大偏压连拱隧道洞口段设计.docx

大偏压连拱隧道洞口段设计摘要 本文结合邵三高速公路龙峰溪隧道，提出了连拱隧道在地形斜交情况下“一明一暗”的设计思路，介绍“一明一暗”连拱隧道设计的主要计算模拟过程。为山区高速公路大偏压连拱隧道洞口设计提供了一种新方法。关键词 连拱隧道 偏压 “一明一暗”设计思路1前言龙峰溪隧道属“福银”国道主干线邵三高速公路上的连拱隧道，是我省首座采用“一明一暗”进洞设计和施工的连拱隧道。龙峰溪隧道进口段山体等高线与隧道轴线交角很小，地势陡峭（图1），为减少削坡高度，避免形成高边坡、仰坡，采用“一明一暗”进洞方式进行设计。为偏压连拱隧道贯彻“早进洞，晚出洞”的原则提供一种新的设计思路。图1 龙峰溪隧道进口地形2工程概况2.1自然条件邵三高速公路龙峰溪隧道位于沙县夏茂白溪国有林场附近，该隧道地处丘陵区，隧道区地形起伏较大，进出口地面横度约25，自然斜坡稳定，植被较发育。2.2工程地质及水文地质龙峰溪隧道穿越一独立的小山体，地层单一，表层为残坡积亚粘土层，下伏基岩为为燕山期早期侵入花岗岩。隧道区除基岩的风化裂隙外，未见任何构造痕迹。隧道洞身围岩以、类为主，洞口段覆盖层较厚，围岩类别为、类。隧道区地下水主要为残坡积土、砂土状强风化中孔隙潜水及基岩裂隙水，孔隙潜水埋深在砂土状强风化层的中下部，水量较小且水量随季节变化，出口东侧分布一小冲沟，水量较小，雨季施工时应考虑隔水及排水措施，未见基岩裂隙水明显活动迹象。3隧道设计概况龙峰溪隧道为双向四车道连拱隧道，隧道建筑限界按80km/h行车速度确定（图2）。隧道内轮廓采用单心圆形式，边墙、中墙均为曲墙。图2 龙峰溪隧道净空断面（单位：cm）隧道位于平曲线内，平曲线半径为2500m，进口桩号K98+500，设计高：330.39m，出口桩号K98+750，设计高：323.56m，纵坡为-2.648，全长250m。4“一明一暗”洞口段设计4.1进洞段设计思路确定偏压的连拱隧道成洞面时，常规做法是以靠山体外侧的洞室能安全进洞为前提，按一定角度斜交设置左右洞的成洞面，以尽量降低山体内侧边仰坡的开挖高度。龙峰溪隧道受平面线位限制，隧道进口位于偏压严重的陡坡上，右洞轴线与山体等高线接近平行，且左洞地形陡峭(图3)，如果按照常规方法进洞，势必会造成山体内侧大挖大刷，虽然可以保证边仰坡的稳定，但存在开挖工程量大、占地大、破坏自然景观等缺点，这与“零进洞”和避免洞口“大挖大刷”的环保理念相违背。图3 龙峰溪隧道进口平面图为贯彻“零”开挖的设计新理念，受龙峰溪隧道进口的地形的制约，降低进口左侧边、仰坡高度的最佳方案是将左洞进口成洞面设置在K98+510，可有效控制左洞边、仰坡的开挖高度；同时，为确保右洞成洞安全，右洞进口成洞面设置在K98+523，即进口左右洞的成洞面位置错开设置，左右洞成洞面错位13m。这就造成K98+510K98+523段左洞设计为暗洞，而右洞必须采用明洞与左暗洞相连接，形成“一明一暗”双连拱隧道设计方案。虽然“一明一暗”双连拱隧道设计方案能够克服常规设计方案洞口边、仰坡高度高、占地面积大、对自然景观破坏严重的缺点，但是，“一明一暗”双连拱隧道设计方案存在右明洞开挖造成左暗洞右侧围岩覆盖层薄及中隔墙要承受较大的偏压问题。因此，“一明一暗” 设计方案的关键在于确保左暗洞周边围岩及右明洞左侧临时边坡的稳定，并尽可能改善中隔墙的偏压。针对这一设计思路，设计时采用“先明后暗”施工方案，对明洞左侧临时边坡采用预应力锚索（十字面板）、22（L=4.5m）锚杆进行加固防护，左暗洞采用108长管棚预支护，以确保暗洞周边围岩的稳定性，并及时对明洞进行回填反压，尽量改善中隔墙的偏压。4.2设计支护参数及施工步骤龙峰溪隧道进口段为类围岩，且地形严重偏压，左暗洞支护参数按连拱隧道类围岩大偏压进行设计，其初期支护主要参数如表1。表1 初期支护主要参数二次衬砌采用整体式大模板泵送防水砼，砼设计标号为C25，左暗洞二衬厚度0.55m，右明洞二衬厚度0.65m，每延米断面上下层各配置5根25mm钢筋。施工步骤（图4）：（1）中导洞超前支护及开挖中导洞；（2）中导洞初期支护；（3）浇筑中隔墙；（4）中隔墙右侧工字钢支撑；（5）施工左洞长管棚注浆及开挖左洞上半断面，留核心土；（6）左洞上半断面初期支护；（7）开挖左洞上半断面核心土及下半断面并拆除中导洞左侧支护；（8）左洞下半断面初期支护；（9）右明洞上半部分开挖；（10）右明洞左侧上部边坡加固；（11）右明洞下半部分开挖，留核心土；（12）右明洞左、右侧剩余部分边坡支护,施工右洞大管棚注浆并拆除中导洞临时支护；（13）浇筑右明洞拱墙部分；（14）右明洞右侧拱脚回填；（15）开挖右明洞核心土；（16）浇筑右明洞仰拱；（17）浇筑左洞仰拱；（18）施工左洞防水层及二衬；（19）施工右明洞防水层、明洞顶回填。图4 龙峰溪隧道进口施工顺序图4.3围岩稳定分析及初支应力计算为了验证设计方案的可行性，有必要分析施工步骤对围岩稳定性的影响及初支的受力情况。选取进口段的典型断面K98+515作为计算截面（图5）；选用同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件GeoFBA V3.0对围岩进行稳定分析，并计算初支应力。图5 龙峰溪隧道进口计算断面图4.3.1 计算范围及有限元网格计算选取范围，上边界按横断面取地表自由面，左右边界距离大于单洞开挖宽度的3倍，下边界至开挖洞底的距离大于3倍的洞高。 单元划分遵循以下原则：单元边界划分在材料分界面及开挖分界线上；单元划分采用内密外疏划分；一个单元内边长不能过于悬殊；单元节点要布置在荷载及锚杆的端点。网格划分如图6所示，实施施工步骤后的网格如图7所示。图6 初始二维有限元网格图图7 最终二维有限元网格图4.3.2 隧道围岩及支护材料参数根据地质资料揭露，隧道进口段地层自地表向下划分为坡积亚粘土、强风化花岗岩、弱风化花岗岩。各围岩材料的主要参数见表2。表2 围岩物理力学参数表计算上根据等效刚度截面换算原则将截面换算为单一材料截面进行数字模拟分析。换算后各材料截面的主要参数见表3。表3支护主要参数表4.3.3 计算分析经过计算分析，隧道洞周围岩屈服接近度如图8所示，围岩屈服接近度大于1的单元仅出现在左洞拱顶右侧，即右明洞的临时开挖边坡内侧，共9个单元，最大屈服接近度为3.59。一般认为，围岩屈服接近度大于1，则围岩单元屈服，由于仅右明洞临时开挖边坡的部分单元出现屈服接近度大于1的情况，因此，对明洞临时边坡采用预应力锚索（十字面板）加固后，可判定隧道洞周围岩基本稳定。图8 围岩屈服接近度云图为了进一步判断围岩的稳定性，对洞周围岩的应力状态进行分析，计算表明在弱风化、强风化围岩中其最小主拉应力均小于容许的岩体容许拉应力，仅在土层中4个围岩单元，即在左洞中墙上部的少数单元出现最大为0.6kPa拉应力，因此只要初期支护强度能够满足要求，就能确保隧道围岩的稳定。隧道洞身初支强度能否满足要求，对洞身的稳定起着决定性的作用，因此有必要对左暗洞初支进行内力分析，根据对左暗洞初期支护轴力(图8)和弯矩（图9）的分析结果表明，左洞初支的最大压应力均小于砼的容许压应力，而最大拉应力仅出现在拱顶右侧处，其值为532.06kPa；而C20湿喷钢纤维砼的容许拉应力为1.0MPa，故可判定左暗洞初支强度满足要求。图8 轴力图（KN）图9 弯距图（KNM）根据以上的理论分析，并结合工程类比，设计采用的支护结构是安全的，施工方法也是可行的。在确认左暗洞围岩稳定及支护结构满足要求的基础上，对右明洞结构采用荷载结构法进行验算。明洞验算根据平面弹性有限元原理，把明洞结构离散为由梁单元组成的平面杆系，回填土对结构的作用通过只受压不受拉的法向杆单元来模拟。计算取明洞衬砌厚度65cm，洞顶回填土平均厚度为3.5m。荷载根据现行公路隧道设计规范（JTGD704-2004）确定，并考虑混凝土的收缩徐变，计算得出各单元的内力，再用各单元内力组合进行衬砌配筋计算。经过计算分析，配筋控制断面为拱顶左侧，该断面所需配筋量为15.1cm2。故明洞衬砌上下缘只要配置大于15.1 cm2的二级钢筋，就能满足受力要求1. 设计体会龙峰溪隧道于2003年底开工，并于2005年初顺利贯通，当年年底正式通车，通过对该隧道的设计分析及施工过程的追踪观察，总结以下几点结论：（1）围岩大部分屈服区在明洞临时边坡开挖就已形成，后续左暗洞开挖施工将引起左拱腰及地表屈服区的进一步扩展，但范围相对较小。因此，明洞临时边坡的稳定是隧道能否顺利进洞的关键所在。（2）正确合理的开挖支护顺序是隧道顺利进洞及贯通的有力保证，设计和施工都应紧紧围绕着减少对围岩的扰动、保护围岩自承能力这个主体进行。（3）隧道洞口设计提倡 “早进洞，晚出洞” 原则，尽可能与洞口地形协调，保护自然环境。对于大偏压连拱隧道进洞方式的处理上，本设计采用“一明一暗”进洞，不失为一种有益的尝试，为以后的大偏压连拱隧道选择进洞方案提供了一种新方法。