兰州市北环路九安隧道大跨径隧道的设计与实践

黄继新

（兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州730050）

1 概 述

兰州市北环路是规划的城市主干路，是兰州市路网规划中的骨架路网之一，也是兰州市“一横三环九纵”骨架路网体系的重要组成部分。九安隧道工程为北环路中段工程控制性节点工程，也是甘肃省内设计的第一座单洞三车道城市隧道。隧道西起洄水湾东沟，东至九州T452号路交叉口西侧，隧道长2 768m（左线隧道长2 763.418m，右线隧道长2 768m），为上、下行分离式双向六车道隧道，单洞开挖跨度达16.35m，设计车速60 km/h，采用复合式路面结构型式。本工程的建设大幅度地缓解了城区的交通压力，改善了北滨河路咽喉路段的交通拥堵状况，加快安宁、九州、盐场地区的开发进程，构筑了兰州市“一横三环九纵”的骨架路网体系，具有较强的前瞻性，该工程的建成通车取得了良好的经济效益和社会效益[1]。

2 技术标准

（1）断面标准：上下行分离式双向六车道；

（2）隧道设计速度：60 km/h；

（3）建筑限界:隧道建筑限界见表1：

（4）隧道纵坡:左右线均采用单向坡，左线-2.5%下坡，右线2.5%上坡；

（5）隧道路面横坡：全隧道采用单向1.5%的路面横坡，无超高；

（6）设计荷载：城-A级；

（7）隧道防水：二次衬砌混凝土抗渗等级不小于S8级。

3 隧址区工程地质条件

九安隧道工程主要在洄水湾东沟至罗锅沟之间的金城关断裂带山体中穿过，围岩复杂多变，穿越地层有黄土状粉土层、全风化～中风化片麻岩层、断层破碎带、富水地层、饱和填土层等复杂地层。地震设防烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.20g，特征周期0.4 s。

隧道左线Ⅲ级围岩占总长度的56%，Ⅳ级围岩占总长度的17%，Ⅴ级围岩占总长度的22%，明洞段占总长度的5%。

隧道右线Ⅲ级围岩占总长度的56%，Ⅳ级围岩占总长度的17%，Ⅴ级围岩占总长度的16%，明洞段占总长度的11%。

4 隧道洞门设计

九安隧道安宁端自然地形较陡，设计为端墙式洞门，采用仿古城墙式造型，显得庄严厚重，由于隧道洞口段与山体斜交，因此在左、右线洞口位置的选择上根据洞口地形条件采用“前后进”的形式，尽可能地减小边、仰坡的开挖高度，仰坡采用锚杆框架结构加固，并对明洞顶顺坡式回填以力求与原地貌相适应。在洞口开挖过程中尽可能避免大范围刷坡，根据地形条件对洞口套拱采用“斜交正作”以减少洞口的开挖，根据坡面岩体破碎，坡势较陡的特点，采用“喷、锚、网”等措施进行防护，见图1。

图1 安宁端洞口效果图

九安隧道九州端地形相对平缓开阔，采用削竹式洞门，洞口浅埋段采用明挖法施工。隧道出口段采用路堑的方式与地面道路顺接，并对洞口坡面采用格构梁植草绿化防护，见图2。

图2 九州端洞口现状图

5 隧道内轮廓及结构设计

隧道主洞内轮廓拱部采用R=850 cm单心半圆，侧墙采用R=515 cm大半径圆弧，仰拱半径为2 200 cm，仰拱与侧墙间采用R=150 cm小半径圆弧连接。隧道主洞内路面宽度为12.25m，拱顶净高7.3m；行车横洞断面Ⅳ级围岩段按三心圆曲墙式衬砌设计，在Ⅲ级围岩段按单心圆直墙式衬砌设计，建筑限界净宽4.5m，净高5.0m；人行横洞断面按单心圆直墙式衬砌设计，建筑限界净宽2.0m，净高2.5m。隧道主洞建筑限界和内轮廓设计尺寸见图3。

图3 隧道内轮廓设计图（单位：cm）

隧道洞身衬砌按“新奥法”原理设计，采用复合式衬砌结构。初期支护采用钢拱架喷射混凝土支护，以“喷、锚、网”为主要支护手段，喷混凝土采用潮喷工艺；辅助措施为超前注浆小导管、超前管棚注浆预加固围岩，二次衬砌采用C25钢筋混凝土结构，不同围岩隧道复合式衬砌支护参数见表2。

表2 隧道复合式衬砌支护参数表

6 隧道施工方法

九安隧道工程为三车道大跨径隧道，单洞开挖跨度达16.35m，根据隧道的开挖跨度并结合围岩级别，设计中Ⅴ级围岩浅埋段采用了CRD法的开挖方式，Ⅴ级围岩深埋段采用了CD法的开挖方式，Ⅵ级围岩采用了微台阶预留核心土的开挖方式，Ⅲ级围岩采用了短台阶预留核心土的开挖方法。要求严格按照“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的原则进行施工。

隧道施工过程中采用了动态设计理念，根据掌子面开挖情况及超前地质预报结果，对支护参数进行了动态调整，采取了更为符合现场实际情况的支护参数，有效地保证了施工安全并提高了施工进度。

7 监控量测

监控量测是“新奥法”的精髓。监控量测是在隧道施工过程中，对围岩变化情况和支护结构的受力状态进行观察和量测，通过分析测量数据，及时提供围岩稳定程度和支护结构可靠性和安全性信息，预见事故和险情，指导安全施工，修正施工参数和施工工艺，作为动态调整和优化设计的依据。

8 隧道塌方原因分析与处理方案

施工过程中多次出现拱顶塌方，塌方的原因主要有：隧道洞身穿越地层为断层破碎带，围岩节理发育、呈破碎结构、无胶结，爆破开挖后拱顶容易出现塌方；施工时开挖进尺较大，超前小导管长度或数量不够；施工爆破控制不到位等因素。

设计对塌方段超前支护参数进行了调整，采用加强超前支护、严注浆、加强初期支护工字钢型号和间距等措施，完成了塌方处理，且处理效果显著。

9 隧道路面结构设计

九安隧道属大跨径城市长隧道，为提高行车的舒适度，减小运营过程中噪声影响，遵循全线总体设计的原则，隧道路面采用复合式路面结构，上面层采用4 cm 厚SBS中粒式沥青混凝土（AC-16C）、中面层采用6 cm厚中粒式沥青混凝土（AC-20）、下部为22 cm厚聚丙烯纤维水泥混凝土，同时考虑到隧道防灾、救灾等因素，沥青材料要求采用阻燃式沥青。隧道内车行横洞及人行横洞采用20 cm厚水泥混凝土路面。

10 结 语

九安隧道的贯通，标志着北环路中段的建成通车，有效地解决兰州过境车辆通行问题和九州地区与城关区、安宁区交通不通畅的问题，九安隧道的设计和施工经验为兰州市北环路东段、西段工程中的隧道工程提供了参考依据，也将为以后的大跨径城市隧道工程的设计和施工提供了宝贵的经验和参考价值。