四车道超大断面隧道浅埋偏压式洞口进洞方案研究

吴子瀛

（苏交科集团股份有限公司，南京210019）

1 引言

针对浅埋偏压这一问题，国内外已有很多专家进行了相关研究。张长安【1】在浆水泉隧道埋深极浅的情况下，通过采取地表注浆、护拱、护墙等多种措施对地表进行加固，有效规避了塌方冒顶的风险。马杲宇【2】运用FLAC3D对浅埋偏压隧道进行了施工过程的力学分析，对其洞口段穿越滑坡堆积体时的围岩变形机理进行了深入研究。张群【3】以京沪连接线港沟隧道为背景，深入研究了超大断面浅埋偏压隧道围岩稳定性问题。沈佳佳【4】以京沪高速济南连接线工程与济南绕城高速济南连接线工程为背景，对超大断面双向8车道隧道二次衬砌厚度进行了优化研究。王小锁【5】以莲塘隧道为工程实例，建立三维有限元计算模型，对比计算单侧壁导坑法和双侧壁导坑法对超大断面隧道开挖的影响。

鉴于超大断面隧道施工的复杂性和技术困难性。这将是设计与施工领域的一大热点问题，需要通过不断研究和总结来丰富其设计、施工经验及理论知识。

2 工程概况

深东大道位于深汕特别合作区境内，路线起于龙山隧道进口处（规划新福路北），自西南向东北方向穿越山岭区后转向东进入规划中心城区，终点接望鹏大道枢纽立交起点。其中，大山头隧道为双向8车道隧道，设计时速为80km，隧道长度542.5m（左右线平均长度），隧道最大埋深63.27m。内轮廓总宽18.635m。

我国JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》【6】中对跨度的划分标准详见表1。

表1 《公路隧道设计细则》跨度划分标准

大山头隧道内轮廓跨度达到18.635m，根据以上判别标准属于特大跨度隧道。

3 工程地质条件

隧道进出口段穿越围岩主要为强、中风化砂岩，围岩破碎，呈层状构造，稳定性差，以Ⅴ级围岩为主。隧道开挖易产生坍塌，处理不当会发生大的坍塌，侧壁易发生小坍塌。裂隙水较发育，属中等透水层。

4 进洞方案研究

4.1 明洞方案

根据横断面和纵断面地面线并结合地质资料综合确定ZK12+370桩号为洞口桩号，往洞身段做25m明洞，以ZK12+345为明暗分界桩号。具体设计方案和施工措施如下：

1）开挖明洞边仰坡及洞口上方土石方，右侧设置高度9m的挡墙，挡墙接二级边坡；

2）洞口段施工应在洞顶截水沟施工完成后进行，开挖施工应逐级开挖逐级防护，边仰坡防护应与明洞开挖同步进行，应尽量避开雨季施工；

3）为保障洞口段边仰坡的稳定，减小洞口边仰坡暴露面积，洞口施工时应先开挖一个洞，另一个洞及两洞间土体先不开挖；待先行洞洞口段施作完成后再进行后行洞的开挖。

4.2 暗洞方案

根据横断面和纵断面地面线并结合地质资料综合确定ZK12+370桩号为暗进洞口桩号。具体设计方案和施工措施如下：

1）施作反压挡墙，挡墙基础应设置在稳固的地基上，如其承载力不能满足要求，可采取加深扩大基础、换填、注浆加固等措施；

2）对反压挡墙和山体间进行水泥稳定土回填并夯实，回填前应先清除表面植被腐殖土，回填材料宜选用稳定性较好的碎石土。水泥掺量宜取5%～8%。回填高度要满足拱顶的最小埋深要求；

3）施作导向墙和大管棚，并采用双侧壁导坑法开挖进洞。

4.3 半明半暗方案

根据横断面和纵断面地面线并结合地质资料综合确定ZK12+370桩号为洞口桩号。具体设计方案和施工措施如下：

1）从洞口桩号ZK12+370往洞身15m范围内设置偏压式耳墙，耳墙采用C30混凝土，并设置φ10cm PVC泄水管，排出裂隙水与地表水，以减少水对土体的扰动；

2）耳墙外侧回填M10浆砌片石，高度为5.5m，M10浆砌片石以上回填水泥混合土；

3）衬砌外侧设置护拱，护拱基础左侧置于偏压耳墙内，护拱采用C25混凝土，护拱厚度为70cm。护拱内采用I20b工字钢支护，纵向间距50cm；

4）半明半暗段采用坡率1∶0.75分台阶开挖，每层开挖高度不超过2m，开挖后立即采取锚喷支护，支护参数为：喷射厚度为10cm的C25喷射混凝土防护，并铺设φ8mm钢筋网片，钢筋间距为20cm；同时采用φ22mm砂浆锚杆对坡面进行加固，砂浆锚杆长度为4.0m，间距1.2m，梅花形布置。

4.4 3种方案优缺点对比

4.4.1 明洞方案

优点：施工方便，有利于缩短施工工期。

缺点：

1）开挖明洞边仰坡和拱部土石方，需大面积刷坡，地表稳定性和原坡体平衡遭到破坏，加上雨水冲刷渗透作用，容易造成滑坡等问题；

2）破坏的地表植被难以恢复，破坏生态及周围环境。与绿色设计的理念相违背；

3）临时防护费用高，土石方开挖费用高；

根据以上分析，本项目推荐采用半明半暗进洞方案。

4.4.2 暗洞方案

优点：不用刷坡，安全风险小，不用大开大挖，对原状土扰动少。

缺点：

1）回填土石方不易压实，稳定性较差，易产生地表沉降，甚至造成坍塌冒顶；

2）回填工程量较大，工程造价较高，施工难度较大。

4.4.3 半明半暗方案

优点：

1）刷坡较少，对地表和原状土的破坏和扰动较少，有利于保护周围环境；

2）边仰坡刷坡高度低，不易产生滑坡，安全风险较低；

3）回填工程量较小，工程造价较低。

缺点：经济性不如明洞方案，但优于暗洞方案。

5 数值模拟计算

根据JTG/T 070—2010《公路隧道设计细则》的要求，采用地层结构法进行数值模拟计算，为了消除边界效应，左右边界取3B（B为毛洞跨度），下部边界取3B′（B′为毛洞高度），上部边界取至地表。左右边界施加水平约束，下部边界施加竖向约束，上部边界为自由边界。

5.1 选择参数

本次数值模拟计算的物理力学参数的选取主要是根据隧道工程地质勘察报告，并参考JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范》【7】，再结合工程及计算经验选取，具体参数表见表2、表3。

表2 模型材料物理力学参数值

表3 模型围岩物理力学参数值

5.2 建立模型

根据JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》的要求，围岩采用摩尔-库伦本构模型，锚杆通过提高加固区围岩的黏聚力和内摩擦角来近似模拟，喷射混凝土，二衬采用梁单元模拟，围岩采用平面应变模拟，钢支撑采用梁单元模拟。钢拱架通过提高喷射混凝土的强度值来近似模拟。

5.3 结果分析

5.3.1 位移分析

根据计算可以发现，最大位移发生在开挖中间围岩的施工过程中，最大位移为12.59mm。满足设计预留变形量20cm的要求。

5.3.2 二衬内力分析

根据计算可以发现，最大轴力发生在右侧拱脚处，为982.237kN。最大弯矩发生在右侧拱脚处，为143.288kN·m。根据计算可知，二衬结构的裂缝宽度和安全系数均满足规范要求，并留有较大的安全储备，故该项目所采用的浅埋偏压式洞口的进洞方案可以满足安全施工和运营的要求。

6 结语

本文通过3种进洞方案的经济技术指标对比，选择采用半明半暗的进洞方案，并结合数值模拟计算对该进洞方案进行了研究分析，验证了该进洞方案的合理性。期望能对以后类似隧道洞口方案的设计和施工有所帮助。