大山塘隧道小凈距優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工技術(shù)分析

班毅成

(廣西壯族自治區(qū)東蘭公路管理局，廣西 河池 547400)

0 引言

廣西壯族自治區(qū)總體地形為山地丘陵性盆地，高速公路建設(shè)難度較大，高速隧道是該區(qū)境內(nèi)高速公路的重要組成部分。小凈距隧道設(shè)計(jì)既可以充分利用山體巖層本身的強(qiáng)度，大大降低支護(hù)造價(jià)，又能夠減少工程所占空間，降低環(huán)境破壞范圍，還可以顯著降低工程總體造價(jià)，因此在全球各地高速公路施工設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

G210線全長3 097 km，連接廣西南寧和內(nèi)蒙古包頭兩地，其中河池段長約57 km。大山塘隧道是G210線河池段的一個(gè)重要工程項(xiàng)目，隧道設(shè)計(jì)總長390 m

(K2716+424)。該線路設(shè)計(jì)為雙向四車道，路面總寬約28 m。按照表1所示國際通用隧道斷面標(biāo)準(zhǔn)劃分，大山塘隧道屬中等斷面隧道(斷面面積約48 m2)，最大高度限定在5.0 m。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：雙向四車道，設(shè)計(jì)最大時(shí)速100 km/h，路面橫縱坡范圍分別為-2%～2%、±0.3%～±3%?？拐鹦詰?yīng)達(dá)到Ⅶ度，主體結(jié)構(gòu)耐久性應(yīng)超過100 a。

表1 國際隧道斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)表

2 隧道設(shè)計(jì)方案的確定

2.1 圍巖地質(zhì)條件分析

大山塘隧道穿越的山體屬于低山區(qū)，山體巖層較厚，高程范圍25.5～84.6 m，坡度范圍在20°～35°。結(jié)合項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)勘查及試驗(yàn)結(jié)果和各類圍巖力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)(見表2)[1]，大山塘隧道圍巖等級(jí)屬Ⅳ級(jí)，節(jié)理發(fā)育較多，巖體完整性較差，在拱部無支護(hù)時(shí)會(huì)有小規(guī)模坍塌現(xiàn)象，側(cè)向圍巖基本穩(wěn)定。

表2 隧道圍巖力學(xué)性能指標(biāo)參照表

2.2 隧道方案類型設(shè)計(jì)比較

目前，隧道類型主要有分離式雙洞隧道、連拱隧道、小凈距隧道三類。小凈距隧道是近些年得益于施工和材料技術(shù)的快速發(fā)展而被研發(fā)出的新型隧道建設(shè)手段。相對(duì)于前兩類隧道，它的主要優(yōu)點(diǎn)如下[2]：

(1)對(duì)環(huán)境和圍巖影響范圍小

相比于分離式雙洞隧道，小凈距隧道開挖規(guī)模范圍小30%左右，節(jié)約了建筑空間，顯著降低了對(duì)山體圍巖的擾動(dòng)。由于本項(xiàng)目山體圍巖完整性較差，開挖范圍越小，巖石碎落的可能性越小。由此可以盡量減少對(duì)山體覆蓋植被的破壞，有效降低雨水滲入量。

(2)施工工藝簡單，造價(jià)低

小凈距隧道的造價(jià)和施工工藝同分離式雙洞隧道相比沒什么優(yōu)勢，甚至在支護(hù)上還要更加復(fù)雜。但是同連拱隧道相比，小凈距隧道的造價(jià)要低20%以上，且施工工藝簡單，較易控制隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

(3)有利于公路整體線性規(guī)劃

小凈距隧道比分離式隧道中間夾著的巖層厚度可小5～8 m左右[3]，這對(duì)于維持公路整體線性的平穩(wěn)有很大意義，尤其在高等級(jí)公路上，對(duì)維護(hù)行車安全有著重要作用。經(jīng)過綜合考慮，本項(xiàng)目決定采用“小凈距隧道”方案作為大山塘隧道的最終施工方案。

3 合理小凈距設(shè)計(jì)

最小凈距的確定是大山塘隧道設(shè)計(jì)的核心，結(jié)合很多學(xué)者的研究成果(見表3)[4]，利用Midas模擬軟件以大山塘隧道Ⅳ級(jí)圍巖為研究對(duì)象，模擬在不同凈距條件下，雙洞開挖后圍巖應(yīng)力的分布情況。

表3 雙線隧道最小凈距參考值表(B：隧道開挖寬度)

(1)凈距為0.5 B

由圖1可知：當(dāng)模擬凈距為0.5 B時(shí)，隧道開挖后其上部圍巖下沉變形最明顯，洞底圍巖有向上鼓的趨勢，左右兩洞的松動(dòng)圈向外擴(kuò)張，并出現(xiàn)相互重疊。中間夾層應(yīng)力平均值是外側(cè)圍巖應(yīng)力的2倍，中間夾層需要較強(qiáng)的支護(hù)強(qiáng)度，對(duì)技術(shù)和成本要求都很高，不可取。

(a)圍巖變形

(b)應(yīng)力分布

(2)凈距為1.0 B

由圖2可知：當(dāng)模擬凈距增大至1.0 B時(shí)，隧洞頂部和底部變形均顯著減小，左右兩洞的松動(dòng)圈對(duì)中間夾層影響和疊加現(xiàn)象顯著降低。由應(yīng)力分布圖可得兩松動(dòng)圈的寬度已達(dá)到隧道總寬度的2倍，即凈距擴(kuò)大，松動(dòng)圈也顯著擴(kuò)大，但圍巖的應(yīng)力值明顯減小。

(a)圍巖變形

(b)應(yīng)力分布

(3)凈距為1.5 B

由圖3可知：隨著雙洞間距繼續(xù)增加，圍巖變形趨勢逐步減小，左右兩洞的松動(dòng)圈在中間夾層疊加進(jìn)一步減弱，松動(dòng)圈范圍依然擴(kuò)大顯著，但圍巖應(yīng)力值與間距1.0 B相比并沒有減小很多。

(a)圍巖變形

(b)應(yīng)力分布

綜合其他學(xué)者研究成果和模擬結(jié)果，本項(xiàng)目凈距取1.0 B～1.3 B(12～18 m)為宜，當(dāng)圍巖條件較差時(shí)，凈距可適當(dāng)增至1.5 B。

4 主要施工技術(shù)分析

公路隧道施工工序主要包括：開挖→支護(hù)→中間巖墻加固→附屬設(shè)施安設(shè)。本項(xiàng)目采用“新奧法”施工，下面針對(duì)重點(diǎn)工序進(jìn)行詳細(xì)分析。

(1)臺(tái)階開挖法

目前隧道開挖常用方法有：全斷面法、臺(tái)階法、側(cè)壁導(dǎo)坑法等，結(jié)合本項(xiàng)目圍巖屬Ⅳ級(jí)，因此采用“小進(jìn)尺臺(tái)階法”最為穩(wěn)妥，“臺(tái)階法”施工工序如圖4所示[5]。在大山塘隧道開挖時(shí)，要求預(yù)留核心土，循環(huán)進(jìn)尺控制在2～3 m范圍，圍巖條件較差則降低至1～2 m。

圖4 “臺(tái)階法”開挖隧道工序示意圖

(2)錨噴支護(hù)施工

通過計(jì)算松動(dòng)圈厚度，大山塘隧道圍巖支護(hù)錨桿長度在2.5～5.5 m，采用全長粘結(jié)式水泥砂漿錨桿，錨桿呈四周排列，行列距i相等，計(jì)算公式如(1)所示，經(jīng)計(jì)算得行列距i=1.2 m。噴漿厚度在5～10 cm。

(1)

式中：rc——中性點(diǎn)半徑，m；Ro——隧道開挖半徑，m。

(3)中間巖墻加固措施

為避免過多擾動(dòng)夾層巖石，要求加固措施盡量在兩種以內(nèi)，一般為注漿或錨固，其中錨桿可采用預(yù)應(yīng)力錨桿或貫通長錨桿，具體加固措施建議見下頁表4。大山塘隧道采取注漿加固措施，在一些圍巖較差地段采用兩者相結(jié)合形式。

表4 小凈距中間夾層加固措施表

5 結(jié)語

小凈距隧道對(duì)于提高隧道工程的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性有著很現(xiàn)實(shí)的意義，因此在有相應(yīng)施工條件的地區(qū)成為首要考慮方案。大山塘隧道應(yīng)用該技術(shù)后施工工期滿足要求，后期山體圍巖加固工程規(guī)模減小很多，在圍巖條件較差情況下保證了工程的整體穩(wěn)定性。

[1]章英文.公路隧道設(shè)計(jì)及施工技術(shù)問題分析[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2013，15(2)：41-43.

[2]霍三勝.高陵高速公路隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)問題探討[J].山西交通科技，2015(3).

[3]夏才初，那通興，彭國才，等.公路隧道施工變形監(jiān)測精度要求探討[J].隧道建設(shè)，2016，36(5)：508-512.

[4]吳明先，趙永國，楊彥民.單洞四車道特大斷面公路隧道設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)[J].公路，2009(10)：317-323.

[5]宮成兵，張武祥，楊彥民.大斷面單洞四車道公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方案探討[J].公路，2004(6)：177-182.