隧道下穿已建高速公路设计方案比选

侯豪斌

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

近年来，我国公路建设发展迅速，2012年已超越美国成为高速公路通车总里程最长的国家，至2013年底，我国高速公路总里程已达104 468 km[1]。公路下穿在建或已建成公路时，多采用顶推框架、隧道或将原路改造为桥梁等结构形式，当受地形、工期、保通、环保等条件限制时又多采用隧道结构形式。本文以某高速公路与已建高速公路交叉时，采用隧道下穿已建高速公路路基段为例，对下穿隧道所采用施工方案进行分析比较，并提出合理结构形式。

1 概述

1.1 工程概况

已建高速公路路基路面已施工完成，计划12月底通车，某高速公路与已建高速公路立体交叉，由于时间紧迫、工程质量要求较高，拟采用隧道形式下穿已建高速公路，并计划9月中旬开工建设。隧道洞口位于已建高速公路路基坡脚东侧，已建高速公路为双向四车道高速公路，路基宽度24.5 m，设计行车速度80 km/h，交叉段路面高差约15.7 m，平面位置见图1。

1.2 地质条件

隧道拱部处于高速公路路基填方段，洞身下部围岩为碎石土。已建高速路基填方以黄土夹杂弃方石渣为主，边坡坡率为1∶1.5；碎石土中碎石成分以片麻岩为主，粒径大小不一，碎石间主要充填砂砾，稍密—中密，天然密度2.0 g/cm3，基本承载力为δ0=300 kPa，内摩擦角φ=36° ，压缩模量Es=30 MPa，侧压力系数K0=0.28。

1.3 主要技术指标

图1 平面位置图

a）某高速公路为双向四车道高速公路，设计速度80 km/h，路基宽度24.5 m。

b）隧道采用分离式隧道，建筑限界9.75×5.0 m。

c）抗震设防烈度：按Ⅶ度地震设防。

2 方案比选

隧道下穿路基段最初采用明挖法设计，由于明挖法对原路基破坏发生范围大，交通中断时间长，且已建高速公路计划12月底通车，空档时间约105 d，明挖法难于有效保证已建高速通车时间；其后对暗挖法、盖挖法进行了研讨，各实施方案及比较如下。

2.1 明挖法

明挖法结构形式简单，质量容易控制，技术安全可靠，是诸多施工方法中较为经济的一种施工方法。

2.1.1 基坑开挖围护

基坑开挖高度19 m、宽度最大约55 m，分两级开挖，上下级间设2 m平台。上级边坡主要为路基填土，采用1∶1放坡，10 cm C20喷射混凝土护面；下级边坡主要为碎石土层，采用1∶0.75坡率，土钉墙支护，土钉长度4～6 m，间距为2 m。

2.1.2 隧道结构

明挖段隧道采用C30钢筋混凝土明洞结构，拱墙及仰拱厚度为70 cm，明洞结构采用φ22@20配筋，地基承载力要求大于等于300 kPa，经计算最大裂缝宽度为墙脚处0.165 mm，满足地下工程防水混凝土结构裂缝宽度不得大于0.2 mm的要求[2]。

图2 明挖法设计方案

2.1.3 基坑回填

明洞结构混凝土达到设计强度后并铺设防水层后进行基坑回填。主要回填料为：下部采用级配碎石水泥拌合料，水泥掺量5%；上部采用碎石土，压实度不小于96%。

2.1.4 工期

隧道明洞左线长110 m，右线长95 m，土方约9.5万m3，以左线作为工期控制长度，按施工进场、施工准备、明洞开挖、明洞结构、洞顶回填、路面恢复、附属结构等所需时间计算工期，总时长约105 d，与已建高速公路通车空档时间相当。

2.2 暗挖法

暗挖法可在不破坏已建高速公路的情况下进行隧道施工。进洞位置距已建高速公路路基坡脚约8 m，左线下穿已建高速公路73 m，右线71 m，采用复合式衬砌结构（见图3）。由于隧道埋深最大处仅7.95 m，拱顶以上为路基回填土，自稳能力较差，为确保施工安全、控制地表沉降，拟采用“超前大管棚+全长拱部中空注浆锚杆注浆”的辅助施工措施。

图3 暗挖法设计方案

2.2.1 隧道结构

隧道初期支护采用喷射C25早强混凝土30 cm，内设I20a钢拱架（@=60 cm）、双层φ8钢筋网（@=20×20 cm），设长4 m的D25中空注浆锚杆（@=60×80 cm）；二衬采用C30钢筋混凝土结构，厚度为50 cm，主筋采用φ22@20 cm配筋。

2.2.2 辅助措施

a）隧道拱部120°范围打设φ108超前大管棚，管棚单根长30 m，在管棚形成的保护壳下进行隧道开挖作业。

b）全长拱部120°范围打设长4 m的D25中空注浆锚杆并注浆加固洞周土体，提高其自稳能力。

2.2.3 施工控制

由于本段隧道穿越已建成路基，对地表沉降要求严格，采用三台阶七步开挖法施工，循环进尺控制在60 cm，严格按照“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭”的原则进行施工，初期支护及时闭合成环能有效控制拱顶下沉及地表下沉量[3]。同时做好本段监控量测工作，坚持“动态设计、动态施工”原则。经模拟计算，施工后地表沉降值达25 mm。

图4 暗洞施工后地表沉降值

2.2.4 工期

由于本段隧道拱部以上为回填路基，且对地表沉降要求严格，为最大限度减少隧道开挖对已建成路面的影响，建议先行隧道穿越路基段之后再施工后行隧道。根据工程经验，按施工进场、施工准备、明洞施工、辅助施工、暗洞施作、附属结构等所需时间计算工期，总时长约255 d，由于暗洞对原路基无破坏，对已建高速公路通车时间无影响。

2.3 盖挖法

盖挖法具有明挖法施工结构形式相对简单、质量容易控制、技术安全可靠、经济的优点，同时盖挖法施工拱盖后，可快速恢复已建高速公路路面，对原路交通影响时间短。

2.3.1 结构形式

基坑开挖至距隧道路面设计标高4.5 m后，施作φ108钢管桩，长度为6 m，每组2根，与竖向交角分别为10°和20°，然后施工拱盖，拱盖结构厚度为60 cm，主筋采用φ22@25 cm配筋。

盖挖法暗洞施工由初支和二衬两部分组成，初支上部与拱盖相衔接。支护参数为：初支采用喷射C25早强混凝土 30 cm，内设 I20a钢拱架（@=60 cm）、双层 φ8钢筋网（@=20×20 cm），设长 4 m的D25中空注浆锚杆（@=60×80 cm）；二衬采用C30钢筋混凝土结构，厚度为50 cm，主筋采用φ22@20 cm配筋。

图5 盖挖法设计方案

2.3.2 基坑回填

拱盖达到设计强度后，铺设防水层，然后进行基坑回填。回填分为两层，坑底至拱盖顶以上1 m采用级配碎石水泥拌合料回填，每隔2 m满铺一层土工格栅；拱盖顶1 m以上至路面结构层下采用碎石土回填，每隔2 m满铺一层土工格栅。填料要求与明挖法同。

2.3.3 工期

由于左右线隧道外轮廓相距仅15 m，路基回填后施工暗洞时左右洞有一定影响，建议路基段先行洞与后行洞间隔不小于20 m。根据工程经验，按施工进场、施工准备、土方开挖、拱盖施工、土方回填、路面恢复、暗洞施工，以及附属结构、明洞施工等所需时间计算工期，总时长约210 d；其中对已建高速交通影响的主要为施工进场、施工准备、土方开挖、拱盖施工、土方回填、路面恢复、明洞施工等，所需时长约75 d。

2.4 方案比选

3种方法目前都相对成熟，能保证施工质量及沉降控制，在以上3种方法结构设计、工期安排、工程难度、工程造价、工程风险等进行了详细的比较，详见表1。

表1 各工法比较

经过对比研究，明挖法虽然造价较低，但其土方量大，对环境影响大，受气候影响大，雨季施工或旱季施工中遇到大雨，临时边坡失稳的概率增大[4]，同时明挖法施工须隧道结构达到设计强度后方能回填，施工工期长，由于征地、降水等施工影响因素较多，工期难以保证，以及受行政审批等因素影响，工期将大于105 d，不能保证已建高速公路通车时间；暗挖法在不破坏已建高速公路路面情况下进行施工，对通车时间无影响，但其工序复杂，地表沉降较难控制，易影响到已建高速行车舒适性，同时由于工序复杂，施工工期长，工程造价较高；盖挖法虽然需施作钢管桩及拱盖，但其基坑边坡无需防护，造价适中，拱盖施作并达到设计强度后即可回填恢复路面，对通车影响小，暗洞在拱盖保护下施作，无需考虑地表沉降影响，施工工期适中。综合各工法难易程度、质量控制、工程造价、对已建高速公路影响程度等因素，最终选择盖挖法施工方案。

3 结语

采用隧道形式穿越已建或运营高速公路已成为与高速公路立体交叉的重要形式，在实际操作中也有较多的工程可以类比，但各项目在实施中都有自己的特点，因此，工程人员应根据所在项目的位置、地形地貌、人文、地质条件、交通组织形式、环保、工期要求等特点选择适合自己工程的施工方案，以期在质量、经济、工期、环境、社会影响等方面达到合理的平衡。就本项目而言，由于已建高速公路路基路面均已建成，给隧道施工时间仅有105 d，项目实施过程中存在降水、地质变化等不确定因素，所需工期将大于105 d，同时行政审批也是影响工期的一大因素，明挖法明显不适合本项目；暗挖法虽不影响已建高速公路通车，但其工序复杂、造价较高、地表沉降难以控制，因此在这种有限工期的情况下，结构形式较简单、技术成熟、造价相对适中的盖挖法成为首选。

综上所述，采用隧道形式穿越已建或运营高速公路，需综合地理位置、地形地貌、人文、地质条件、交通组织形式、工期要求等因素选择合理的施工方案，实施过程中还需考虑到施工准备、地质变化、人为干扰、行政审批等不确定性因素，这样才能充分保证工程如期完成。