某超大断面隧道结构设计关键技术

钱文斐

（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

目前我国主要依照日本隧协建议表将开挖断面积大于140 m2的隧道定义为超大断面隧道，其尺寸基本为单洞三车道规模。随着解决城市交通拥堵问题的深入，单洞四车道规模的隧道建设呈现增加趋势，其结构设计对施工及运营期间的安全至关重要，但可借鉴的相关资料较少。本文以杨柳井隧道为例，探讨超大断面隧道结构设计的关键技术。

1 工程概况

1.1 工程规模

杨柳井隧道是贵阳中环路关键控制性节点工程，设计时速为80 km/h，为分离式长隧道。其中，左线隧道起讫里程LK2+979.3～LK4+149，长1 169.7 m；右线隧道起讫里程 RK2+966.6～RK4+107.9，长1 141.3 m。

1.2 工程地质

工程地质主要以耕植土、人工填土、硬塑红黏土、三叠系松子坎组的白云岩夹有少量薄层泥灰岩、三叠系安顺组的中风化泥晶白云岩及少量溶塌角砾岩为主。

隧址区大部分地段为溶蚀、侵蚀构造、中低山地貌区，碳酸盐岩分布较广，受溶蚀影响，岩溶地貌较为发育。洞身围岩以Ⅳ、Ⅴ级为主。

1.3 水文地质

根据场区地下水的含水类型、富水性及岩层间的水力联系，将隧道通过地段内地下水类型划分为岩溶水、基岩裂隙水和第四系松散层孔隙水。

2 建筑限界及内轮廓确定

2.1 建筑限界

根据交通需求，并结合隧道维修养护要求，建筑限界宽度为18.75 m，其组成为左侧检修道0.75 m+左侧侧向宽度0.5 m+车行道宽度3.5 m×3+3.75 m+右侧侧向宽度0.5 m+右侧检修道2.5 m。建筑限界高度为5 m。与现行规范相比而言，整体规模稍大于标准四车道隧道（见图1）。

图1 隧道建筑限界（单位：mm）

2.2 内轮廓

内轮廓扁平率值越大，虽然有利于支护结构受力，但是会加大隧道断面，增加工程造价，因此需要寻找两者的最佳结合点。

通过查阅国内已建超大断面隧道的案例，内轮廓扁平率数值主要集中在0.6～0.7（见图2）。经综合比选，该工程隧道内轮廓净宽19.378 m，净高11.971 m，扁平率值为0.618，净空面积约为180.7 m2（见图 3）。

图2 国内已建超大断面隧道扁平率分布情况

图3 隧道内轮廓（单位：mm）

3 隧道结构

3.1 结构选型

目前国内现行《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010）提出对于四车道隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下，可采用三次支护的结构形式，其中第三层衬砌尽可能在洞室收敛变形的情况下施作。考虑到在施工工期紧张的情况下，如采用三次支护形式将增加施工工序、增加工期。设计中提出在加强初期支护及二次衬砌的刚度及强度条件下，仍采用复合式衬砌结构形式。

3.2 衬砌支护结构

对于初期支护的主要加强措施如下：

（1）采用钢纤维喷射混凝土替代喷射混凝土+钢筋网作用，主要基于以下考虑：

a.钢纤维混凝土呈现较高的抗裂、抗冲击和抗弯韧性等性能。

b.使用钢纤维可以省去挂钢筋网工序，缩短支护时间，起到及时快速支护的作用。

（2）同样截面高度的H型钢的抗弯模量较之工字钢大，因此拟对于Ⅴ级围岩段采用H型钢以增加支护强度与刚度。

对于二次衬砌的主要加强措施如下：

（1）适当提高二次衬砌标号及厚度，以增强其强度与刚度。

（2）适当提高二次衬砌对于围岩压力的分担比例，较之规范提出的最高分担比例值增加10%。

3.3 围岩压力确定

现行《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010）中对于单洞深埋的围岩压力提出了两种计算公式，考虑到该工程的洞室开挖宽度接近22 m，远大于矿山法经验公式所要求的15 m范围，因此拟采取普氏公式确定围岩压力。

3.4 复合式衬砌支护参数

经过类比及计算分析，相关支护参数见表1。

表1 隧道洞身各类围岩的支护参数

4 施工工法

考虑到该隧道开挖断面大，拟采取“划大为小”的双侧壁导坑法。先错幅施工左、右两侧导洞，再施工中间导洞，最后根据监控量测成果拆除临时支撑，施工防水层及仰拱、二次衬砌（见图4）。

图4 双侧壁导坑施工工序图

以左线LK3+300里程（隧址围岩为Ⅴ级）为例，拱顶沉降点、两条水平收敛线的监测数据曲线如图5～图7所示。

图5 拱顶沉降曲线

图6 上部边墙水平收敛曲线

图7 下部边墙水平收敛曲线

由以上可知，拱顶累计下沉量为14.54 mm，上下水平向累计收敛值分别为12.22 mm、12.21 mm。

从监测数据反馈信息可知，隧道变形及收敛基本于15 d趋于稳定，隧道支护参数及施工工法合理可行。

5 超浅埋段

该隧道右线 RK3+105～RK3+155、左线 LK3+135～LK3+175段覆盖层厚度在4～6 m，覆跨比仅为0.18～0.27,典型的地质横断面如图8所示。右线基本位于中风化岩层中，地表构筑物主要为钢结构民房、围墙、木房、水渠、盆景等。左线拱顶大多位于土层中，拱腰及以下位于中风化岩层中，地表构筑物主要为水渠、民房、木房、盆景等。

图8 RK3+130（LK3+139.228）里程处地质横剖面（单位：m）

5.1 支护衬砌方案

采取加强支护及衬砌措施，参照S5a型复合式衬砌参数（见表1），考虑到拱顶覆盖层厚度较小，拱顶锚杆作用不明显，故拟取消拱顶120°范围的锚杆布置。

5.2 超前支护方案

由于该段覆跨比极小，掌子面开挖所形成的潜在滑动面将延伸至地表，从而产生冒顶事故，因此采取加强此段超前支护措施，隔断隧道开挖对地表的影响。

超前支护采取超前大管棚结合超前小导管预注浆相结合的方案。超前管棚采用ø108×6 mm热轧无缝钢管，长度20 m，环向间距40 cm，纵向间距12 m；超前小导管采用ø42×4 mm热轧无缝钢管,长度5m，环向间距40 cm，纵向间距1.5m；超小导管与超前管棚环向间隔布置（见图9）。

图9 超浅埋段超前支护横断面（单位：mm）

5.3 掌子面加固方案

对于左洞掌子面，其上半部分为人工填土，下半部分为中风化岩石，开挖过程中易出现上半部土体失稳滑塌现象，影响地表的盆景及围墙安全。为此采取加固掌子面上半部分措施，具体如下（见图 10）：

图10 左洞掌子面上半部分加固方案（单位：mm）

（1）ø42×4 mm注浆钢管进行注浆加固，长度为3 m，间距为1.5 m×1.5 m,梅花形布置。

（2）土层表面进行喷锚支护护面，其中C25喷射混凝土厚度10cm，ø8钢筋网的网格大小为200mm×200 mm。

5.4 施工要求

为了缩短该段隧道洞室的临空时间，保证洞室的安全性，施工中应以一个管棚长度为一个施工单元，只有当一个施工单元全断面封闭成环后且二次衬砌施作后方可进行下一个单元施工。

6 岩溶发育段

该隧道右线K2+497～K2+505段出现贯通至地表的溶腔，溶腔横向宽度约5 m，纵向长度约8 m，隧道拱顶至地表高差约为21 m（见图11）。

图11 溶洞处置方案（单位：mm）

6.1 溶腔处置方案

该段在初期支护、二次衬砌施工后，从地表溶洞后自上而下对不稳定的溶腔壁进行喷锚网加固，支护参数如下：C25喷射混凝土10 cm；ø8钢筋网，网格间距0.2 m×0.2 m；锚杆采用长度3 m的ø22砂浆锚杆,间距按1.2 m×1.2 m梅花形布置。此外，施作缓冲层减小落块对隧道结构的不利影响，具体措施为在初期支护背后先回填1.5 m厚度混凝土后再吹砂2 m厚度。

6.2 加强排水措施

一方面在地表溶洞口周边设置截水沟，防止地表水进入溶腔范围；另一方面在溶洞空腔内按间距2 m×2 m的间距梅花形布置竖向排水管，排水管采用HDPE100管材，顶部高出缓冲层50 cm，并采用无纺布进行包裹，防止管口堵塞，底部接入纵向排水管，将溶腔内可能的积水及时排出。

6.3 加强防水措施

首先对地表溶洞口周边的地表裂隙采用水泥砂浆进行填充，以防地表下顺裂隙下渗至空腔范围；其次采用钢筋混凝土盖板对溶洞口进行封闭，并且用锚杆进行固定；最后在钢筋混凝土盖板上用黏土夯实，其高度高出周边地表不小于2 m。

7 结 语

目前该隧道已运营通行，其设计思路及理念可为后续类似工程提供可借鉴经验。但笔者认为目前国内为了确保超大跨隧道结构的安全，设计方案大多偏于保守，尚存在精细化设计的空间，如超大断面的尺寸边界效应尚待系统性研究、不同施工工法产生的围岩压力存在的差别等。这些尚待学者结合现场施工进一步研究及探讨。