单洞四车道大跨度公路隧道方案比选技术探讨

单洞四车道大跨度公路隧道方案比选技术探讨52浙江交通科技2006年第1期单洞四车道大跨度公路隧道方案比选技术探讨瞿荣辉(宁波市公路局宁波315000)【摘要】单洞四车道大跨度公路隧道的设计和施工技术在国内外尚不成熟,可以参照的工程实例较少.文章对暗挖分离式小净距隧道方案,暗挖连体式隧道方案和全长明洞方案从技术町行性,经济效益和社会效益三个方面对备选方案进行了比较,并采用综合评分法进行了定量化的评价.根据评分结果,推荐l采用晴挖分离式小净距隧道方案.采用这样的比选技术路线,可以在确保隧道交通功能的前提下.实现绎济效益和社会效益的双赢.关键词】大跨度:隧道:综合评分法1引言近几年来随着我国国民经济和汽车工业的蓬勃发展,城市交通量急剧提高,交通拥挤状况逐渐成为阻碍地方经济发展的瓶颈,原先的两车道高速公路已经不能满足日益增长的交通需求.修建多车道高速公路无疑是解决这一问题的有效途径之一,但是作为高速公路控制性工程的多车道隧道给设计和施工带来了诸多挑战.目前,单洞两车道隧道和三车道隧道的设计和施工技术已经比较成熟,但是单洞四车道大跨度隧道在国内外工程界并不多见,国内仅有位于同三,京珠国道主干线共线绕广州公路东环段的龙头山隧道,位于沈大高速公路上的韩家岭隧道口】等屈指可数的几座.其中龙头山隧道最大开挖宽度21.1米,最大开挖高度13.2米,左右洞最小净距22.59米;韩家岭隧道最大开挖宽度22.482m,最大开挖高度15.52m.本文的工程背景是宁波市某绕城高速公路隧道,该隧道为单洞四车道隧道,全长15Om,设计时速为12Okm/h.隧道穿越的地层围岩级别为IV级和V级,围岩整体较破碎,呈镶嵌碎裂结构.隧道最大埋深22m,属浅埋隧道.2技术可行性分析技术可行性分析是整个比选过程的基础,只有技术上可行的方案才有进一步比选的必要性.技术分析的主要任务是从设计和施工两个方面来分析方案的技术可行性,其中以衬砌结构设计最为关键.2.1暗挖分离式小净距隧道方案技术分析小净距隧道的工程造价和施工工艺同普通双洞隧道基本相似,与连拱隧道相比造价要低,施工工艺要简单,双洞问距比较小,有利于公路整体线性规划和线形优化.但是小净距隧道的中间岩柱厚度远比普通双洞隧道要小,隧道的围岩稳定性与支护结构受力要比普通分离式隧道要复杂.小净距隧道在单洞两车道隧道和三车道隧道中已积累了不少工程经验【3儿圳,但是在四车道隧道中尚未尝试.2.1.1支护结构方案鉴于目前可以类比的小净距四车道隧道工程实例较少的现状,本文采用地层结构法数值分析方法对围岩稳定性进行定量化评价,根据计算结果对初期支护参数进行了优化,并以荷载结构法数值分析方法来验证初期支护和二次衬砌强度和刚度,根据计算结果对初期支护工字钢拱架的问距进行了调整.图1足小净距隧道地层结构法计算模型,隧道围岩的稳定性分析采用同济曙光软件,其中岩石单元采用弹塑性模型,屈服准则采用Mohr-Coulomb屈服准则,接触面采用无厚度Goodman节理单元模拟.I.1_I图1小净距隧道地层结构法计算模型图2是隧道在没有施做支护情况下围岩的塑性区分布情况.计算结果表明,隧道左右两侧拱肩处的塑性区扩展深度较广,达到7.8m左右,其它部位的性区扩展深度均不深于5m.同时发现中2006年第1期浙江交通科技53问岩柱是一处薄弱环节,通常会形成一个上下贯通的蝴蝶形塑性区,因此宜将中间边墙的系统锚杆改为水平对拉锚杆,并施加预应力以改善中间岩柱的受力结构.图2小净距隧道尢支护措施时围岩塑性区分布图在确保围岩稳定的前提下,在Ansys软件中采用荷载结构法,进而对初期支护和二次衬砌的强度和刚度作进一步分析.初期支护的弯矩和轴力由喷混凝土和工字钢拱架共同承担,按照变形协调的原则,喷混凝土和工字钢所分担的弯矩根据各自的抗弯刚度E1分配,轴力则根据抗压刚度EA分配,工字钢拱架间距由1.0m开始试算并逐渐调整,减小到0.50m时初期支护上的喷混凝土和工字钢上的应力均小于各自材料的许用应力.二次衬砌的强度验算,按照钢筋混凝土受弯和受压构件配筋量计算方法进行I引.考虑到小净距隧道施工时两隧道的扰动影响较大,安全系数K值取为2.4.支护结构方案通过类比同级围岩条件下两车道,三车道隧道的参数,参考国内外四车道隧道和小净距隧道的工程实例后初步拟定,经过地层结构法和荷载结构法数值分析验证和优化后,确定最后的衬砌参数,其中超前支护采用管棚+注浆,初期图3小净距隧道采用支护措施后的围岩塑性区分布图支护采用28cm厚C25喷混凝土+5.0m250.75m1.Om先锚后灌式注浆锚杆(拱肩处为8m,中间岩柱处为水平对拉锚杆)+61515am钢筋网+20b号O.50m工字钢拱架,二次衬砌采用70cm厚C25钢筋混凝土,受拉侧配筋1025.图3是根据最终确定的支护结构方案,重新建模并计算后围岩塑性区的分布图,可见塑性区已经消失殆尽.2.1.2施工方案通过近年累积的三车道大跨径分离式隧道的设计施工经验,并借鉴困内外已经建成的四车道大跨径隧道施工经验,本方案在V级围岩中采用双侧壁导坑先行,中央预留核心土分台阶开挖方案.以左洞先开挖为例,施工步骤为:超前支护(管棚+注浆)先行导坑超前支护(超前小导管注浆)先行导坑开挖(町分台阶)先行导坑锚喷支护,钢拱架支撑水平对拉锚杆施做(右洞先行导坑开挖并施做初期支护后)后行导坑超前支护(超前锚杆)后行导坑开挖(可分台阶)后行导坑锚喷支护,钢拱架支撑中央部拱顶开挖中央部拱顶锚喷支护,钢拱架支撑核心土上部开挖核心土下部开挖仰拱锚喷支护,钢拱架支撑仰拱一:次衬砌浇注拱圈及边墙二次衬砌浇注.施工过程中,右洞开挖滞后左洞3O50m进行.注浆锚杆,钢拱架,喷射钢纤维混凝土等初期支护应紧跟开挖,每次开挖,支护的循环进尺控制在0.75-1.5m;中央部拱顶每次开挖,支护循环进尺控制1.0m米之内:核心土部分每次开挖循环进尺控制在2.0m以内.本工程由于同时存在小净距,浅埋,大跨度三个问题,所以对中间岩柱体的保护(弱爆破开挖)及加固(小导管注浆,对拉锚杆等措施)显得尤为重要.2.2暗挖连体式隧道方案技术分析暗挖连体式隧道的技术分析思路和小净距隧道相似,同样是借助工程类比法初拟支护结构方案和施工方案,用数值分析方法来验证和优化支护结构方案和施工方案.2.2.1支护结构方案连拱隧道支护结构参数是在类比国内外几座三车道连拱隧道的成功经验【.】【71和小净距隧道方案54浙江交通科技2oo6年第1期数值分析的基础上拟定的.然后用地层结构法和荷载结构法数值分析对支护结构方案进行强度和刚度两个方面的验证,并优化支护结构方案.根据上述技术路线,最后确定连体隧道的支护结构方案如下,V级围岩衬砌超前支护采用管棚+注浆,中隔墙厚度为2.Om,初期支护采用28cm厚C25喷混凝土+5.0m中250.75m1.Om先锚后灌式注浆锚杆(拱肩处为8m)十中61515am钢筋网+20b号0.50m工字钢拱架,二次衬砌为70am厚C25钢筋混凝土,受拉侧配筋8中25.图4连拱隧道围岩塑性区分布图图4是根据最终确定的衬砌参数,重新建模并计算后围岩塑性区的分布情况.计算结果表明,围岩塑性区仅存在于左洞墙脚小圆弧附近,右洞墙脚小圆弧附近,右洞拱脚附近,和中隔墙上部V形区域,其中中隔墙上部的V形塑性区域较大,即使加强支护结构刚度,对该区域塑性区的改善效果也不甚明显.2.2.2施工方案连体式隧道施工方案参考两车道连体隧道的施工方案,采用单导洞先墙后拱法施工.其程序如下:第一步:中隔墙中央导坑开挖及导坑锚喷支护,直至中央导坑贯通;第二步:在中央导坑内由隧道中部内外浇注中隔墙,直至全部完成;第三步:在准备开挖左洞或右洞拱部断面之前,在中央导坑另一侧作横支撑,以确保中隔墙稳定;开挖左(或右)洞拱部,拱部在管棚注浆或其它超前支护后实行环状留核心开挖,安装钢拱架并及时锚喷支护,钢拱架分别支承于中隔墙及边墙上:再进行下部开挖,支护,施作仰拱二次衬砌,铺设拱,墙部防水层,最后作拱圈及边墙二次衬砌.可见,连体隧道较分离式隧道施工更复杂,施工步骤繁琐,工期更长;特别是八车道大跨度连体隧道,在国内(高速)公路建设中未见先例,国外亦鲜见.尽管从结构分析的角度来看,中隔墙,初期支护,二次衬砌的强度是能够确保结构稳定的,但是施工中不可预见因素较多,计算分析偏于理想化,因此施工的技术风险性相对较大.2.3全长明洞方案技术分析2.3.1支护结构方案明洞结构荷载传递机制比较明确,施工步骤对衬砌结构的影响也比较小,因此在初步确定衬砌厚度(85cm)后,在Ansys软件中采用荷载结构法,验算了结构的强度,明洞覆土高度按照5m计算,图5是计算模型.图5全长明洞方案数值分析模型根据计算得到的梁单元弯矩,轴力和剪力,取安全系数K=2.0,按照钢筋混凝土受弯和受压构件进行配筋量计算,拱顶受拉侧需配钢筋6尘22.计算中发现,弹性抗力对明洞衬砌结构的内力(尤其是弯矩)非常敏感,浆砌片石的强度等级和施工质量应该保证其弹性抗力系数k不低于230MPa/m.而从弹性抗力分布情况来看,拱脚以下开始出现负的弹性抗力(压力),因此两侧C15片石混凝土的高度应该到拱脚.2.3.2施工方案明洞方案的施工方案相对简单,即采用明挖法施工.施做衬砌结构后,覆土回填,恢复绿化.3经济效益分析经济效益比较主要是对比各方案的每延米造价,并综合考虑环境保护和征地拆迁等其它费用.2oo6年第1期浙江交通科技55经过预算,暗挖分离式小净距隧道方案每延米造价为27.83万元,暗挖连体式隧道方案每延米造价为33.37万元,全长明洞方案每延米造价为25.24万元.其中明洞方案考虑了征地拆迁和人工恢复绿化的费用.可见,三者相比较,连体隧道方案造价最为昂贵,高出分离式小净距隧道19%以上;全长明洞方案造价最低,但是与分离式小净距隧道相比,优势不明显.4社会效益分析公路建设对生态环境的不利影响已经引起足够的重视.高填,深挖诱发的地质病害问题,防护加固,地基处理增加的工程费用问题,破坏植被与水系引起的水土流失问题,征地拆迁引起群众纠纷等社会问题,都成为设计人员在线路比选时必须考虑的问题.交通部已经提出了建设高速公路要把环境保护放在首位的指导思想,各地也提出建设生态公路,环保公路等设计理念.围内已经有几条高速公路在环境保护方面开展了积极尝试,比如通过架桥,修隧道的方式专设动物走廊等.三个备选方案中,全长明洞方案施工工艺最简单,工期最短,造价低廉,但是明开挖放坡较高,高达30m左右,临时防护亦需较大工程量,产生的废方较多.虽然洞顶可回填部分土石,通过人工植被恢复绿化,但填土高度有限,难以恢复原始地貌,对自然景观将产生很大的破坏影响.而且,当地山地资源较少,地方政府和群众要求保护稀有山景的呼声很高.另外,全长明洞方案涉及到征地拆迁问题,势必会影响工程进度和造价.暗洞方案相对来说设计,施工难度较大,施工周期长,但是对山体开挖较少,对植被等环境因素破坏较小,且采用伸长的倒削竹明洞洞门后,基本能融合到原有的景观之中,所以经济上造价虽然偏贵,但社会综合效益较好.5综合比选在选择最优方案过程中,本文采用了百分制的综合评分法.综合评分法,是指在最大限度地满足本工程实质性要求前提下,按照通常采用的各项因素进行综合评价后,以评价总得分最高的方案作为最优方案推荐给业主的方案比选方法.该方法的最大的优点是将以前只能定性分析的因素定量化,因此评价的结果更加客观,科学.评分过程中考虑设计技术难度,施工技术难度,经济性,征迁面积,环境影响等五个评分因素,其中设计技术难度因素的基本分为20分,施工技术难度因素的基本分为2O分,济性因素的基本分为25分,征迁面积素的基本分为l5分,环境影响因素的基本分为20分.表1是各方案的评分结果,综合各方面的因素考虑后,初步设计推荐聚用暗挖分离式小净距隧道方案.表1各方案综合评分结果分离式小净距隧-埴方案151515152O8o连体式隧道方案10510全长明洞方案2O2O2O55706结语单洞四车道公路隧道的设计和施工技术在国内外尚不成熟,可以参照的工程实例较少.本文通过技术,经济,社会三个方面综合比较,并用综合评分法对比选过程进行定量化,最后推荐采用暗挖分离式小净距隧道方案.在确保交通功能的前提下,实现经济效益和社会效益的双赢.参考文献1宫成兵,张武祥,杨彦民.大断面单洞四牟道公路隧道结构设计与施1=方案探讨.公路,2004(4):I77182【2】万明富,魏明祥,时磊.韩家岭四车道隧道设计与施I技术研究.公路隧道.2004(4):7.I23秦峰,吴存兴l,J,间距隧道开挖方法浅谈.现代隧道技术,Vo1.40No6+2003.12:39-42,494黄拔洲,陈少华,秦峰-,J,间距隧道在京福高速公路卜的实践.重庆人学,Vo1.26No.10,2003.10:I9-22【5】人民交通卜H版社.公路隧道设计规范(JTGD70.2004).北京:2004【6】卢耀宗,杨文武.莲花tll大跨度连拱隧道施I方法研究.中国公路学报,Vo1.14,No.2,20014:75.77【7】肖红渠五龙岭大跨连拱隧道施.1监测及变形特性分析.隧道建设.2001.3:1-6收稿日期:200512-09