青岛胶州湾隧道的路基路面设计

罗小平

(中铁隧道勘测设计院有限公司, 天津 300133)

1 概述

青岛胶州湾隧道工程是连接青岛市主城与辅城的重要通道,南接薛家岛,北连团岛,下穿胶州湾湾口海域。隧道全长约7 800 m,其中海底段约3 950 m,是一条以城市道路功能为主兼有公路功能的隧道。该隧道设计为双向六车道,车速80 km/h,设两条主隧道和一条服务隧道。工程采用钻爆法施工,主隧道断面内面积为120.01 m2,行车道以上净空断面面积为96.35 m2。隧道内外的路基和路面是承受车辆长期行驶的基本载体,是公路隧道最重要的部位之一，稳定、密实、匀质的路基可为路面提供均匀的支承。为保证行车安全舒适，也需要路面有满足车辆荷载作用的强度、抗滑性、平整和耐磨性。青岛胶州湾隧道是我国修建的第一批海底隧道,也是目前国内最长海底公路隧道,建设经验少,环境条件复杂。本文根据保证将来运营中的路基路面结构长期稳定的指导原则,对胶州湾隧道内外的路基路面设计进行介绍。

2 路基设计

2.1 设计原则

(1)隧道路基应稳定、密实、匀质,为路面结构提供均匀的支承。

(2)路基结构应结合隧道主体结构形式，考虑地质、水文和环境条件的影响。

(3)根据沿线地形、地貌、地质、水文、气象等自然条件和环境保护的要求,本着因地制宜、就地取材的原则,选择合理的横断面形式和边坡坡率,并采用经济合理的排水防护工程及病害防治措施,防止各种不利因素对路基的危害,确保路基具有足够的强度和稳定性。

2.2 隧道内路基

隧道内路基路面与洞外路堑段相比存在一定的特殊性,必须结合隧道主体结构设计进行全盘考虑,提出经济合理、安全可靠和能满足长期营运要求的方案。结合本隧道的实际环境条件,隧道内路基主要有两种情况,一是陆域段隧道的路基设计,二是海域段路基设计。海域隧道长年位于海水之下,而且隧道的总体纵断面为“V”形坡,地下水对结构的影响大。而且隧道海域结构底部因施工爆破产生松动、裂缝,在汽车重载作用下造成松动,加上地下水的侵入,极易造成运营的病害。为控制底板在动车载作用下翻浆冒泥等现象的发生,保证路基长期稳定性,主隧道结构采用复合式衬砌结构,海域段断面采用三心圆拱形断面,全部设置仰拱。陆域段采用三心圆拱形断面,Ⅳ、Ⅴ级围岩段断面设置仰拱,仅在Ⅱ、Ⅲ级围岩段隧底为坚硬稳定的石质地基时,不设置仰拱,采用20 cm后的C25混凝土铺底。隧道断面形式见图1。

图1 隧道横断面形式(单位：mm)

带有混凝土仰拱的防水衬砌有明显优点,其中之一是排水系统容量可相对较小,加上防水系统将把海水与空气分开,使得作为临时支护的喷射混凝土和岩石锚杆暴露于海水,而混凝土衬砌和衬砌内部结构则暴露于隧道内的废气环境中,从防腐蚀角度看,这是安全的。考虑设置仰拱会带来很多优点诸如运行期需要的抽水机容量低、行车隧道的排水系统简单和费用低、排水系统堵塞的可能性很低,更重要的是道路基础坚硬、耐用,所以本隧道的大部分区域均设置了钢筋混凝土仰拱。

2.3 隧道外接线段路基

根据市政规划要求，两端隧道外接线段整体式路面宽24 m,分离式路面宽12 m。整体式横断面布置为：0.75(土路肩)+0.75(路缘带)+3.75+2×3.5+0.5(路缘带)+0.5(新泽西护栏中央分隔带)+0.5(路缘带)+2×3.5+3.75+0.75(路缘带)+0.75(土路肩)；分离式横断面布置为：0.75(土路肩)+0.75(路缘带)+3.75+2×3.5+0.75(路缘带)+0.75(土路肩)。路基边坡采用放坡喷锚支护。为提高路床的整体强度,鉴于隧道石碴丰富,当路堤填土高度小于等于1.5 m时,路床80 cm全采用隧道碎石碴填筑,挖方路段超挖路床换填50 cm碎石碴,当路床范围内为基岩时,换填到基岩为止。整体式挖方段路基横断面布置见图2。

图2 隧道外接线整体式挖方段路基横断面布置(单位：cm)

3 路面设计

3.1 设计方法和原则

通过对多条道路的设计与运营效果的经验总结及相同自然条件区已建道路路面结构的调查,根据青岛道路建设的实际情况,结合本项目交通量大的实际特点,充分吸收国内外先进设计思想。依据该项目交通量、道路等级、交通组成等基础资料,综合考虑沿线气候、水文、地质及筑路材料分布情况,按照因地制宜、合理选材、方便施工,利于养护，尽量采用新技术、新工艺的原则选定各结构层。按规范规定,采用双圆垂直均布荷载作用下的弹性层状体系理论,以设计弯沉值和沥青面层及整体性基层的容许弯拉应力控制计算路面结构层次的厚度。除接线收费站中心采用水泥混凝土路面外,其余路段采用沥青混凝土路面,路面结构厚度按趋向长寿命厚度拟定。

3.2 隧道内路面结构设计

如表1所示，隧道采用的路面结构是一种刚柔并济、优势互补的新型复合式路面。为提高路面使用寿命,除车、人行横洞外水泥混凝土路面板接缝全部设置拉杆和传力杆；考虑到水泥混凝土板接缝多,接缝处应力反射集中,为减少接缝应力反射裂缝,特在水泥混凝土与沥青混凝土之间设置2 cm改性沥青玛蹄脂碎石(SMA-5)应力吸收层。

表1 隧道内路面结构

水泥混凝土板的平面尺寸板块平面划分参照《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)之规定,结合路面宽度、车道宽度、排水等因素综合分析进行板块划分。纵缝均设拉杆,横缝均配传力杆,胀缝处配置传力杆；胀缝角隅处均配置角隅钢筋；所有传力杆、拉杆均设置在1/2板厚处,胀缝传力杆需于涂沥青端设滑动套,胀缝传力杆不涂沥青端应与托筋点焊,同时锚固钢筋也与支架钢筋点焊成一体。胀缝填缝板为橡胶泡沫板,填缝料采用高弹性沥青橡胶。

4 路基、路面排水系统及防护工程设计

图3 隧道内路基路面排水系统(单位：mm)

4.1 隧道内路基路面排水

运营期间隧道内的主要水来源为围岩裂隙水、清洗用水和消防用水,排水系统由环向排水板、纵向排水管、横向泄水管和玻璃钢管水沟组成。为了维护方便和施工方便,排水沟设在路面两侧下方,不设中央排水沟。在隧道初期支护与二次衬砌之间拱墙范围内设置卷材、无纺布和凹凸排水板等渗水层,结构渗水通过可清洗的DN100双壁波纹纵向排水盲管汇集,然后通过φ100 mm的横向PVC泄水管汇到路面两侧的φ500 mm玻璃钢管水沟,两玻璃钢管水沟通过DN100双壁波纹横向透水管连通。围岩水通过φ500 mm玻璃钢管水沟,清洗和消防水通过路面两侧的排水边沟,一起汇入隧道内设置的三个废水池,通过泵送排出洞外(如图3所示)。

为保证路面排水通畅,在路面板下设纵、横排水管,纵、横向排水管设于施工缝处,管位预留200 mm×100 mm的槽,槽内填充级配碎石。纵向排水管沿隧道通长设置。

4.2 隧道外接线路基路面排水

从保证路基稳定、减少水土流失以及尽量减少对沿线环境不利影响的角度出发,充分考虑了工程建设的实际情况和环境的特殊要求,对路基路面综合排水进行了系统设计,通过设置路侧边沟和线外涵洞等连通排水沟,使得路基范围内的地表水通过排水设施排入沿线的沟渠、河流内,形成完整的排水体系。路基排水系统由排水沟、边沟、截水沟，以及天然河流、沟渠等组成。边沟内的水一般通过排水设施排入河道、沟渠内。

路表表面排水通过路面边部集中排水,路面水汇集后通过急流槽送入路基两侧排水沟,急流槽间距一般为40 m,凹曲线底部必须设一道急流槽(急流槽采用C20混凝土预制)；另一部分路面水通过土路肩下的排水体系将水排出。

路面内部排水：新建路基采用基层顶面铺设改性乳化沥青稀浆封层,土路肩采用碎石(土)培筑,外包防水土工布,碎石顶采用C20混凝土预制板封顶,以排除面层渗水。

4.3 路基防护

路基的防护工程是防治路基病害、保证路基稳定、改善环境景观、保护生态平衡的重要措施。隧道接线段路基的防护及排水设计中充分考虑了绿化景观的要求,力求尽量做到与沿线的自然环境相协调。

根据路区的气候环境、工程地质和材料等选用适当的防护工程类型或采取综合措施,以保证路基的稳定。同时为提高环境保护,更好的与周围自然环境相协调,减少圬工体积,在每种防护形式中均增大了植草绿化的面积,具体方案如下：

(1)路堤边坡,当路基填土高度H≤4.0 m时,边坡采用铺设三维土工网垫、液压喷播植草防护。

(2)路堑边坡,隧道黄岛端现状为丘陵郊区,隧道口挖方路段岩石边坡采用客土喷播绿化防护,其他土质边坡采用铺设三维土工网垫、液压喷播植草防护。

5 结束语

海底隧道在我国的建设才刚刚起步,随着跨海交通采用隧道方式的优势越显突出和地下工程技术的发展,越来越多的海底隧道正在计划之中。海底隧道恶劣的环境使得隧道路基路面结构的稳定性和耐久性问题给材料和隧道工程师提出了新的课题。影响路基路面结构稳定性的因素是多方面的,涉及到所处环境、结构、材料、施工工艺和监测养护维修等,本文根据青岛胶州湾隧道的具体设计,提出一些保障路基路面结构长期稳定性的设计措施,旨在抛砖引玉,供类似工程参考。

[1]王梦恕.对21世纪我国隧道工程建设的建议[J].现代隧道技术,2001(1)

[2]中铁隧道勘测设计院有限公司.青岛胶州湾隧道施工图设计文件[R].天津：中铁隧道勘测设计院有限公司,2008

[3]中华人民共和国交通部.公路隧道设计规范(JTG D70—2004)[S].北京：人民交通出版社,2004.11

[4]中华人民共和国交通部.公路路基设计规范(JTG D50—2004)[S].北京：人民交通出版社,2004

[5]中华人民共和国交通部.公路沥青路面设计规范(JTG D50—2006)[S].北京：人民交通出版社,2006

[6]中铁大桥勘测设计院.青岛胶州湾湾口海底隧道工程地质详勘报告(中间报告)[R].武汉：中铁大桥勘测设计院,2006