浅埋隧道穿越既有高速公路设计与施工

李鹏

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳110003）

1 概述

1.1 工程概况

东湖电站引水隧道工程全长130.88 km，属于超长隧道。该工程横跨辽宁省清原、桓仁、新宾三县，穿越位于抚顺市清原满族自治县瓦子窑村既有高速公路段。隧道工程主洞桩号95+865～95+910 范围，穿越G1212 高速公路段里程为K126+360，隧道线路与公路夹角51°。隧道施工对高速公路影响范围为96+835～96+960，共计125.00 m。

1.2 工程地质

穿越G1212 高速公路段路面高程为255.00 m。洞顶埋深为12.30～16.90 m，地面圆砾覆盖层厚度为5.00 m，下部为凝灰质砂岩、凝灰岩。上覆细粒土层（粉质粘土层及粉土层），层底埋深0.30～3.00 m，局部缺失，层底高程248.48～251.18 m，该层为微～弱透水；下部圆砾层一般呈稍密～中密状态，局部松散，层底埋深3.80～9.50 m，层底高程241.99～247.64 m，为强透水岩层，场地内均有分布；最下部为紫色凝灰质粉砂岩、凝灰岩、页岩及煤线。全风化岩多呈砂状或散体状，其下限高程为243.74～245.68 m，厚0～3.90 m；强风化岩多呈碎块状，其下限高程为227.80～246.60 m，厚0～16.90 m；弱风化岩多呈柱状，厚度大于10.00 m，钻孔深度范围内未见微风化岩。

1.3 水文地质

该段地下水补给主要为大气降水，岩体节理裂隙相互切割，构造裂隙与风化裂隙相连通，形成含水层。地下水主要为孔隙潜水和裂隙水，多成线状、涌水状。

1.4 地表条件

沈吉高速公路G1212 穿越位置距离浑河左岸山脚约50.00 m，高速路基高于两侧自然地坪4.00～5.00 m，路基顶宽45.00 m、底宽115.00 m，路基粘土填筑，密实。周边主要为荒地、河滩地，无居民生活点。

2 拱圈荷载计算

隧道桩号96+835～96+960 范围下穿高速公路段为Ⅴ类围岩，隧道开挖断面为马蹄形，最大宽度为9.38 m。

按照JTG/T D70-2010《公路隧道设计细则》，隧道顶部围岩为Ⅴ级围岩，天然容重γ天取20 kN/m3，浮容重γ浮取10 kN/m3，围岩弹性抗力系数取200 MPa/m，围岩计算摩擦角φc取45°。

1）判别隧道是否是浅埋隧道，按照经验公式：

式中：ω——宽度影响系数；i——围岩压力增减率，当Bt＞5.00 m 时，取0.1；Bt——洞身开挖宽度，m，Bt=9.38 m；h——荷载等效高度，m；S——围岩类别，取5；Hp——深浅埋隧道判定深度，m。

计算得ω=1.438，h=10.35 m，Hp=20.70～26.00 m。

穿越高速公路段隧道埋深H为12.30～16.90 m，h＜H＜Hp，因此穿越段为浅埋隧道。

2）垂直荷载q按下式计算：

式中：q——垂直均布荷载，kN/m2；γ——围岩重度，有地下水时取γ浮，kN/m3；H——洞顶覆土高度，取16.90 m；λ——侧压力系数；φc——围岩计算摩擦角，取φc=45°；θ——顶拱土柱两侧摩擦角，为0.5～0.7φc，取θ=25°；β——侧边产生最大推力时的破裂角，（°）。

计算得q=276.38 kN/m2，λ=0.217。

3）作用于拱圈上部的水平分布荷载q1计算：

代入λ=0.217，计算得q1=73.35 kN/m2。

4）作用于拱圈下部的水平分布荷载q2计算：

式中：hi——隧洞开挖高，隧洞净高为7.28 m，顶拱衬砌厚0.70 m，仰拱衬砌厚0.80 m，取hi=7.28+0.70+0.80=8.78 m。

计算得q2=111.45 kN/m2。

5）车辆荷载q车计算：按JTG B01-2003《公路工程技术标准》规定，G1212 高速公路的车辆荷载等级采用公路-Ⅰ级，按JTG D60-2004《公路桥涵设计通用规范》的规定，洞顶承受的汽车车辆荷载为后轴重力通过车轮按30°扩散角传至洞顶的均布荷载，其值：

式中：P——汽车车辆荷载的后轴重力标准值，280 kN；A——后轴重力扩散至洞顶的面积，m2；H——洞顶以上埋土高度，取16.90 m；S1——行车方向的后轴轮距，取1.40 m；S2——垂直于行车方向的后轴轮距，取1.80 m；c——后轴着地长度，取0.20 m；d——后轴着地宽度，取0.60 m。

计算得q车=0.61 kN/m2。

6）水压力计算：内水压力，正常运行期间，洞内水深按6.00 m 考虑，检修期及施工期洞内无水；外水压力，正常运行期和检修期，按最不利情况考虑，外水压力水头为16.5 m 更合适。

施工期不考虑外水压力，初期支护承担围岩压力的40%，二次衬砌承担围岩压力的60%。围岩荷载取q′=（276.38+0.61）×0.6=166.19 kN/m2，q′1=73.35×0.6=44.01 kN/m2，q′2=111.45×0.6=66.87 kN/m2。

在隧道穿越段施工前，从地表对地层进行注浆加固，加固范围为公路轴向长度为14.56 m，与地面水平夹角60°方向斜向下进行注浆。洞内超前支护采用ϕ108 管棚，初期支护采用I20a 钢支撑配合钢筋网和喷射混凝土联合支护的形式。

3 施工方法及工艺

3.1 洞身开挖

洞身穿越凝灰质砂岩、凝灰岩，强度低、多变化。此外，公路车辆行驶频繁，动荷载较大。为保证高速公路正常运行及隧道施工安全，该段洞身开挖采用台阶法、CRD 法组织施工。通过对围岩情况进行判断，在围岩极度破碎地带采用人工配合液压镐、风镐开挖，以减少对围岩的扰动；在围岩整体性较好地段，可采用短进尺控制爆破。

3.2 隧道超前支护

该段隧道超前支护型式采用超前管棚，沿洞室开挖轮廓线全周均匀布设管棚，管棚中心间距40.0 cm；超前管棚采用外径108 mm、壁厚6 mm，长25.00～30.00 m 的热轧无缝钢管，搭接长度按3.00 m 考虑。单节钢管长4.00～6.00 m，每节之间采用ϕ89 内套管焊接，接头错开布置；管棚内设置4ϕ16 钢筋笼，灌浆充填。

3.3 隧道初期支护

隧道的初期支护主要包括：

1）铺设钢筋网。钢筋网：材料选用ϕ8 钢筋，网格尺寸20.0 cm×20.0 cm，挂网部位为顶拱和边墙，网片搭接长度为15.0 cm。配合锚杆、喷混联合支护。

2）喷射混凝土。选用混凝土标号C30W10，喷混厚30.0 cm，喷混部位为顶拱和边墙，喷混工艺采用湿喷工艺，喷混压力不小于0.20 MPa。

3）架设钢拱架。材料选用I20a 型工字钢，架设间距500～1 000 mm。

3.4 固结灌浆

灌浆孔按3.00 m 排距梅花形布设，深入围岩3.50 m，孔径38～40 mm。钻孔采用YT-28 手风钻钻孔。

灌浆根据地质围岩情况，采用相应的分序加密方法进行灌浆。灌浆压力最大不超过1.5 MPa，具体参数通过灌浆试验确定。浆液水灰比采用3∶1，2∶1，1∶1，0.5∶1 等4 个等级，施工时根据试验结果进行调整。每段灌浆浆液按由稀到浓的原则灌注，初始水灰比为3∶1，逐级改变。当灌浆量超过300 L 或灌浆时间超过30 min，而注入率和灌浆压力均无明显变化时，更换下一级水灰比浆液继续灌浆。在改变浆液水灰比后，注入率突然降低或灌浆压力突然增加，立即查找原因，并将浆液换回原水灰比继续灌注。

固结灌浆采用纯压式灌浆法，孔口需安装封孔器。固结灌浆采用全孔一次灌浆工艺，优先采用单孔灌浆；当吸浆量小时，采用两孔并联灌浆；当发生串浆时，采用多孔并联灌浆，但孔数不宜多于3个。

在设计灌浆压力下，若灌浆的注入率小于0.4 L/min，再继续灌注10 min 后结束灌浆。灌浆结束后，按技术要求封孔。

3.5 二次衬砌

根据此段浅埋隧道的特殊性，围岩类别为Ⅴ类，加之穿越高速公路，动荷载较大。为了有效地控制围岩变形，保证隧道上部高速公路的正常通行及隧道施工的安全，仰拱衬砌尽量紧跟开挖面施工，完成开挖及初期支护后，及时进行边顶拱衬砌，边顶拱整体浇筑。该穿越段隧道成洞断面为马蹄形，采用C35 钢筋混凝土衬砌，仰拱与边顶拱衬砌厚度均为50.0 cm，双层配筋。

4 结语

对穿越段的设计，首先要充分考虑所穿越的建筑物，根据建筑物特点，首先分析地面以下至洞室部位应力分布，尤其要重点考虑高速公路的动荷载影响。根据开挖洞室的受力特点进行洞内及洞外支护设计，同时严格执行设计参数，对每个工序都要严谨对待，这样才能形成系统的作业循环，保证开挖效率和施工安全及质量。此次穿越高速公路段影响范围为125 m，施工中采用台阶法、CRD 法开挖，超前支护，加强初期支护等方法，确保该施工段未发生任何坍塌、冒顶等地质灾害，亦未发生任何安全事故。较好地控制了节点性工期，也为工程的顺利贯通提供了保障。