雙洞八車道超大跨扁平隧道在公路建設(shè)中的應(yīng)用

張建新

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，烏魯木齊 830006）

0 前言

近年來，隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的發(fā)展，很多地區(qū)城市主干線、 城市快速干道及國道主干線公路繞城段交通量增長迅速，雙向四車道、六車道公路已經(jīng)不能滿足交通量增長要求，部分地區(qū)已經(jīng)開始了八車道高速公路的建設(shè)和四車道改八車道（四改八）的擴(kuò)建工程。 雙洞八車道超大跨扁平公路隧道在受力變形機(jī)理、 支護(hù)體系結(jié)構(gòu)、開挖工法等方面與常規(guī)隧道有所不同，且國內(nèi)外相關(guān)研究相對較少[1-5]。本文以連霍高速（G30）新疆境內(nèi)小草湖至烏魯木齊段概擴(kuò)建工程隧道建設(shè)方案為依托，系統(tǒng)介紹了雙洞八車道與四洞八車道的方案選擇、大跨扁平隧道的重難點(diǎn)、施工中的應(yīng)對措施、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)等建設(shè)要點(diǎn)。

1 工程概況

連霍高速（G30）新疆境內(nèi)小草湖至烏魯木齊段改擴(kuò)建工程是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃的一部分， 也是新疆主骨架公路的重要組成路段，是新疆“五橫七縱”高速、高等級公路網(wǎng)中的第1橫。 起點(diǎn)位于小草湖以東約2km處，與吐魯番至小草湖高速公路項(xiàng)目終點(diǎn)相接，經(jīng)小草湖、后溝、達(dá)坂城、二十里店、鹽湖、柴窩堡、新疆化肥廠、烏拉泊，終點(diǎn)在烏拉泊西附近接烏魯木齊繞城高速公路， 路線全長122.900km。路線所經(jīng)后溝段，設(shè)置了白楊河隧道、杏花村1#隧道、 杏花村2#隧道共3座雙洞八車道超大跨扁平隧道，最大開挖跨度22.56m，最大開挖面積達(dá)260m2，在公路隧道中實(shí)屬罕見，隧址區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，巖性為凝灰?guī)r，巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、隧道洞口淺埋偏壓嚴(yán)重、洞身最小埋深僅4m，建設(shè)條件復(fù)雜，難度較大。

2 建設(shè)條件

隧址區(qū)位于后溝內(nèi)，主要為構(gòu)造剝蝕中低山地貌，地形起伏較大，山體V型侵蝕溝槽發(fā)育，表面風(fēng)化剝蝕較嚴(yán)重。隧址區(qū)總體屬于準(zhǔn)格爾-北天山褶皺系一級構(gòu)造單元下的北天山地向斜褶皺帶上，總體較為復(fù)雜，褶皺發(fā)育，以近東西向?yàn)橹?；存在小型斷裂，以逆斷層為主?/p>

隧道沿線山體基巖裸露，巖性主要為凝灰質(zhì)灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖層，青灰色，表層風(fēng)化嚴(yán)重，呈薄層撓曲狀。地表水系主要為白楊河水系，地下水主要分為基巖裂隙水、第四系松散層孔隙水。隧址區(qū)地下水貧瘠，在斷裂破碎帶處存在少量裂隙水，對隧道圍巖影響不大。

隧址區(qū)所在地為公路自然區(qū)劃總體屬于西北干旱區(qū)內(nèi)的天山、界山山地區(qū)（VI4）及綠洲荒漠區(qū)（VI2），氣候特征為高溫、干燥、多風(fēng)，日溫差大的地區(qū)，季節(jié)性凍深在1.45～1.66m。

3 隧道建設(shè)方案

目前八車道公路隧道主要采用雙洞八車道隧道方案與四洞八車道隧道方案，設(shè)計主要從道路交通組織、通行能力及行車安全、工程復(fù)雜程度、建設(shè)占地、工程風(fēng)險、建設(shè)工期、工程建設(shè)費(fèi)用、后期運(yùn)營費(fèi)用等方面對這兩種方案進(jìn)行對比分析研究，對比分析結(jié)果見表1。

表1 雙洞八車道隧道方案與四洞八車道隧道設(shè)計方案對比分析表

經(jīng)過對以上兩種隧道設(shè)計方案的綜合對比， 連霍高速（G30）新疆境內(nèi)小草湖至烏魯木齊段改擴(kuò)建工程，由于為后溝內(nèi)，走廊帶狹窄，展線困難，同時地質(zhì)條件相對較好，受地下水影響較小的實(shí)際情況，采用雙洞八車道方案工程風(fēng)險、工期均在可控范圍之內(nèi)，綜合考慮，采用雙洞八車道大跨扁平公路隧道。

4 隧道建設(shè)的重難點(diǎn)及應(yīng)對措施

4.1 大跨隧道施工開挖風(fēng)險

單洞四車道公路隧道目前在國內(nèi)并不多見， 開挖跨度在21m左右，高度在15m左右，扁平率小，與常規(guī)的兩車道公路隧道相比，結(jié)構(gòu)受力更復(fù)雜，開挖風(fēng)險更大。 根據(jù)圍巖條件設(shè)計了多種開挖工法， Ⅴ級圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工， Ⅳ級圍巖地段采用環(huán)形導(dǎo)坑開挖預(yù)留核心土法，Ⅲ級圍巖采用預(yù)留核心土或上下臺階法施工。采用短進(jìn)尺、弱爆破的開挖方法，加強(qiáng)臨時支護(hù)，使臨時支護(hù)盡快實(shí)現(xiàn)局部成環(huán)，具有承載能力。

4.2 大跨隧道淺埋偏壓進(jìn)洞風(fēng)險

在山區(qū)公路建設(shè)中，由于走廊帶一般比較狹窄，為了滿足線型的要求， 不可避免地存在大量隧道洞口與等高線斜交的淺埋偏壓情況，造成隧道洞口偏壓的情況。大跨隧道進(jìn)洞相對于普通隧道，更為不利，產(chǎn)生的彎矩、軸力、剪力和塑性區(qū)比普通隧道要大得多， 開挖過程中產(chǎn)生的松動荷載較大， 再加上由于隧道圍巖變形較大產(chǎn)生的形變壓力，使得開挖風(fēng)險及初期支護(hù)的風(fēng)險大幅度增加。

4.3 重難點(diǎn)應(yīng)對措施

（1） 針對大跨隧道施工開挖風(fēng)險， 主要采取以下措施，保證隧道施工安全。

1）優(yōu)化隧道襯砌結(jié)構(gòu)斷面

設(shè)計階段對襯砌斷面進(jìn)行了優(yōu)化，使其在滿足限界、減小開挖量的前提下，盡可能受力合理。 經(jīng)綜合對比，采用斷面較扁平的三心圓拱墻斷面， 其內(nèi)輪廓拱半徑為10.35m、曲墻半徑為6.50m，仰拱半徑為25.0m。 最大開挖跨度為22.56m，開挖高度14.0m，扁平率為0.657。

2）采用合理的開挖工法

隧道施工過程中， 根據(jù)洞身開挖后揭示的掌子面發(fā)現(xiàn)工程地質(zhì)條件比地勘資料提供的圍巖條件好， 通過洞口淺埋偏壓段以后，表層風(fēng)華巖體已經(jīng)安全通過，內(nèi)部巖層較好，裂隙不太發(fā)育地層中幾乎沒有地下水。

根據(jù)現(xiàn)場的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)， 對隧道開挖工法進(jìn)行了動態(tài)調(diào)整，針對Ⅴ級、Ⅳ級淺埋段圍巖，要求施工單位在洞口淺埋偏壓段必須采用原設(shè)計的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法， 順利通過洞口段后，逐步漸變至CD法；針對Ⅳ級深埋段，由于巖質(zhì)圍巖掌子面較為穩(wěn)定，故對其進(jìn)行優(yōu)化，在上臺階開挖后增加中間臨時支撐，即上臺階半步CD開挖法；針對部分Ⅳ級圍巖較好段，采用上下臺階法。

圖1 優(yōu)化后隧道開挖工法示意圖

（2）針對淺埋偏壓進(jìn)洞的問題，主要采取以下措施，實(shí)現(xiàn)了隧道安全進(jìn)洞。

1）偏壓擋墻及樁板墻

采用反壓回填措施， 隧道偏壓和應(yīng)力集中的現(xiàn)象得到一定程度的改善，塑性區(qū)范圍減小，有利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。本項(xiàng)目存在多處淺埋偏壓的洞口，設(shè)計及施工中主要采取了抗滑擋墻和抗滑樁板墻的方式來穩(wěn)定隧道邊坡，解決部分偏壓的問題。

2）偏壓襯砌結(jié)構(gòu)

針對洞口偏壓段，設(shè)計增強(qiáng)了襯砌結(jié)構(gòu)，采用了雙層初期支護(hù)，并增加靠山側(cè)錨桿及縮腳小導(dǎo)管，保證了施工過程中初期支護(hù)的剛度和圍巖的穩(wěn)定。 根據(jù)偏壓情況下二次襯砌臨空側(cè)受力較大、襯砌容易破壞的情況，設(shè)計了變截面的偏壓型襯砌，既能保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全，又能起到一定抵抗靠山側(cè)土壓力的作用。

（3）標(biāo)準(zhǔn)化保證隧道工程建設(shè)的順利實(shí)施。

1）隧道光面爆破技術(shù)的推廣應(yīng)用

在隧道開挖過程中全面推廣光面爆破工藝， 邀請國內(nèi)知名的隧道爆破專家到施工現(xiàn)場進(jìn)行指導(dǎo)， 隧道管理人員不但要懂光面爆破原理，還要懂具體操作，能手把手教操作工人連線、裝藥，制定考核辦法，做好各類圍巖的爆破設(shè)計優(yōu)化工作，提高隧道開挖爆破的精度，落實(shí)爆破施工工藝，減少超欠挖，保護(hù)圍巖，確保施工安全。

圖2 現(xiàn)場光面爆破效果

2）隧道施工新設(shè)備、新工藝的推廣應(yīng)用

隧道建設(shè)中運(yùn)用了多種成套的隧道施工新設(shè)備，主要有全方位噴射混凝土濕噴臺車、 多功能防水板鋼筋作業(yè)臺車、防水板土工布掛布臺車、紅外線激光定位裝置、帶模注漿二襯模板臺車、 自動行走噴淋養(yǎng)生臺車等新工藝，使隧道施工實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，提高了工作效率和施工質(zhì)量。

5 結(jié)論及建議

連霍高速（G30）新疆境內(nèi)小草湖至烏魯木齊段改擴(kuò)建工程，雙向八車道超大跨扁平公路隧道全部貫通，設(shè)計及施工過程中，充分利用現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，通過對隧道斷面及開挖工法的優(yōu)化，基本實(shí)現(xiàn)了隧道結(jié)構(gòu)合理、開挖工法安全高效的隧道建設(shè)過程，降低了隧道建設(shè)風(fēng)險，達(dá)到了動態(tài)設(shè)計、信息化施工。 從而得到以下結(jié)論及建議：

（1）單洞四車道的高速公路隧道盡管開挖跨度達(dá)22m，只要采取合理的結(jié)構(gòu)形式、 開挖工法、 標(biāo)準(zhǔn)化的施工技術(shù)，在新建及改擴(kuò)建項(xiàng)目中是安全可行的。

（2）常規(guī)兩車道隧道與大跨隧道在公路建設(shè)尤其是改擴(kuò)建項(xiàng)目中，應(yīng)結(jié)合交通組織、通行能力及行車安全、工程復(fù)雜程度、建設(shè)占地、風(fēng)險、工期、費(fèi)用、后期運(yùn)營等進(jìn)行充分的綜合比選，確定安全、經(jīng)濟(jì)的建設(shè)方案。

（3）大跨扁平隧道的施工，開挖工法是施工的核心，應(yīng)充分利用現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對隧道的開挖方案、開挖循環(huán)進(jìn)尺、支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適時優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)動態(tài)設(shè)計、信息化施工。

（4）光面爆破是大跨扁平隧道的關(guān)鍵，施工中必須采用光面爆破并保證爆破質(zhì)量， 將爆破對圍巖的損傷降到最低，提供圍巖的自承載能力。

（5）大跨扁平隧道應(yīng)有針對性的對淺埋段、偏壓段、斷層破碎段等重難點(diǎn)段落進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計。

（6）標(biāo)準(zhǔn)化是施工安全及質(zhì)量的保證，在大跨扁平隧道中，能夠有效的降低作業(yè)風(fēng)險，必須始終積極貫徹標(biāo)準(zhǔn)化施工。