一座六车道联拱隧道设计介绍 - 京珠高速公路五龙岭隧道设计-

1、文章编号:0451-0712(200202-0111-05中图分类号:U459.2文献标识码:B一座六车道联拱隧道设计介绍京珠高速公路五龙岭隧道设计郭小红,朱光仪(中交第二公路勘察设计研究院武汉市430052摘要:系统地介绍了地质条件差,埋深浅,又是六车道联拱的五龙岭隧道的衬砌、洞口长管棚、周边注浆以及隧道施工工序等方面的设计情况,并对联拱隧道的设计与施工提出了一些合理的建议。关键词:五龙岭隧道;联拱隧道;设计1隧道概况五龙岭隧道为京珠国道主干线广东省内韶关甘塘至翁城段高速公路上的一座六车道联拱隧道,总长200m,位于半径为1220m的平曲线上,设置3%的超高横坡。隧道洞口段埋深820m,最大

2、埋深约45m。该隧道于1998年8月开工,通过精心施工以及现场各方面的通力合作,该隧道于1999年11月顺利贯通。隧道采用的设计标准为:建筑限界净宽:(0.75m+2×0.5m+3×3.75m+2×0.5m×2+2.5m=30.5m;建筑限界净高:5.0m;计算行车速度:100km/h;CO容许浓度:150ppm;隧道照明标准:按短隧道进行照明设计。隧道净空断面单侧为二心圆:两侧边墙为曲墙式,中隔墙为直墙。由于受隧道路面超高横坡的影响,仰拱为不对称结构。隧道总开挖宽度达32.5m,开挖高度(含仰拱达10.9m,总开挖面积为301m2,为超大断面隧道。由于

3、该隧道同时具备跨度大(32.5m、地质差(类、埋深浅(845m以及地形偏压等等一系列不利条件,而且地质在横向存在极大的不均匀性以及部分地段土夹石,在公路隧道设计与施工上是史无前例的,设计难度很大。该隧道设计与施工的成功,标志着我国的公路隧道设计施工水平走上了一个新台阶。2隧道地质五龙岭隧道地处山间平地边缘的山体上,周围为低山重丘区,属风化剥蚀地貌。根据钻探和地质调绘,隧道区域有一条与隧道轴线呈小夹角的断层纵向贯穿隧道,且倾角较陡,上盘为全强风化泥质砂岩夹薄层页岩,浅灰黄色,岩体风化呈半岩半土状,围岩为类。下盘为灰岩,岩体呈灰黑色,受构造挤压作用强烈,砌体结构,围岩为类。由于受断层影响,整个隧道

4、的泥质砂岩与灰岩在纵向与横向均呈极不均匀分布,北京端洞口少量地段全断面为破碎灰岩,珠海端洞口少量地段全部为全强风化泥质砂岩,隧道中间地段则为半边岩半边土或土夹石。隧道区内地表水不发育,地下水主要为基岩裂隙水及风化带中孔隙潜水,受大气降水补给。岩层渗透性差,围岩富水性微弱,灰岩含弱岩溶裂隙水。3隧道洞口设计根据地形条件,结合防排水要求,以“早进洞,晚出洞”为原则确定本隧道洞口位置与型式:进、出口均采用削竹式洞门。由于隧道跨度较大,净空较高,成洞面处地形偏斜且地质条件较差,因此洞口段边坡及仰坡较高且不易稳定。为了保证洞口段边坡与仰坡在施工与使用中的稳定,在隧道建成后尽量恢复洞口自然景观,不仅明洞段

5、边坡及仰坡在施工过程中采用锚杆加喷混凝土防护,而且在洞口段均设了一段明洞。收稿日期:2001-10-15公路2002年2月第2期HIG HW A YF eb.2002N o.2本隧道洞口地段地质条件较差,较长距离为类围岩,且相对埋置深度较浅,不易成洞。为了实现“早进晚出”的原则,隧道洞口均设置了超前长管棚。设计要求在完成洞口截水沟之后,开始进行洞口段边坡、仰坡的开挖。边坡、仰坡必须边开挖边防护,以防后期施工扰动,地表水下渗以及地下水渗流造成边坡失稳。开挖至成洞面时保留核心土体,然后施作长管棚。长管棚不仅为隧道开挖提供保护,而且可以稳定仰坡,因此要求只有在长管棚施作完成后才能开始进洞开挖。由于隧

6、道南端洞口地形条件较差,在成洞面处,左侧仰坡高度仅1012m,洞顶覆土厚度约34m ,而右侧仰坡高达2528m ,对成洞面开挖以及仰坡稳定产生较大影响。在施工过程中曾一度出现仰坡开裂,地表产生较大下沉以及导洞支护变形等险情,但在强大的长管棚作用下,及时对仰坡采取了加固措施,终于化险为夷。因此,长管棚在大跨度隧道洞口施工中,特别是当地质条件较差时,作用是很大的。隧道南端洞门景观见图1 所示。图1隧道南端洞门景观4隧道结构设计本隧道衬砌结构根据地形与地质状况,设计了3种衬砌形式:明洞衬砌S 1,用于埋深较大地段的S 2复合衬砌以及用于埋深较浅(洞口地段的S 3复合衬砌。明洞衬砌主要用于进、出口路堑

7、边坡仰坡较高的地段,采用厚80cm 的C25钢筋混凝土,对称配筋,要求填土厚度不得超过4.5m 。S 2、S 3复合式衬砌用于隧道暗挖段,以锚杆、钢筋网喷射混凝土以及型钢钢拱架共同组成为初期支护,C25钢筋混凝土为二次支护。复合式衬砌支护参数系首先根据围岩类别、工程地质水文地质条件、地形及埋置深度、结构跨度及施工方法等因素拟定,然后应用隧道结构计算程序进行结构内力分析与强度校核,以最终确定支护参数。复合衬砌设计见图2所示。由于隧道地质较差,如果采用传统的砂浆锚杆或药包锚杆,系统锚杆的抗拔能力将是很低的。而对于大跨度隧道,初期支护的承载能力对系统锚杆的抗拔能力变化较为敏感,随锚杆抗拔能力的减小而

8、急剧降低,因此必须提高系统锚杆的抗拔能力。对于土层锚杆,其抗拔能力主要取决于锚杆长度、成孔直径、土体强度以及锚固体与土体之间的压应力。一般锚杆长度以及成孔直径受实际条件限制不可能有较大的变化,但是采用有压注浆,不仅可以提高锚固体与土体之间的压应力,同时浆液向钻孔周围土体扩散,还可以提高锚杆周围土体强度, 从而达到改善图2复合衬砌设计112公路2002年第2期整个结构受力条件的目的。设计采用WT D 25中空注浆锚杆作为系统锚杆,将锚杆施工与注浆施工一体化,很好地解决了这个问题。根据全隧道地质情况与埋深分析,整个隧道均要按浅埋隧道设计,因此应根据隧道埋深确定该隧道支护结构的强度。初期支护主要为施

9、工开挖以及二次衬砌的施作提供可靠的保护,二次模筑衬砌设计为主要的承载结构。结构计算采用荷载-结构-弹性抗力模式,全部设计荷载中扣除初期支护承担的部分,剩下荷载全部由二次衬砌结构承担。经分析计算,初期支护约能够承受总设计荷载的30%60%,具体情况与自身强度及埋置深度等条件有关,因此设计要求二次衬砌的施作应适当紧跟开挖面,以保证施工安全。5辅助施工设计本隧道为双向六车道联拱隧道,开挖宽度达32.5m,地质条件又较差,在这种条件下,施工难度很大,必须采取强有力的辅助施工措施与初期支护相结合,相辅相成,才能保证隧道施工过程中的安全。设计采用的主要辅助施工措施有:超前长管棚、超前小导管及周边加固注浆。

10、超前长管棚用于两端洞口。在衬砌拱部及两侧边墙部,用直径为108mm 的热轧无缝钢管沿洞口段衬砌开挖轮廓线施作,环向间距为42cm 。平行衬砌中线布置(适当外倾,以防侵入开挖线内,要求钢管偏离设计位置的施工误差不大于20cm 。为增强钢管的刚度与强度,管内应以30号水泥砂浆填充。在长管棚施作完成后再进洞开挖。洞口长管棚见图3 所示。图3洞口长管棚立面超前小导管设置在隧道中间无长管棚支护的全部地段,采用外径为42mm ,壁厚3.5mm ,长350cm 的热轧无缝钢管,钢管环向间距约40cm 。尾端支撑 于钢架上或焊接于系统锚杆尾端。在类围岩地段一般应考虑注浆加固周边岩体,以提高围岩自身承载能力,提

11、高岩体对结构的弹性抗力,改善结构受力条件,特别是中隔墙基础,设计要求地基承载能力较高,在基底为土质的条件下不易达到设计要求,必须采用基底加固注浆。对于六车道联拱隧道,对中隔墙基础地基承载能力要求较高。经计算,如果不设置仰拱,中隔墙基底承载能力要求大于2000kPa,这至少要求为类围岩偏高(破碎岩体地段才能达到;如果设置仰拱,基底承载能力要求则与仰拱施做时间有关,既使能够及时施做仰拱,地基承载能力也不宜小于400kPa,否则应对中隔墙基础采取加固措施。本隧道中隔墙大部分地段为全强风化泥质砂岩,地基承载能力仅为250kPa 左右,因此设计要求对土质地段中隔墙基础采用WT D25注浆锚杆进行高压加固

12、注浆,以提高基础承载能力。6施工工序设计洞身施工采用三导坑开挖,设计要求的施工工序为先完成中导坑以及右导坑,然后施作中隔墙与边墙,并完成中导坑回填,然后进行右洞拱部开挖并施作初期支护与二次衬砌,待右洞衬砌达到设计强度后用同样的工序完成左线隧道,施工过程中要求仰拱紧跟。在进行施工组织设计时发现,如果按照设计工序施工,那么工期将较长,最后决定改为中导洞先行施工,两侧导洞紧跟,左右隧道拱部开挖适当错开一定距离,使同一断面工期滞后一个月,以便在开挖另一侧时已施工侧的衬砌混凝土达到设计强度。通过分析表明,施工工序这样修改后对导洞支护强度以及主洞支护强度提出了更高的要求。设计开挖工序见图4所示。图4设计开

13、挖工序尽管导洞宽度只有56m ,但是在导洞施工中,导洞支护仍产生了较大变形,有的甚至出现了使1132002年第2期郭小红朱光仪:一座六车道联拱隧道设计介绍支护钢拱架扭曲、连接点破坏的现象,充分说明在结构之上有强大的荷载作用。分析主要原因是:一方面发生较大变形处均为岩土交界地段,地下水较丰富;另一方面在土质地段,3个导洞间距只有两倍洞跨,修改施工工序后使得3个导洞同时施工,存在相互影响;再有就是导洞边墙为直墙型式,降低了导洞支护的承载能力。在开挖拱部时,为了确保初期支护不侵限,将设计要求的10cm预留变形量调整到15cm,但实际开挖后经过监控量测发现最大拱顶沉降变形不大于4cm,这充分说明了初期

14、支护以及二次衬砌强度比预计的要高,同时也充分说明了设计的施工方法对于控制围岩变形,防止周边岩体产生过大破坏是极其有效的。全部施工工序除局部作了一些调整外,基本上是按设计指定模式展开的,取得完满成功,充分证明了设计拟订的支护参数以及施工方案是合理可行的。7监控量测设计对于联拱隧道,尽管在国内外也建成了一些,但总体上说不仅缺乏实践经验,而且理论指导也较欠缺。因此为了施工安全,为修正支护参数提供依据,以及全面研究联拱隧道荷载产生的机理及结构受力形态,为今后联拱隧道的建设积累经验,在设计中将五龙岭隧道的监控量测作为一个重点,提出了较为详细的监控量测项目与要求。本隧道进行的监控量测项目主要如下。(1导洞

15、地质调查与支护位移监控量测。该项目可直接为后期修正主洞支护参数提供最可靠的资讯。(2主洞上断面地质调查与初期支护变形状态及受力状态监控量测,如锚杆应力量测、钢拱架应力量测、喷射混凝土应力量测以及土体对初期支护压力量测等等。该项目不仅可以了解初期支护的受力状态,以保施工安全,而且可以为进一步修正二次衬砌支护参数提供更可靠的资讯。(3二次衬砌混凝土应力、钢筋应力以及初期支护与二次衬砌之间的压应力量测。主要为分析结构受力状态,为后续工程设计施工提供资讯。由于岩土体对支护结构作用的时效性,以上各项观测均必须是长期进行。施工期间的监控量测发现,导洞周边位移量约占全部位移量的70%80%,远大于主洞开挖位

16、移量,说明导洞支护强度偏低(因为按临时支护结构设计,而主洞支护结构强度则较高。8经验与不足8.1经验五龙岭隧道的成功建设,不仅在国内展示了我国公路隧道设计与施工水平。而且向世界展现了我国隧道工程的建设水平,不仅因为它同时具备跨度大、地质差以及埋深较浅等不利条件,而且因为在其设计施工中成功地综合采用了当今山岭隧道设计与施工的多项先进技术与工艺,如荷载分析方法、复合衬砌结构计算方法、长管棚设计技术、系统注浆技术以及多导坑施工技术等等。我们认为在如下几个方面是比较成功的。(1在设计过程中坚持对施工方案以及支护参数进行多方面的计算分析,以使设计趋近合理。由于本隧道跨度大,地质差,基本上没有实践经验可以

17、参考,必须应用现代岩体力学理论,广泛吸收国内外隧道设计施工先进技术,进行多方面、多层次的分析。如结合联拱隧道特点将施工方法纳入结构设计,提出大跨度隧道结构设计就是施工方法设计的观点,因为大跨度隧道并不是一个简单的使用阶段强度设计问题,更重要的问题是使施工如何合理实现,保证施工安全。(2洞口长管棚是大跨度隧道在软弱围岩条件下成洞的关键。即使过去的小跨度隧道,当洞口地质条件较差时,安全及时成洞也存在较大困难,如果处理不当,有时甚至长时间进不了洞,但是由于本隧道设计施工应用了洞口长管棚技术,基本上克服了进洞的困难。(3三导坑开挖施工,是在软弱地质条件下,六车道联拱隧道设计施工方案成功的基石。如何在尽

18、量减少对地层松动破坏的情况下建成大跨度隧道,特别是联拱隧道,由于开挖面积大,支护结构复杂,受现有施工技术条件限制,如果分一次或两次开挖,可能结构还未施作完成洞室已经坍塌。因此对于大跨度隧道如何根据地质条件以及施工技术现状合理地制定施工方法是关键。(4洞室周边注浆,保证了软弱地层大跨度隧道复合衬砌的喷锚支护承载能力。由于跨度大,与同样支护参数的中小跨度隧道相比,初期支护的承载能力大大降低,同时由于地质条件差,锚杆的抗拔能力以及围岩对支护的抗力也较低。为了保证施工安全,必须提高初期支护的承载能力,最为有效的方法就114公路2002年第2期是采用周边系统注浆,以改善结构受力条件。(5在施工过程中,坚

19、持根据监控量测信息指导修正设计与修正施工方案。一方面,由于隧道处于地下,全过程均与地质条件相联系,而地质条件又是千变万化的,仅凭借地质勘察就能够解决所有问题是不可能的;另一方面,设计中对结构强度等方面的分析不管是限于当今岩土工程的水平,还是限于“基于一种假定条件的分析”,还存在很多方面的不确定性,因此必须根据施工开挖中实际监控量测结果不断进行修正。8.2不足在我们享受成功的同时,也注意到了不足。(1联拱隧道的中隔墙防水设计与施工,要引起重视,只有作到了让地下水能够“聚得拢,排得走”时,才能够真正保证中隔墙附近的防排水效果。(2联拱隧道由于开挖跨度大,结构对荷载的变化比较敏感,不仅要注意横向地形

20、变化引起的偏压荷载,而且还要注意横向地质变化引起的偏压荷载,也要注意纵向荷载变化对结构的影响。一般情况下,应每10m 左右无条件地设置一道变形逢。(3由于二次衬砌是在初期支护未稳定的条件下施做的,因此要注意施工速度。施工速度越快,作用在二次衬砌上的荷载增加越快,这样就有可能在衬砌混凝土达到龄期前超过其强度,从而对二次衬砌产生破坏作用。总而言之,联拱隧道的设计与施工是一件比较复杂的系统工程,但只要设计与施工单位足够重视,技术措施处理得当,其中的难点也是可以克服的。重庆今年重点项目敲定重庆市已确定了今年65项重点建设项目,总投资1063亿元,当年投资230亿元。市计委负责人表示,要继续按照竣工一批

21、、新开工一批、加快建设一批的工作思路,抓好重点建设,力争明年内完工12项,新开工10项,推进续建43项。为实现今年全市G DP 增长8.5%的目标,重庆市将发挥投资对经济增长的主要拉动作用。而抓好一批重点项目建设,是完成固定资产投资的关键。今年将是重庆市历史上交通投资强度最大的一年。力争完成投资135亿元,其中公路67亿元,铁路60亿元,机场5亿元,水路3亿元。全面推进“8小时重庆”交通工程,力争取得重大进展;完工绕城外环西段公路、重庆合川高速公路,新开工武胜合川高速公路,加快推进万州、涪陵等迁建港口复建。据重庆市交委透露:今后四年内,重庆市将投入400亿元巨资,全力打造通往东南西北的10大高速通道和重庆公路网络。据悉,这10大高速通道的形成将彻底改变重庆交通滞后的状况,形成横跨东西、纵贯南北、通江达海、内引外联的主骨架公路网络。届时,重庆市高速