青岛城区某超大断面隧道的设计与施工分析

石海

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司第十三设计院，山东青岛 266100）

1 工程概况

胶州湾海底隧道青岛端接线工程（简称“隧道接线工程”）位于青岛市南区团岛，是青岛市主城区“三纵四横”快速路网的重要组成部分。

隧道接线工程南起胶州湾海底隧道青岛端终点，向北以上、下行分离式双洞隧道分别沿四川路、云南路延伸，在东平路口北侧50m 处爬升至地面后开始高架，于山西路上方合流后接入青岛市快速路三期工程。工程全长约2.4km，其中隧道工程长约1.7km，单洞为三车道超大断面隧道，采用暗挖法施工，主隧道净宽约14.5m，净高约10m，设计行车速度80km/h，是青岛市区内第一条大型城市交通隧道工程（见图1）。

图1 湾口海底隧道青岛端接线工程平面图

2 工程地质概况

云南路沿线地形起伏较大，中间高，两端低，地面标高8.0～35.0m（黄海高程，下同），地貌类型为侵蚀堆积斜坡～剥蚀斜坡；四川路沿线地势较为平缓，地面标高5.0～12.0m，地貌类型为侵蚀堆积缓坡。

两条主隧道沿线地貌单元较多，但各地貌单元岩土层分布较有规律，剥蚀斜坡～剥蚀堆积缓坡场区第四系不发育，厚度一般小于4.0m；侵蚀堆积缓坡场区第四系较发育，厚度较大，土层较多，但层序清晰、构造简单，体现了自上而下地质年代由新到老、土层结构及强度渐好的沉积规律；场区基岩主要为燕山晚期粗粒花岗岩及后期侵入的煌斑岩脉。云南路隧道埋深4.5～30m，四川路隧道埋深2.8～20m。

3 隧道结构设计

3.1 建筑限界及隧道内轮廓

根据城市规划，隧道接线工程是以客运交通为主的城市快速路，根据该工程交通量预测分析确定：该工程单洞采用单向三车道，宽10.75m，隧道净宽：0.75m ＋0.5m ＋2×3.5m ＋3.75m ＋0.75m ＋0.75m=13.5m；建筑限界高度取5m，如图2 所示。

图2 建筑限界图（单位：mm）

隧道内轮廓除符合建筑限界规定外，应满足洞内路面、排水、装饰的需要，并为通风、照明、消防、监控等设施提供安装空间，还应考虑围岩变形、施工方法等影响的预留富余量[1]，同时应在保证使用功能的前提下尽量兼顾受力和经济因素。

该隧道采用分离式双洞形式，结构跨度大，位于城市建成区，对地表的变形控制尤为重要，为减小围岩和衬砌产生应力集中，衬砌断面应尽量做到圆顺，减少折角。为此，该工程设计采用五心圆曲墙断面，内轮廓两侧各预留0.1m 富余量，顶拱半径7.4m，曲墙半径5.4m，仰拱半径17.2m，仰拱和边墙采用2m 圆弧顺接，改善了边墙下部受力。隧道内轮廓净高10.391m，净宽14.425m，净空面积120m2。隧道通风、照明、监控等设施均设置在建筑限界以外，各种管线、电缆设置在检修道下的沟槽中。内轮廓如图3 所示。

图3 隧道内轮廓图(单位：mm)

3.2 衬砌结构形式及支护设计参数

最大限度地利用和发挥围岩的自承能力是新奥法的核心[2]。为此，该项目设计应通过合理的衬砌断面形式使围岩的自承能力得以发挥，以此达到节省工程投资的目的。另外，考虑到衬砌是永久性结构，营运中一旦破坏很难修复，因此，要求衬砌具有足够的强度和耐久性，以保证隧道工程的长期使用。设计采用了复合式衬砌，初支采用系统锚杆、喷射混凝土、钢筋网、格栅钢架结合超前支护组成，喷射混凝土采用C25，二衬采用模筑素混凝土或钢筋混凝土；初支和二衬间设防水层。支护参数根据围岩级别、工程地质和水文地质条件、隧道埋深并结合施工条件、环境条件通过工程类比和结构计算综合分析确定，支护参数见表1。V 级围岩洞口加强段衬砌断面见图4。

表1 复合式衬砌设计参数

图4 V 级围岩洞口加强段衬砌断面图（单位：mm）

4 隧道施工方法

目前，隧道开挖方法主要有掘进机法和钻爆法。掘进机法具有机械化程度高、劳力消耗小、成洞质量好、安全性好等一系列优点，但由于该隧道穿越地层复杂多变，具有典型的“上软下硬”地质特点，不适于掘进机法施工，且岩石掘进机设备费用昂贵，相对该隧道规模而言，经济性差。而钻爆法相对于掘进机法施工简单、灵活，对于软硬不均的复杂地质条件可采用不同的开挖方式，针对性强，且具有适用于各种断面形式的灵活性。因此,根据该隧道工程的工程规模，以及所处的地质条件、环境条件，经技术、经济方面的综合比较，采用光面爆破技术以及钻爆法施工。

钻爆法根据断面分块及开挖顺序可分为：全断面法、台阶法、台阶分部法、中壁墙法（CD 法）、交叉中隔壁法（CRD 法）和双侧壁导坑法等。根据该工程地质条件、断面形状和尺寸等，确定开挖方法如下：II 级围岩采用台阶法；III 级围岩采用台阶分部法；IV 级围岩采用中隔壁法；V 级围岩及洞口加强段采用交叉中隔壁法。

5 隧道浅埋暗挖段施工

该工程隧道洞口段均存在一定长度的浅埋段，浅埋段隧道覆盖层薄，地质条件差，围岩自承能力弱，难以形成承载拱，若施工方法和支护形式不当，很容易发生冒顶塌方或地表的有害下沉。因此,在洞口浅埋段施工中，采取了加强支护和超前注浆加固地层等施工措施。

5.1 加强支护措施

为了保证安全进洞，浅埋段隧道衬砌拱部采用了φ108 大管棚，长度为30m，环向间距为0.4m，纵向搭接5m，仰角2°，注浆材料采用水泥—水玻璃双液浆；管棚之间设φ42 小导管超前支护，长度为3.5m，环向间距为0.4m，纵向每3m 打设一环，搭接长度1m；边墙设φ25 中空注浆锚杆，长4.0m，间距1.0m×1.0m，采用梅花形布置；拱墙φ8 钢筋网，网格间距200mm×200mm，C25 喷射混凝土厚300mm；格栅钢架间距0.5m，为增强钢架间的整体稳定性，相邻钢架间设环向间距为1m 的φ22 纵向联系钢筋，拱脚处各设置3 根φ25 锁脚锚杆，长4m；二衬采用C35 钢筋混凝土，厚600mm。实践证明，浅埋暗挖段采用加强支护措施是安全、有效的。

5.2 超前注浆加固地层

该隧道洞口浅埋段地质情况均较差，围岩破碎、松散，采用超前注浆加固地层，以增加围岩的自稳能力及整体性。注浆孔为φ100 钻孔，孔深10～20m，间距2m×2m，采用梅花形布置，注浆孔下倾与水平面呈20°，注浆施工时，用千分表对地表变形情况做现场监测，严格控制因注浆压力过大造成的地表隆起，以保证地层稳定。浆液采用纯水泥浆，注浆压力取0.6～1.0MPa。注浆前为避免掌子面漏浆，先在开挖面喷射一层5cm 厚的混凝土封闭掌子面，经开挖施工验证，软弱土层中的裂隙基本被水泥浆液和碎石形成的混凝土填充密实，地层加固效果明显，保证了隧道开挖施工的安全。

5.3 及时施作仰拱

由于该隧道跨度大，埋深浅，围岩稳定性差，长时间达不到稳定状态，故应及时施作仰拱及隧底填充，使衬砌及早呈封闭状态，以改善围岩的受力变形条件。通过监控量测发现，施作仰拱后，无论是隧道拱顶下沉速度还是周边位移收敛变化趋势均明显减缓，说明采用的措施效果明显。

5.4 及时施作二次衬砌

按新奥法原理，隧道二次衬砌基本不参与受力，主要作为安全储备，因此二次衬砌一般在初期支护和围岩变形基本稳定后施作。该工程浅埋段隧道在仰拱施工后，初期支护变形速度明显减缓，但变形仍在增大，在这种情况下，应及时施作二次衬砌，使其提前参与受力，以防止初期支护变形由量变到质变，进而发生坍塌。二次衬砌采用模筑C35 钢筋混凝土结构。

通过该工程实践，总结出对城市道路隧道浅埋暗挖段，尤其是地质条件较差时，应对围岩变形进行控制而不是释放。同时，施工前必须对工程地质和水文地质条件进行分析，之后有针对性地采取辅助工程措施以保证施工安全。

6 爆破振动对周边建筑的影响及减振措施

该隧道位于四川路和云南路地面下3～30m，两条路均为城市干道，两侧建筑密集，下穿或侧穿的建（构）筑物30 余处。爆破开挖引起的振动将对其产生不利影响。施工中采取了一系列减振措施，尽量减少了对当地居民生活的干扰，并保证地面建（构）筑物的安全[3]。

建筑物的爆破振动安全允许值与建筑物的重要性、建筑质量、新旧程度、自振频率、地基条件等诸多因素有关。该工程位于居民密集区，施工时周围建筑物的爆破振动安全允许标准均取《爆破安全规程》(GB 6722—2014)中规定的最小值：钢筋混凝土楼房爆破振动安全允许标准值取3.0cm/s；砖房爆破振动安全允许标准值取2.0cm/s，局部地段取至1.5cm/s。

施工时采取了下列措施以尽量减小爆破施工对当地居民的不利影响：

第一，选择低爆速炸药品种，周边眼采用光面爆破。第二，限制同时起爆最大装药量，采用减小循环进尺、分区爆破、多段微差毫秒控制爆破等先进的爆破技术。第三，优化装药结构，采用间隔装药和孔底空气间隔装药。第四，与邻近建筑物距离小于10m时，在洞内沿隧道周边预先钻出隔断孔，起到截断爆破振动波的传播路径或减小爆破振动波传播距离的作用。通过采取一系列减振措施，隧道接线爆破施工引起的振动基本控制在规定的限值以内，得到了当地居民的理解和认可。

7 结语

第一，以隧道接线工程为例，介绍了城市双向六车道超大断面隧道的土建设计与施工。针对三车道隧道跨度大、结构受力复杂等特点，根据新奥法原理，充分保护和利用了围岩的自承能力，采用的复合式衬砌是安全、经济的隧道修建方法。第二，对城市隧道浅埋暗挖段，尤其是地质情况差的地段，要对工程地质和水文地质条件进行全面分析，以便有针对性地采取辅助工程措施。该隧道浅埋段所采用的管超前、强支护、快封闭、严注浆等措施，实践证明了其安全可靠。第三，隧道位于城市建成区，爆破施工产生的振动会对周边建筑物和居民的正常生活产生不利影响。为此，施工中应按照规范要求，严格控制爆破振速，并采取一系列减振措施，以保证周边建（构）筑物的安全与正常使用。