吴家庄六车道．连拱隧道、结构设计和施工方案探讨 

摘  要：吴家庄隧道为六车道连拱隧道，隧道最大开挖宽度32.6m，是目前国内公路双连拱隧道开挖跨度最大的隧道之一。本文结合宛坪高速公路中吴家庄隧道的结构设计及施工方案，简要介绍了大跨径连拱隧道的设计及施工有关技术。

关键词：公路隧道  连拱六车道  结构设计  施工方案

 

    1  工程概况

    宛坪高速公路(内乡至西坪(豫陕界))为上海至武威国家重点公路河南境内的一段，是国家重点规划的西部大开发8条大通道之一，路线全长82.297km，共分为12个合同段，其中包括短隧道16座，分布在5个合同段，隧道总长3253m，且均为六车道连拱隧道，工程已进入施工阶段。目前我国在一段高速公路上出现如此多的大跨径连拱隧道还为数不多。

    吴家庄隧道地处第7合同段，起讫桩号为：K41+640-K41+980，长340m，为全线最长的隧道。设计行车速度100km／h，隧道净宽14.Om，净高5.Om。隧道最大埋深71.15m。

 

    2 工程地质条件

  吴家庄隧道进出口均为全—强风化白垩系上统细砂岩夹薄层泥岩，岩体呈块状，完整性一般，围岩稳定性差。洞身主要为白垩系上统细砂岩夹薄层泥岩，弱风化，软弱相间岩组单斜构造，裂隙不发育，围岩稳定性一般，泥岩遇水易软。

  

    3 隧道设计方案  

    3.1  隧道内轮廓断面确定  

    隧道内轮廓方案的选取除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、装饰等其他设施及超高需要的空间，同时衬砌内轮廓的形状和尺寸还要考虑结构受力特点、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。

    我国修建连拱隧道的净空轮廓有两种，即直中墙净空轮廓和曲中墙净空轮廓。直中墙净空轮廓的连拱隧道施工工艺简单，洞内行车中心线与洞外路基行车中心线偏离较小，但视觉效果一般。随着我国公路隧道建设的快速发展，建设者对隧道设计与施工工艺提出了更高的要求，现在隧道衬砌均采用大模板钢台车浇筑二次衬砌，以保证二次衬砌内表面整齐光洁。采用大模板台车一次性资金投入大，而连拱隧道的直中墙净空内轮廓与单洞隧道的净空内轮廓差异较大，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(设计时可采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。但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许多，因此进出口与路基正常段的行车中心线的连接过渡距离较长。

    根据以上直中墙连拱隧道和曲中墙连拱隧道的优缺点，本项目采用直中墙连拱隧道。主要有以下两点原因：第一，由于全线隧道均为连拱隧道，台车形式只有一种，故不存在因台车的周转利用率低而造成浪费；第二，全线隧道均为短隧道(多数长度为200m左右)，且有多处存在桥隧相接情况，若采用曲中墙连拱隧道而造成隧道进出口桥梁或路基宽度频繁变化，对桥梁、路基的设计和施工带来诸多不便。

    经过多种方案比较，隧道的内轮廓采用三心圆形式，隧道按双洞单向行车双跨连拱断面设计，建筑限界宽度14.0m，其构成为：0.75m(检修道)+1.0m(右侧余宽)+3×3.75m(行车道)+0.5m(左侧余宽)+0.5m；因全线隧道均为短隧道，并考虑洞内外衔接等问题，故只在右侧设检修道，建筑限界高度5.0m，检修道净高2.5m。隧道净空断面见图1。

    3.2衬砌结构参数拟定  

由于吴家庄隧道为大跨径连拱隧道，隧道最大开挖宽度达32.6m，最大开挖面积为323.7m2，这是本隧道的最显著的特点。加之地质条件较差，因此如何达到设计参数合理、安全及可靠，就成为了该隧道设计的关键。本隧道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。即在目前国内已建成六车道连拱隧道的基础上，结合内轮廓断面形式、施工工序、开挖方法等综合因素进行支护参数的选取。隧道衬砌支护参数见表1。

    4 隧道施工方案

    由于隧道开挖跨度大，因此施工方案的选择直接影响着隧道的施工安全、工程费用和工程进度，显得极其重要。本隧道施工必须采用信息化施工，按照“新奥法”原理进行。施工步骤如下：

    洞身段II、Ⅲ类围岩施工采用三导洞台阶法施工(图2)。主要分为6个部分：①开挖中导洞，并进行初期支护，模筑中隔墙；②开挖左侧(地质条件较差或受力不利一侧)导洞，并进行初次支护；③开挖右侧(地质条件较好或受力有利一侧)导洞，并进行初次支护；④开挖、支护左侧主洞；⑤开挖、支护右侧主洞；⑥全断面进行二次衬砌。

    Ⅳ类围岩采用中导洞法施工，主要分为4个部分：①先全断面开挖中导洞，并进行初次支护，模筑中隔墙；②开挖左侧(地质条件较差或受力不利一侧)主洞，进行支护；③开挖右侧(地质条件较好或受力有利二侧)主洞，进行支护；④全断面进行二次衬砌。

    II、Ⅲ类围岩施工要点：a．合理控制三个导洞开挖作业之间的距离，中导洞先行，系隧道开挖的关键；再开挖地质条件较差或受力不利一侧的侧导洞a，a导洞滞后中导洞8—10m；然后再开挖另一侧导洞b，b导洞滞后a导洞8~10m，导洞均采用正台阶法施工，台阶长度5—8m，开挖进尺按两榀钢架间距进行。b．合理控制左、右主洞开挖作业面之间的距离，主洞开挖先进行导洞a侧主洞，导洞b侧主洞滞后a侧主洞8-10m，主洞开挖亦采用台阶法，Ⅱ类围岩上台阶分部开挖留核心土。c，控制正洞开挖作业面与二次衬砌作业面之间的距离，正洞隧道开挖作业面与衬砌作业面之间距离最小按15m考虑。d．施工过程加强监测，及时处理分析量测数据，调整支护参数。

    Ⅳ类围岩段隧道中导洞采用全断面开挖，地质条件较差或受力不利一侧的主洞滞后中导洞8-10m，另一侧主洞滞后前一主洞8-10m，主洞采用上下台阶法开挖。其余同II、III类围岩工序。

 

    5  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二维弹塑性理论，采用日本软脑公司开发的"2Da"弹塑性有限元程序进行计算。

    计算模型选取范围：上边界至地面，左右边界距离大于3倍的两洞开挖宽度，下边截至开挖洞底的距离大于3倍的洞高，其网格划分如图3所示。左右边界节点水平位移约束，下边界节点水平、竖向位移约束，上边界为自由边。

    计算时把锚杆模拟为杆单元，工字钢、喷射混凝土为梁单元。

    针对不同围岩类别结合隧道开挖的施工方案，通过有限元数值模拟计算，分别给出不同施工步骤衬砌的最大、最小主应力、位移及锚杆轴向应力等。计算结果表明，无论是用二维弹塑性理论还是荷载结构法计算，各类围岩衬砌混凝土的压应力均满足强度要求，因而该设计的支护结构是安全合理的。模拟施工分部开挖过程中，虽然计算结果破坏接近度在个别点超标(图4)，但是由于我们在计算中没有计及超前导管、临时锚杆对围岩的加固作用，也没有计及钢筋混凝土衬砌中的钢筋及横向支撑的作用。

    通过荷载结构法对衬砌安全系数进行验证，计算结果表明，按II、Ⅲ、Ⅳ类围岩衬砌结构考虑初期支护和二次衬砌共同受力，Ⅱ类围岩最大埋深H=15m，按浅埋隧道计算，III、Ⅳ类围岩均按深埋隧道计算。经过衬砌结构截面强度验算(按组合截面进行内力分配)，按钢筋混凝土进行强度验算，其各个截面抗拉、抗压安全系数均≥1.7，符合设计要求，所以隧道衬砌的强度满足要求。

 

    6  结束语

    目前六车道公路分离式隧道已建成不少，并积累了丰富的经验，然而对于六车道连拱隧道的修建在国内还为数不多。本文结合本段全部是六车道连拱隧道的特点，对六车道连拱隧道的结构支护参数、施工开挖方案进行研究探讨，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，为今后大跨径公路连拱隧道的设计积累了经验。但大跨径连拱隧道在设计和施工中尚存在许多技术问题有待研究解决，如支护参数的合理性、开挖方法的正确选择以及新技术、新材料的应用等，还需我们做进一步的研究。

    公路隧道设计本身仅是整个工程建设的一部分。隧道施工过程中，必须进行必要的监控量测，特别是洞周位移、拱顶下沉、临时支护变形等应作为监控量测的重点。通过现场量测数据分析，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。

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