浅谈连拱隧道的设计

    摘  要：本文通过详细对比曲中隔墙连拱隧道与直中隔墙连拱隧道在内轮廓、排防水、施工工艺及围岩受力等方面的特性，阐明了曲中隔墙连拱隧道相对于直中隔墙连拱隧道的先进性。
    关键词：连拱隧道设计 开挖工序 围岩稳定

　　1. 引言
　　随着高等级公路建设的发展，特别是近年来山区高速公路的修建，公路隧道得到了广泛的应用。其形式也多种多样，连拱隧道是其中的一种特殊形式。它的出现对地形复杂的山区高速公路的线形布设，节省总体工程投资有着重要的意义。特别是在山区高速公路修建中短隧道（隧道长≤500）中，其具有较大的优势而常被使用。在我省的福泉高速公路、罗长高速公路和三福高速公路中已建成和正在修建的连拱隧道就有25座。但连拱隧道同时也带来了诸如相对工期长，设计繁琐，施工技术要求高等缺点。因此有必要对连拱隧道的设计与施工进一步的深入研究，本文结合我省连拱隧道的建设情况对其进行总结和探讨。

　　2. 方案选择
　　在山区高等级公路建设中路线经常遇到穿过小垭口或小山鼻的情况，一般存在三种可以选择的方案，即路堑、小间距隧道和连拱隧道方案。只要路基边坡高度等于大于40m，且左右路幅难以拉开形成独立的左右线或拉开（增大）左右路幅需要增加较大的路基工程量时，就可考虑采用连拱隧道的方案。相对于大开挖的路堑方案有着不破坏自然景观和避免高边坡不稳定（指小规模的坍塌）对安全运营造成威胁的隐患。与小间距隧道相比较，连拱隧道对两端接线地形要求不高，接线工程数量小且接线线形较为顺畅，另外在低围岩类别地段（指III和II类围岩）由于小间距隧道对中心岩核处理的技术和施工工艺较为复杂，因此连拱隧道在可靠性、经济性和时间性（指工期）上与路堑和小间距隧道有较大的可比性。
　　连拱隧道的平纵面线形和其长度是其总体方案设计的关键，其平纵面线形一般由公路的总体布置决定的。但在做公路线形的总体设计时也应考虑到隧道结构的特殊性，洞内应具备有良好视距，较少的汽车尾气排放等舒适的行车条件，因此一般情况下连拱隧道的平曲线半径要求大于等于500m，其长度要小于等于500m，纵坡不大于5.0%。
　　3. 净空轮廓
　　隧道净空除了满足建筑限界和洞内设备安装空间要求外，还应满足技术、视觉和施工工艺的要求。我省修建的连拱隧道的净空轮廓有两种类型，即直中墙净空轮廓（如图1）和曲中墙净空轮廓（如图2。直中墙净空轮廓的连拱隧道施工工艺简单，洞内行车道中心线与洞外路基行车道中心线偏离较小，但视觉效果较差。近几年来我国的公路隧道技术有了突飞猛进的发展，建设者们对隧道设计与施工工艺提出较高的要求，所建隧道均应采用大模板钢台车浇筑二衬混凝土以达到二衬内表面整齐光洁。由于连拱隧道一般上长度小于等于500m，采用大模板钢台车一次性资金投入大，而连拱隧道的直中墙净空轮廓与单洞隧道的净空轮廓差异较大，台车的周转利用率低造成较大的浪费。曲中墙净空轮廓的连拱隧道有较好的视觉效果，并且由于其净空轮廓与单洞隧道的净空轮廓并无实质上的差异（设计时可用与单洞隧道相同的内轮廓半径），这样就提高了台车的利用率，节省资金。以往我省的福泉高速公路、罗长高速公路所修建的连拱隧道均采用直中墙净空轮廓，而正在建设的三福高速公路中连拱隧道均采用曲中墙净空轮廓。

图1直中墙（尺寸单位：cm）

图2 曲中墙（尺寸单位：cm）

　　必须注意的是，曲中墙连拱隧道的左右洞行车道中心线与路线左右幅行车道中心线偏离比直中墙连拱隧道大，因此进出洞口与路基正常段的行车道中心的连接过渡距离相应较长，但可采用路基横断面路幅调整和路面标线过渡，使其形成顺畅舒适的行车道轨迹。
　　4. 结构设计的特点
　　连拱隧道的结构设计主要包括初期支护、二次衬砌、中隔墙和防水层设计。特别是中隔墙的设计直接影响着隧道围岩的稳定、支护的安全性和施工工序，防水层设计关系到隧道的耐久性、运营的安全性和隧道的外观形象。直中墙连拱隧道和曲中墙连拱隧道由于中墙设计方法的不同，使它们除具有连拱隧道的共同特性外又具有各自的特点。
　　直中墙连拱隧道的一般结构如图3所示，它与单洞隧道的主要区别在于直中隔墙和排水系统，其中墙在中导洞贯通后即浇筑，它既是初期支护和二次衬砌的支撑点，又是防水层的支撑结构。洞室开挖后初期支护支撑于中墙，而防水层则绕过初期支护与中墙的结合部越过中墙顶与洞室内其他防排水设施形成完整的排防水系统，中墙的中央纵向每隔一定间距埋设竖向排水管以排除中墙顶凹部的积水。中墙与中导洞之间的空洞是待初期支护和中墙防水层施工完成后回填。根据上述直中墙连拱隧道结构的特点决定了它存在着两个较为明显的缺点，其一由于中墙与中导洞之间的空洞得不到及时的回填造成开挖时毛洞跨度增大，B/H值变大（其中B为毛洞跨度，H为毛洞高度）使洞周围岩处于较为不利的受力状态，从而影响施工安全和进度。在回填空洞时由于受支护等因素的干扰施工时往往没办法回填密实，这就给运营安全留下了隐患。其二由于部分围岩裂隙水经中墙顶凹部通过排水管排入排水沟，这样一来容易造成凹部集水，并且该部排防水系统施工难度大，质量难以控制，造成隧道中墙渗漏水，影响结构的耐久性和运营的安全。

图3 直墙连拱隧道一般构造

　　曲中墙连拱隧道的一般结构如图# 所示，它与直中墙连拱隧道的主要区别在于中墙和中墙处的排防水处理。在中导洞贯通后随即修建中墙，要求中墙顶部与中导洞顶紧密接触，这样就克服了直中墙连拱隧道中墙与中导洞之间存在着空洞的缺点，使主洞开挖时毛洞跨度相对减小，有利于洞周围岩的稳定，从而减少了施工时的辅助措施，加快了施工进度，节省了工程投资，并大大提高结构的可靠性，使运营安全得到更进一步的保证。由于曲中墙两侧外轮廓与双洞隧道初期支护轮廓一致，有利于防水板的全断面铺设，从而使曲中墙连拱隧道中间部分的排防水结构与独立的单洞隧道相同，其施工工艺相对较为简单，质量容易控制，隧道建成后排防水系统运作可靠。

图4 曲墙连拱隧道一般构造

　　5. 开挖工序
　　隧道施工的开挖工序直接影响着隧道的施工安全、工程费用和工程进度，连拱隧道在这个问题上更显得突出。设计中如何选择适当的施工工序是每位设计者必须慎重面对的问题，以下就针对II类围岩简要介绍我省连拱隧道施工工序。
　　以往我省所修建的直中隔墙的连拱隧道的施工工序如图3所示，从图中可以看出该工序总共有20步，它们顺序是：a.开挖中导洞，b.中导洞支护，c.中墙砌筑(注意：中墙与中导洞间留有空洞），d.铺设中墙顶防水板，e.左右侧导洞开挖，f.左右侧导洞支护，g.左洞拱部开挖，h.左洞拱部支护，i.在中导洞右侧设置工字钢临时支顶，j.左洞防水层铺设及二衬混凝土的浇筑，k.左洞核心土开挖，l.左洞初支仰拱，m.左洞仰拱二衬浇筑，n.右洞拱部开挖，o.右洞拱部支护，p.右洞防水层铺设及二衬砼的浇筑，q.右洞核心土开挖，r.右洞初支仰拱，s.右洞仰拱二衬浇筑，t.中墙顶回填。从以上工序来看该施工方法步骤繁多，临时支护措施多，因此导致工程工期长，费用高。
　　在曲中隔墙的连拱隧道的施工中，采用如图4所示的方法进行。其施工顺序是：a.开挖中导洞，b.中导洞支护，c.中墙砌筑（注意：中墙浇筑至中导洞顶），d.左洞上导坑开挖，f.左洞拱部初支，g.右洞上导坑开挖，h.右洞拱部初支，i.左洞下导坑开挖，j.左洞边墙及仰拱初支，k.右洞下导坑开挖，l.右洞边墙及仰拱初支，m.左洞仰拱浇筑，n.左洞二衬浇筑，o.右洞仰拱浇筑，p.右洞二衬浇筑。相比较图3与图4开挖工序可知，图4的开挖工序较图3少了左右侧导洞开挖、左右侧导洞支护及中墙顶回填三个步骤，从而节省了施工时间和工程费用。在II类围岩中对于图4所示的施工方法能否取消左右两个侧导洞我们也了一些论证，表1为取消左右两个侧导洞和有左右两个侧导洞两种施工方法的几个典型点的屈服接近度的比较表，从表中可以看出有侧导洞的施工方法围岩屈服接近度总体稍好，但差别不大，这从理论上证实了取消左右两个侧导洞施工方法是可行的。我省近期正在修建的连拱隧道均采用图4所示的施工方法。

围岩单元屈服接近度表（最大值） 表1

围岩及材料计算参数表 表2

　　计算时把锚杆模拟为杆单元，中墙为回填单元，喷射混凝土为梁单元；其模拟施工步骤为：中导坑开挖及支护→曲中隔墙砌筑→左洞上导坑开挖及支护→右洞上导坑开挖及支护→左洞下导坑开挖及支护→右洞下导坑开挖及支护。通过计算可得围岩单元的屈服接近度，单元应力，节点位移，锚杆及喷射混凝土内力等一系列图表，图6为单元屈服接近度等值线图，主要区域的单元屈服接近度列于表3。从计算结果分析洞周围岩除底部个别单元产生屈服外，其他单元的屈服接近度均小于1.0，且单元均为受压；锚杆内力及喷射混凝土应力均小于规定值，理论上判顶围岩基本稳定，但施工时应及时支护。

部分围岩单元屈服接近度表 表2

（唐  颖  陈晓钜）