杭州紫之隧道地下立交分岔段設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)

胡賢國，鄒金杰

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 311122）

1 工程概況

杭州市紫之隧道工程南起之江，北至城西，中間線位繞避西湖風景區(qū)。工程線路全長約14 km，由3 座特長隧道組成。隧道總體規(guī)模為雙向6 車道，采用多級分流模式，在兩端的之江路和西溪路各設(shè)置一對進出匝道。

工程中間線位穿越西湖群山，巖性以灰黃、青灰色、淺色、紫紅色中厚層狀粉砂巖為主，夾中薄層泥巖及粉砂質(zhì)泥巖，強度低、節(jié)理發(fā)育、遇水易軟化，圍巖級別Ⅲ～Ⅳ級。

西湖群山植被茂密、景區(qū)密集，分布有龍塢、靈竺、大清谷、西山森林公園、東岳廟等景點；線路中部緊貼西湖風景名勝區(qū)外圍，環(huán)境要求極高。

2 分岔段設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

2.1 分岔段平面設(shè)計

2.1.1 設(shè)計概況

為了滿足交通需求，在隧道兩端需各設(shè)一對進出匝道，并與接口道路進行銜接以實現(xiàn)交通轉(zhuǎn)換。因此，工程需設(shè)4處立交分岔段，分別位于隧道南北端山體中。由此涉及的標準段隧道分岔為兼顧安全性及經(jīng)濟性的雙洞隧道，是十分重要的設(shè)計。

2.1.2 設(shè)計重難點

分岔段設(shè)計重難點主要體現(xiàn)在分岔大跨段寬度、大跨度漸變方式以及分岔雙洞段間距，必須充分考慮結(jié)構(gòu)安全性、施工便利性以及經(jīng)濟合理性。分岔大跨段最大跨度及分岔雙洞段最小間距，對結(jié)構(gòu)安全、施工便利及經(jīng)濟性影響極大。主要體現(xiàn)為以下2 個方面。

1）大跨段：跨度越大，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計難度越大、施工風險越高且投資增加；但跨度大小既需滿足分岔雙洞結(jié)構(gòu)設(shè)計安全及施工便利，又要盡量減小跨度，以保障大跨結(jié)構(gòu)安全、降低施工風險及減少投資。同時，由于大跨段漸變方式需考慮工程投資及施工便利性。因此，結(jié)合既有工程經(jīng)驗，本工程分岔大跨段采用了單側(cè)臺階式漸變，這可以合理確定大跨段長度，以減少投資，從而避免連續(xù)漸變帶來的施工放樣困難。

2）雙洞段：當凈距較大時，可在降低雙洞施工相互影響的同時增加雙洞安全性，但這會增加大跨段跨度，增加投資及施工風險；當凈距小時，則會增加雙洞施工相互影響及風險。考慮到洞內(nèi)連拱隧道結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換風險大且防水效果差，本工程突破常規(guī)，采用了超小凈距隧道結(jié)構(gòu)進行分岔隧道結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。

2.1.3 平面布置

大跨段結(jié)構(gòu)過渡方式采用單邊臺階式的過渡方式，該方式可以實現(xiàn)比較自然的過渡，從而滿足漸變段和變速車道段的要求，與突變式結(jié)構(gòu)相比開挖量較小。然而，盡管開挖量上比漸變式結(jié)構(gòu)略大，但是，該方式在施工難度上更小，且二次襯砌的施作更方便，只需改變襯砌臺車寬度即可。不僅如此，大跨段結(jié)構(gòu)過渡方式雖然在外觀上沒有漸變式結(jié)構(gòu)過渡自然，但經(jīng)內(nèi)部裝飾后，也可以達到美觀效果。

分岔段隧道由3 車道標準段通過單側(cè)臺階式漸變至大跨段分岔段，同時，由大跨單洞分岔為超小凈距雙洞，再逐漸過渡至雙洞分離段。對此，為減少斷面類型且兼顧開挖工程量，本工程在設(shè)計大跨段時，采用了4 級漸變分岔段這一方式。

2.2 大跨段結(jié)構(gòu)設(shè)計

臺階式變截面段是分段逐步擴大的，每段隧道的長度和跨度目前無規(guī)范可循。對此，應根據(jù)漸變段和變速段長度的要求，結(jié)合實際工程和地質(zhì)情況，并在地質(zhì)好的路段將隧道長度和跨度適當加大，同時，不同跨度隧道之間的跨度變化不宜過大。

從目前國內(nèi)相關(guān)經(jīng)驗來看，根據(jù)地質(zhì)條件的不同，不同跨度隧道之間的跨度差通常取1～2.5 m 為宜。另外，還應在大跨與小凈距隧道交界處設(shè)置堵頭墻封堵。

通常來說，大跨段采用復合式襯砌，且支護參數(shù)需結(jié)合經(jīng)驗類比及計算模擬來確定。

2.3 小凈距段結(jié)構(gòu)設(shè)計

工程匝道先行施工。匝道作為主線重要的工作面，在進入主隧道后，就需要開始往主線兩端施工。考慮到工程連拱隧道施工工序多、施工難度大，所以，此處優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)形式，并取消連拱段，由大跨段直接過渡為小凈距隧道。小凈距段最小凈距約0.5 m，而當中巖墻厚度＜1.5 m 時，對于松動及超挖部位要采用C35 混凝土回填；當中巖墻厚度為1.5～6 m 時，可采用對拉錨桿加固。隧道南端西線分岔段小凈距隧道復合式襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 隧道南端西線分岔段小凈距隧道復合式襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 分岔段施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 平面施工步序

匝道與主隧道交叉口大斷面，最大開挖跨度約25 m，東西線分別位于Ⅲ級圍巖和Ⅳ級圍巖。Ⅲ級圍巖采用多臺階分部法開挖，Ⅳ級圍巖采用雙側(cè)壁導坑法施工。受現(xiàn)場實際施工條件和作業(yè)面影響，采用4 個平面施工步序：（1）匝道施工；（2）匝道施工至交叉口大斷面處，分部橫向開挖大斷面；（3）最大斷面形成后對大斷面隧道進行縱向開挖；（4）大斷面開挖一定距離后，再回頭開挖交叉口處2 車道主隧道，而主隧道先開挖靠近中巖墻側(cè)導洞，并按照小凈距隧道施工方法組織。

3.2 小洞進大洞施工工藝

根據(jù)總體施工方案，隧道交叉口段匝道先行開挖，以南端西線分岔口為例，具體施工步驟有3 步：（1）上下臺階法開挖匝道；（2）匝道上臺階施工至交叉口處，以上臺階為超前導坑往前開挖5 m 左右（可根據(jù)施工需要調(diào)整）；（3）分部橫向擴挖NX1 型大斷面。大跨段橫向擴挖工序見圖1。

圖1 大跨段橫向擴挖工序

分部具備縱向開挖條件后，進行大斷面隧道縱向開挖。

注：圖中①為大跨段匝道上導洞開挖；②為大跨段左側(cè)上導洞匝道導洞段擴挖；③為大跨段右側(cè)上導洞上臺階開挖；④為大跨段右側(cè)上導洞下臺階開挖；⑤為大跨段左側(cè)下導洞上臺階開挖；⑥為大跨段右側(cè)下導洞上臺階開挖；⑦為大跨段左側(cè)下導洞下臺階開挖；⑧為大跨段右側(cè)下導洞下臺階開挖。

3.3 小凈距施工工藝

大斷面在開挖一定距離后，需調(diào)頭開挖交叉口處2 車道主隧道。主隧道先開挖靠近中巖墻側(cè)導洞，按照小凈距隧道[1]施工方法組織。小凈距隧道段主隧道和匝道最小凈距0.5 m，為近接施工。為減小爆破震動對匝道的影響，內(nèi)側(cè)導洞采用分臺階法用機械開挖，中巖柱厚度＜1.5 m 時采用C35 混凝土回填。另外，隧道開挖需嚴格控制每循環(huán)進尺，并嚴格控制在每循環(huán)進尺＜1 m。開挖完成后立即施作初期支護。

當中巖墻厚度＜1.5 m 時，要用C35 早強混凝土回填密實，以確保小凈距隧道襯砌受力安全。

4 開挖模擬及現(xiàn)場施工監(jiān)測情況

4.1 開挖模擬

4.1.1 有限元模型

以南端西線為例，本次計算采用二維有限元軟件Midas Soilworks 對地層結(jié)構(gòu)模型進行模擬。地層采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，錨桿加固考慮為固用加固圈作用，采用實體單元模擬，本構(gòu)采用摩爾-庫倫模型，參數(shù)的選取按原地層參數(shù)提高一級進行。初支及臨時支撐采用梁單元模擬。

4.1.2 開挖模擬計算結(jié)果

上臺階初期支護及臨時橫撐施作完成后，彎矩值為279 kN·m（實際鋼架半鉸接，彎矩值應＜279 k N·m）；最大軸力發(fā)生于臨時橫撐拆除后，初期支護受力最不利點位于左側(cè)拱肩，最大軸力3 184 k N，對應彎矩值約22.5 k N·m；最大拱頂位移1.58 cm，初期支護結(jié)構(gòu)受力安全。從計算結(jié)果看，大跨段初期支護最大彎矩發(fā)生于工序①～④開挖完成后。

在小凈距段的開挖過程中，初期支護最大軸力普遍發(fā)生在后行洞遠離中巖墻一側(cè)上臺階開挖后的臨時豎撐，最大軸力3 731 k N；最大彎矩發(fā)生在后行洞開挖完成并封閉初支后，位于匝道右側(cè)拱腰，為513 kN·m；最大拱頂位移1.38 cm，位于中巖墻上方。

4.2 現(xiàn)場施工監(jiān)測情況

從現(xiàn)場監(jiān)測情況來看，大跨段拱頂累計沉降最大值為12.56 mm，沉降速度平緩；分岔匝道及分岔主隧道拱頂最大位移分別為8.1 mm 和9.2 mm。

經(jīng)計算模擬及現(xiàn)場監(jiān)測后，通過對比最大拱頂位移可知，現(xiàn)場實際監(jiān)測值優(yōu)于有限元計算分析結(jié)果。因此，采用施工方案對于隧道圍巖穩(wěn)定性控制效果較好，可滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

5 結(jié)語

暗挖法隧道洞內(nèi)立交分岔的隧道案例較少，青島膠州灣隧道及長沙營盤路隧道等均為軟巖地質(zhì)條件。本文對杭州紫之隧道立交分岔段設(shè)計施工關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，通過優(yōu)化設(shè)計方案及施工方法，山嶺段Ⅲ、Ⅳ洞內(nèi)立交分岔合理可行。主要結(jié)論如下：

1）大跨段實際拱頂沉降1.256 cm，小于計算值1.58 cm，支護采用預應力錨桿+普通錨桿長短交錯布置，有效加固了隧道圍巖拱圈，提高了圍巖自承能力，支護參數(shù)合理可行。

2）采用超小凈距分岔隧道減小了大跨段跨度，通過合理的施工工藝能確保小凈距隧道先行洞初期支護安全及施工安全。

3）在場地受限的情況下，匝道進洞、橫向擴挖后反向施工分岔隧道合理可行。