隧道工程总体设计方案研究——以茶垭隧道项目为例

张中立

(江苏苏通大桥有限责任公司,江苏 南通 226017)

0 引言

隧道设计的优劣对隧道施工的质量具有至关重要的影响。隧道设计应该与隧道工程的特性相匹配,设计理念和技术规范必须与现代公路建设的发展水平相适应。在隧道设计过程中,环保理念应始终处于核心地位,以避免对地表植被、人文和自然景观,以及居民生活用水的负面影响。

1 项目概况

隧道长约1 700 m,设置1处停车带即可满足规范要求,鉴于该隧道地质条件较差,建议设置1处紧急停车带、4处人行横洞。左右洞共设置4处紧急停车带、2处车行横洞、4处人行横洞。洞身段测量线间距约24 m,设计按小净距隧道处理投资高、施工麻烦。鉴于该隧道地质条件较差,除洞口段外测量线间距应加大至30 m,按标准的分离式隧道进行设计,对隧道洞身线位进行优化,洞身段测量线间距加大,洞口段V级围岩净距在2倍开挖宽度(约24 m)以内施工按照小净距隧道处理,其余段按照正常分离式隧道进行设计。核实洞身深埋段是否有钻至隧底以下的钻孔,若有应补充至隧道纵断面图上,在隧道纵断面图上补充洞身深埋段的钻孔。洞身岩性为中风化泥质灰岩,应进一步核实全部划分为V级围岩的合理性。宏观看,围岩分段不合理,如V1级围岩最短,仅21 m。

2 隧道设计技术标准

(1)公路等级:双洞四车道二级公路。(2)设计速度:60 km/h。(3)隧道防水等级:二级,二次衬砌混凝土抗渗等级不小于P8。(4)隧道路面横坡(正常路拱):单向坡-2%(直线段)。(5)隧道纵坡:控制在0.30%～3.0%。(6)隧道设计洪水频率:1/100。(7)隧道地震基本烈度为Ⅵ度,抗震设防烈度为Ⅶ度[1]。

3 隧道总体设计方案

3.1 建设规模

通过研究机动车和慢行交通需求以及工程实施可行性后,茶垭隧道选用双向四车道,以更好地满足机动车交通需求。此外,为满足行人和车辆的需求,隧道内部设置了4处人行横通道和2处车行横通道,提供更加便捷的过街和通行方式。在地面上,还设置辅助道路,以满足沿线地区出行的需求以及路网的连通性,使得整个交通系统更加完善和高效。

3.2 平纵面设计

茶垭隧道万源端左线洞口位于R=850的圆曲线上,万源端右线洞口位于R=920的圆曲线上;八台端左线洞口位于R=650的圆曲线上,八台端右线洞口位于R=650的圆曲线上,洞口地段满足洞内外“3S设计行程”的线型一致。隧道左右线均设置“人”字坡,右线按行车方向为2.48%的上坡接1.305%的下坡,左线按行车方向为0.878%的上坡接2.49%的下坡。

3.3 隧道洞口设计

茶垭隧道万源端洞口左右线地形偏压,均采用偏压端墙式洞门,左洞明洞长12 m,右洞明洞长10 m;八台端洞口左右线地形严重偏压,均采用偏压端墙式洞门,左洞设置长8 m的明洞,右洞设置长5 m的明洞。

本隧道万源端和八台端的洞门主体均采用C20混凝土材料,墙厚1.4 m。洞门墙基础深入岩土体平均深度不小于1 m,洞门墙基础的基底承载力要求不小于350 kPa,明洞地基承载力不得小于300 kPa,施工前应检测地基承载力,不满足要求时需进行换填。万源端右洞的洞门和明洞段基底采用C15混凝土换填至岩层面,以满足承载力要求。本隧道万源端和八台端的洞门均采用偏压台阶端墙式,洞门顶部檐面和墙身正立面分别铺贴瓷砖和石板进行装饰。

3.4 隧道衬砌结构设计

3.4.1 明洞衬砌

明洞衬砌采用60 cm C30钢筋混凝土结构,填土高度应不小于2 m,并不宜大于5 m,明洞顶回填区域上部进行种草绿化,洞口的边仰坡面进行修坡和绿化,同周边地形环境相协调。明洞衬砌应该在洞口开挖完成之后立即进行施工,并满足设计强度后进行回填。在结构计算期间,应考虑回填土荷载、结构自重荷载、坡顶滚石冲击荷载以及施工荷载。同时,对于仰拱和采用浆砌片石回填的边墙部分,需考虑地基弹性抗力的影响。明洞与洞门之间设置2圈连接钢筋,作为抗震构造措施。通过连接钢筋,增强洞门墙同明洞结构的连接,增加其结构的稳定性[2]。

3.4.2 洞身衬砌

隧道洞身采用了“新奥法”原理的复合式衬砌结构,结合了多种初期支护手段,如锚杆、喷混凝土或钢筋网喷混凝土、钢拱架等,并且以钢筋混凝土用于二次衬砌,以此共同构成永久性承载结构。此外,为了防止渗水,在初期支护与二次衬砌之间铺设土工布并增加了0.15 cm厚的EVA防水板作为防水层。根据围岩等级、工程地质和水文地质条件、地形和埋深、结构受力特点,以及施工和环境条件,按照公路隧道设计规范,并通过工程类比综合分析,最终确定衬砌结构的支撑参数。

根据详勘报告,本隧道洞身段围岩均为Ⅴ级,根据隧道净距、埋深的不同,本隧道衬砌采用了普通分离式衬砌和小净距衬砌两种类型。在隧道两端洞口地段,1B<隧道净距≤2B(B为隧道开挖跨度)的区域采用小净距形式。本隧道其余地段,2B<隧道净距,采用分离式衬砌。分离式衬砌根据隧道岩体破碎程度、埋深大小、偏压情况等共设置Ⅴ级围岩深埋段衬砌(S-Ⅴa)、Ⅴ级围岩构造破碎段衬砌(S-Ⅴb)、Ⅴ级围岩洞口浅埋偏压加强段衬砌(S-Ⅴc)、Ⅴ级围岩行车横洞口加强段衬砌(S-Ⅴd)、Ⅴ级围岩紧急停车带衬砌(ST-Ⅴ)等5种衬砌结构形式。小净距衬砌采用XS-Ⅴ衬砌,适用于1B<隧道净距≤2B地段。

本隧道的人行横洞均位于Ⅴ级围岩中,人行横洞采用SR-Ⅴ衬砌,人行横洞的洞口段采用30 cm钢筋混凝土结构加强;人行横洞同主洞相交的部位主洞采用S-Ⅴb钢筋混凝土结构进行加强。本隧道的车行横道均位于Ⅴ级围岩中,车行横道采用SC-Ⅴ衬砌,车行横道的洞口段采用40 cm钢筋混凝土结构加强。车行横道与主洞相交的部分使用S-Ⅴd的钢筋混凝土结构进行强化[3]。

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(1)初期支护:在Ⅴ级围岩地段,初始支撑结构由工字钢钢拱架、系统锚杆、C25喷射混凝土、钢筋网所组成,为了提升系统锚杆的稳定性,可以使用Φ25中空注浆锚杆来增强。钢拱架具有高刚度和发挥作用快的优点,因此较为适合在跨度大、围岩自稳能力差的地段应用。使用Φ22的钢筋在每榀钢拱架间进行交错相连接,同时采用焊接形式将其与超前注浆小导管焊成一个整体,与围岩紧密贴合,形成承载结构。

(2)二次衬砌:在Ⅴ级围岩地段中的隧道洞口浅埋段、偏压段和洞身构造破碎带,由于岩体风化严重、节理发育,围岩条件相对较差,为Ⅴ2级围岩地段。二次衬砌可以选用钢筋混凝土结构等级为C30,并要求紧跟掌子面。针对Ⅴ级围岩地段中的洞身深埋地段,围岩条件相对较好,为Ⅴ1级围岩地段,二次衬砌同样采用C30钢筋混凝土结构,但是需要结合现场监测数据,准确判断二次衬砌的施工时间,以最大限度地发挥初期支护的承载能力。

3.5 辅助施工设计

3.5.1 超前长管棚

在隧道洞口Ⅴ级围岩地质条件较差的地段,注浆技术可有效提高围岩的承载能力,增强岩体对结构的弹性抗力,经过注浆处理后,结构受力情况得到显著改善。管棚钢管选用长度为3 m、6 mΦ108×6 mm热轧无缝钢管,环向间距为0.4 m。然而,钢管应布设在衬砌拱部,其打设角度为仰角1°～3°(不包括路线纵坡)。

3.5.2 超前小导管

隧道Ⅴ级围岩地段采用超前小导管进行施工,小导管长度为4.5 m、Φ42 mm×3.5 mm热轧无缝钢管,环向间距40 cm,S-Ⅴa衬砌段超前小导管的纵向间距为3.2 m,S-Ⅴb、S-Ⅴc、S-Ⅴd、XS-Ⅴ、ST-Ⅴ衬砌段超前小导管的纵向间距均为3.0 m。施工中,应确保每环超前小导管的纵向搭接长度不小于1.0 m。小导管以10°～15°外倾角打入拱部围岩后,及时进行注浆施工。针对注浆方法的选用,单液注浆是本项目最为理想的选择,它不仅使工艺更简单,还可以降低施工成本,且具有更高的固结强度。因此,在开始正式注浆之前,进行单液注浆实验是非常必要的。在单液注浆时,使用纯水泥浆液。如果单液注浆的效果良好,能够达到固结围岩的目的,那么整个隧道都可以采用单液注浆的方案。主要注浆参数如下:水泥浆水灰比为1∶1;注浆压力为0.4～1.0 MPa;终压为2.0 MPa。在注浆施工过程中,通常以单管达到设计的注浆量作为结束的标准。当注浆压力达到设计终压并持续10 min后,如果进浆量仍然没有达到设计的注浆量,也可以停止注浆工作。在注浆过程中,需要详细记录所有的数据,以便进行分析和改进。此外,还需要密切观察初期支护和工作面的状态,以确保安全。

3.6 防排水设计

3.6.1 防排水设计原则

根据本隧道的水文地质特征及周围环境情况,进行隧道防排水设计时应遵循“防、排、截、堵”相结合的原则,采用因地制宜的综合治理方法,构建完整的防水系统和排水系统,以实现隧道防水的可靠性和排水的畅通性。通过这种综合治理方法,运营期间隧道内可以保持基本干燥,从而确保结构的正常使用和行车安全。

在穿越隧道的过程中,若遇到严重的涌水段或洞周围局部涌水,需要按照超前钻孔的实际情况进行测试与探究。如有必要,可以选用全断面深孔预注浆、全断面周边预注浆或开挖后周边局部注浆等举措,来封闭地下水的流动通道以及裂隙,这样可以规避地表水过度流失,从而保护居民的生活和农业灌溉用水免受影响。

隧道明洞段采用黏土隔水层作为第一道防线防止地表水渗透,明洞衬砌外铺设1.5 mm EVA防水卷材和350 g/m2无纺布(无纺布为防水板内外两层布设)作为第二道防水措施。在隧道工程中,为了防止水渗入洞内,采取多种措施。首先,在暗洞段,使用超前小导管预注浆、系统锚杆和喷射混凝土,形成一个围岩加固圈,作为防水的第一道防线。其次,在初期支护和二次衬砌之间铺设1.5 mm的EVA防水卷材与350 g/m2的无纺布,将它们设置在靠近围岩的一侧,作为第二道防水措施。隧道二次衬砌混凝土的抗渗等级为P8,作为隧道防水最后一道防线。隧道防水措施及施工方法详见相关设计文件、规范和操作规程等。施工缝采用外贴式EVA止水带+中埋式橡胶止水带进行防水,沉降缝采用外贴式EVA止水带+中埋式钢边橡胶止水带进行防水。

3.6.3 排水措施

地面水和地下水以分开引排的形式来设计,洁污分流更环保,以确保隧道内排水畅通。在隧道路面两侧设置纵向排水边沟,用于排除隧道路面积水、清洗和消防水等污浊水,其纵坡应与隧道纵坡相一致。在隧道底部设置40 cm×40 cm矩形排水沟以排出衬砌背后积水,并沿隧道纵向上每隔250～300 m设置中央排水沟检查井。

在初始支撑和第二次衬砌之间,利用环向Φ50 mm的软式弹簧透水管进行设置,按照400 cm一道的标准布置,当水量较大时,需要加密一道。这种透水管可以将水引入纵向的Φ100 mmHDPE双壁打孔波纹管内,该管应设计在标高以下0.88 m的位置。同时,隧道边墙的底部选用横向Φ100 mmPVC塑料排水管,将水引排至中心水沟,然后排出洞外。

在路面基层下部设置Φ50 mmHDPE双壁打孔波纹管连通至中心水沟,以防止路面层冒水,纵向间距10 m一道。集中股水流处经注浆堵水后再设置Φ50 mm软式弹簧透水管,管端部应穿越初期支护直接与股水流处对接以达到更好的排水效果,水量丰富地段可结合现场情况适当加密。各管件接头及交叉接头必须用多通管连接,确保排水畅通。打孔波纹管均外裹无纺布。

3.7 洞口防排水设计

为了防止地表的汇水冲蚀洞口,在其上方设网状的截水沟,以引导地表的水流向路基边沟或洞门外端的自然沟谷,从而构建一个完善的洞外排水系统,保护洞口工程免受水害影响。为使排水顺畅,排水坡度与地面纵坡同坡、排水设施转向处应做到圆顺过渡。

3.8 注浆防水

为了尽量减少隧道开挖后对地下水结构的影响,减少地下水的流失,保护好沿线生态环境及居民生活、生产用水,应对以下情况采取注浆堵水:在隧道施工开挖前,对预测涌水量大的地段、断层破碎带和软弱地层进行超前预注浆,对地下水进行封堵。在隧道开挖后,存在大股涌水或大面积渗漏水地段,应采取衬砌前围岩注浆,对地下水进行封堵,减少地下水排放量。在隧道开挖后,开挖面存在出露的股水,也应进行注浆堵水。若在进行初期支护后,壁面仍然存在渗漏水时,应向初期支护背后实施注浆封堵。隧道衬砌背后设有纵横向排水管,将封堵后剩余的地下水引入隧道中心沟排出洞内,此排水量应远小于地下水的补给量。若隧道底板围岩裂隙及节理发育时应进行注浆加固处理。

4 结语

在进行隧道设计过程中,应尽量减少对边坡和仰坡的开挖高度,以降低对原始地形的破坏程度。同时,对于开挖后形成的表面,应进行绿化,以加强对环境的保护。在设计中,可以采用物探和地质雷达等先进科技手段,预先规划相应措施以处理可能遇到的不良地质情况,确保隧道的安全性和稳定性。并且,应该采用动态设计的方式根据实际情况不断调整和完善设计方案以确保隧道工程的顺利进行。