摘 要 龙头山隧道为双向分离式单洞四车道高速公路隧道，隧道最大开挖宽度21．1m，是目前国内单洞开挖跨度量大的隧道之一．本文采用工程类比法对该隧道的结构支护参数进行了多方案的比选，针对不同围岩地质区段和两侧已有地下油库建筑，提出了地表注浆、反压护拱、双侧壁导坑开挖和微震动爆破施工等方法．应用有限元数值方法，结合不同的施工步骤，对隧道支护结构和围岩的稳定性进行了模拟分析，分析结果表明本文所确定的支护参数和施工方案安全可行．
关键词 公路隧道 大断面 单洞四车遭 结构设计 施工方案
1 工程概述
同三、京珠国道主干线绕广州公路东环段位于广东省广州市东南部，起自广州北二环高速公路火村互通式立交，向南经白云区、黄埔区、广州经济技术开发区，跨越珠扛水道，终于番禺区化龙镇，与广珠东线高速公路相连．本项目既是交通部规划的“五纵七横”国道主干线中同三、京珠两条国道主干线共线绕广州公路东环段，又是珠江三角洲经济区环形公路的东环段，在国家干线公路网、广东省和广州市区域公路网中占有重要地位．其建设具有十分重要的政治、经济意义。
龙头山隧道为国内规模最大的双向分离式单洞四车道公路隧道。隧道右线起讫桩号为：K5+760～K6+742，长982m；隧道左线起讫桩号为：2K5+760～ZK6+750，长990m。设计行车速度100Km／h，隧道净宽17.5m，隧道净高8.95m。隧道最大埋深98m。隧道进口最小净距25.05m，出口最小净距22.59m。
2 工程地质条件
2.1 地质构造及地层岩性
隧址区发育一构造破碎带，位于隧道洞身K6+225一K6+250处，断层宽约20～30m，倾向南酉，倾角约70，构造带岩石破碎，岩体稳定性较差．隧道轴线主要穿越的地层从新到老主要为砾质亚粘土，全风化二长花岗岩，强风化二长花岗岩，弱风化二长花岗岩，微风化二长花岗岩．
2.2水文地质条件
隧址区地下水类型主要有孔隙潜水和基岩裂隙水．孔隙潜水主要赋存于隧道的第四系残坡积层及全风化花岗岩中，孔隙潜水含水层埋藏浅，水量小，富水性弱，受大气降水直接补给，动态变化大．断层构造破碎带出露处，地下水呈片状渗出，流量约为1．50L／s．基岩裂隙水主要赋存于基岩裂隙中，赋水性不均匀，局部透水性较好，主要受大气降水及第四系孔隙潜水的渗入补给．
2.3 不良地质
a．隧道进出口段为I类围岩，土层较厚，松散，岩石破碎，节理发育，不稳定，强风化层内含不均匀球状风化体，顶部易坍塌，进口段存在严重的浅埋偏压．
b．洞身断层构造破碎带岩石破碎，岩体稳定性较差，地下水流量大。
3 隧道内轮廓断面确定
拟建的龙头山隧道为双向分离式单洞四车道高速公路隧道。隧道内轮廓方案的选取除要满足建筑限界的要求外，还必须考虑隧道通风、照明、通讯、排水、装饰等其它设施需要的空间，同时衬砌内轮廓的形状和尺寸还要重点考虑结构受力特点、工程造价及施工方法等诸多因素进行分析比较，本着断面利用率高，衬砌结构受力均匀、合理、安全、经济的原则进行选取．经过多种方案的分析比较，龙头山隧道的内轮廓采用三心圆形式，隧道单洞净宽17．5m，其中隧道行车道宽度3．75×3+3.5m，路缘带宽度O.5×2m，余宽0.5×2m，检修道宽0.75m，净高8.1m，限高5.0m。隧道净空断面见图1。
4 衬砌结构参数拟定
龙头山隧道为特大跨度隧道，隧道矗大开挖宽度达21．1m，最大开挖高度达13．2m(含仰拱)，最大开挖面积为229．4m‘，这是本隧道的最显著特点．加之地质条件较为复杂，因此如何达到设计参数合理、安全、可靠，也就成了该隧道设计的关键。龙头山隧道衬砌结构参数的选取采用了工程类比与数值分析相结合的方法。即在目前国内已建三车道隧道经验的基础上，并参考国内外相关资料，结合内轮廓断面形式、施'T'-I-序、开挖方法等综合因素进行支护参数的选取。由于单洞四车道超大断面结构隧道在国内公路隧道建设史上实属罕见，参数的选取充分考虑采用喷钢纤维混凝土、预应力锚杆、H型钢架等新型支护手段。隧道衬砌支护参数见表1。
5 隧道施工开挖方案选择
5．1 进口浅埋偏压段施工方案
龙头山隧道进口地形、地质条件较差，洞口段地质为坡残积土及强一全风化花岗岩地层，属'类围岩浅埋段，右洞隧道存在严重偏压。隧道在K5+795m—K5+810m段，隧道拱顶开挖最小埋。深4—5m；设计采用直径50小导管进行地表注浆加固围岩，提高围岩的自身承载能力，减小围岩侧向压力．同时采取合理的开挖工序，即先开挖浅埋一侧，后开挖深埋侧，降低施工难度，然后采取分部、分步开挖，即人工开挖或尽量采取小炮开挖方法，仰拱及时封闭成环。
隧道在K5+810m~K5+825m段埋深最小，出现了露拱现象，隧道难以成洞，设计采用地表反压回填，同时针对露拱处施作60cm厚混凝土套拱．具体施工开挖步骤如下；
a．先开挖清除(一)部分地表土体，再对隧道左侧高边坡采用直径22砂浆锚杆、喷混凝土进行加固；
b．施作60cra厚混凝土套拱②，套拱施作时，套拱两端基础各延伸至围岩内80cra；；
c．套拱施作完毕后，对隧道拱顶(三)部分进行回填，回填采用3—4m厚水泥稳定碎石土，碎石土上部采用50m厚粘土作为隔水层，同时对回填后地表进行植树绿化；
d．以上处理措施施作完毕后，采用双侧壁导坑施工方法对隧道主洞进行开挖施工．施工方案见图2．
5.2 洞身以Ⅱ、III类围岩施工方案
由于隧道开挖跨度非常大，因此施工方案的选择显得极为重要．本隧道施工必须采用信息化，按照“新奥法”原理进行．I、III类围岩施工采用双侧壁导坑法开挖，IV、V类围岩采用上下台阶法开挖．对于II、III类软弱围岩段步步为营，严格遵循“弱爆破、短开挖、强支护、早闭合、勤量测、衬砌紧跟”的原则．充分做好超前预支护，各工序紧跟，合理控制各分部断面施工进度与工作面间距，根据隧道超前地质预报结果并结合反馈信息及时优化调整设计参数，防止岩体坍塌。II、III类围岩开挖、支护顺序：
a．左、占侧壁导坑先行开挖：左、右侧壁导坑采用上下台阶分步施工开挖，注浆锚杆、钢拱架(格栅钢架)、喷射钢纤维混凝土等初期支护紧跟开挖，每次开挖、支护循环进尺控制在75～200cm之内；初期支护墙脚设锁脚锚杆，围岩变形较大时设临时仰拱．左、右侧壁导坑施工开挖掌于面前后间距控制在20一40m以内。
b．主洞上弧形导坑开挖：上弧形导坑开挖后，及时采用注浆锚杆、钢拱架(格栅钢架)、喷射钢纤维混凝土等措施对围岩进行支护．每次开挖、支护循环进尺控制在l00cm之内。进、出口I类围岩浅埋段主洞上弧形导坑开挖采用人工机械开挖，严禁施工爆破。
c．核心土开挖；中间预留核心土开挖分上下台阶分步施工开挖，核心土开挖完毕后，及时对仰拱进行封闭，同时拆除导洞临时支护．核心土部分每次开挖循环进尺不得超过200em。最终全断面模筑钢筋混凝土二次衬砌．II、III类围岩施工方案见图3。
5.3 微震动爆破施工方案
龙头山隧道洞身轴线南北两侧400m左右处各分布一地下大型油库，地下油库的存在对隧道施工开挖技术提出了新的课题．为了使隧道施工爆破对现有油库不产生破坏影响，控制爆破地震安全距离是关键，设计方案对隧道受影响段落的施工提出了安全、可行的技术要求，要求隧道爆破开挖采用微震动“光面爆破”或“预裂爆破”技术，严格控制开挖爆破震动速度．隧道开挖时，要求施工浅孔爆破分部开挖，400m范围内安全震动速度控制在1.2cm／s，相当于～级以下地震烈度。
爆破地震安全距离可按下式进行计算：
式中：Q一炸药量(Kg)，齐发爆破取总炸药量；微差爆破或秒差爆破取量大一段药量；
y一地震安全速度，cm／s；
m一药量指数，取1／2；
K、a一与爆破点地形、地质条件有关的系数和衰减指数．
根据上式计算得到爆破地震安全距离为373m，小于400m，满足工程要求。隧道与地下油库平面位置关系见图4。
6 有限元结构计算
隧道支护设计和施工方案确定后，能否保证隧道施工过程的安全，必须对围岩和支护结构在施工过程中的稳定性进行分析。本次隧道衬砌结构计算理论按三维线弹性理论和二维弹塑性理论考虑，采用ANSYS大型通用结构计算程序进行计算．计算方案按照所设计的施工方案分为七个步骤。
6.1 基本假定和计算模型
本次隧道支护结构计算理论按三维线弹性理论和二维弹塑性理论考虑，岩体初始应力场仅考虑其自重应力．弹塑性计算围岩选用DP材料来模拟，且不考虑体积膨胀：混凝土和锚杆为线弹性材料。计算模型总宽度为100m，岩体和混凝土使用三维四节点和二维四节点单元模拟，锚杆用杆单元来模拟．计算模型的边界底部完全固定，两侧可以有垂直位移，但水平方向位移为零。隧道最大开挖宽度为21.1m，最大开挖高度13.2m。根据文献[1]中第7.1.3条的规定，计算复合式衬砌时，初期支护应按主要承载结构计算．二次衬砌，在III类及以下围岩，应按承载结构设计，在IV类及以上围岩可作为安全储备．计算中荷载分布假设开挖瞬间地应力释放40％，初期支护施作后释放其余60%。
6.2 数值模拟分析过程及结论
针对不同围岩类别结合隧道开挖的施工方法，通过有限元数值模拟计算，分别给出了不同施工步骤衬砌的最大、最小主应力、位移及锚杆的轴向应力等．计算结果表明：无论是用三维线弹性理论还是弹塑性理论计算，各类围岩衬砌混凝土的压应力均满足强度要求，因此目前所设计的支护结构是安全合理的。模拟施工分部开挖过程，计算发现临时支护个别点拉应力超出极限值，隧道两个拱脚处的围岩也发生塑性变形，但没有出现大面积的塑性区。所以说明本文所确定的施工方案是完全可行的。II类围岩浅埋段衬砌最小主应力见图5。
7 结束语
a. 目前三车道公路隧道已建成不少，并积累了丰富的经验，然而对于单洞四车道特大断面隧道的修建在国内外并不多见。本文结合龙头山隧道设计，对大断面单洞四车道公路隧道的结构支护参数、施工开挖方案进行了研究探讨，并应用有限元数值模拟方法对支护结构的强度及围岩的稳定性进行了模拟分析，为今后超大断面公路隧道的设计积累了经验。但对这样的超大断面隧道，设计与施工中尚存在许多技术问题有待研究，例如隧道断面形状的优化、支护参数的合理确定，开挖方法的正确选择以及新技术、新材料的应用等，还需要进一步系统研究。
b．龙头山隧道是超大断面公路隧道，设计仅是整个工程建设的一部分。隧道施工过程中，现场监控量测必须认真进行，特别是围岩压力、洞周位移、拱顶下沉、初次衬砌应力、临时支护变形等应该作为监控量测的重点。通过现场量测及时掌握围岩和支护结构的动态，以实现结构支护参数和施工方案的动态优化。
(宫成兵 张武样 杨彦民)
