一座六車道聯(lián)拱隧道設計介紹 - 京珠高速公路五龍嶺隧道設計-

1、文章編號:0451-0712(200202-0111-05中圖分類號:U459.2文獻標識碼:B一座六車道聯(lián)拱隧道設計介紹京珠高速公路五龍嶺隧道設計郭小紅,朱光儀(中交第二公路勘察設計研究院武漢市430052摘要:系統(tǒng)地介紹了地質(zhì)條件差,埋深淺,又是六車道聯(lián)拱的五龍嶺隧道的襯砌、洞口長管棚、周邊注漿以及隧道施工工序等方面的設計情況,并對聯(lián)拱隧道的設計與施工提出了一些合理的建議。關(guān)鍵詞:五龍嶺隧道;聯(lián)拱隧道;設計1隧道概況五龍嶺隧道為京珠國道主干線廣東省內(nèi)韶關(guān)甘塘至翁城段高速公路上的一座六車道聯(lián)拱隧道,總長200m,位于半徑為1220m的平曲線上,設置3%的超高橫坡。隧道洞口段埋深820m,最大

2、埋深約45m。該隧道于1998年8月開工,通過精心施工以及現(xiàn)場各方面的通力合作,該隧道于1999年11月順利貫通。隧道采用的設計標準為:建筑限界凈寬:(0.75m+2×0.5m+3×3.75m+2×0.5m×2+2.5m=30.5m;建筑限界凈高:5.0m;計算行車速度:100km/h;CO容許濃度:150ppm;隧道照明標準:按短隧道進行照明設計。隧道凈空斷面單側(cè)為二心圓:兩側(cè)邊墻為曲墻式,中隔墻為直墻。由于受隧道路面超高橫坡的影響,仰拱為不對稱結(jié)構(gòu)。隧道總開挖寬度達32.5m,開挖高度(含仰拱達10.9m,總開挖面積為301m2,為超大斷面隧道。由于

3、該隧道同時具備跨度大(32.5m、地質(zhì)差(類、埋深淺(845m以及地形偏壓等等一系列不利條件,而且地質(zhì)在橫向存在極大的不均勻性以及部分地段土夾石,在公路隧道設計與施工上是史無前例的,設計難度很大。該隧道設計與施工的成功,標志著我國的公路隧道設計施工水平走上了一個新臺階。2隧道地質(zhì)五龍嶺隧道地處山間平地邊緣的山體上,周圍為低山重丘區(qū),屬風化剝蝕地貌。根據(jù)鉆探和地質(zhì)調(diào)繪,隧道區(qū)域有一條與隧道軸線呈小夾角的斷層縱向貫穿隧道,且傾角較陡,上盤為全強風化泥質(zhì)砂巖夾薄層頁巖,淺灰黃色,巖體風化呈半巖半土狀,圍巖為類。下盤為灰?guī)r,巖體呈灰黑色,受構(gòu)造擠壓作用強烈,砌體結(jié)構(gòu),圍巖為類。由于受斷層影響,整個隧道

4、的泥質(zhì)砂巖與灰?guī)r在縱向與橫向均呈極不均勻分布,北京端洞口少量地段全斷面為破碎灰?guī)r,珠海端洞口少量地段全部為全強風化泥質(zhì)砂巖,隧道中間地段則為半邊巖半邊土或土夾石。隧道區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育,地下水主要為基巖裂隙水及風化帶中孔隙潛水,受大氣降水補給。巖層滲透性差,圍巖富水性微弱,灰?guī)r含弱巖溶裂隙水。3隧道洞口設計根據(jù)地形條件,結(jié)合防排水要求,以“早進洞,晚出洞”為原則確定本隧道洞口位置與型式:進、出口均采用削竹式洞門。由于隧道跨度較大,凈空較高,成洞面處地形偏斜且地質(zhì)條件較差,因此洞口段邊坡及仰坡較高且不易穩(wěn)定。為了保證洞口段邊坡與仰坡在施工與使用中的穩(wěn)定,在隧道建成后盡量恢復洞口自然景觀,不僅明洞段

5、邊坡及仰坡在施工過程中采用錨桿加噴混凝土防護,而且在洞口段均設了一段明洞。收稿日期:2001-10-15公路2002年2月第2期HIG HW A YF eb.2002N o.2本隧道洞口地段地質(zhì)條件較差,較長距離為類圍巖,且相對埋置深度較淺,不易成洞。為了實現(xiàn)“早進晚出”的原則,隧道洞口均設置了超前長管棚。設計要求在完成洞口截水溝之后,開始進行洞口段邊坡、仰坡的開挖。邊坡、仰坡必須邊開挖邊防護,以防后期施工擾動,地表水下滲以及地下水滲流造成邊坡失穩(wěn)。開挖至成洞面時保留核心土體,然后施作長管棚。長管棚不僅為隧道開挖提供保護,而且可以穩(wěn)定仰坡,因此要求只有在長管棚施作完成后才能開始進洞開挖。由于隧

6、道南端洞口地形條件較差,在成洞面處,左側(cè)仰坡高度僅1012m,洞頂覆土厚度約34m ,而右側(cè)仰坡高達2528m ,對成洞面開挖以及仰坡穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。在施工過程中曾一度出現(xiàn)仰坡開裂,地表產(chǎn)生較大下沉以及導洞支護變形等險情,但在強大的長管棚作用下,及時對仰坡采取了加固措施,終于化險為夷。因此,長管棚在大跨度隧道洞口施工中,特別是當?shù)刭|(zhì)條件較差時,作用是很大的。隧道南端洞門景觀見圖1 所示。圖1隧道南端洞門景觀4隧道結(jié)構(gòu)設計本隧道襯砌結(jié)構(gòu)根據(jù)地形與地質(zhì)狀況,設計了3種襯砌形式:明洞襯砌S 1,用于埋深較大地段的S 2復合襯砌以及用于埋深較淺(洞口地段的S 3復合襯砌。明洞襯砌主要用于進、出口路塹

7、邊坡仰坡較高的地段,采用厚80cm 的C25鋼筋混凝土,對稱配筋,要求填土厚度不得超過4.5m 。S 2、S 3復合式襯砌用于隧道暗挖段,以錨桿、鋼筋網(wǎng)噴射混凝土以及型鋼鋼拱架共同組成為初期支護,C25鋼筋混凝土為二次支護。復合式襯砌支護參數(shù)系首先根據(jù)圍巖類別、工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件、地形及埋置深度、結(jié)構(gòu)跨度及施工方法等因素擬定,然后應用隧道結(jié)構(gòu)計算程序進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析與強度校核,以最終確定支護參數(shù)。復合襯砌設計見圖2所示。由于隧道地質(zhì)較差,如果采用傳統(tǒng)的砂漿錨桿或藥包錨桿,系統(tǒng)錨桿的抗拔能力將是很低的。而對于大跨度隧道,初期支護的承載能力對系統(tǒng)錨桿的抗拔能力變化較為敏感,隨錨桿抗拔能力的減小而

8、急劇降低,因此必須提高系統(tǒng)錨桿的抗拔能力。對于土層錨桿,其抗拔能力主要取決于錨桿長度、成孔直徑、土體強度以及錨固體與土體之間的壓應力。一般錨桿長度以及成孔直徑受實際條件限制不可能有較大的變化,但是采用有壓注漿,不僅可以提高錨固體與土體之間的壓應力,同時漿液向鉆孔周圍土體擴散,還可以提高錨桿周圍土體強度, 從而達到改善圖2復合襯砌設計112公路2002年第2期整個結(jié)構(gòu)受力條件的目的。設計采用WT D 25中空注漿錨桿作為系統(tǒng)錨桿,將錨桿施工與注漿施工一體化,很好地解決了這個問題。根據(jù)全隧道地質(zhì)情況與埋深分析,整個隧道均要按淺埋隧道設計,因此應根據(jù)隧道埋深確定該隧道支護結(jié)構(gòu)的強度。初期支護主要為施

9、工開挖以及二次襯砌的施作提供可靠的保護,二次模筑襯砌設計為主要的承載結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)計算采用荷載-結(jié)構(gòu)-彈性抗力模式,全部設計荷載中扣除初期支護承擔的部分,剩下荷載全部由二次襯砌結(jié)構(gòu)承擔。經(jīng)分析計算,初期支護約能夠承受總設計荷載的30%60%,具體情況與自身強度及埋置深度等條件有關(guān),因此設計要求二次襯砌的施作應適當緊跟開挖面,以保證施工安全。5輔助施工設計本隧道為雙向六車道聯(lián)拱隧道,開挖寬度達32.5m,地質(zhì)條件又較差,在這種條件下,施工難度很大,必須采取強有力的輔助施工措施與初期支護相結(jié)合,相輔相成,才能保證隧道施工過程中的安全。設計采用的主要輔助施工措施有:超前長管棚、超前小導管及周邊加固注漿。

10、超前長管棚用于兩端洞口。在襯砌拱部及兩側(cè)邊墻部,用直徑為108mm 的熱軋無縫鋼管沿洞口段襯砌開挖輪廓線施作,環(huán)向間距為42cm 。平行襯砌中線布置(適當外傾,以防侵入開挖線內(nèi),要求鋼管偏離設計位置的施工誤差不大于20cm 。為增強鋼管的剛度與強度,管內(nèi)應以30號水泥砂漿填充。在長管棚施作完成后再進洞開挖。洞口長管棚見圖3 所示。圖3洞口長管棚立面超前小導管設置在隧道中間無長管棚支護的全部地段,采用外徑為42mm ,壁厚3.5mm ,長350cm 的熱軋無縫鋼管,鋼管環(huán)向間距約40cm 。尾端支撐 于鋼架上或焊接于系統(tǒng)錨桿尾端。在類圍巖地段一般應考慮注漿加固周邊巖體,以提高圍巖自身承載能力,提

11、高巖體對結(jié)構(gòu)的彈性抗力,改善結(jié)構(gòu)受力條件,特別是中隔墻基礎(chǔ),設計要求地基承載能力較高,在基底為土質(zhì)的條件下不易達到設計要求,必須采用基底加固注漿。對于六車道聯(lián)拱隧道,對中隔墻基礎(chǔ)地基承載能力要求較高。經(jīng)計算,如果不設置仰拱,中隔墻基底承載能力要求大于2000kPa,這至少要求為類圍巖偏高(破碎巖體地段才能達到;如果設置仰拱,基底承載能力要求則與仰拱施做時間有關(guān),既使能夠及時施做仰拱,地基承載能力也不宜小于400kPa,否則應對中隔墻基礎(chǔ)采取加固措施。本隧道中隔墻大部分地段為全強風化泥質(zhì)砂巖,地基承載能力僅為250kPa 左右,因此設計要求對土質(zhì)地段中隔墻基礎(chǔ)采用WT D25注漿錨桿進行高壓加固

12、注漿,以提高基礎(chǔ)承載能力。6施工工序設計洞身施工采用三導坑開挖,設計要求的施工工序為先完成中導坑以及右導坑,然后施作中隔墻與邊墻,并完成中導坑回填,然后進行右洞拱部開挖并施作初期支護與二次襯砌,待右洞襯砌達到設計強度后用同樣的工序完成左線隧道,施工過程中要求仰拱緊跟。在進行施工組織設計時發(fā)現(xiàn),如果按照設計工序施工,那么工期將較長,最后決定改為中導洞先行施工,兩側(cè)導洞緊跟,左右隧道拱部開挖適當錯開一定距離,使同一斷面工期滯后一個月,以便在開挖另一側(cè)時已施工側(cè)的襯砌混凝土達到設計強度。通過分析表明,施工工序這樣修改后對導洞支護強度以及主洞支護強度提出了更高的要求。設計開挖工序見圖4所示。圖4設計開

13、挖工序盡管導洞寬度只有56m ,但是在導洞施工中,導洞支護仍產(chǎn)生了較大變形,有的甚至出現(xiàn)了使1132002年第2期郭小紅朱光儀:一座六車道聯(lián)拱隧道設計介紹支護鋼拱架扭曲、連接點破壞的現(xiàn)象,充分說明在結(jié)構(gòu)之上有強大的荷載作用。分析主要原因是:一方面發(fā)生較大變形處均為巖土交界地段,地下水較豐富;另一方面在土質(zhì)地段,3個導洞間距只有兩倍洞跨,修改施工工序后使得3個導洞同時施工,存在相互影響;再有就是導洞邊墻為直墻型式,降低了導洞支護的承載能力。在開挖拱部時,為了確保初期支護不侵限,將設計要求的10cm預留變形量調(diào)整到15cm,但實際開挖后經(jīng)過監(jiān)控量測發(fā)現(xiàn)最大拱頂沉降變形不大于4cm,這充分說明了初期

14、支護以及二次襯砌強度比預計的要高,同時也充分說明了設計的施工方法對于控制圍巖變形,防止周邊巖體產(chǎn)生過大破壞是極其有效的。全部施工工序除局部作了一些調(diào)整外,基本上是按設計指定模式展開的,取得完滿成功,充分證明了設計擬訂的支護參數(shù)以及施工方案是合理可行的。7監(jiān)控量測設計對于聯(lián)拱隧道,盡管在國內(nèi)外也建成了一些,但總體上說不僅缺乏實踐經(jīng)驗,而且理論指導也較欠缺。因此為了施工安全,為修正支護參數(shù)提供依據(jù),以及全面研究聯(lián)拱隧道荷載產(chǎn)生的機理及結(jié)構(gòu)受力形態(tài),為今后聯(lián)拱隧道的建設積累經(jīng)驗,在設計中將五龍嶺隧道的監(jiān)控量測作為一個重點,提出了較為詳細的監(jiān)控量測項目與要求。本隧道進行的監(jiān)控量測項目主要如下。(1導洞

15、地質(zhì)調(diào)查與支護位移監(jiān)控量測。該項目可直接為后期修正主洞支護參數(shù)提供最可靠的資訊。(2主洞上斷面地質(zhì)調(diào)查與初期支護變形狀態(tài)及受力狀態(tài)監(jiān)控量測,如錨桿應力量測、鋼拱架應力量測、噴射混凝土應力量測以及土體對初期支護壓力量測等等。該項目不僅可以了解初期支護的受力狀態(tài),以保施工安全,而且可以為進一步修正二次襯砌支護參數(shù)提供更可靠的資訊。(3二次襯砌混凝土應力、鋼筋應力以及初期支護與二次襯砌之間的壓應力量測。主要為分析結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),為后續(xù)工程設計施工提供資訊。由于巖土體對支護結(jié)構(gòu)作用的時效性,以上各項觀測均必須是長期進行。施工期間的監(jiān)控量測發(fā)現(xiàn),導洞周邊位移量約占全部位移量的70%80%,遠大于主洞開挖位

16、移量,說明導洞支護強度偏低(因為按臨時支護結(jié)構(gòu)設計,而主洞支護結(jié)構(gòu)強度則較高。8經(jīng)驗與不足8.1經(jīng)驗五龍嶺隧道的成功建設,不僅在國內(nèi)展示了我國公路隧道設計與施工水平。而且向世界展現(xiàn)了我國隧道工程的建設水平,不僅因為它同時具備跨度大、地質(zhì)差以及埋深較淺等不利條件,而且因為在其設計施工中成功地綜合采用了當今山嶺隧道設計與施工的多項先進技術(shù)與工藝,如荷載分析方法、復合襯砌結(jié)構(gòu)計算方法、長管棚設計技術(shù)、系統(tǒng)注漿技術(shù)以及多導坑施工技術(shù)等等。我們認為在如下幾個方面是比較成功的。(1在設計過程中堅持對施工方案以及支護參數(shù)進行多方面的計算分析,以使設計趨近合理。由于本隧道跨度大,地質(zhì)差,基本上沒有實踐經(jīng)驗可以

17、參考,必須應用現(xiàn)代巖體力學理論,廣泛吸收國內(nèi)外隧道設計施工先進技術(shù),進行多方面、多層次的分析。如結(jié)合聯(lián)拱隧道特點將施工方法納入結(jié)構(gòu)設計,提出大跨度隧道結(jié)構(gòu)設計就是施工方法設計的觀點,因為大跨度隧道并不是一個簡單的使用階段強度設計問題,更重要的問題是使施工如何合理實現(xiàn),保證施工安全。(2洞口長管棚是大跨度隧道在軟弱圍巖條件下成洞的關(guān)鍵。即使過去的小跨度隧道,當洞口地質(zhì)條件較差時,安全及時成洞也存在較大困難,如果處理不當,有時甚至長時間進不了洞,但是由于本隧道設計施工應用了洞口長管棚技術(shù),基本上克服了進洞的困難。(3三導坑開挖施工,是在軟弱地質(zhì)條件下,六車道聯(lián)拱隧道設計施工方案成功的基石。如何在盡

18、量減少對地層松動破壞的情況下建成大跨度隧道,特別是聯(lián)拱隧道,由于開挖面積大,支護結(jié)構(gòu)復雜,受現(xiàn)有施工技術(shù)條件限制,如果分一次或兩次開挖,可能結(jié)構(gòu)還未施作完成洞室已經(jīng)坍塌。因此對于大跨度隧道如何根據(jù)地質(zhì)條件以及施工技術(shù)現(xiàn)狀合理地制定施工方法是關(guān)鍵。(4洞室周邊注漿,保證了軟弱地層大跨度隧道復合襯砌的噴錨支護承載能力。由于跨度大,與同樣支護參數(shù)的中小跨度隧道相比,初期支護的承載能力大大降低,同時由于地質(zhì)條件差,錨桿的抗拔能力以及圍巖對支護的抗力也較低。為了保證施工安全,必須提高初期支護的承載能力,最為有效的方法就114公路2002年第2期是采用周邊系統(tǒng)注漿,以改善結(jié)構(gòu)受力條件。(5在施工過程中,堅

19、持根據(jù)監(jiān)控量測信息指導修正設計與修正施工方案。一方面,由于隧道處于地下,全過程均與地質(zhì)條件相聯(lián)系,而地質(zhì)條件又是千變?nèi)f化的,僅憑借地質(zhì)勘察就能夠解決所有問題是不可能的;另一方面,設計中對結(jié)構(gòu)強度等方面的分析不管是限于當今巖土工程的水平,還是限于“基于一種假定條件的分析”,還存在很多方面的不確定性,因此必須根據(jù)施工開挖中實際監(jiān)控量測結(jié)果不斷進行修正。8.2不足在我們享受成功的同時,也注意到了不足。(1聯(lián)拱隧道的中隔墻防水設計與施工,要引起重視,只有作到了讓地下水能夠“聚得攏,排得走”時,才能夠真正保證中隔墻附近的防排水效果。(2聯(lián)拱隧道由于開挖跨度大,結(jié)構(gòu)對荷載的變化比較敏感,不僅要注意橫向地形

20、變化引起的偏壓荷載,而且還要注意橫向地質(zhì)變化引起的偏壓荷載,也要注意縱向荷載變化對結(jié)構(gòu)的影響。一般情況下,應每10m 左右無條件地設置一道變形逢。(3由于二次襯砌是在初期支護未穩(wěn)定的條件下施做的,因此要注意施工速度。施工速度越快,作用在二次襯砌上的荷載增加越快,這樣就有可能在襯砌混凝土達到齡期前超過其強度,從而對二次襯砌產(chǎn)生破壞作用。總而言之,聯(lián)拱隧道的設計與施工是一件比較復雜的系統(tǒng)工程,但只要設計與施工單位足夠重視,技術(shù)措施處理得當,其中的難點也是可以克服的。重慶今年重點項目敲定重慶市已確定了今年65項重點建設項目,總投資1063億元,當年投資230億元。市計委負責人表示,要繼續(xù)按照竣工一批

21、、新開工一批、加快建設一批的工作思路,抓好重點建設,力爭明年內(nèi)完工12項,新開工10項,推進續(xù)建43項。為實現(xiàn)今年全市G DP 增長8.5%的目標,重慶市將發(fā)揮投資對經(jīng)濟增長的主要拉動作用。而抓好一批重點項目建設,是完成固定資產(chǎn)投資的關(guān)鍵。今年將是重慶市歷史上交通投資強度最大的一年。力爭完成投資135億元,其中公路67億元,鐵路60億元,機場5億元,水路3億元。全面推進“8小時重慶”交通工程,力爭取得重大進展;完工繞城外環(huán)西段公路、重慶合川高速公路,新開工武勝合川高速公路,加快推進萬州、涪陵等遷建港口復建。據(jù)重慶市交委透露:今后四年內(nèi),重慶市將投入400億元巨資,全力打造通往東南西北的10大高速通道和重慶公路網(wǎng)絡。據(jù)悉,這10大高速通道的形成將徹底改變重慶交通滯后的狀況,形成橫跨東西、縱貫南北、通江達海、內(nèi)引外聯(lián)的主骨架公路網(wǎng)絡。屆時,重慶市高速