双层隧道土建结构设计关键技术探讨

温州市交通规划设计研究院 / 袁郑棋

引言

随着社会经济的发展，对交通需求普遍提高，近郊隧道普遍要求设计非机动车道；而《城市道路工程设计规范》第13.3.4条规定：对长度大于1000m的隧道，严禁在同一孔内设置非机动车道或人行道。目前一般的做法多为在机动车隧道外侧设置专用非机动车道隧道，在断面上出现了四洞并列的情况，隧道口占地很大，往往达到80米到100米的宽度。受现有的土地政策影响，分离式的四洞并列隧道往往很难实施。双层隧道结构提供了较好的解决方案，即可满足非机动车道的需求，又可满足少占用地的要求。温州某在建城市主干道双层隧道工程在结构设计方面有所突破创新，可供同行借鉴。

一、工程概况

（一）项目概况

温州某在建城市主干道，设计速度60km/h，机动车道双向六车道（两侧设置非机动车道和人行道），路基宽度50米；设置一座长隧道（左洞长1360米，右洞长1430米），隧道宽度13.75米，采用双向六车道分离式双层隧道结构。

隧道上层机动车道净宽13.75米。断面组成：13.75米＝0.75米（左侧检修道，含余宽0.25米）+0.75米（左侧侧向宽度，含余宽0.25米）+3.75米+2×3.50米（行车道）+0.75米（右侧侧向宽度）+0.75米（右侧检修道），净高：4.50米。

隧道下层非机动车道净宽6.5米。断面组成：6.5米=3.5米（非机动车道）+3.0米（人行道）；净高：3米。隧道标准横断面如图1所示。

图1 隧道标准横断面图

（二）工程地质条件

隧道洞口段为缓坡地貌,坡度8-15°,植被发育。地表分布第四系残坡积含碎石粉质粘土、含黏性土碎石,灰黄色,稍湿,可塑、松散,层厚3-6.5米左右,天然状态下尚稳定,开挖状态易坍塌；隧道围岩为残坡积碎石土、全-强风化含角砾晶屑熔结凝灰岩，[BQ]＜250，稳定性差。

隧道洞身段主要穿越中-微风化含角砾晶屑熔结凝灰岩。中风化岩灰色,坚硬,节理裂隙较发育,微张-闭合,面平直,完整性一般,[BQ]=300~420间，节理裂隙不发育,岩体较完整。地下水主要为基岩裂隙水,与地表联系弱,水量贫乏,水文地质条件简单。洞身发育 F1—F6断裂构造，主要表现为破碎带、节理密集带。破碎带宽1-4米，个别断裂走向与线路小角度斜交。影响隧道围岩的完整性和稳定性。隧道围岩比例见表1。

表1 隧道围岩分级统计一览表

二、隧道断面设计

（一）隧道断面比选

根据本项目工可资料地质与水文地质、洞口用地、洞口接线条件、隧道长度、隧道结构类型与施工安全等因素综合考虑；设计阶段对隧道断面做了两种方案的比选。见表2。

表2 方案比选表

T方案是新建两个分离式（洞口段局部小间距）的隧道。隧道采用上下层结构，上层为三车道的机动车道，下层为非机动车道和人行道； B方案是由两个分离式（洞口段局部小间距）机动车道的主洞和两个非机动车道及人行道的辅洞组成，左右侧各新建一个单洞非机动车道及人行道隧道。

T 方案隧道充分利用隧道自身结构合理布置断面，无需做辅洞，设两个双向分离式六车道的主洞，断面采用上下层结构，上层为三车道的机动车道，下层为辅道（非机动车道及人行道，道路辅道在隧道口设置过渡，机动车道及人行道平坡进入隧道，机动车道上坡进入隧道上层。该方案非机动车及行人在隧道外无需横穿道路，保证交通顺畅安全。T方案隧道下层右侧设置了综合管线通道，可供大量的通信、供电、供水等设施管线通过隧道，可满足隧道进出口片区发展市政设施升级的需要。

（二）隧道横断面设计

经过优化分析，推荐方案隧道内轮廓采用四心圆卵形断面，上下层结构。上层为三车道的机动车道，横向布置为0.75m（左侧检修道）+0.5m（左侧向宽度）+2×3.75m+3.5m（机动车道）+0.75m（右侧向宽度）+0.75m（右侧检修道）=13.75m（总宽），机动车道净高4.5m；下层为辅道，横向布置为3.5m（非机动车道）+3.0m（人行道）=6.5m（总宽），非机动车道净高3.0m，人行道净高2.5m；内空净面积约为111.31平方（详见上图）。

隧道横断面采用锚喷支护复合模注砼衬砌，内夹防排水层。在隧道上层机动车道有排水要求侧检修道下设矩形排水沟,下层辅道路基中心设中央排水沟。隧道下层断面左侧为通风通道兼紧急逃生通道，净高2.0m，可供紧急逃生用；右侧为综合管线通道，净高2.0m，供隧道电缆及市政综合管线使用。

三、隧道结构设计

（一）隧道结构设计基本情况

明洞采用曲墙带仰拱的钢筋混凝土结构。拱墙厚度为0.8m，仰拱厚度为0.8m。

暗挖隧道段按新奥法原理进行设计。初期支护承担全部围岩基本荷载，二衬作为安全储备承担特殊荷载（水压力、地震等）；采用超前支护和多种辅助工法，改善加固围岩,调动部分围岩自承能力；根据地质采用不同开挖方法及时支护。采用曲墙有仰拱复合式衬砌结构（V级围岩二衬采用55cm厚C30钢筋砼、Ⅳ级围岩加强段采用50cm厚C30砼、Ⅳ级围岩一般段采用45cm厚C30砼、Ⅲ级围岩一般段采用40cm厚C30砼），洞口浅埋、偏压段采用加强复合式衬砌（二衬采用60cmC30钢筋砼）。

π字形中隔层：中隔板采用55cm厚C30钢筋砼结构，两侧隔墙厚50cm。π字形中隔层紧跟隧道二衬结构施工，与二衬连接部位采用预留钢筋形式，浇筑段长度要求与二衬一致，施工缝处理方式与二衬一致。

（二）二衬结构验算分析结果

二衬结构验算根据结构类型、支护参数、围岩级别、工程地质和水文地质条件、隧道埋置深度、结构受力特点，并结合周边工程环境、支护手段和施工方法的选择，并对技术、经济、工期、环保和使用效果作综合比较。按《公路隧道设计规范》对深埋浅埋隧道分界深度、浅埋隧道和深埋隧道的计算方法、裂缝宽度控制（不大于0.2mm），对其在施工阶段和使用阶段，根据正常使用极限状态的要求，进行强度、刚度和稳定性计算，并进行抗裂和裂缝开展宽度验算。

分析采用ANSYS软件计算。结算结果表明：弯矩在拱顶和墙脚内侧达到最大值，剪力在墙脚处最大、轴力拱圈均匀分布；洞口段（最不利段）各关键点的内力与裂缝宽度计算结果，如表3所示。

表3 正常使用状态下衬砌关键点受力及配筋计算表

根据计算结果，隧道左侧墙趾内力标准值分别为：M=111kN.m（内侧受拉），N=-285KN（受压），V=-388KN；设计采用6Φ22受力钢筋双侧对称布设，C30相对界限受压区高度=0.56，取b=1000mm长的截面，高度即混凝土厚度h=600mm，钢筋混凝土结构的安全系数K=1.7。

设计配筋和裂缝控制满足规范要求。

（三）π字形中隔层验算分析结果

π字形结构计算考虑的主要荷载见下表4。

表4 π字形结构荷载计算表

根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）对以上荷载按最不利组合进行验算，结构跨中的内力值分别为：M=72.258kN.m（内侧受拉），N=-9.03KN（受压），V=0.1KN；设计采用5Φ22受力钢筋双侧对称布设，C30相对界限受压区高度=0.56，取b=1000mm长的截面，高度即混凝土厚度h=500mm。

π字形结构结构进行的裂缝宽度验算结果为0.045mm＜0.2mm，满足设计要求。

四、隧道口过渡段设计

隧道外道路机动车道和辅道（含非机动车道、人行道）在进入隧道前必须进行机非分离，实现平面行驶到纵面竖向上下行驶。设计机动车道在隧道口采用爬坡进洞，辅道平坡（实为微小的上坡）进洞，在隧道洞口设置120度转角箱涵（三孔），辅道斜向进入箱涵，箱涵中心线与辅道对齐，箱涵辅道主孔大小6.5m（宽）×3.5m（高），两侧孔大小3.5m（宽）×3.5m（高）；该过渡段还需实现以下功能过渡：

1.隧道中央排水沟从箱涵底部铺设；

2.市政综合管线及给水管道需要通过箱涵右边侧孔洞进入隧道；

3.隧道下层辅道左侧通风通道在隧道口处设置了通风井，通风井通过箱涵左侧孔洞将风量接入隧道。

五、隧道开挖方法设计

三车道双层隧道开挖面积较大。Ⅴ级围岩洞口加强段开挖面积达172平方，开挖高度13.2米，开挖宽度16.5米，较一般三车道隧道（洞口段约145平方）约大20%左右，施工难度较大，设计过程遵循“管超前，严注浆，短开挖，强支护，勤量测，早封闭”的基本原则。围岩较差的地段尽量减少单次开挖面积，快速支护，缩短围岩无支护状态的暴露时间。各围岩段施工方法如下：

1.隧道明洞段采用放坡开挖法；隧道暗挖段按新奥法原理组织施工，采用光面爆破、锚喷支护、拱墙一次衬砌，喷混凝土采用湿喷工艺。

2.Ⅲ级围岩段采用中壁法（CD法）开挖：左右侧导坑各采用双台阶开挖，台阶高度约6.5米，台阶长度3~5米控制，左右侧导坑错开约15米；临时支护必要时设置。

3.Ⅳ级围岩段采用采用交叉中壁法（交叉CD法）开挖：左右侧隔壁各采用三台阶开挖，台阶高度约4.5米，台阶长度3~5米控制，左右侧导坑错开约15米；中隔壁采用钢架作临时支撑，台阶底设临时仰拱，三个台阶交叉渐次开挖。单次开挖长度不超过两榀钢支撑。

4.Ⅴ级围岩段采用双侧壁导坑法（CRD法）开挖：左右两侧导坑各采用双台阶开挖，中间临时岩柱采用三台阶台阶高度约4.5米，台阶长度3~5米控制，两侧导坑先行开挖，中间临时岩柱最后开挖，左右侧壁导坑错开约15米，导坑超前临时岩柱约30米；中间临时岩柱宽度控制5米，中隔壁采用钢架作临时支撑，台阶底设临时仰拱，三个台阶交叉渐次开挖。单次开挖长度不超过两榀钢支撑。

5.全隧道二衬分两次砌筑，中隔层以下仰拱超前施做，仰拱施工整断面一次成型，同时注意中隔层连接部位的预留钢筋设置；中隔层以上拱墙及拱部一次性灌注。

隧道开挖后，应及时施作初期支护和二次衬砌，待全隧道贯通，二次衬砌施作完毕后，再施作中隔板。

六、结语

目前，随着我国经济的飞速发展，交通基础设施建设和城市建设均提出了更高的需求，土地保护政策也越来越严格，近郊有非机通行需求的隧道和二级公路特长隧道的逃生通道都可考虑采用双层隧道方案，相信未来会有更多的双层隧道投入建设。因此，这种大断面双层隧道结构需要进一步地深入研究。希望本文能够起到抛砖引玉的效果，通过更多的工程案例总结出更好的经验供同行借鉴。