与既有隧道平行小净距的连拱隧道设计

2014-09-27葛竞辉林秀桂李志刚

城市道桥与防洪 2014年8期

葛竞辉，林秀桂，李志刚

(上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092)

0 引言

随着国家提出西部大开发战略，近年来乌鲁木齐经济持续发展，交通供给严重滞后于交通需求，外环线承担的交通量已远超原设计预测交通量及实际承受能力，从而导致多个路段、立交节点、匝道出入口成为常发生拥堵路段和节点。为缓解乌鲁木齐市区交通拥堵现状，满足外环线快速路网功能要求，需要对既有外环线进行改扩容。

原有外环线穿越雅玛里克山设置了雅山隧道，外环扩容线路需要在雅山隧道附近穿越雅玛里克山，规模为双向4车道，车速为80 km/h。

1 隧道方案设计

1.1 方案比选

线路穿越山岭的方案主要有：路堑和隧道。路堑方案工程造价低，风险小，工程可实施性好，但此方案需要涉及大量开挖土方，同时路堑与顺接道路将现状雅玛里克山一分为二。目前雅玛里克山顶部为雅山公园，路堑方案对公园整体布局和游园环境很不利。通过对比分析，外环改扩建项目线路穿越雅玛里克山采用隧道方案型式，隧道名称为雅玛里克山隧道。

1.2 隧道型式比选

外环改扩建工程穿越雅玛里克山的道路规模为双向4车道，雅玛里克山隧道可采用的结构型式为连拱隧道和分离式隧道。本文对连拱隧道型式和分离式隧道型式进行比选，详见表1。

表1 隧道结构型式对比分析

由于地形原因，雅玛里克山中间高两侧低，拟建雅玛里克山隧道如采用分离式隧道，隧道区段较短，大部分区段将采用路堑形式，对既有雅山公园整体影响大；如采用连拱隧道，对环境影响小，隧道全长为345 m，采用一定措施后工期也可得到保障。通过综合对比分析，最终确定雅玛里克山隧道采用连拱隧道结构型式。

雅玛里克山连拱隧道布置在既有雅山隧道左右线之间，并与其线位平行布置。为尽量减少新建隧道对既有雅山隧道的不利影响，雅玛里克山隧道与既有雅山隧道最小竖向净距约10 m，属于典型的平行小净距隧道[1]。

雅玛里克山连拱隧道全长345 m，分为明洞段（18 m）、暗挖段（137 m）和明挖段（190 m）。明挖段施工结束后，上部覆土恢复绿化植被，对原有公园几乎没有影响。明挖段范围较长，开挖深度6～16 m，为减少大面积开挖对既有隧道的影响，便于分区段不连续施工，避免明洞台车对施工顺序的制约，明挖段采用箱型结构，明洞段和暗挖段仍采用连拱断面。

雅玛里克山隧道平面布置详见图1，雅玛里克山隧道暗挖段与雅山隧道相对位置详见图2。

图1 隧道平面位置图（单位：m）

图2 隧道相对位置图（单位：m）

2 隧道工程地质条件

隧道入口处，地形较陡，表层为0.3 m的①-1含砾黄土状粉土、②角砾，下伏芦草沟组含粉砂质泥灰岩、砂岩 P2（LCc、LCd），岩石属软岩 -较软岩，岩体完整性破碎-较破碎，水文条件主要为山坡面流，汇水面积不集中，工程地质条件一般；隧道出口处地形较陡，表层为1.0～1.5 m的①-1含砾黄土状粉土、②角砾，下伏芦草沟组粉砂质泥灰岩、粉砂岩 P2（LCc、LCd），岩石属软岩 -较软岩，岩体完整性破碎-较破碎。工程地质条件一般。

隧道抗震设防烈度8度，设计基本加速度值0.20 g，特征周期 0.4 s。

场地范围内地表水与地下水均不发育，地下水对隧道的影响程度不大。

隧址区未发现滑坡、泥石流等不良地质作用。拟建隧道进出口和洞身场地整体稳定，适宜修建隧道。隧道围岩节理裂隙较为发育，岩体较为破碎，根据岩土的主要物理力学指标、弹性波速、工程性质，结合岩石单轴抗压强度（Rc），并结合岩体完整性系数（Kv），隧道围岩基本质量级别为Ⅴ级。

雅玛里克山隧道地质纵断面布置详见图3。

图3 隧道纵断面布置图（单位：m）

3 隧道结构设计

3.1 洞口设计

洞口应根据地形、地质条件，同时结合环境保护、洞外有关工程及施工条件、运营要求，通过经济、技术比较确定。洞门型式应综合洞口地形、地质、原生植被、洞口排水及边仰坡稳定等因素确定。

雅玛里克山隧道洞口地势陡峭，附近的既有雅山隧道洞门为端墙式洞门，因此新建雅玛里克山隧道洞门也采用端墙式洞门，与周围环境相协调。进口端设置明挖段，出口端设置明洞。

3.2 内轮廓设计

雅玛里克山隧道属于城市山岭隧道，在进行内轮廓设计时，充分考虑了建筑限界、功能需求、断面经济性、工程类比、结构受力特点、装饰、防排水等因素。

经过多方案比选，连拱隧道断面内轮廓采用曲墙拱型断面(见图4)。隧道内轮廓净宽为21.64 m,净高为8.335 m，单洞净空断面积为67.5 m2。

3.3 结构设计

隧道明洞段设计为C35整体式钢筋混凝土现浇衬砌结构，设仰拱,仰拱混凝土为C35钢筋混凝土(C15片石混凝土回填)。

图4 隧道内轮廓布置图（单位：mm）

隧道暗挖段按新奥法原理设计，经过工程类比和有限元软件计算分析，采用复合式结构衬砌,初期支护采用喷混凝土、锚杆、钢筋网和型钢钢架，二次衬砌采用C35整体式现浇钢筋混凝土，复合式衬砌参数详见表2,隧道衬砌断面布置见图5，连拱隧道二衬内力图见图6。复合式衬砌支护参数为预设计参数，可根据隧道施工中揭露的工程地质及水文地质条件加以调整。

表2 隧道衬砌支护参数表

图5 隧道暗挖段衬砌断面图

隧道明挖段采用钢筋混凝土单箱多室框架结构，具体布置详见图7。

隧道明挖段为矩形框架结构，暗挖段为连拱结构，断面形式不同，为方便施工和满足防水需求，明挖段结构在明暗挖结构对接处附近过渡为连拱结构断面，然后再与暗挖段实现对接。过渡段构造图详见图8。

图6 连拱隧道二衬弯矩图（单位：kN·m）

图7 隧道明挖段断面图（单位：mm）

图8 过渡段构造图（单位：mm）

4 隧道施工工法

在遵循技术可行和经济合理原则下，根据结构场地工程地质、围岩级别、水文地质条件，确定采用适宜的开挖方法。

连拱隧道施工工法可选用三导洞法和导洞-正洞台阶法等工法[2]。本文对三导洞法和导洞-正洞台阶法进行对比分析，具体详见表3。

隧道围岩均为Ⅴ级，进出洞洞口均有不同程度偏压，覆土较薄，与既有隧道平行且小净距，竖向净距最小约10 m，净距最小约14 m，同时影响范围内的既有雅山隧道衬砌为素混凝土衬砌，隧道暗挖段长度137 m，工期可以得到保障。同时采用有限元软件进行施工全过程数值模拟，三导洞法引起既有隧道内力增量为导洞-正洞台阶法的70%，因此，经综合对比分析，新建雅玛里克山隧道施工工法推荐采用三导洞法。

表3 隧道施工工法对比分析

明挖段基坑宽度达25 m，基坑最大深度约16 m，大面积开挖卸载对既有隧道有不利影响，因此明挖段施工时，应充分利用“时空效应”的作用，分节段分区域施工，节段内分层开挖，施工中可结合监测数据调整施工步序。

5 既有隧道控制振速

隧道采用钻爆法施工。连拱隧道施工步序较多，明挖段大面积爆破施工，隧道施工过程中爆破震动对周边构筑物有不利影响，特别是隧道下方的既有雅山隧道，雅山隧道大部分二衬为素混凝土衬砌结构，且已运营十多年，新建隧道施工过程中，需要考虑对雅山隧道的爆破振动影响控制。

《爆破安全规程》（GB 6722—2003）中对爆破震动安全容许标准进行规定，水工隧洞安全允许振速7～15 cm/s，交通隧道安全允许振速10～20 cm/s[3]。

国内既有隧道附近新建工程的案例较多，既有隧道振速控制标准详见表4。

表4 既有隧道控制振速[4-8]

基于国内规范及文献对既有构筑物或隧道的容许控制振速的规定和研究，结合爆破主要影响范围内既有雅山隧道二衬为素混凝土结构、围岩为Ⅲ级，并考虑爆破施工期间隧道正常通行运营的客观要求，既有雅山隧道容许振速取1.0 cm/s。隧道施工过程中，依据爆破振动实测数据和既有隧道振动响应情况，将既有隧道容许振速优化调整为2.0 cm/s，既提高了施工效率、缩短工期，又确保了既有隧道结构安全。