结合工程实例浅谈城市浅埋小间距隧道的设计

２０　道路交通　城市道桥与防洪　２０１１年３月第３期　结合工程实例浅谈城市浅埋小间距隧道的设计　邢　燕　（大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁大连ｌ１６０１１）　摘要：该文结合工程实例，介绍了城市浅埋小间距隧道的设计要点，有关经验可供相关专业人员参考。　关键词：隧道；小间距；浅埋　中图分类号：Ｕ４５２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００９—７７１６（２０１　１）０３—００２０—０３　０前言　大连市市区中心的绿山与捷山之间，原建有　一料，隧道沿线范围内的地层有：素填土（Ｑ４ｍ１）、碎　石（Ｑ３ｄｌ—ｐ１）及桥头组石英岩夹板岩（Ｚ２ｑ），其岩　性特征如下：　４ｍｌ　素填土（Ｑ　）：灰黄～黄褐色，其成分为粘性土及碎石。主要见于场地两端及中部，层厚　．条东西向隧道，作为一条纽带联系着山两侧的　长春路与解放路、东北路与解放路问的交通，隧道　净宽７　ｉｎ，为双向两车道。随着城市的快速发展，　隧道两侧的交通量趋近饱和，高峰时段塞车现象　十分严重。２００２年，为使该区域的交通实现便捷、　畅通，在既有隧道的南侧开辟了一条新隧道，与原　隧道形成上、下行两个通道，即双向四车道，以完　善该地区的路网功能。　０．４０～４．６０　ｍ。　碎石（Ｑ３ｄｌ—ｐ１）：黄褐色～灰白色，其成分为石　英岩、板岩，呈棱角状，砾径１　５　ｃｍ，含量７５　８５％，间隙充填粘性土，中密，层厚约０．９～１．５０　ｍ。　分布于山体大部分地区。　场区基岩为震旦系中统桥头组石英岩夹板岩　经多方案比较，最终选定新建隧道一石葵路　西隧道的主线位于既有隧道的南侧，与既有隧道　呈平行趋势，距原隧道净距约１２—１５　ｍ。路线全　长５３０．５　ｍ，其中隧道全长２９５　ｍ，隧道两端引道　长２３５．５　ｍ。因两隧道相距很近，洞外交通组织较　（Ｚ２ｑ），并见有辉绿岩脉侵入。由于其单层厚度及　风化程度的不同，可详细分为：　（１）强风化辉绿岩：黄～灰黄色，中粗粒辉绿　结构，岩芯砂土状，遇水软化。在其与石英岩的接　触带部位，辉绿岩体呈土状，石英岩捕虏体呈碎石　状，层厚５．１０—７．９０　ｍ。　为合理，且洞体较短，造价较低。但新隧道邻近既　有隧洞，且其西洞口埋深较浅，山顶有居民建筑，　因此本工程设计的关键就是必须经过充分的论证　和计算，以保证洞体掘进期间及建成后原洞和居　民建筑的稳定安全。　（２）强风化板岩：灰黄色，板理发育，岩芯呈碎　块状，用手可折断。层厚０．４０　ｍ。　（３）强风化板岩夹石英岩：灰黄～浅黄色，板　理、节理发育，岩芯呈屑状和碎块状，碎块用手可　折断。夹有少量的石英岩，其呈灰白～灰绿色，弱　１　工程概况　１．１地形地貌　风化状态，节理、裂隙发育。层厚２．１０　ｍ。　（４）弱风化石英岩夹板岩：石英岩呈灰白～灰　工程场地属基岩剥蚀丘陵，其地貌属大连捷　山与绿山的鞍部，坡向西北，坡角约１０。一４０。。场　地地形起伏变化较大，地面标高变化在６０．４６～　９７．６８　ｍ之间。相对高差３７．２２　ｍ。该洞两端与石　黄色，薄层～中厚层状，致密块状构造，层理清　晰，节理很发育，岩质坚硬。其中所夹板岩为黄～　灰绿色，板理、节理均很发育，单层厚度变化较　大，多数为数毫米至数十厘米，其属软质岩石，在　石英岩中构成软弱结构面。层厚为１２．５０～１４．５０　ｍ，　岩芯呈碎块状和屑状（系机械扭动及钢粒磨损所　致）。　葵路连接，隧道走向Ｎ５５。～７０。Ｅ，属傍山隧道。　地表植被极为发育，多为阔叶乔木和灌木。隧　道西段距地表建筑物较近，平面最小净距约９～　１２　ｍ。东洞口南侧地表尚有部分废弃厂房等建筑物。　１．２工程地质及水文地质　（５）弱风化石英岩：灰白　灰黄色，块状构造，　节理发育，沿裂隙面有水锈分布，岩质坚硬。岩芯　呈碎块状和屑状（系机械扭动所致）。　隧道场地位于大连古老纬向构造体系中的倒　转背斜的北翼，基岩属震旦系中统桥头组石英岩　根据钻探揭露、野外地面调查及区域地质资　收稿日期：２０１０—０９—３０　作者简介：邢燕（１９６９一），女，辽宁大连人，高级工程师，从事　市政道路桥梁工程设计工作。　夹板岩其中有辉绿岩脉侵人，地层倒转倾向南，走　２０１１年３月第３期　城市道桥与防洪　道路交通　２ｌ　向近东西，倾角ｌ０。～４０。。区内常见有层问小褶　曲。勘察中未发现大的断层。洞区地层倾向南　东，倾角３２。～３８。。岩层走向与洞体轴向夹角约　２３。。　作用。并且由于既有隧道建成年代久远，施工时超　挖现象严重，最大超挖２—３　ｍ，对新隧道在开挖　时必须进行严格控制，尽量减少对围岩的扰动次　数、扰动强度、扰动持续时间和扰动范围。　根据石葵路隧道的地质条件，采用钻爆法掘　进施工比较合理。钻爆法是隧道掘进的主要手段，　２　结构设计　根据《城市道路设计规范》、《公路隧道设计规　范》及建设单位的要求，拟定隧道建筑限界净宽　１０．０　ｍ，净高４．７　ｍ。　它对于地质条件的适应性强，开挖成本低。因而特　别是在坚硬岩石隧道、破碎岩石隧道掘进中以及　大量的短隧道的施工中，非常适用。但由于本隧道　在进行内轮廓设计时，根据工程类比和结构　计算，充分考虑了建筑限界、经济性、受力特点、　洞内设施（如照明灯具、电缆等）及富裕量和施工　允许措施所需的空间，兼顾受力与经济要求，确定　衬砌内轮廓为曲墙半围拱形式。断面的拱半径为　５．４１　ｍ，曲墙半径为８．７８　ｍ，最大跨度１０．６　ｍ，净　高７．３１　ｍ。　隧道衬砌按新奥法应力设计为复合衬砌，初　期支护以喷射混凝土、锚杆和钢筋网为主要手段，　在两侧洞口段辅以格栅拱加强。　隧道初期支护紧跟掌子面及时施作，从而控　制围岩变形，最大限度地发挥围岩的自承能力。喷　射混凝土标号为Ｃ２０，要求采用湿喷工艺，增加密　实性，减少回弹，改善作业环境。喷射混凝土初喷　厚度不小于４　ｅｍ，并分几次复喷达到设计厚度。　锚杆采用Ｒ２２中空注浆锚杆，要求注浆饱满，保　证围岩与锚杆全粘结；洞口加强段初期支护中采　用格栅拱加强，格栅拱用　２２钢筋和　１０钢筋　加工而成。喷射混凝土应全部覆盖锚杆头、格栅拱　及钢筋网。　隧道二次衬砌采用Ｃ２５防水钢筋混凝土，不　同衬砌类型交接处设沉降缝。　本工程系城市隧道，防排水设计遵循“以排为　主，防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原　则。二次衬砌采用防水混凝土，在衬砌背后设ＬＤＰＥ　防水板防水并设纵向排水管将水引至洞内排水沟。　洞内在人行道板下设单侧排水沟，直通洞外，接人　引道排水管网。沉降缝及施工缝设遇水膨胀橡胶止　水带防水。同时，隧道进洞前对隧址附近地表可能　的积水处进行引排疏通，以避免雨季积水，洞口附　近作截、排水沟，以防地表水渗入或流入洞内。　３　工程重点　３．１小净距隧道施工的爆破控制　本工程中，新建隧道与既有隧道净距较小　（１２～１５　ｍ），不能满足规范要求的（２．０～２．５）Ｂ，故　必须考虑新隧道对既有隧道围岩应力的相互影响　附近的地质地物条件较为复杂，新建隧道和既有　隧道的距离很近，因此钻爆施工时，要结合实际情　况，采用合理的爆破方式，谨慎掌握爆破程度。据　此，石葵路隧道的钻爆施工选择了光面爆破技术　中的预裂爆破法。　预裂爆破法是在开挖轮廓线上钻相互平行、　比较密集的炮眼，起爆这些间距、炸药量和装药结　构合适的炮眼，将形成各炮眼间相互贯通的裂隙，　与远岩体分开；此后再引爆开挖面上的其它炮眼，　由于轮廓线上的裂缝已经形成，这次爆破时就不　会导致围岩岩体的破坏，而形成光滑的平整壁面。　而且预裂还可以起到较大的隔振作用，在横向上　尽可能减少对两侧岩体的扰动次数。　由此可见，隧道的预裂爆破具有很大的优越性：　爆破后轮廓成型规整，符合设计断面的轮廓要求，　围岩保持稳定，不产生或很少产生炮震裂隙，能为　施工创造舒适安全的条件，加快施工进度，节省工　程造价。　同时，施工中必须严格控制开挖轮廓和爆破　振动对地层的扰动，这对隧道工程的质量有着决　定性的影响。本工程采用支护方法是将设计和施　工结合成一体的“新奥法”，但离开了开挖轮廓和　爆破振动的控制，“新奥法”这种保护围岩、利用　围岩自承能力的原则就无从谈起。也就是说，钻爆　施工时，既要充分发挥炸药的能量，又要对这种能　量进行有效的控制。　参考铁路隧道爆破质检标准，在工程施工中要　求：爆破后围岩稳定，基本无剥落现象；爆破后围　岩的扰动深度小于０．８　ｍ；平均线形超挖量小于　１５　ｅｍ，最大线形超挖量小于２５　ｅｍ。钻爆施工时　的振动波速控制在２　ｅｍ／ｓ（楼房）和３　ｅｍ／ｓ（既有　隧道）以下。　３．２现场量测　现场量测是隧道工程监控的重要手段，其目　的在于了解围岩变形和应力变化的动态过程，掌　握隧道围岩的稳定情况，判断支护系统的可靠程　度，是直接为支护系统的设计和施工决策服务的。　２２　道路交通　城市道桥与防洪　２０１１年３月第３期　因此，合理而周密的现场量测设计是现场量测的　关键。考虑到新隧道距既有隧道较近，新旧隧道在　新隧道施工过程中可能产生相互影响。同时隧道　临近居民建筑物。因此在隧道施工的全过程中，除　了施工单位必须实施施工监测外，还要对建筑物、　既有隧道、地表等进行全面监测。　本设计按《公路隧道施工规范》将围岩及支护　状态观察，周边收敛位移量测，拱顶下沉量测定为　必测项目。另外，结合本工程的具体情况，主要监　测的项目还包括：地表下沉及水平变形规律，既有　隧道衬砌及围岩的振速变化规律，新建隧道南侧　楼房基础的下沉、倾斜规律，既有隧道上方楼房基　础的变形（倾斜）及振速变化规律。在进行日常的　周边收敛位移量测、拱顶下沉量测时设计要求满　足以下条件：（１）量测断面的间距定为：Ⅲ类围岩　衬砌段，５０　ｍ；１Ｖ类围岩衬砌段，１５０　ｍ。此外在通　过特殊地段，如邻近建筑物处，结合具体情况酌情　决定。（２）量测点布置：拱顶下沉量测点设计在每　一量测断面的拱顶处、起拱线处共布３个点；周边　收敛位移量测点设计在每个量测断面的１／４跨处　和边墙脚处。（３）日常量测周期：初期每天量测一　次，待变形渐趋稳定后，２—３　ｄ量测一次，并要求　在喷锚初期支护后，当收敛位移超过１０　ｍｍ／ｄ时，　应采取加强措施。　地表下沉测点布置在洞内净空变化量测基线　和拱顶下沉量测测点所在的断面内，其纵向间距　为５　ｍ。在隧道进口处（包括新隧道南测临近住宅　楼部分），出口处及既有隧道上方的住宅楼附近，　共布置３个纵断面。　施工采用台阶分部开挖时，每个纵向测定区　间的长度为：（ｈ＋ｈ１）＋（２～５）Ｄ＋ｈ，见图１。　地表下沉量测在横断面上布置１　１个测点，两　测点的距离为２～５　ｍ。在隧道中线附近测点布置　密些，远离隧道中线疏些，见图２。　将每次量测的资料整理并绘制地表纵向下沉　量一时间关系曲线、地表横向下沉量一时间关系　曲线。从两曲线图中可以看出地表下沉与时间的　关系，以及下沉量产生的部位等。　地面有建筑物时的最大下沉量的控制标准，　图１　隧道台阶开挖时测定区间的长度　Ｉ　ｊ２－５￣　＼、　厂　、／　与　图２地表下沉测点在横断面上的布置　根据地面结构的类型和质量要求而定，大约为　１－２　ｅｍ；地表沉陷槽拐点曲率应小于结构的要求，　一般小于１／３００；地层损失系数小于５％；洞内边墙　水平收敛，小于２　ｅｍ；洞内拱顶下沉，小于５　ｅｍ。　通过对施工爆破控制和现场量测的运用，石　葵路西隧道安全顺利竣工，与其临近的建筑物和　既有隧道均未受到明显影响，工程取得了较好的　经济效益和社会效益。　４　结语　石葵路西隧道已建成近７　ａ，小间距浅埋隧道　技术的解决与成功运用，对带动所在地区地下空　间的开发提供了有益的借鉴作用。我国土地紧缺，　城市环境又不允许过密，只有充分利用地下空间，　才能兼顾提高土地利用和保持环境质量两种相互　矛盾的要求。随着地下工程大发展时代的到来，在　公路、铁路、市政以及水利等工程建设中，相邻隧　道问距相对较小的小净距隧道结构形式越来越多　见，从而将更多的地面空间留给绿地，极大地增加　城市的交通容量并改善生态环境，为城市的快速　发展提高有利条件。