隧道棚洞设计与适用性研究

郭 朝 阳

(山西省公路局太原分局，山西 太原 030012)

1 工程概况

山西省某国道隧道以曲线(半径为1 200 m)连续穿越两座山体，路线采用分离式路基形式，隧道在两座山体之间,左线存在42 m长路基,右线存在70 m长路基(路基段落示意见图1)。

隧址区位于剥蚀侵蚀中山区和黄土覆盖中山区内，区内地形起伏较大，基岩山脊发育，洞体地表地形较为破碎，地貌形态变化较大。

隧址区地处暖温带大陆季风性气候，多年平均降水量为428 mm。地表水主要由大气降水直接补给，隧址区未见有泉点出露，隧址范围内均为季节性冲沟，沟内无地表水，隧道进口附近为细米河，该河流域多年平均径流深为41.8 mm，年径流量为497.4万m3。隧址区霜冻现象较多，气温较低、冬季漫长、雨季集中、春冻早霜是其主要特点。

根据国家质量技术监督局发布的GB 18306—2015标准，《中国地震动峰值加速度区划图》《中国地震动反应谱特征周期区划图》《中国地震综合等震线图》(1991年)，项目区地震动峰值加速度值为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.45 s，对应的地震烈度为7度。

综上，隧道环境整体稳定性一般。若此段路基部分采用路基形式，则可能存在高陡边仰坡落石，冬季冰冻、夏季雨水等因素对公路运营造成安全隐患；同时，驾驶车辆频繁出入隧道极易产生“白洞”与“黑洞”眩光效应，威胁驾驶员人身安全，故本项目考虑在该段落设置棚洞方案(棚洞位置见图2)。

2 工程地质综合评价

2.1 隧道围岩分级

根据《公路隧道设计规范》隧道围岩分级综合评判方法，隧道围岩分级采用围岩的坚硬程度及岩体的完整程度两个基本因素的定性特征和基本质量指标BQ值进行综合评判来确定围岩的级别，本隧道左右线路基段两端围岩级别低，为Ⅴ2级浅埋，经现场勘察，主要以卵石、粉质黏土为主，且存在砂砾层，土体结构松软，极易产生落石。

2.2 隧道洞口稳定性评价

左右线棚洞段洞口边坡均为第四系中更新统(Q2)粉质黏土及第三系保德组(N2b)卵石组成，存在砂砾层，左右线洞口位置自然斜坡坡度约47°～53°，自然条件下，边坡稳定性一般，对于隧道口仰坡，在工程条件下，严重降低雨水耐冲刷性，易产生局部塌陷，甚至引起整体坡面滑塌，稳定性差，对该段落路基安全存在较大影响。

根据地形地貌水文地质情况综合判定，本隧道中部路基段应优先考虑采用棚洞设计。

3 隧道棚洞方案论证分析

3.1 棚洞设置必要性分析

隧道洞口段由于驾驶员身处光线明暗变化区域，洞内外光线的亮度反差变化易引起短暂性的视觉功能降低，此现象在进入隧道时尤为明显，威胁驾乘人员的安全。因此隧洞进出口区域设置遮光棚洞显得尤为重要，一则有效地处理了光线明暗的过渡问题，降低亮度剧变对驾驶员所造成的视觉冲击。二则可以减弱隧道入口段的加强照明的亮度水平，降低隧道工程在运营期间的能耗。三是设置遮光棚洞，可以有效的抵挡来自冰霜、雨雪甚至路基边坡落石、崩塌等对路基的危害。因此隧道进出口遮光棚洞的设置，对于改善行车环境，确保行车安全以及节能降耗都具有重要意义。

1)根据《公路工程技术标准》8.0.4.2：洞口内外各3 s设计速度行程长度范围线形应一致，《公路隧道设计规范》4.3.6，4.3.7条文说明：对本项目设计速度60 km/h，结构线形等保持协调满足3 s行驶长度50 m(设计速度60 km/h，3 s距离为50 m)时较为安全。且本项目隧道位于圆曲线上，左线路基长42 m，右线路基长70 m，综合考虑，采用棚洞形式既可避免车辆因路基和隧道交替变化而造成的眩光效应，也可在一定程度上消除道路线形等因素对行车安全的影响，提高隧道行车的舒适感。

2)根据JTG 3370.1—2018公路隧道设计规范第8.5.1宜采用明洞(棚洞)形式的规定：由地质勘查报告可知，本项目隧道棚洞段洞口地质条件差，边仰坡稳定性差，存在落石，滑塌等风险；同时洞顶覆盖层薄且受两端路堑落石、泥石流影响，因此，需要考虑在此路基段落设置棚洞。

3)气候因素：隧址区气候条件霜冻现象较多，存在气温较低、冬季漫长、雨季集中、春冻早霜等诸多不利因素，不利于隧道洞口与路基交接段行车安全，该路基段宜采用棚洞设计。

4)一般隧道设计中，为了有效的降低消除白洞与黑洞效应的影响，采取对洞口段照明强度加强的设计。有国内学者研究指出，在隧道照明能耗中，洞口段加强照明占隧道照明能耗的55%左右[7]，隧道棚洞的设置，使得隧道洞内外光线亮度过渡自然，洞口加强段照明强度可以一定程度上降低。因此，隧道棚洞方案可以达到节约能源，降低隧道营运成本的效果。

3.2 棚洞类型

根据JTG 3370.1—2018公路隧道设计规范第11.5.1条规定：在沿河傍山、陡峻路段及边仰坡较高的隧道斜交洞口段，可设置棚洞。棚洞结构可分为拱形棚洞、半拱形棚洞、矩形棚洞。

本隧道路基段两侧为高路堑，边仰坡较高，棚洞段需要克服来自仰坡方向滑坡推力，故棚洞采取拱形棚洞结构。

3.3 棚洞建筑界限

棚洞建筑界限应满足隧道建筑界限的基本要求，与隧道洞口连接的棚洞，建筑界限应与隧道建筑界限相同；棚洞内轮廓形状和尺寸应根据地形条件、设置目的和结构形式拟定。

本项目棚洞建筑界限满足隧道建筑的基本要求，棚洞隧道建筑界限宽度与隧道洞口处建筑界限宽度相同。

4 隧道棚洞方案设计

4.1 棚洞结构设计

隧道棚洞上部主体结构采用整体式钢拱架，间距设置为3 m，纵向采用槽钢连接，钢拱架外侧搭铺透光遮光板材料；拱架下端部采用C30钢筋混凝土结构，每3 m设置透光空洞；基础结构采用C30钢筋混凝土结构；厚度1 m，宽度2.7 m；并每隔9 m设置一道沉降缝。根据棚洞形式、受力条件、约束条件，对棚洞整体稳定性和主要结构构件进行截面强度、裂缝分析验算，符合规范要求(棚洞结构见图3)。

4.2 棚洞段落路基设计

根据JTG 3370.1—2018公路隧道设计规范第11.5.7条规定：

1)棚洞基础应设置于稳固的地基上，当基础位于软弱地基上时，可采取整体式钢筋混凝土底板、桩基、扩大基础、基础加深等措施。

2)棚洞基底高程低于边沟沟底开挖高程应不小于200 mm；在有冻害地区，基底埋置深度不应小于结冰线以下250 mm。

3)当地基外侧受水流冲刷影响时，应采取加固和防护措施。

4)在横向斜坡地形，棚洞外侧基础埋置深度超过路面以下3 m时，宜在路面以下设置钢筋混凝土横向水平拉杆，并锚固于内侧基础或岩体中；棚洞外侧为立柱时，可加设纵梁与相邻立柱连接。

为满足以上规定，对路堤沉降的约束，设计着重考虑了以下几个方面：

轻型眩光棚洞基础承载力要求为不小于180 kPa，路基施工压实后可以满足其承载力要求；隧道洞段两侧路基进行宽填，宽填宽度1 m；填方路基边坡采用普通填料且按一般路堤边坡1∶1.5坡率设计；要求路基压实度路床不小于96%，路堤不小于94%，施工严格控制路基压实质量，做好现场组织及沉降观测，待工后沉降趋于稳定后，再施作棚洞结构。

同时，为了进一步保障路基稳定性，降低路基不均匀沉降对隧道棚洞结构造成结构破坏，要求在填挖结合部采取挖台阶、土工格栅、灰土碎石桩等减轻不均匀沉降的处置措施；在棚洞路基段落增设钢管桩，增强地基承载力，降低不均匀沉降的影响。

要求在施工过程中加强监测，如出现沉降幅度较大或沉降持续不稳定时，及时调整工程措施，控制路基沉降值，以满足工程需求。

4.3 路堤挡土墙设计

由于隧道路基段横跨沟谷，为了消除雨水径流等对路基的冲涮，设置了路堤挡墙，同时也约束其侧向变形，减小路堤的侧向变形引起的沉降，提高了路基的稳定性。在设计时，同时综合考虑上覆棚洞荷载、覆土及落石冲击、填土高度以及车辆荷载等因素的影响，对该段落路堤、挡土墙进行边坡和稳定性验算，并依据挡墙基底承载力要求，合理选择基底处治措施；考虑到项目区气候状况，冬季冻土深度可达124 cm～130 cm，隧址区的最冷月平均气温-10.4 ℃，冻土深度达130 cm，按照规范要求，将基底埋置深度设置为不小于最大冻结深度以下250 mm，即埋深不小于155 cm。

4.4 棚洞段落防排水设计

棚洞靠山侧和顶部结构外表面设置防水层，施工缝、沉降缝、变形缝进行防水设计。靠山一侧结构背面设排水盲沟，在靠山一侧墙角按5 m～9 m间距设泄水孔。

棚洞结构顶部为遮光板，满足排水需求；棚洞结构两侧边坡设有路基排水沟，以满足排水要求。

由于棚洞段落横跨沟谷，为防止汇水冲刷路基，在棚洞段落处设置挡土墙，并设置盲沟、排水沟及两道1 m～4.0 m混凝土盖板涵。涵洞入口处设置挡墙，适当延长铺砌远接既有山沟并在铺砌端头设置垂裙，防止冲刷破坏；U型沟边坡适当放缓，按3∶1设置；考虑涵洞上方棚洞的荷载影响，将其等效为6 m填土，设计时对涵洞盖板及基础等进行相应加强处理。

5 结语

随着我国公路路网的逐步完善，由于线形指标、地形环境以及地方路网规划和经济发展需要的限制，路线以隧道形式连续穿越山体的情况也愈来愈多。隧道之间短路基段落以棚洞设计，不仅有效避免了驾驶员因频繁出入隧道而产生“白洞”与“黑洞”眩光效应，降低了边坡落石、雨雪侵袭等因素对公路正常通行的影响，综合提升了该段公路的稳定性与安全，同时有效降低隧道照明能耗，达到节约能源的目的。

本项目方案设计中，针对因路线以隧道形式连续穿越山体而出现的中间短路基段落，基于行车安全舒适、经济等方面的考虑，采用棚洞方案，设计中对该方案的棚洞结构、照明、路基填筑、边坡稳定以及整体防排水设施进行了论证与方案设计，以期对后续相似工程案例提供有意义的参考。