隧道工程總體設計方案研究
——以茶埡隧道項目為例

張中立

(江蘇蘇通大橋有限責任公司,江蘇 南通 226017)

0 引言

隧道設計的優(yōu)劣對隧道施工的質(zhì)量具有至關重要的影響。隧道設計應該與隧道工程的特性相匹配,設計理念和技術規(guī)范必須與現(xiàn)代公路建設的發(fā)展水平相適應。在隧道設計過程中,環(huán)保理念應始終處于核心地位,以避免對地表植被、人文和自然景觀,以及居民生活用水的負面影響。

1 項目概況

隧道長約1 700 m,設置1處停車帶即可滿足規(guī)范要求,鑒于該隧道地質(zhì)條件較差,建議設置1處緊急停車帶、4處人行橫洞。左右洞共設置4處緊急停車帶、2處車行橫洞、4處人行橫洞。洞身段測量線間距約24 m,設計按小凈距隧道處理投資高、施工麻煩。鑒于該隧道地質(zhì)條件較差,除洞口段外測量線間距應加大至30 m,按標準的分離式隧道進行設計,對隧道洞身線位進行優(yōu)化,洞身段測量線間距加大,洞口段V級圍巖凈距在2倍開挖寬度(約24 m)以內(nèi)施工按照小凈距隧道處理,其余段按照正常分離式隧道進行設計。核實洞身深埋段是否有鉆至隧底以下的鉆孔,若有應補充至隧道縱斷面圖上,在隧道縱斷面圖上補充洞身深埋段的鉆孔。洞身巖性為中風化泥質(zhì)灰?guī)r,應進一步核實全部劃分為V級圍巖的合理性。宏觀看,圍巖分段不合理,如V1級圍巖最短,僅21 m。

2 隧道設計技術標準

(1)公路等級:雙洞四車道二級公路。(2)設計速度:60 km/h。(3)隧道防水等級:二級,二次襯砌混凝土抗?jié)B等級不小于P8。(4)隧道路面橫坡(正常路拱):單向坡-2%(直線段)。(5)隧道縱坡:控制在0.30%～3.0%。(6)隧道設計洪水頻率:1/100。(7)隧道地震基本烈度為Ⅵ度,抗震設防烈度為Ⅶ度[1]。

3 隧道總體設計方案

3.1 建設規(guī)模

通過研究機動車和慢行交通需求以及工程實施可行性后,茶埡隧道選用雙向四車道,以更好地滿足機動車交通需求。此外,為滿足行人和車輛的需求,隧道內(nèi)部設置了4處人行橫通道和2處車行橫通道,提供更加便捷的過街和通行方式。在地面上,還設置輔助道路,以滿足沿線地區(qū)出行的需求以及路網(wǎng)的連通性,使得整個交通系統(tǒng)更加完善和高效。

3.2 平縱面設計

茶埡隧道萬源端左線洞口位于R=850的圓曲線上,萬源端右線洞口位于R=920的圓曲線上;八臺端左線洞口位于R=650的圓曲線上,八臺端右線洞口位于R=650的圓曲線上,洞口地段滿足洞內(nèi)外“3S設計行程”的線型一致。隧道左右線均設置“人”字坡,右線按行車方向為2.48%的上坡接1.305%的下坡,左線按行車方向為0.878%的上坡接2.49%的下坡。

3.3 隧道洞口設計

茶埡隧道萬源端洞口左右線地形偏壓,均采用偏壓端墻式洞門,左洞明洞長12 m,右洞明洞長10 m;八臺端洞口左右線地形嚴重偏壓,均采用偏壓端墻式洞門,左洞設置長8 m的明洞,右洞設置長5 m的明洞。

本隧道萬源端和八臺端的洞門主體均采用C20混凝土材料,墻厚1.4 m。洞門墻基礎深入巖土體平均深度不小于1 m,洞門墻基礎的基底承載力要求不小于350 kPa,明洞地基承載力不得小于300 kPa,施工前應檢測地基承載力,不滿足要求時需進行換填。萬源端右洞的洞門和明洞段基底采用C15混凝土換填至巖層面,以滿足承載力要求。本隧道萬源端和八臺端的洞門均采用偏壓臺階端墻式,洞門頂部檐面和墻身正立面分別鋪貼瓷磚和石板進行裝飾。

3.4 隧道襯砌結(jié)構設計

3.4.1 明洞襯砌

明洞襯砌采用60 cm C30鋼筋混凝土結(jié)構,填土高度應不小于2 m,并不宜大于5 m,明洞頂回填區(qū)域上部進行種草綠化,洞口的邊仰坡面進行修坡和綠化,同周邊地形環(huán)境相協(xié)調(diào)。明洞襯砌應該在洞口開挖完成之后立即進行施工,并滿足設計強度后進行回填。在結(jié)構計算期間,應考慮回填土荷載、結(jié)構自重荷載、坡頂滾石沖擊荷載以及施工荷載。同時,對于仰拱和采用漿砌片石回填的邊墻部分,需考慮地基彈性抗力的影響。明洞與洞門之間設置2圈連接鋼筋,作為抗震構造措施。通過連接鋼筋,增強洞門墻同明洞結(jié)構的連接,增加其結(jié)構的穩(wěn)定性[2]。

3.4.2 洞身襯砌

隧道洞身采用了“新奧法”原理的復合式襯砌結(jié)構,結(jié)合了多種初期支護手段,如錨桿、噴混凝土或鋼筋網(wǎng)噴混凝土、鋼拱架等,并且以鋼筋混凝土用于二次襯砌,以此共同構成永久性承載結(jié)構。此外,為了防止?jié)B水,在初期支護與二次襯砌之間鋪設土工布并增加了0.15 cm厚的EVA防水板作為防水層。根據(jù)圍巖等級、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、地形和埋深、結(jié)構受力特點,以及施工和環(huán)境條件,按照公路隧道設計規(guī)范,并通過工程類比綜合分析,最終確定襯砌結(jié)構的支撐參數(shù)。

根據(jù)詳勘報告,本隧道洞身段圍巖均為Ⅴ級,根據(jù)隧道凈距、埋深的不同,本隧道襯砌采用了普通分離式襯砌和小凈距襯砌兩種類型。在隧道兩端洞口地段,1B<隧道凈距≤2B(B為隧道開挖跨度)的區(qū)域采用小凈距形式。本隧道其余地段,2B<隧道凈距,采用分離式襯砌。分離式襯砌根據(jù)隧道巖體破碎程度、埋深大小、偏壓情況等共設置Ⅴ級圍巖深埋段襯砌(S-Ⅴa)、Ⅴ級圍巖構造破碎段襯砌(S-Ⅴb)、Ⅴ級圍巖洞口淺埋偏壓加強段襯砌(S-Ⅴc)、Ⅴ級圍巖行車橫洞口加強段襯砌(S-Ⅴd)、Ⅴ級圍巖緊急停車帶襯砌(ST-Ⅴ)等5種襯砌結(jié)構形式。小凈距襯砌采用XS-Ⅴ襯砌,適用于1B<隧道凈距≤2B地段。

本隧道的人行橫洞均位于Ⅴ級圍巖中,人行橫洞采用SR-Ⅴ襯砌,人行橫洞的洞口段采用30 cm鋼筋混凝土結(jié)構加強;人行橫洞同主洞相交的部位主洞采用S-Ⅴb鋼筋混凝土結(jié)構進行加強。本隧道的車行橫道均位于Ⅴ級圍巖中,車行橫道采用SC-Ⅴ襯砌,車行橫道的洞口段采用40 cm鋼筋混凝土結(jié)構加強。車行橫道與主洞相交的部分使用S-Ⅴd的鋼筋混凝土結(jié)構進行強化[3]。

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(1)初期支護:在Ⅴ級圍巖地段,初始支撐結(jié)構由工字鋼鋼拱架、系統(tǒng)錨桿、C25噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)所組成,為了提升系統(tǒng)錨桿的穩(wěn)定性,可以使用Φ25中空注漿錨桿來增強。鋼拱架具有高剛度和發(fā)揮作用快的優(yōu)點,因此較為適合在跨度大、圍巖自穩(wěn)能力差的地段應用。使用Φ22的鋼筋在每榀鋼拱架間進行交錯相連接,同時采用焊接形式將其與超前注漿小導管焊成一個整體,與圍巖緊密貼合,形成承載結(jié)構。

(2)二次襯砌:在Ⅴ級圍巖地段中的隧道洞口淺埋段、偏壓段和洞身構造破碎帶,由于巖體風化嚴重、節(jié)理發(fā)育,圍巖條件相對較差,為Ⅴ2級圍巖地段。二次襯砌可以選用鋼筋混凝土結(jié)構等級為C30,并要求緊跟掌子面。針對Ⅴ級圍巖地段中的洞身深埋地段,圍巖條件相對較好,為Ⅴ1級圍巖地段,二次襯砌同樣采用C30鋼筋混凝土結(jié)構,但是需要結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),準確判斷二次襯砌的施工時間,以最大限度地發(fā)揮初期支護的承載能力。

3.5 輔助施工設計

3.5.1 超前長管棚

在隧道洞口Ⅴ級圍巖地質(zhì)條件較差的地段,注漿技術可有效提高圍巖的承載能力,增強巖體對結(jié)構的彈性抗力,經(jīng)過注漿處理后,結(jié)構受力情況得到顯著改善。管棚鋼管選用長度為3 m、6 mΦ108×6 mm熱軋無縫鋼管,環(huán)向間距為0.4 m。然而,鋼管應布設在襯砌拱部,其打設角度為仰角1°～3°(不包括路線縱坡)。

3.5.2 超前小導管

隧道Ⅴ級圍巖地段采用超前小導管進行施工,小導管長度為4.5 m、Φ42 mm×3.5 mm熱軋無縫鋼管,環(huán)向間距40 cm,S-Ⅴa襯砌段超前小導管的縱向間距為3.2 m,S-Ⅴb、S-Ⅴc、S-Ⅴd、XS-Ⅴ、ST-Ⅴ襯砌段超前小導管的縱向間距均為3.0 m。施工中,應確保每環(huán)超前小導管的縱向搭接長度不小于1.0 m。小導管以10°～15°外傾角打入拱部圍巖后,及時進行注漿施工。針對注漿方法的選用,單液注漿是本項目最為理想的選擇,它不僅使工藝更簡單,還可以降低施工成本,且具有更高的固結(jié)強度。因此,在開始正式注漿之前,進行單液注漿實驗是非常必要的。在單液注漿時,使用純水泥漿液。如果單液注漿的效果良好,能夠達到固結(jié)圍巖的目的,那么整個隧道都可以采用單液注漿的方案。主要注漿參數(shù)如下:水泥漿水灰比為1∶1;注漿壓力為0.4～1.0 MPa;終壓為2.0 MPa。在注漿施工過程中,通常以單管達到設計的注漿量作為結(jié)束的標準。當注漿壓力達到設計終壓并持續(xù)10 min后,如果進漿量仍然沒有達到設計的注漿量,也可以停止注漿工作。在注漿過程中,需要詳細記錄所有的數(shù)據(jù),以便進行分析和改進。此外,還需要密切觀察初期支護和工作面的狀態(tài),以確保安全。

3.6 防排水設計

3.6.1 防排水設計原則

根據(jù)本隧道的水文地質(zhì)特征及周圍環(huán)境情況,進行隧道防排水設計時應遵循“防、排、截、堵”相結(jié)合的原則,采用因地制宜的綜合治理方法,構建完整的防水系統(tǒng)和排水系統(tǒng),以實現(xiàn)隧道防水的可靠性和排水的暢通性。通過這種綜合治理方法,運營期間隧道內(nèi)可以保持基本干燥,從而確保結(jié)構的正常使用和行車安全。

在穿越隧道的過程中,若遇到嚴重的涌水段或洞周圍局部涌水,需要按照超前鉆孔的實際情況進行測試與探究。如有必要,可以選用全斷面深孔預注漿、全斷面周邊預注漿或開挖后周邊局部注漿等舉措,來封閉地下水的流動通道以及裂隙,這樣可以規(guī)避地表水過度流失,從而保護居民的生活和農(nóng)業(yè)灌溉用水免受影響。

隧道明洞段采用黏土隔水層作為第一道防線防止地表水滲透,明洞襯砌外鋪設1.5 mm EVA防水卷材和350 g/m2無紡布(無紡布為防水板內(nèi)外兩層布設)作為第二道防水措施。在隧道工程中,為了防止水滲入洞內(nèi),采取多種措施。首先,在暗洞段,使用超前小導管預注漿、系統(tǒng)錨桿和噴射混凝土,形成一個圍巖加固圈,作為防水的第一道防線。其次,在初期支護和二次襯砌之間鋪設1.5 mm的EVA防水卷材與350 g/m2的無紡布,將它們設置在靠近圍巖的一側(cè),作為第二道防水措施。隧道二次襯砌混凝土的抗?jié)B等級為P8,作為隧道防水最后一道防線。隧道防水措施及施工方法詳見相關設計文件、規(guī)范和操作規(guī)程等。施工縫采用外貼式EVA止水帶+中埋式橡膠止水帶進行防水,沉降縫采用外貼式EVA止水帶+中埋式鋼邊橡膠止水帶進行防水。

3.6.3 排水措施

地面水和地下水以分開引排的形式來設計,潔污分流更環(huán)保,以確保隧道內(nèi)排水暢通。在隧道路面兩側(cè)設置縱向排水邊溝,用于排除隧道路面積水、清洗和消防水等污濁水,其縱坡應與隧道縱坡相一致。在隧道底部設置40 cm×40 cm矩形排水溝以排出襯砌背后積水,并沿隧道縱向上每隔250～300 m設置中央排水溝檢查井。

在初始支撐和第二次襯砌之間,利用環(huán)向Φ50 mm的軟式彈簧透水管進行設置,按照400 cm一道的標準布置,當水量較大時,需要加密一道。這種透水管可以將水引入縱向的Φ100 mmHDPE雙壁打孔波紋管內(nèi),該管應設計在標高以下0.88 m的位置。同時,隧道邊墻的底部選用橫向Φ100 mmPVC塑料排水管,將水引排至中心水溝,然后排出洞外。

在路面基層下部設置Φ50 mmHDPE雙壁打孔波紋管連通至中心水溝,以防止路面層冒水,縱向間距10 m一道。集中股水流處經(jīng)注漿堵水后再設置Φ50 mm軟式彈簧透水管,管端部應穿越初期支護直接與股水流處對接以達到更好的排水效果,水量豐富地段可結(jié)合現(xiàn)場情況適當加密。各管件接頭及交叉接頭必須用多通管連接,確保排水暢通。打孔波紋管均外裹無紡布。

3.7 洞口防排水設計

為了防止地表的匯水沖蝕洞口,在其上方設網(wǎng)狀的截水溝,以引導地表的水流向路基邊溝或洞門外端的自然溝谷,從而構建一個完善的洞外排水系統(tǒng),保護洞口工程免受水害影響。為使排水順暢,排水坡度與地面縱坡同坡、排水設施轉(zhuǎn)向處應做到圓順過渡。

3.8 注漿防水

為了盡量減少隧道開挖后對地下水結(jié)構的影響,減少地下水的流失,保護好沿線生態(tài)環(huán)境及居民生活、生產(chǎn)用水,應對以下情況采取注漿堵水:在隧道施工開挖前,對預測涌水量大的地段、斷層破碎帶和軟弱地層進行超前預注漿,對地下水進行封堵。在隧道開挖后,存在大股涌水或大面積滲漏水地段,應采取襯砌前圍巖注漿,對地下水進行封堵,減少地下水排放量。在隧道開挖后,開挖面存在出露的股水,也應進行注漿堵水。若在進行初期支護后,壁面仍然存在滲漏水時,應向初期支護背后實施注漿封堵。隧道襯砌背后設有縱橫向排水管,將封堵后剩余的地下水引入隧道中心溝排出洞內(nèi),此排水量應遠小于地下水的補給量。若隧道底板圍巖裂隙及節(jié)理發(fā)育時應進行注漿加固處理。

4 結(jié)語

在進行隧道設計過程中,應盡量減少對邊坡和仰坡的開挖高度,以降低對原始地形的破壞程度。同時,對于開挖后形成的表面,應進行綠化,以加強對環(huán)境的保護。在設計中,可以采用物探和地質(zhì)雷達等先進科技手段,預先規(guī)劃相應措施以處理可能遇到的不良地質(zhì)情況,確保隧道的安全性和穩(wěn)定性。并且,應該采用動態(tài)設計的方式根據(jù)實際情況不斷調(diào)整和完善設計方案以確保隧道工程的順利進行。