单洞四车道隧道设计浅谈

付大喜

(河南省交通规划勘察设计院有限责任公司，河南郑州 450052)

单洞四车道隧道适用于单向行驶的四车道公路，相对于连拱隧道及分离式双洞隧道具有车道连续且宽度大、行车舒适，交通安全性高，运营管理较为方便，运营通风比较有利的优点。近年来国内已建设成少数几座单洞四车道中短隧道，最长的是746 m的前鸥隧道，长隧道还未出现。单洞四车道长隧道跨度巨大(隧道标准断面净宽19 m，紧急停车带断面净宽21.5 m)，开挖面积达140 m2以上，属超大断面，施工工序多，工序间结构受力体系转换复杂，设计和施工难度较大，建设风险较大。

1 概况

连霍高速公路洛阳至三门峡段原有双向四车道高速公路需改扩建为双向八车道。义马段、观音堂段原有高速公路边坡高，进行单侧或双侧拼宽需要开挖高路堑，难度很大。经综合论证，在路线北侧采取单侧加宽方案，以隧道形式通过。修建单向单洞四车道的隧道减少了交通流分合流点，调高了行车舒适性，更有利于线形的顺接、行车的安全和运营管理。

本段改扩建项目拟设单洞四车道隧道3座，其中张茅隧道全长1 980 m，是目前我国最长的高速公路单洞四车道隧道。

1.1 地形地貌

张茅隧道处于陕县硖石乡与张茅乡的交界处，区域地貌属豫西低山区，地形起伏变化较大，区内沟谷发育，岩石裸露。隧址区地层岩性为震旦系(Z)安山岩，上部1.0～5.0 m中风化，厚层状构造，岩质较硬，倾向南东，倾角 175°～20°。

1.2 隧道建筑界限及内轮廓

张茅隧道设计行车速度100 km/h，布置形式为单洞单向四车道，隧道建筑限界宽18.25 m(0.75 m+0.5 m+4×3.75 m+1 m+1 m)、限高5 m。设置两处紧急停车带通道和一处横通道。

张茅隧道单洞四车道隧道内轮廓最大跨度为19.0 m，净空面积为140.9 m2。紧急停车带内轮廓的最大跨度为21.5 m，净空面积为170 m2。内轮廓图见图1。

图1 单洞四车道隧道内轮廓图(单位:cm)

1.3 复合式衬砌设计

除明洞按整体式衬砌结构设计外，隧道暗洞衬砌均采用复合式衬砌结构，按新奥法原理设计。暗洞洞身采用柔性支护体系复合式衬砌，即以管棚、超前小导管结合的超前支护，以系统锚杆、喷射混凝土、挂钢筋网、型钢钢架、格栅拱架等为初期支护，模筑混凝土或钢筋混凝土为二次衬砌，并在初期支护和二次衬砌之间设置防水层。

隧道断面尺寸形式、支护参数、衬砌断面尺寸的确定，主要采用工程类比法为主，经数值模拟验证，结合构造要求、经济技术比较、围岩级别、隧道埋深等因素综合拟定(见表1)。

表1 单洞四车道隧道复合式衬砌支护参数表

2 张茅隧道大断面开挖施工方案

2.1 隧道施工工法

通过分析已有的工程案例及研究成果，针对本项目大断面隧道的设计施工问题进行了诸多工法的比较研究，提出了具体的支护措施和施工工法。本项目建议采用双侧壁导坑法和短台阶七步开挖法。

图2 双侧壁导坑法施工工序横断面示意图

1)双侧壁导坑法。双侧壁导坑法适用于大跨度或大断面，特别是软弱围岩的施工(见图2)。此法通过两侧壁减跨，把整个断面分成多个较小的工作面，每个工作面均能及时封闭成环形支护结构，能有效控制大跨度隧道拱顶下沉和周边收敛。

2)短台阶七步开挖法。短台阶七步开挖法是采用2～3层短台阶，分步平行开挖，分步平行施作拱墙初期支护，混凝土仰拱超前施作及时闭合构成稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承载力，有效抑制围岩变形(见图3)。

图3 短台阶七步开挖法施工工序横断面示意

3)开挖方式的选取。对于Ⅴ、Ⅳ级围岩，由于地质条件差，且多位于洞口及浅埋段，围岩自稳能力差，施工风险大，设计选用了双侧壁导坑的施工开挖方式。在侧导坑的设计时考虑到了施工机械通行及施工的可行，两导坑可同时作业，且互不干扰，施工进度较快。由于临时支护及临时仰拱的存在，施工安全及结构稳定性得到了保证。

对于Ⅲ级围岩，地质条件较好，且多位于深埋段，围岩有一定的自稳能力。结合已有工程经验，拟采用短台阶七步开挖法。

2.2 施工工法及初期支护计算分析

施工工法与初期支护采用地层结构法进行设计，采用ANSYS有限元分析软件对隧道结构进行理论分析验算和校核。计算对象主要针对V级浅埋双侧壁导坑法，目的是为了验证施工工法及初期支护的安全性。对V级围岩20 m埋深与40 m埋深两种工况双侧壁导坑法进行模拟分析。

地层结构法计算结果表明，在V级围岩20 m埋深条件下，当不考虑辅助施工措施如超前管棚、注浆小导管等措施时，围岩变形收敛而且稳定，但变形量值较大，拱顶沉降最终值约56 mm，水平收敛约40 mm。此外，初期支护衬砌受力较大，最大压应力9 MPa出现在先行施工的左导洞拱脚处，最大拉应力5 MPa出现在竖向临时支撑的上下台阶接头处。拉应力量值已经超标。

围岩位移、支护受力的设计见图4、图5。

限于篇幅限制，V级围岩40 m埋深双侧壁导坑法计算分析不再赘述。根据分析结果，浅埋40 m较之浅埋20 m的围岩变形及支护受力均为不利，这是由于在同为浅埋的情况下，随着埋深增大，软弱围岩自重增加，而其强度指标c、φ变化不大，导致围岩压力超过围岩强度增长，故受力更为不利。

单洞四车道大跨度浅埋隧道的计算结果分析，采用双侧壁导坑法进行施工是可行的，围岩变形收敛且稳定，初期支护虽然受力较大，但仍可控制在安全范围内。但鉴于围岩位移量值较大，为防止局部塌方，应考虑设置超前管棚或小导管进行预支护。

2.3 施工进度

施工时每个掌子面建议按以下进度:Ⅴ级围岩20 m/月;Ⅳ级围岩30 m/月;Ⅲ级围岩45 m/月。张茅隧道推荐方案由于是单洞四车道隧道，施工工序多，交叉作业频繁，施工进度较慢。按照正常施工进度需要净施工时间约27个月，不能满足施工工期要求。综合考虑在RK98+200处设置一处长度约50 m的横通道增加一个工作面，另外在运营期间作为逃生横通道使用。

3 结束语

作为单洞四车道高速公路长隧道，国内外工程实例很少，建设经验匮乏。不可否认，单洞四车道隧道有利于线形的顺接、行车的安全和运营管理且节约占地的优点，有其无法替代的优势。在隧道超大断面开挖施工安全和运营期间防灾救援方面，单洞四车道方案存在较大风险，但此类风险可通过相应技术手段进行规避和解决。截稿时本方案仍处于方案比选阶段，希望本文能为类似项目起到抛砖引玉的作用。

［1］JTG D70－2004，公路隧道设计规范［S］.

［2］河南省交通勘察设计院.洛三高速公路改扩建工程初步设计文件［R］，郑州:河南省交通勘察设计院有限责任公司，2011.

［3］关宝树.隧道工程设计要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.