淺埋隧道穿越既有高速公路設(shè)計(jì)與施工

李鵬

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110003）

1 概述

1.1 工程概況

東湖電站引水隧道工程全長130.88 km，屬于超長隧道。該工程橫跨遼寧省清原、桓仁、新賓三縣，穿越位于撫順市清原滿族自治縣瓦子窯村既有高速公路段。隧道工程主洞樁號(hào)95+865～95+910 范圍，穿越G1212 高速公路段里程為K126+360，隧道線路與公路夾角51°。隧道施工對(duì)高速公路影響范圍為96+835～96+960，共計(jì)125.00 m。

1.2 工程地質(zhì)

穿越G1212 高速公路段路面高程為255.00 m。洞頂埋深為12.30～16.90 m，地面圓礫覆蓋層厚度為5.00 m，下部為凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r。上覆細(xì)粒土層（粉質(zhì)粘土層及粉土層），層底埋深0.30～3.00 m，局部缺失，層底高程248.48～251.18 m，該層為微～弱透水；下部圓礫層一般呈稍密～中密狀態(tài)，局部松散，層底埋深3.80～9.50 m，層底高程241.99～247.64 m，為強(qiáng)透水巖層，場地內(nèi)均有分布；最下部為紫色凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰?guī)r、頁巖及煤線。全風(fēng)化巖多呈砂狀或散體狀，其下限高程為243.74～245.68 m，厚0～3.90 m；強(qiáng)風(fēng)化巖多呈碎塊狀，其下限高程為227.80～246.60 m，厚0～16.90 m；弱風(fēng)化巖多呈柱狀，厚度大于10.00 m，鉆孔深度范圍內(nèi)未見微風(fēng)化巖。

1.3 水文地質(zhì)

該段地下水補(bǔ)給主要為大氣降水，巖體節(jié)理裂隙相互切割，構(gòu)造裂隙與風(fēng)化裂隙相連通，形成含水層。地下水主要為孔隙潛水和裂隙水，多成線狀、涌水狀。

1.4 地表?xiàng)l件

沈吉高速公路G1212 穿越位置距離渾河左岸山腳約50.00 m，高速路基高于兩側(cè)自然地坪4.00～5.00 m，路基頂寬45.00 m、底寬115.00 m，路基粘土填筑，密實(shí)。周邊主要為荒地、河灘地，無居民生活點(diǎn)。

2 拱圈荷載計(jì)算

隧道樁號(hào)96+835～96+960 范圍下穿高速公路段為Ⅴ類圍巖，隧道開挖斷面為馬蹄形，最大寬度為9.38 m。

按照J(rèn)TG/T D70-2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》，隧道頂部圍巖為Ⅴ級(jí)圍巖，天然容重γ天取20 kN/m3，浮容重γ浮取10 kN/m3，圍巖彈性抗力系數(shù)取200 MPa/m，圍巖計(jì)算摩擦角φc取45°。

1）判別隧道是否是淺埋隧道，按照經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：ω——寬度影響系數(shù)；i——圍巖壓力增減率，當(dāng)Bt＞5.00 m 時(shí)，取0.1；Bt——洞身開挖寬度，m，Bt=9.38 m；h——荷載等效高度，m；S——圍巖類別，取5；Hp——深淺埋隧道判定深度，m。

計(jì)算得ω=1.438，h=10.35 m，Hp=20.70～26.00 m。

穿越高速公路段隧道埋深H為12.30～16.90 m，h＜H＜Hp，因此穿越段為淺埋隧道。

2）垂直荷載q按下式計(jì)算：

式中：q——垂直均布荷載，kN/m2；γ——圍巖重度，有地下水時(shí)取γ浮，kN/m3；H——洞頂覆土高度，取16.90 m；λ——側(cè)壓力系數(shù)；φc——圍巖計(jì)算摩擦角，取φc=45°；θ——頂拱土柱兩側(cè)摩擦角，為0.5～0.7φc，取θ=25°；β——側(cè)邊產(chǎn)生最大推力時(shí)的破裂角，（°）。

計(jì)算得q=276.38 kN/m2，λ=0.217。

3）作用于拱圈上部的水平分布荷載q1計(jì)算：

代入λ=0.217，計(jì)算得q1=73.35 kN/m2。

4）作用于拱圈下部的水平分布荷載q2計(jì)算：

式中：hi——隧洞開挖高，隧洞凈高為7.28 m，頂拱襯砌厚0.70 m，仰拱襯砌厚0.80 m，取hi=7.28+0.70+0.80=8.78 m。

計(jì)算得q2=111.45 kN/m2。

5）車輛荷載q車計(jì)算：按JTG B01-2003《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，G1212 高速公路的車輛荷載等級(jí)采用公路-Ⅰ級(jí)，按JTG D60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定，洞頂承受的汽車車輛荷載為后軸重力通過車輪按30°擴(kuò)散角傳至洞頂?shù)木己奢d，其值：

式中：P——汽車車輛荷載的后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值，280 kN；A——后軸重力擴(kuò)散至洞頂?shù)拿娣e，m2；H——洞頂以上埋土高度，取16.90 m；S1——行車方向的后軸輪距，取1.40 m；S2——垂直于行車方向的后軸輪距，取1.80 m；c——后軸著地長度，取0.20 m；d——后軸著地寬度，取0.60 m。

計(jì)算得q車=0.61 kN/m2。

6）水壓力計(jì)算：內(nèi)水壓力，正常運(yùn)行期間，洞內(nèi)水深按6.00 m 考慮，檢修期及施工期洞內(nèi)無水；外水壓力，正常運(yùn)行期和檢修期，按最不利情況考慮，外水壓力水頭為16.5 m 更合適。

施工期不考慮外水壓力，初期支護(hù)承擔(dān)圍巖壓力的40%，二次襯砌承擔(dān)圍巖壓力的60%。圍巖荷載取q′=（276.38+0.61）×0.6=166.19 kN/m2，q′1=73.35×0.6=44.01 kN/m2，q′2=111.45×0.6=66.87 kN/m2。

在隧道穿越段施工前，從地表對(duì)地層進(jìn)行注漿加固，加固范圍為公路軸向長度為14.56 m，與地面水平夾角60°方向斜向下進(jìn)行注漿。洞內(nèi)超前支護(hù)采用?108 管棚，初期支護(hù)采用I20a 鋼支撐配合鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)的形式。

3 施工方法及工藝

3.1 洞身開挖

洞身穿越凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r，強(qiáng)度低、多變化。此外，公路車輛行駛頻繁，動(dòng)荷載較大。為保證高速公路正常運(yùn)行及隧道施工安全，該段洞身開挖采用臺(tái)階法、CRD 法組織施工。通過對(duì)圍巖情況進(jìn)行判斷，在圍巖極度破碎地帶采用人工配合液壓鎬、風(fēng)鎬開挖，以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)；在圍巖整體性較好地段，可采用短進(jìn)尺控制爆破。

3.2 隧道超前支護(hù)

該段隧道超前支護(hù)型式采用超前管棚，沿洞室開挖輪廓線全周均勻布設(shè)管棚，管棚中心間距40.0 cm；超前管棚采用外徑108 mm、壁厚6 mm，長25.00～30.00 m 的熱軋無縫鋼管，搭接長度按3.00 m 考慮。單節(jié)鋼管長4.00～6.00 m，每節(jié)之間采用?89 內(nèi)套管焊接，接頭錯(cuò)開布置；管棚內(nèi)設(shè)置4?16 鋼筋籠，灌漿充填。

3.3 隧道初期支護(hù)

隧道的初期支護(hù)主要包括：

1）鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)：材料選用?8 鋼筋，網(wǎng)格尺寸20.0 cm×20.0 cm，掛網(wǎng)部位為頂拱和邊墻，網(wǎng)片搭接長度為15.0 cm。配合錨桿、噴混聯(lián)合支護(hù)。

2）噴射混凝土。選用混凝土標(biāo)號(hào)C30W10，噴混厚30.0 cm，噴混部位為頂拱和邊墻，噴混工藝采用濕噴工藝，噴混壓力不小于0.20 MPa。

3）架設(shè)鋼拱架。材料選用I20a 型工字鋼，架設(shè)間距500～1 000 mm。

3.4 固結(jié)灌漿

灌漿孔按3.00 m 排距梅花形布設(shè)，深入圍巖3.50 m，孔徑38～40 mm。鉆孔采用YT-28 手風(fēng)鉆鉆孔。

灌漿根據(jù)地質(zhì)圍巖情況，采用相應(yīng)的分序加密方法進(jìn)行灌漿。灌漿壓力最大不超過1.5 MPa，具體參數(shù)通過灌漿試驗(yàn)確定。漿液水灰比采用3∶1，2∶1，1∶1，0.5∶1 等4 個(gè)等級(jí)，施工時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。每段灌漿漿液按由稀到濃的原則灌注，初始水灰比為3∶1，逐級(jí)改變。當(dāng)灌漿量超過300 L 或灌漿時(shí)間超過30 min，而注入率和灌漿壓力均無明顯變化時(shí)，更換下一級(jí)水灰比漿液繼續(xù)灌漿。在改變漿液水灰比后，注入率突然降低或灌漿壓力突然增加，立即查找原因，并將漿液換回原水灰比繼續(xù)灌注。

固結(jié)灌漿采用純壓式灌漿法，孔口需安裝封孔器。固結(jié)灌漿采用全孔一次灌漿工藝，優(yōu)先采用單孔灌漿；當(dāng)吸漿量小時(shí)，采用兩孔并聯(lián)灌漿；當(dāng)發(fā)生串漿時(shí)，采用多孔并聯(lián)灌漿，但孔數(shù)不宜多于3個(gè)。

在設(shè)計(jì)灌漿壓力下，若灌漿的注入率小于0.4 L/min，再繼續(xù)灌注10 min 后結(jié)束灌漿。灌漿結(jié)束后，按技術(shù)要求封孔。

3.5 二次襯砌

根據(jù)此段淺埋隧道的特殊性，圍巖類別為Ⅴ類，加之穿越高速公路，動(dòng)荷載較大。為了有效地控制圍巖變形，保證隧道上部高速公路的正常通行及隧道施工的安全，仰拱襯砌盡量緊跟開挖面施工，完成開挖及初期支護(hù)后，及時(shí)進(jìn)行邊頂拱襯砌，邊頂拱整體澆筑。該穿越段隧道成洞斷面為馬蹄形，采用C35 鋼筋混凝土襯砌，仰拱與邊頂拱襯砌厚度均為50.0 cm，雙層配筋。

4 結(jié)語

對(duì)穿越段的設(shè)計(jì)，首先要充分考慮所穿越的建筑物，根據(jù)建筑物特點(diǎn)，首先分析地面以下至洞室部位應(yīng)力分布，尤其要重點(diǎn)考慮高速公路的動(dòng)荷載影響。根據(jù)開挖洞室的受力特點(diǎn)進(jìn)行洞內(nèi)及洞外支護(hù)設(shè)計(jì)，同時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)每個(gè)工序都要嚴(yán)謹(jǐn)對(duì)待，這樣才能形成系統(tǒng)的作業(yè)循環(huán)，保證開挖效率和施工安全及質(zhì)量。此次穿越高速公路段影響范圍為125 m，施工中采用臺(tái)階法、CRD 法開挖，超前支護(hù)，加強(qiáng)初期支護(hù)等方法，確保該施工段未發(fā)生任何坍塌、冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災(zāi)害，亦未發(fā)生任何安全事故。較好地控制了節(jié)點(diǎn)性工期，也為工程的順利貫通提供了保障。