華南快速路石門堂山四車道新奧法隧道擴建工程總體設計

張韋華

（山東省交通規劃設計院集團有限公司，山東 濟南250031）

0 引 言

隧道作為交通的重要組成部分，是城市發展的重要動力。因此，做好城市隧道總體設計，對解決城市交通節點擁堵問題具有重要意義。本文以石門堂山隧道為研究對象，對國內首條既有連拱隧道側新建的超大跨度隧道進行詳細分析。

1 工程概況

華南快速干線位于中國廣東省廣州市，為一條城市快速路，設計行車速度為80 km/h。它是進出廣州中心城區及承擔過境交通的重要通道?，F石門堂山隧道全長623 m，為雙向四車道的連拱隧道，北距太和互通約為5 km，南距春崗互通立交約為1.8 km。根據近4 a的交通流量統計數據分析，特別是節假日期間，擁堵情況更為嚴重，已成為華南快速路的交通瓶頸。高峰期間，排隊通過石門堂山隧道的車都有5～10 km長，造成全線大堵車。

由于石門堂山隧道現狀斷面為雙向四車道，隧道處車道數的縮減導致成為全線擁堵的瓶頸。而隧道擴建工程實施后有效打通交通瓶頸，緩解該處多年擁堵問題。

2 總體設計

根據預測交通量結果，擴建需要四車道才滿足遠期交通量增長的需求。而新建四車道隧道成本較高，考慮節約建設成本方面，對新建三車道隧道也進行對比分析。對新建單洞四車道隧道，目前尚無設計規范可依，存在設計難度較大、施工較為復雜、成本較高的問題。

2.1 主要控制因素

主要控制因素包括現有正在通車的623 m的四車道的連拱隧道、地下的廣佛環線東環隧道、北側夕陽大橋南側橋頭，南側金雞一號橋、110 kV茶龍線及部分房屋。項目建設主要難度和風險體現有：

（1）目前隧道設計規范尚無單洞四車道超大跨度隧道相關支護參數建議值，且施工分部開挖斷面大、步驟多，設計和施工難度大。

（2）隧道穿越原隧道棄渣區域，土質松軟，承載力差，邊仰坡防護難度大，采用小導管注水泥漿加固土體。

（3）新隧道建設過程中爆破開挖對原隧道有一定震動擾動，需嚴格控制爆破振速，并持續對原隧道監控量測，避免結構出現破壞。

（4）新建隧道向原隧道開挖人行通道過程需采用爆破和機械開挖相結合的方式，尤其接近原隧道結構時和對原隧道結構進行開挖時，必須采用機械切割開挖，精細化施工要求高。

2.2 平面設計

平面設計起、終點首先要考慮路線基本走向服從于新建隧道的選址，然后根據舊路線型與結合相關城市規劃，考慮地形、地質條件、工程規模與造價、環境保護等因素，綜合論證起終點的合理位置。路線起點推薦設置于既有夕陽大橋南側橋頭，從橋頭開始新建分離線與舊路主線分離。該起點方案有效避免對既有橋梁進行改造，有效降低了工程實施難度和造價。路線終點推薦設置于既有金雞一號中橋北側橋頭，在橋頭前新建分離線匯入舊路主線，避免對既有橋梁進行改造。預留遠期華快擴建車道接口。

擴建工程路線全長約2.0 km，按城市快速路標準建設，單向四車道，主線設計速度80 km/h。路線平曲線最小半徑為445 m；停車視距采用110 m。全線新建隧道1座，長720 m。為節約占地的同時保證施工期間不對原連拱隧道產生有害影響，確定兩者最小凈距為38 m，隧道限高5 m，內輪廓寬17.9 m，最大暗挖跨度達20.3 m。確保洞外直線段長度不小于3 s行程。新建右幅與舊路主線分離后在現有隧道西側新建單洞單向四車道隧道，途經大源村和金雞村，右幅新建分離線位走向基本與舊路平行。

2.3 縱斷面設計

本項目建設場地地勢隧道北段較為陡峭，南段較為平坦開闊，構造物以橋梁、隧道和涵洞為主。在縱斷面設計中，以安全、環保、節約投資為主要考慮因素，在條件允許時盡量減少工程量。隧道段最大縱坡為3.0%，路基段最大縱坡為4.0%，最短坡長272.703 m，最小凸形豎曲線半徑4 500 m，最小凹形豎曲線半徑6 000 m。

2.4 橫斷面設計

根據本項目各方案的性質、沿線地形、地質、地物、交通量預測結果、通行能力和服務水平評價結果，新建右幅分離線全線采用V=80 km/h的設計速度，單向四車道城市快速路標準，路基寬度為17.5 m。項目范圍內舊路暫按單向四～六車道進行改造，路基標準橫斷面為26.5 m。

2.5 起終點預留遠期拓寬接口設計

隧道北預留遠期接口，在收集機場二高茶山立交及華快擴建工可、竣工圖紙進行研究。擴建方案在西側擴建，近期采用路基接順現華快，已預留遠期擴寬橋梁位置。經復核，現有標高也滿足遠期擴建接順的要求。

隧道終點南端為路基段，距離春崗立交2.1 km。春崗立交至龍洞段比較方案，受占地拆遷、春崗立交等影響大。由于距離較長，隧道南端終點段至春崗立交段遠期采用兩側加寬，由雙六改造為雙八，隧道南端接口已經預留并滿足春崗立交至龍洞段改造的高架、下穿廣河的各方案的平縱拉順。

3 隧道方案設計

3.1 現狀隧道簡介

現石門堂山隧道為雙向四車道連拱隧道，隧道位于春崗立交北側約2 km位置，設計時速80 km/h，隧道內限速60 km/h。隧道內采用3%的單向坡，最大埋深約110 m，地形為緩丘，地表植被發育，參數見表1。

表1 現有隧道參數一覽表

3.2 隧道方案比較

針對現華快石門堂山隧道雙向四車道擁堵的現狀，考慮到東側為禁建區且地質非常差，西側80m范圍為限建區，擬在西側新建隧道滿足用地、規劃和安全運營的要求。現擬在原西側新建隧道單向通行，既有連拱隧道單向通行，在此基礎上，結合工程造價比選不同新建隧道方案。

方案一：西側新建單向四車道隧道

新建單洞四車道隧道，單洞四車道隧道目前尚無設計規范可依，存在設計難度較大、施工較為復雜、成本較高的問題。但是近些年我國新建大量單洞四車道隧道，如廣深沿江高速東莞段－牛頭山隧道（建筑限界凈寬18.25 m，凈高5.0 m）、深圳外環高速深圳龍崗段－紅花嶺隧道（建筑限界凈寬18.50 m，凈高5.0 m）、濱萊高速改擴建隧道群（建筑限界寬度18.25 m，凈高5.0 m）。這些新建隧道為四車道隧道的設計和施工積累了大量的成功經驗。同時四車道隧道與洞外車道相同可以很好地緩解通行壓力，避免交通堵塞，且駕車視野開闊，具有很好的駕車體驗，如圖1所示。

圖1 方案一西側新建單向四車道隧道橫斷面示意（單位：m）

方案二：西側新建四車道連拱隧道

四車道連拱隧道在展線困難、征地緊張的情況下應用較多，同時設計施工技術較為成熟。但是，近些年連拱隧道較少興建，主要是因為施工程序煩瑣、造價相對較高、防水效果不理想，尤其是通向連拱的形式，在單向四車道隧道大規模建設的情況下，已被逐漸替代。與單洞四車道相比，連拱隧道占地多、行車安全性和舒適性差，如圖2所示。

圖2 方案二西側新建四車道連拱隧道示意（單位：m）

方案三：西側新建分離式雙洞單向四車道隧道

分離式雙洞單向四車道隧道施工風險較小，具有十分成熟的建設經驗，但是分離線位占地多，與單洞四車道相比占地多、行車安全性和舒適性差，如圖3所示。

圖3 方案三西側新建分離式雙洞單向四車道示意（單位：m）

方案四：西側新建單洞三車道隧道

單洞三車道隧道施工風險較小，具有十分成熟的建設經驗，但是洞內外車道不同，即使有很好的交通引導，也仍有可能引發安全事故。長遠來看，三車道隧道不滿足遠期交通量增長需求，有可能成為該段道路交通發展的瓶頸，導致交通擁堵，如圖4所示。

圖4 方案四西側新建單洞三車道隧道示意（單位：m）

綜合以上方案比較（見表2），長久考慮遠期交通發展、行車舒適度，選取方案一作為新建單向四車道隧道推薦方案。

表2 隧道方案匯總比較

3.3 隧道設計標準

設計速度：80 km/h。

主洞限界凈寬：17.25 m=0.75 m左側檢修道+0.50 m左側向寬度+2×3.5 m行車道+2×3.75 m行車道+0.75 m右側向寬度+0.75 m右側檢修道。

主洞限界凈高：行車道凈高≥5.0 m，檢修道凈高≥2.5 m。

人行橫洞限界凈寬：2.0 m。

人行橫洞限界凈高：2.5 m，如圖5所示。

圖5 隧道主洞建筑限界（單位：mm）

隧道內輪廓除符合隧道限界的要求以外，還應考慮洞內排水、通風、照明、消防、配電、監控等附屬設施所需的空間，并考慮施工工藝等要求留有一定的富余量，使確定的斷面形式、尺寸達到安全、經濟、合理的目的，隧道主洞內輪廓采用三心圓斷面形式，如圖6所示。

圖6 隧道主洞內輪廓隧道（單位：mm）

3.4 隧道洞口與襯砌結構設計

隧道洞門的設計，應綜合考慮進出口地形、地貌、地質、開挖邊坡穩定性、防水排水需要、洞口采光、環保景觀等多重因素。按照“早進洞、晚出洞”的設計原則，洞口貼坡進洞，或設置一段明洞，盡可能采用零開挖洞口，盡量減少洞口邊坡、仰坡的開挖，保證山體穩定。

洞內按新奧法原理設計，施工采用光面爆破和預裂爆破技術，盡量減少對圍巖的擾動，嚴格控制超挖和欠挖。隧道結構采用柔性支護體系結構的復合式襯砌，即以超前鋼管注漿加固地層、系統錨桿、噴射混凝土、掛鋼筋網、工字鋼型鋼鋼架、格柵拱架等為初期支護，模筑混凝土或鋼筋混凝土為二次支護，并在兩次襯砌之間敷設EVA防水板及無紡土工布防水層。隧道襯砌類型、襯砌斷面型式、襯砌結構尺寸方案設計，主要采用工程類比法，結合構造要求和經濟技術比較，根據圍巖級別和洞室埋深條件擬定相應的支護類型，并對隧道結構進行必要的理論分析計算和校核，確定支護襯砌模式。

3.5 新舊隧道關系

新隧道建成后，原石門堂山隧道將改為雙洞南往北單向通行。為節約占地的同時保證施工期間不對原連拱隧道產生有害影響，確定兩者最小凈距為38 m。這也是國內首條既有連拱隧道側新建的超大跨度隧道。

（1）凈距問題

推薦方案利用既有隧道作為左洞，施工過程中應盡量采用每步驟開挖量小的施工方法。在地質條件允許的條件下，盡量采用人工和機械混合開挖的方式，以避免爆破振動對既有隧道的影響。必須鉆爆施工時，應對爆破振動速度進行嚴格控制。

根據隧道規范，兩洞間凈距宜取0.8～2.0倍開挖寬度，圍巖條件總體較好時取較小值，圍巖條件總體較差時取較大值。兩洞跨度不同時，以較大跨度控制。

根據地質勘察報告，圍巖以花崗巖為主，完整性好，巖質堅硬，洞身主要以Ⅱ級、Ⅲ級為主，凈距約為1.5B，貼合規范要求。而且開展本項目前，設計人員對全國二十余座四車道隧道進行了調查研究。根據實際情況反饋，兩洞間距大于1倍洞徑時，兩洞的開挖基本沒有有害影響。山東省東南二環延長線四車道隧道群，分離式隧道兩洞凈距最小12 m，而且是在Ⅴ級圍巖破碎區段。通過一些科研單位分析，Ⅴ級圍巖破碎區段四車道特大跨度隧道應力影響范圍不大于1.5倍洞徑（小于30 m）。

（2）舊隧道之間橫通道

既有隧道橫洞宜設置在Ⅱ級、Ⅲ級圍巖襯砌處，且將新建橫洞二襯伸入既有主洞二襯內，與主洞二襯相結合，達到加固橫洞影響范圍內主洞二襯的目的。同時在橫洞與主洞二襯交接處設置兩道遇水膨脹橡膠止水條，防止圍巖水由施工縫侵入隧道內。在既有隧道破除原襯砌前，對橫洞位置前后10 m范圍內進行套拱加固處理，并對襯砌進行嚴格監控量測。在新建隧道建成后，封閉華快舊隧道西側隧道，南行車輛通過新建隧道臨時疏解，然后再進行新舊隧道之間的橫通道施工。

3.6 隧道防排水設計

隧道防排水設計遵循“防、排、截、堵相結合，因地制宜，綜合治理”的原則，采用完整的防排水體系，使隧道內防水可靠，排水通暢，保證運營期間隧道內不滲不漏，基本干燥，如圖7所示。

本次隧道排水系統設計采用潔污分排方案，將隧道襯砌外圍巖滲水通過橫向排水管引入地下側式排水溝排走，而隧道內雨水、路面積水和清潔污水等匯入地面排水溝排出。

3.7 路面及裝飾設計

結合國內公路隧道建設和運營經驗，為了提高隧道中行車的舒適性和安全性，減少路面的變化，本項目隧道主洞采用瀝青復合式路面，車行、人行橫通道采用水泥混凝土路面。

隧道推薦采用“耐火瓷磚+防火涂料”的洞內裝飾方案。隧道邊墻3.8 m高范圍內采用乳白色耐火瓷磚鑲貼，其余部分噴涂隧道專用厚型防火涂料。隧道采用機械通風，配有滅火器、消防栓等安全設備，新建兩條與既有隧道連通的救援人行通道，發生火災等災害時能夠及時處理救援。同時四車道隧道與洞外車道數相同，可以很好地緩解通行壓力，避免交通堵塞，且駕車視野開闊，不僅具有很好的駕車體驗，而且能夠有效提高行車的安全性。

4 結 語

在路線全長約2 km的范圍內，新建長720 m單洞四車道超大跨度隧道1座，是國內首條既有連拱隧道側新建的超大跨度隧道。開挖斷面大、步驟多，設計和施工難度大，隧道穿越原隧道棄渣區域，土質松軟承載力差，邊仰坡防護難度大，采用小導管注水泥漿加固土體。新隧道建設過程中，爆破開挖對原隧道有一定震動擾動，需嚴格控制爆破振速，并持續對原隧道監控量測，避免結構出現破壞。新建隧道向原隧道開挖人行通道過程需采用爆破和機械開挖相結合，尤其接近原隧道結構時和對原隧道結構進行開挖時，必須采用機械切割開挖，精細化施工要求高。設計綜合考慮各種限制性因素，從總體上把控了路線的關鍵因素。新建隧道位于原隧道西側，為節約占地的同時保證施工期間不對原連拱隧道產生有害影響，兩者凈距保持在38m左右。這也是國內首條在既有連拱隧道外側新建的超大跨度隧道。確定在舊有的連拱隧道西側新建了一個單洞四車道隧道的基礎上調整、優化了路線接順方案，既滿足了基本的技術規范要求，也兼顧了項目全線遠期改造的條件。更重要的是，通過總體設計，使近、遠期拓建有機協調，利于分期建設?？傮w設計在整個項目設計中起到了關鍵性作用。