浅埋大断面连拱隧道设计

武保华 陈 浩

(1.宜兴市交通运输局，江苏 宜兴 214200;2.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210005)

0 引言

连拱隧道1974年诞生于日本，此种结构形式虽然起步较晚，然而却有独特的优势。连拱隧道两端接线对地形要求不高，布线方便，接线工程量小，线形顺畅，特别适宜一些特殊地形和地质条件的隧道建设。近年来，全国多条高速公路，积极推崇连拱隧道，并相继被选用。鉴于连拱隧道可以较小限度地占用土地，较大限度地保护自然环境，随着我国城市规模的不断扩大，城市道路的快速发展，今后在城市周边交通繁忙的山丘地带和山岭重丘地区将会得到更大的发展。

1 工程概况

1.1 隧道工程概况

某隧道按连拱隧道形式布置，隧道长度为580 m，属于中隧道，最大埋深约为24 m。按双向六车道城市主干路设计(近期为双向四车道机动车道+人非系统，远期预留双向六车道通行的条件)，设计速度40 km/h。

图1 隧道建筑限界（单位：cm）

1.2 隧道工程地质、地貌概况

隧道西侧为背斜核部，区内揭露的地层主要为寒武系中下统的馒头组、毛庄组、徐庄组、张夏组地层，主要岩性为紫红色页岩、薄层状泥灰岩、暗紫色～黄褐色粉砂岩、中厚层石灰岩等。隧道走向与岩层走向夹角在32°～55°。

2 隧道建筑限界及内轮廓设计

本隧道为市政道路隧道，按照近远期考虑。单洞隧道建筑限界净宽12.75 m，净高5.0 m。建筑限界设计详见图1。

隧道内轮廓拱顶净高为773 cm(路面上)，单洞净宽为1 380 cm，单洞净空面积为87.14 m2，隧道总净宽为3 031 cm。为道路排水需要，隧道路面横坡为2.0%的单面坡。

3 隧道衬砌结构设计

3.1 衬砌结构计算分析

图2 Ⅳ级围岩浅埋段荷载及计算模型

本隧道整体埋深较浅，最大埋深约24 m，隧道围岩以Ⅳ级围岩为主，本文选取Ⅳ级围岩浅埋段，埋深最大处作为结构最不利断面(埋深23.3 m)，采用有限元计算软件进行初期支护、二次衬砌的结构计算。

隧道计算模型如图2 所示。

表1 二次衬砌钢筋混凝土静力分析结果

1)二次衬砌内力图见图3，图4。

从二衬内力图中看出，衬砌结构全断面受压，最大压力发生在仰拱中部。

2)衬砌结构位移图见图5，图6。

最大竖向沉降发生在拱顶，为10.4 mm;最大侧向位移发生在拱脚，为3.2 mm，满足要求。

3)二次衬砌截面强度验算。

二次衬砌配筋量及其强度安全系数的计算结果见表1。

图4 二次衬砌轴力图

经表1 计算结果分析，截面强度验算(按组合截面进行内力分配)，按照钢筋混凝土进行结构强度验算，其各个截面抗拉、抗压安全系数均不小于2.0，符合设计要求。

图6 隧道结构侧向位移图

3.2 衬砌结构设计参数

本隧道支护结构参数、衬砌断面类型及衬砌结构尺寸以工程类比法为主，并通过数值计算分析进行校核，确定支护衬砌参数。各级围岩衬砌结构支护参数如表2 所示。

表2 隧道各级围岩衬砌结构支护参数表

4 隧道施工方案设计

本隧道为总开挖跨度约32 m 的连拱隧道，属于特大跨度隧道(B≥18 m)，且隧道埋深最大约为23 m，整个隧道段落基本处于浅埋段，且Ⅳ级围岩比例较高。隧道施工方案设计根据围岩级别、工程地质、水文地质等条件，Ⅳ级围岩段开挖采用中导洞—双侧导洞工法开挖。开挖方法见图7。

图7 隧道Ⅳ级围岩段施工步序设计图

图7 中①为导洞上台阶超前支护;②为中导洞上台阶开挖、初期支护;③为中导洞下台阶开挖、初期支护;④为中隔墙混凝土施工;⑤为左侧导洞上台阶超前支护;⑥为左侧导洞上台阶开挖、初期支护;⑦为左侧导洞下台阶开挖、初期支护;⑧为右侧导洞上台阶超前支护;⑨为右侧导洞上台阶开挖、初期支护;⑩为右侧导洞下台阶开挖、初期支护;○1为中隔墙右侧与中导洞右壁设置横撑或回填;○12为左侧主洞上台阶超前支护;○13为左侧主洞上台阶拱部环形开挖、初期支护;○14为左侧主洞上台阶核心土开挖;○15为左侧主洞下台阶开挖、初期支护;○16为左侧主洞仰拱衬砌浇筑、回填;○17为左侧主洞拱墙防水层、二次衬砌浇筑;○18为右侧主洞上台阶超前支护;○19为右侧主洞上台阶拱部环形开挖、初期支护;○20为右侧主洞上台阶核心土开挖;○21为右侧主洞下台阶开挖、初期支护;○2为右侧主洞仰拱衬砌浇筑、回填;○23为右侧主洞拱墙防水层、二次衬砌浇筑。

5 监控量测设计

结合本隧道大跨度浅埋的特点，施工过程中应特别注重现场监控量测的配合，提供信息依据，确保施工安全。

监控量测主要拟定为两个方面:

1)位移量测:量测拱顶下沉、各侧导洞周边收敛，以及拱脚、拱腰、仰拱、围岩内部位移。2)应力、压力量测:量测中墙顶压力、初期支护与围岩接触压力、双层初期支护间压力、初期支护与二衬间接触压力、钢拱架内力、衬砌内力、锚杆轴力等。

6 经验与体会

1)本文结合浅埋大断面隧道设计，对双向六车道连拱隧道的断面形式、结构支护参数、施工方案等进行了研究探讨，并应用有限元数值模拟方法对支护结构的强度进行了分析，为今后大断面连拱隧道的设计积累了经验。

2)连拱隧道施工工序多而复杂，与其他形式隧道相比，更需要进行现场监控量测。通过现场监控量测及时掌握围岩和支护结构的力学动态，确保施工安全的同时，进一步能达到结构支护参数和施工方案的动态优化等目的。

［1］JTG D70-2004，公路隧道设计规范［S］.

［2］关宝树.隧道工程设计要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］JTG F60-2009，公路隧道施工技术规范［S］.

［4］李志厚，朱合华，丁文其.公路连拱隧道设计与施工关键技术［M］.北京:人民交通出版社，2010.