摘 要 本文以分岔式特长隧道——山西晋济高速公路上的月湖泉隧道为例，介绍了该隧道的工程背景、平纵设计、洞口设计、洞身结构设计、防排水设计、通风、照明、消防、施工方案等主要设计内容，并指出了分岔式隧道的设计与施工的技术难点。
关键词 月湖泉隧道 分岔式 设计
1 前言
位于山西省境内的晋济(山西晋城-河南济源)高速公路，目前已全线开工建设。由于该工程穿过的区域多为崇山峻岭的山区，且地形极其陡峻，它的建设遇到了很多技术难题。在隧道建设方面，为了适应多变的地形地质条件，不仅设置了分离式隧道、连拱隧道、小净距隧道等多种形式，而且还设置了一种特殊结构型式的隧道——分岔式隧道，即一端洞口为连拱隧道，另一端洞口为分离式隧道。
全线共设两座分岔式隧道——月湖泉隧道和拍盘隧道。由于两者地质、地形条件类似，故下文将主要介绍月湖泉特长隧道的设计情况。
设置分岔式隧道的主要原因是：一方面受仙神河大桥的控制，其左、右幅桥均必须建造为整体形式；另一方面由于隧道紧接桥梁，两者之间缺少足够的过渡路基，因此紧邻桥梁一端的洞口必须设置为连拱隧道，而桥梁两端的隧道又较长，隧道全长都设置为连拱隧道既不经济也不安全，所以在隧道内有必要将左、右线洞室逐渐分离，这样就形成了分岔式隧道(图1)。
2 工程概况
2.1 地形地貌
该隧道位于山西省境内的太行山脉南端侵蚀-溶馈中山区，地形沿路线纵向起伏较大，隧道两端地形均较陡，晋城(进口)端地形坡度40°~50°，济源(出口)端地形为悬崖陡壁。最高点高程1057.53m，最低点高程411.03m，相对高差646.5m。
隧道左洞起止里程桩号为LK21+498~LK26+242.55，全长4744.55m；右洞起止里程K21+498~K26+219，全长4721m。施工中分两个合同段实施，其中第13合同段(进口端)属：于普通分离式隧道，而第14合同段(出口端)则为分岔式隧道。
2.2 工程地质及水文地质
隧址区地层主要为奥陶系中统上马家沟组，下马家沟组，奥陶系下统，寒武系上统风山组、长山组。在隧道中部，出露石炭系中统本溪组及奥陶系中统峰峰组。围岩岩性以灰岩、泥质灰岩和白云岩为主，总体表现为倾向NW的单斜构造，未发现断裂构造，地质构造简单。隧址区地震基本烈度为VI度。围岩类别以Ⅲ、Ⅳ、V类为主。
隧址区地下水类型主要为岩溶裂隙水。其水位埋藏较深，水文地质条件简单。
2.3 技术标准
(1)公路等级：高速公路(双洞四车道)。
(2)计算行车速度：80km／h。
(3)设计交通量：39407辆／日。
(4)隧道建筑限界：宽9.75m(单洞)，高5.0m。
(5)通风卫生标准：
a．正常运营时，隧道内CO设计浓度δ≤ 200cm3／m3，交通阻滞时，δ≤ 300cm3／m3。
b．隧道烟尘允许浓度K见表1。
c．稀释空气中异味：每小时4次，同时保证隧道内换气风速Vr≥2.5m／s。
d．火灾工况：火灾排烟风速按Vr≥3.0m／s取值。
(6)照明标准：中间段平均亮度上Lm≥3.6cd／m2，路面亮度总均匀度：Uo≥0.4，路面中线亮度纵向均匀度：U1≥0.6。
(7)用电负荷等级：照明负荷为一级，通风负荷为二级。
3 内轮廓设计
根据建筑限界要求，充分考虑衬砌结构受力特性、工程造价、装饰厚度及富余空间、运营设施的安装空间等因素，拟定隧道内轮廓。
隧道采用曲墙半圆拱断面(图2)，拱半径为5.30m，曲墙半径为7.80m，净空面积为60.98m2。
4 平纵设计
该隧道平面设计线与行车道中线相距4.75m，路线设计标高位置与行车道中。线相距4.25m，左线纵坡依次为-1.05％、-1.5％、-1.7％，右线纵坡依次为-1.10％、-1.5％、-1.7％。
隧道济源(出口)端平面布置为分岔式结构形式，从进口往出口逐渐由分离式隧道过渡为小峥距隧道，再过渡为连拱隧道(表2)，其中连拱段隧道加上小净距段隧道双洞总长1228.59m。
5 洞口设计
根据洞口的地质、地形情况，结合景观的需要，隧道进口采用拱翼形端墙式洞门，洞口边仰坡防护采用喷锚网。洞口至洞外路基填挖交界段，需作加宽处理，以适应洞门结构及管沟布置的需要；出口采用月弧形端墙式洞门，洞口边仰坡防护采用喷锚网。该洞口地形异常陡峻，基岩裸露，为巨厚层白云质灰岩，强度高、较完整，设计要求仰坡以不缓于1：0.1的坡率清坡，局部岩面可直接锚喷网防护，以尽可能减少对山体的破坏。同时，对洞口上方可能危及施工、运营安全的悬、孤岩石，应予清除。
6 洞身结构设计
隧道洞身结构包括三大类，即分离式隧道支护参数、小净距隧道支护参数和连拱隧道支护参数。设计时，主要根据隧道所处的工程地质条件，按新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌，其支护衬砌参数按工程类比，并结合有限元分析综合确定。
分离式隧道初期支护以喷射混凝土、锚杆、钢筋网为主要支护手段，二次衬砌采用C25混凝土或钢筋混凝土，整体式模板台车浇筑。Ⅱ类围岩段辅以钢格栅拱作为初期支护的加劲措施，洞口加强段或节理裂隙密集带以小导管预注浆作为超前预支护措施，并以型钢拱加劲初期支护。
小净距隧道支护衬砌形式与分离式隧道相同，但由于邻近洞室开挖所引起的二次应力的影响，其各类围岩的支护参数需作调整，尤其是低类别围岩段的中夹岩(两洞之间的岩体)进行加固。洞口加强段、Ⅱ类围岩段和Ⅲ类围岩段的小净距隧道，采用R32N自钻式中空注浆水平对拉锚杆，以加固中夹岩。
连拱隧道传统作法是采用竖直中墙，从目前国内已建成的连拱隧道的实际情况来看，传统作法的连拱竖直中墙与拱交接处开裂、漏水现象严重。究其根本原因是竖直中墙与拱交接处应力集中，受空间、工艺的限制，防水层的防水效果不理想。为此，本隧道连拱段采用曲中墙、隧道二衬与中墙分离、防水层全断面铺设的作法(夹心式中隔墙)。如此，不仅可改善中墙和整个洞室结构的力学性能，增加驾乘的舒适性，而且能在构造上消除、减轻运营维护的负担。
7 不良地质路段处治设计
月湖泉隧道位于白云质灰岩中，详勘揭示隧址区地下水不丰富，岩溶不发育。但从类似工程的情况来看，可能出现小规模的岩溶现象。为此，设计拟定了如下处治措施。
7.1岩溶水处理
a．为防止岩溶涌水、突泥，应采用超前钻孔探测，并预备足够的排水设备。
b．对于超前探水孔中单孔流量>2L／s，或总流量>10L／s的岩溶段，应预留5~10m岩盘进行注浆堵水。
c．对于超前探水孔中单孔流量<2L／s，或总流量<10L／s的溶洞，或溶洞与地表及外部岩层无水力联系时，可按疏导的办法进行处理。
7.2 溶洞处理
a．结合勘察成果，采用地质雷达、TSP等超前预报技术，探明溶洞的特征。
b．当溶洞规模较大，或溶洞虽小但要求不堵塞水流，或溶洞深浚或充填物松软，基础处理困难或耗资巨大时，则可根据具体条件采用相应的结构形式，如梁跨、板跨、拱跨等跨越措施。
c．对已停止发育的干小溶洞，采用混凝土、浆砌片石或干码片石堵塞、填实，必要时注浆加固以防止塌陷。
d．对不能填实的溶洞壁面，视情况采用锚喷、钢筋网、钢筋束进行封闭加固处理。
7.3 洞内充填物处理
根据洞内充填物的性状，可选用清除、换填、桩基、注浆等技术措施。
7.4 隧道支护衬砌
穿越溶洞段时，隧道支护衬砌参数按比相邻路段围岩低一类考虑，必要时应设置护拱。
8 防排水设计
隧道防排水按“防排堵相结合、因地制宜、综合治理”的原则进行设计。
a．洞口防排水
于洞口边仰坡坡口外5m左右设截水沟；洞口雨水经截、排水沟汇人临近路基涵洞或自然沟渠中。
b．洞身防排水
在二次衬砌与初期支护之间铺设EVA防排水层，二次衬砌中掺GNA高效抗裂膨胀防水剂，抗渗标号不小于S8；全隧道二次衬砌施工缝设膨胀止水条，沉降缝设止水带。
在衬砌拱背，防水层与喷射混凝土层之间设纵环向盲沟，衬砌背后的地下水通过环向排水盲沟、无纺布汇集到纵向盲沟以后，通过横向排水管，将地下水引人中心水沟排出洞外。洞内路缘边沟主要排放消防及清洗水。使地下水和污染水分离排放。
对于可能发生涌(突)水的地段，需要灵活运用注浆堵水技术。
9 路面、内装及横洞设计
隧道洞内路面采用复合式路面，上面层为10em的阻燃改性沥青混凝土，下面层为C35混凝土厚26cm，垫层为C15混凝土，厚16cm。非超高路段路拱横坡为单向2％，洞口平曲线范围需设超高，其路拱横坡根据超高按线性变化的原则计算确定，超高方式为沿路线设计标高位置旋转。
隧道内部装饰采用SD型隧道专用防火涂料，厚8mm，其中底层7mm，面层lmm，墙部面层为银灰色，拱部面层为铁蓝色。
车行横洞与隧道轴线成60度交角，车行横洞位于紧急停车带内，紧急停车带长40m，其路面与隧道路面相接；人行横洞设于车行横洞之间，其路面与检修道相接；全隧道共设人行横洞6道，车行横洞5道，紧急停车带左右线各5处。横洞、紧急停车带的结构及防排水设计方法与隧道主洞类似。
10 运营系统设计
10.1 通风系统
结合月湖泉隧道的特点，并充分考虑到隧道主洞施工和通风系统自身施工的方便性，设计通过对两种方案(一是全射流纵向式通风，二是斜井送排纵向式通风)的比选，最终确定采用了全射流纵向式通风系统。
10.2 照明系统
运营照明系统设计的基本原则是在保证行车安全和舒适的条件下，使照明回路操作简便，并考虑隧道运营期间养护方便，同时尽量节约能源。
设计选用光通效率高、穿雾能力强、光线柔和的高压钠灯作为主要照明灯具。隧道主洞内照明分别设置人口照明段、过渡照明段1、过渡照明段2、中间照明段、出口照明段和应急照明，以及横洞照明和紧急停车带照明。隧道照明按晴天、云天、阴天、重阴天、夜间和深夜六级控制，由不同的照明配线回路和照明监控实现，采用在隧道供配电洞室就地手动控制、监控中心远程手动控制和自动控制方式。
10.3 消防系统
在满足隧道洞内消防需要的情况下，消防系统应便于运营期间养护方便。
本隧道为特长双洞单向行车隧道，设计配置灭火器和泡沫消火栓消防灭火系统，隧道泡沫消火栓消防给水主管连通，并将左右洞给水管连成环状以提高供水可靠性。
11 施工方案
分离式隧道采用光面爆破，洞口加强段按单侧壁导坑法(中隔墙法)开挖，Ⅲ类围岩按上下台阶法开挖，Ⅳ、V类围岩按全断面法开挖。
小净距隧道采用光面、预裂爆破，Ⅳ类围岩段按左洞先行、上下台阶开挖。
连拱隧道采用光面、预裂爆破。按三导坑开挖，洞口加强段要求中导坑、侧导坑必须贯通，Ⅳ类围岩段只要求中导贯通。
喷射混凝土采用湿喷工艺，防水板接缝按双缝热熔焊接，二次衬砌采用整体式模板台车浇筑。隧道施工运输方式采用无轨运输。
12 结语
a. 这种隧道同时具有分离式、小净距、连拱三种结构型式，集目前已有的公路隧道结构型式于一体，隧道的设计具有新的特点和难点。
b. 由于分岔式隧道是在分离式、小净距、连拱隧道等结构型式都不能满足的情况下采用的，因此其地形和地质条件的影响更为复杂和不利。
分岔式隧道作为一种新的结构型式，在我国施工中还未真正地完工。因而，没有现成经验可以借鉴，对一些可能出现的新问题缺乏研究。
d．可以预见，由分离式结构到小净距结构、由小净距结构到连拱结构是设计和施工中的难点和重点。在施工方法和结构型式的转换过程中，由于结构受力状态复杂，且不同施工方法对围岩及支护结构的影响差异很大，对围岩应力及变形的发展趋势很难把握，施工中极易发生塌方、冒顶、衬砌开裂、结构渗漏水等现象，从而导致工程投资增加，影响工程进度。
(李 勇 丁 浩 李晓春 屈志豪 赵清碧)