基于国内外大断面隧道调研对马峦山隧道设计合理性的评价

刘静静

（深圳市交通公用设施建设中心，广东 深圳 518040）

基于国内外大断面隧道调研对马峦山隧道设计合理性的评价

刘静静

（深圳市交通公用设施建设中心，广东 深圳 518040）

以国内外扁平大断面隧道断面型式、扁平率与支护参数的统计分析为基础，对依托深圳坪盐通道工程的马峦山隧道的设计参数进行了初步评估，得出结论：马峦山隧道设计的断面型式、扁平率及支护参数基本符合目前国内外大断面设计的趋势，总体上较为合理，但存在一定的优化空间。

大断面隧道；扁平率；断面型式；支护参数

0 引言

近年来，随着城市化建设的逐步推进，交通量激增，两车道城市道路已不能满足日益增长的车流量需求，城市主干道大多以三车道为主，扁平大断面道路隧道大量出现[1-3]，如北京八达岭潭峪沟隧道、重庆铁山坪隧道和真武山隧道、广东韶关靠椅山隧道、宝林山隧道、深圳大梅沙隧道等。大断面低扁平率道路隧道的建设在缓解交通压力、拓展隧道的通行能力、提高隧道行车舒适性的同时，带来了一系列问题：大断面公路隧道的设计理论大多数是采用经验类比法，支护参数的选择更多的是借鉴国内外类似工程经验，并无一套成熟的技术可供参考[2-7]。

近年来,我国对大断面隧道的研究取得了一些成绩,但同国外经济发达国家(尤其是北欧国家和日本)相比,我国在大断面隧道设计、施工及其关键技术等诸多方面还存在着较大的差距[1,3]。有鉴于此，本文主要以调研的国内外扁平大断面公路隧道资料为基础，通过对断面型式、扁平率及支护参数特征等分析，总结当前国内外扁平大断面隧道的设计特征，以期为我国的大断面隧道设计、施工提供参考。

1 马峦山隧道设计概况

拟建的马峦山隧道为坪盐通道全线控制性工程，全长约7.89 km，属特长城市道路隧道。马峦山隧道开挖跨度达16 m左右（见表1），若考虑设置紧急停车带，隧道最大开挖断面近200 m2，属典型的扁平大断面城市隧道[7]。

隧道岩体以花岗岩为主，发育有小规模断层破碎带，除洞口及节理裂隙发育段外，大部分区段围岩级别以Ⅲ级为主。针对马峦山隧道不同围岩级别等情况，分别设计了不同的断面型式、扁平率与支护参数（见表1、表2）。

表1 马峦山隧道不同围岩段断面型式与扁平率统计

表2 马峦山隧道不同围岩段支护参数统计

从表1、2中可知，马峦山隧道属典型的大-超大断面隧道，扁平率在0.6～0.7间变化。支护结构为采用锚杆、钢筋网、喷射混凝土、格栅钢拱架和二次衬砌的复合式衬砌型式。

2 扁平大断面公路隧道资料调研分析及对马峦山隧道设计合理性的评估

2.1 断面型式方面

根据国内外断面型式的调研资料，统计断面型式分布如图1所示。

图1 断面型式分布图

由图中可知，3车道隧道断面型式主要是三心圆，占50%，其次是五心圆占36%，单心圆最少，占14%。4车道隧道断面型式主要五心圆，占55%，其次是三心圆，占45%，单心圆型式基本不采用。

根据表1、表2可知，马峦山Ⅱ、Ⅲ级围岩非加宽段（3车道）设计资料采用了单心圆，Ⅲ级围岩加宽段（相当于4车道）、Ⅴ级围岩段（3车道）设计中采用了五心圆。其中，Ⅲ级围岩非加宽段设计中采用单心圆直墙式，在3车道断面型式中较为少见。

对照统计资料，Ⅲ级围岩非加宽段设计断面型式（单心圆）与三心圆断面型式间，Ⅴ级围岩、Ⅲ级围岩加宽段设计断面型式（五心圆）与三心圆断面间，具有一定的优化空间。

2.2 隧道扁平率方面

通过调研国内外资料，统计扁平率分布散点图如图2所示。

图2 国内外大断面隧道扁平率统计散点图

由图中可以看出，大断面隧道扁平率具有如下特征：

（1）国内大断面隧道，在扁平率上相较于国外扁平大断面隧道普遍更高，主要集中在0.6～0.7区间内，呈密集分布。

（2）国内3车道、4车道隧道扁平率基本集中在0.6～0.75范围之间，扁平率并没有随车道数增加而减小。国外隧道随车道数增加，扁平率明显降低，4车道隧道跨度在20 m以上的，扁平率基本分布在0.5以下。

（3）国内大断面隧道在扁平率整体上大于国外隧道。随着隧道跨度不断增大，无论国内外隧道，在扁平率上呈减小趋势，即呈长尾状分布，说明随着公路隧道断面不断增大，扁平化设计是必然趋势。

马峦山隧道断面扁平率处于0.6～0.7之间（三角点所示），具有国内大断面隧道的一般特征，其扁平率设计符合常规，而相较于国外隧道，扁平率设计偏于保守，存在一定的优化空间。

2.3 隧道支护参数方面

2.3.1 喷射混凝土

通过调研国内外扁平大断面隧道喷射混凝土厚度分布特征，依据不同围岩级别归纳统计如图3所示。

图3 喷射混凝土厚度散点分布图

由图3可知：隧道喷混凝土厚度大致集中在散点图中的虚线框内。Ⅱ级围岩洞身喷混凝土厚度主要位于10～25 cm之间；Ⅲ级围岩的喷混凝土厚度主要处于20～30 cm之间；Ⅳ、Ⅴ级围岩的喷混凝土厚度大多是25～35 cm范围内，对于Ⅴ级围岩部分隧道，为了安全考虑，在部分危险区域加大喷混凝土厚度以及采用双层喷射混凝土的方法。对于不同等级围岩内隧道喷射混凝土厚度，随着隧道断面面积的增大，都会有不同程度的加厚。

马峦山隧道设计的喷射混凝土厚度亦在框内分布，其中Ⅲ级围岩非加宽段（面积134 m2）设计喷混凝土厚度15 cm，相较于同类型隧道略小。Ⅴ级围岩段设计（面积155 m2）喷混凝土厚度31 cm，Ⅲ级围岩加宽段设计喷混凝土厚度25 cm，相较于同类型隧道，处于常规区间范围，初步判断为基本合理。

2.3.2 锚杆

通过调研国内外扁平大断面隧道锚杆分布特征，依据不同围岩级别对参数归纳统计如图4、图5所示。

图4 每平方米锚杆数散点分布图

图5 锚杆长度散点分布图

由图4、图5分析如下：

（1）三车道锚杆间距：Ⅴ级围岩条件下，每平方米锚杆数集中在1.0～1.78根（间距为1.0 m×1.0 m～0.75 m×0.75 m）范围内；Ⅳ级围岩条件下，每平方米锚杆数主要集中在1.0根（间距为1.0 m×1.0 m）左右；Ⅲ级围岩条件下，每平方米锚杆数主要集中在0.69根（间距为1.2 m×1.2 m）左右；Ⅱ级围岩条件下，每平方米锚杆数主要集中在0.44根（间距为1.5 m×1.5 m）左右。

锚杆长度：Ⅴ级围岩条件下，锚杆长度集中在4.0～6.0 m区间范围内。Ⅳ级围岩条件下，锚杆长度集中在3.5～4.5 m区间范围内。Ⅲ级围岩条件下，锚杆长度集中在3.0～4.0 m区间范围内。II级围岩条件下调研数据较少，不作分析。

（2）4车道锚杆间距：Ⅴ级围岩条件下，每平方米锚杆数在1.0～2根（间距为1.0 m×1.0 m～1.0 m×0.5 m）范围内都有；Ⅳ级围岩条件下，每平方米锚杆数都是1.0根。Ⅲ级围岩条件下，每平方米锚杆数主要集中在0.69根左右。

锚杆长度：Ⅴ级围岩条件下，锚杆长度集中在4.5～5.0 m区间范围内。Ⅳ级围岩条件下，锚杆长度集中在4.0～4.5 m区间范围内。Ⅲ级围岩条件下，锚杆长度集中在3.0～4.0 m区间范围内。II级围岩条件下调研数据较少，故未作分析。

（3）从统计来看，国外锚杆使用长度较国内普遍更长，但锚杆间距方面两者接近。

结合马峦山隧道设计的锚杆参数可知：Ⅲ级围岩非加宽段、Ⅲ级围岩加宽段及Ⅴ级围岩段锚杆参数为L=3.5 m@1.2 m×1.2 m（环×纵）、L=3.5 m@1.0 m×1.0 m（环×纵）、L=4 m@0.8 m×1.0 m（环×纵），在同类型隧道中属于常规范围，初步判断较为合理。

2.3.3 钢拱架

通过调研国内外扁平大断面隧道刚拱架分布特征，依据不同围岩级别参数归纳统计如图6所示。

图6 国内外大断面隧道钢拱架间距

从图中可以看出：不同围岩钢拱架间距在0.5-1 m之间，即多集中在图中虚线框内。Ⅲ级围岩条件下，隧道钢拱架间距主要分布于1～1.5 m之间；Ⅳ级围岩，隧道钢拱架间距主要是0.7～1.3 m之间；Ⅴ级围岩，隧道钢拱架间距主要是0.5～1 m之间。对于不同等级围岩内隧道钢拱架间距，随着隧道断面面积的增大，钢拱架间距都会有不同程度的减小。

马峦山隧道在Ⅴ级围岩加强段刚拱架设计参数为I25a@1.0 m×1.0 m，在Ⅴ级围岩一般段和Ⅲ级围岩加宽段，设置钢架参数分别为I22a@0.5 m×1.0 m和I16@0.75 m×1.0 m，和调研的大断面隧道钢架间距相近，处于常规区间范围，初步判断为基本合理。

2.3.4 二次衬砌

通过搜集国内外扁平大断面隧道二衬厚度资料，依据不同围岩级别参数归纳统计如图7所示。

图7 二衬厚度统计图

从图中可以看出：

（1）3车道：Ⅴ级围岩条件下，二衬厚度主要集中在40～60 cm区间范围内。Ⅳ级围岩条件下，二衬厚度主要集中在40～50 cm区间范围内。Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下，二衬厚度主要集中在40～50 cm区间范围内。

（2）4车道：Ⅴ级围岩条件下，二衬厚度主要集中在50～80 cm区间范围内。Ⅳ级围岩条件下，二衬厚度主要集中在50～70 cm区间范围内。Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下，二衬厚度主要集中在45～70 cm区间。

马峦山Ⅴ级围岩段设计二衬厚度为60 cm，Ⅲ级围岩非加宽段设计二衬厚度为45 cm，在同类型隧道中处于常规范围区间，初步判断较为合理。Ⅲ级围岩加宽段设计二衬厚度为55 cm，在同类型隧道中处于略微偏低水平。

3 结论

通过对国内外扁平大断面隧道断面型式、扁平率与支护参数的统计分析，结合依托深圳坪盐通道马峦山隧道的设计参数，得出了如下结论：

（1）马峦山隧道设计的断面型式、扁平率及支护参数基本符合目前国内外大断面设计的趋势，总体上较为合理。

（2）马峦山隧道在断面型式及扁平率上，具有一定的优化空间，以Ⅲ级围岩非加宽段为例，单心圆与三心圆两种断面型式仍有优化的可能性。扁平率方面，Ⅲ级围岩加宽段（有临时停车带）原设计扁平率为0.64，在国内隧道中处于合理区间，但相较于国外隧道，仍偏于保守，有优化空间。

（3）支护参数方面，马峦山隧道设计初步判断较为合理，但也有优化空间。以Ⅲ级围岩非加宽段为例，其锚杆参数为L=3.5 m，间距 1.2 m×1.2 m（环×纵），相较于同类型国内外隧道，偏于保守，可适度优化。

[1]夏保祥,程崇国.三车道大断面公路隧道研究现状综述[J].地下空间,2002,22(4):360-366.

[2]刘洪洲.大跨度扁坦隧道施工的力学响应及施工方法的研究[D].重庆:重庆大学,1999.

[3]程崇国,王新平.对3车道大断面公路隧道问题的思考[J].公路交通技术,2002(9):74-77.

[4]于海龙,王瑞峰.大断面公路隧道的断面形式研究[J].四川建筑,2006,26(3):65-67.

[5]王飞,于海龙.大断面公路隧道断面形状数值分析与研究[J].公路,2002(8):210-216.

[6]金鑫.高速公路大断面隧道施工过程围岩-支护结构性态的数值模拟研究[D].重庆:重庆交通大学,2011.

[7]胡学兵大断面公路隧道力学响应及围岩稳定性评价研究[D].重庆：重庆交通学院，2003.

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2017-06-07

刘静静（1986-），女，江苏盐城人，经济师，工程师,从事工程管理工作。