觸壓力、鋼拱架內力、襯砌內力、錨桿軸力等。

6 經驗與體會

1)本文結合淺埋大斷面隧道設計，對雙向六車道連拱隧道的斷面形式、結構支護參數、施工方案等進行了研究探討，并應用有限元數值模擬方法對支護結構的強度進行了分析，為今后大斷面連拱隧道的設計積累了經驗。

2)連拱隧道施工工序多而復雜，與其他形式隧道相比，更需要進行現場監控量測。通過現場監控量測及時掌握圍巖和支護結構的力學動態，確保施工安全的同時，進一步能達到結構支護參數和施工方案的動態優化等目的。

［1］JTG D70-2004，公路隧道設計規范［S］.

［2］關寶樹.隧道工程設計要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］JTG F60-2009，公路隧道施工技術規范［S］.

［4］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.