淺談落久水利樞紐工程進(jìn)庫(kù)公路隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馮振鵬（柳州水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣西　柳州　545000）

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淺談落久水利樞紐工程進(jìn)庫(kù)公路隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馮振鵬（柳州水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣西柳州545000）

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，公路隧道的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，不僅促進(jìn)了公路標(biāo)準(zhǔn)的提高，還保證了運(yùn)營(yíng)的效率。本文主要分析了公路隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨在提高公路隧道的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

公路；隧道；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

在公路隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，主要包括斷面選擇、襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、洞口洞門以及隧道排水等。只有處理好這幾方面的問(wèn)題，公路隧道的實(shí)際設(shè)計(jì)才能夠取得良好的效果，進(jìn)而公路隧道的安全性、經(jīng)濟(jì)性與舒適性均將得到可靠的保障。

1　落久水利樞紐工程進(jìn)庫(kù)公路概述

落久水利樞紐工程是一個(gè)以防洪為主，兼顧灌溉、城鎮(zhèn)供水、發(fā)電和航運(yùn)等任務(wù)的綜合性水利樞紐工程，是國(guó)務(wù)院以國(guó)函［2007］40號(hào)文批準(zhǔn)的《珠江流域防洪規(guī)劃》中確定的廣西柳江防洪控制性工程之一。落久水利樞紐工程前期準(zhǔn)備工程——融水縣于七道路工程位于廣西柳州市融水縣融水鎮(zhèn)境內(nèi)，起點(diǎn)為融水縣融水鎮(zhèn)于七屯前在建北環(huán)路，經(jīng)融水鎮(zhèn)長(zhǎng)賴屯背山頭至落久水利樞紐工程管理區(qū)。道路總長(zhǎng)3809m，其中擴(kuò)建道路850m，新建道路2329.8m，隧道460m，橋梁8座共169.2m，設(shè)計(jì)路面寬6.5m，路基寬8.0m，按三級(jí)公路設(shè)計(jì)。

2　公路隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1隧道斷面選擇

公路隧道斷面型式受諸多因素的影響，如：地形條件、地質(zhì)條件、線位指標(biāo)與線形組合設(shè)計(jì)等，通常情況下受地形與地質(zhì)條件的影響較大。公路隧道結(jié)構(gòu)斷面型式主要有雙向行車單洞隧道、單向行車雙洞分離式隧道、連拱隧道與小凈距隧道等。分離式隧道存在一定的不足，主要表現(xiàn)在兩方面：①隧道的路線布設(shè)難度較高，特別是在地形與地質(zhì)條件較為復(fù)雜的環(huán)境下，凈距難以滿足實(shí)際的要求；②隧道洞口前的過(guò)渡區(qū)面積較大，不僅浪費(fèi)了大量的土地資源，還占用了諸多的綠化維護(hù)費(fèi)用。連拱隧道這種型式具有良好的適應(yīng)性，但存在的問(wèn)題為較大的隧道跨度，同時(shí)其對(duì)地質(zhì)條件要求較高、施工難度較大、工程的成本偏高。小凈距隧道是介于普通分離式隧道與連拱隧道的一種結(jié)構(gòu)型式，由于不受地形條件以及總體線路線型的限制，其較連拱隧道有施工工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)較低的特點(diǎn)，愈來(lái)愈受到工程界的青睞，但山于小凈距隧中間巖柱體厚度遠(yuǎn)小于普通分離式隧道，圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜。落久水利樞紐工程進(jìn)庫(kù)公路按三級(jí)公路雙車道設(shè)計(jì)，且隧道長(zhǎng)度小于500m，屬于短隧道，因此選用上行與下行不分離的單洞雙向隧道，該隧道型式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)地形地質(zhì)要求較低，施工難度小，造價(jià)較低，同時(shí)也能滿足設(shè)計(jì)的交通通行要求。

2.2隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

隧道是埋藏在地層深處的工程建筑物，其襯砌通常需要承受較大的圍巖壓力、地下水壓力，有時(shí)還要受到化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，地處高寒地區(qū)的隨道往往還要受到凍害等。所以要求用于襯砌的材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，耐久性、抗?jié)B性耐腐蝕性和抗凍性等；另一方面，隧道是大型工程構(gòu)造物，每米隧道都需要大量建筑材料工程量很大，所以從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看，襯砌材料應(yīng)當(dāng)是價(jià)格便宜，就地取材，便于機(jī)械化施工。目前使用較多的有混凝土與錨噴支護(hù)等。由于落久水利樞紐工程進(jìn)庫(kù)公路隧道全段都在Ⅲ類以下圍巖中，水平壓力較大，因此選用曲墻式襯砌。同時(shí)，由于隧道進(jìn)出口段均為Ⅳ～Ⅴ類圍巖，地基條件較差，為防止襯砌沉陷，隧道進(jìn)出口段設(shè)置仰拱，仰拱可將隧道上部的地層壓力通過(guò)隧道邊墻結(jié)構(gòu)或?qū)⒙访嫔系暮奢d有效的傳遞到地下，而且還能有效的抵抗隧道下部地層傳來(lái)的反力。

在襯砌類型方面，落久公路隧道選用復(fù)合式襯砌。這是由初期支護(hù)和二次襯砌及中間夾防水層組合而成的襯砌型式，初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。復(fù)合式襯砌采用先后兩次支護(hù)，對(duì)襯砌受力非常有利。圍巖在柔度較大的外層支護(hù)條件下，可產(chǎn)生較大的形變，釋放了大部分的變形能，因而能使后設(shè)的內(nèi)層襯砌減小受力；內(nèi)層襯砌施作以后，又會(huì)對(duì)原先處于二維受力狀態(tài)的外層支護(hù)產(chǎn)生徑向抗力，從而改善外層支護(hù)的受力條件，而且表面光潔平整，有利于隧道通風(fēng)和防水，并保護(hù)外層支護(hù)，使噴層內(nèi)鋼筋網(wǎng)和錨桿端部免于銹蝕。

由于巖體、土體的性質(zhì)具有顯著的不確定性，所以隧道結(jié)構(gòu)分析中，工程經(jīng)驗(yàn)一直起著主導(dǎo)作用。《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70-2004）規(guī)定：復(fù)合式襯砌可采用工程類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)理論分析進(jìn)行驗(yàn)算。在隧道結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中，主要采用荷載結(jié)構(gòu)模型，地層結(jié)構(gòu)模型作為一種輔助方法。在軟弱破碎圍巖、特殊地質(zhì)條件下大跨度隧道施工設(shè)計(jì)時(shí)，由于缺少施工經(jīng)驗(yàn)，地層結(jié)構(gòu)模型僅作為一種輔助手段用于驗(yàn)算，由于圍巖的各向異性加上結(jié)構(gòu)面、地下水等一些不確定因素，實(shí)際上地層結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際還是有一定差距，不過(guò)結(jié)構(gòu)受力、變形規(guī)律是可供設(shè)計(jì)參考的。在落久公路隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中，先用同濟(jì)曙光公路隧道設(shè)計(jì)軟件采用地層結(jié)構(gòu)法模擬開(kāi)挖過(guò)程，對(duì)噴錨支護(hù)及開(kāi)挖方法進(jìn)行分析，選擇一個(gè)合適的開(kāi)挖順序，然后用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算初襯的變形、二襯的承載能力和裂縫寬度。這樣理論計(jì)算結(jié)果能較好地符合工程實(shí)際，從而為最終方案的選定提供更精確、科學(xué)的依據(jù)。

由于落久公路隧道斷面大，洞口處巖體風(fēng)化嚴(yán)重，土體松散，所以洞口開(kāi)挖面極易發(fā)生坍塌，施工進(jìn)洞困難。采用大管棚結(jié)合小導(dǎo)管對(duì)洞口段堆積體進(jìn)行注漿固結(jié)然后再開(kāi)挖，這樣可以有效保證洞口邊仰坡安全，而且使開(kāi)挖部位形成棚幕和一層殼體，從而大大增加了進(jìn)洞施工的安全性，確保順利進(jìn)洞。超前管棚是將大直徑的鋼花管安插在已鉆好的超前鉆孔中，在隧道開(kāi)挖輪廓線外形成鋼管支護(hù)棚架，利用鋼花管的強(qiáng)度支撐和加固自穩(wěn)能力極低的圍巖；超前小導(dǎo)管是利用鋼花管對(duì)隧道開(kāi)挖面前方的拱部軟弱圍巖進(jìn)行注漿加固。管棚支護(hù)能力強(qiáng)大，但是施工技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)較高，只需在洞口Ⅴ類圍巖段使用，Ⅳ類圍巖段采用超前小導(dǎo)管輔助施工方法。

2.3洞口和洞門的設(shè)計(jì)

洞口是指隧道明暗施工的分界線，要求其要具備一定的穩(wěn)固性與堅(jiān)實(shí)性；洞門主要是指隧道長(zhǎng)度的起點(diǎn)，為了與自然環(huán)境保持一致，要對(duì)其進(jìn)行包裝。在對(duì)二者進(jìn)行處理過(guò)程中，可以采取分開(kāi)處理的方法，此方法使二者的功能更加明確，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也更加清晰，同時(shí)洞口的明暗有效過(guò)渡，保證了隧道設(shè)計(jì)的舒適性。

洞門主要有端墻式洞門、翼墻式洞門、環(huán)框式洞門及削竹式洞門等型式。由于落久公路隧道進(jìn)出口段為地質(zhì)較差的Ⅳ～Ⅴ類圍巖，且路面設(shè)計(jì)標(biāo)高相對(duì)原地面高程較低，需要開(kāi)挖較深的路塹，故選用翼墻式洞門。翼墻可增加端墻的穩(wěn)定性，并對(duì)路塹邊坡起支撐作用。

2.4隧道的排水設(shè)計(jì)

隧道進(jìn)出口洞頂排水溝應(yīng)合理設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)洞頂排水措施的高效利用，避免地表水對(duì)隧道洞口的滲透或者匯集。要關(guān)注地表水下滲的問(wèn)題，對(duì)其處理的方法主要有鋪砌、填充與抹面等；對(duì)于鉆孔與洞坑穴，要保證其密實(shí)性與封閉性，此時(shí)可借助防水材料的填充作用。同時(shí)對(duì)于隧道進(jìn)出口來(lái)說(shuō)，必要時(shí)還需在其地表進(jìn)行注漿加固。

隧道洞內(nèi)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要保證各個(gè)環(huán)節(jié)的高效性，主要是由于每個(gè)環(huán)節(jié)均影響著排水效果，該系統(tǒng)的構(gòu)成主要有路側(cè)排水溝與中心排水溝。施工時(shí)要對(duì)管道進(jìn)行全面的檢查，以保證其接頭的密封性，對(duì)于中心排水管溝，還要格外關(guān)注其出水的位置。

3　結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了落久水利樞紐工程進(jìn)庫(kù)公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程，結(jié)合筆者的工作實(shí)踐，在公路隧道的斷面選擇、襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、洞口洞門以及隧道排水等方面談了一些體會(huì)和筆者認(rèn)為需要注意的問(wèn)題，供同行參考。

［1］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70-2004）［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］廖朝華，郭小紅.《公路隧道設(shè)計(jì)手冊(cè)》［M］.北京：人民交通出版社，2012.

馮振鵬（1983-），男，漢族，廣西柳州人，中級(jí)，本科，主要從事水利電力設(shè)計(jì)工作。

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2016-5-1