浅谈连拱隧道结构设计与施工

　　摘要：连拱隧道是一种重要的中短隧道结构型式。在分析连拱隧道结构的特点的基础上，认为三层曲(直)中墙连拱隧道是一种较为理想的结构形式，结合安徽省黄祁高速公路连拱隧道设计和施工，详细论述了设计连拱隧道时的注意事项及需考虑的关键问题。
　　关键词：隧道工程；连拱；设计；施工
　　一、前言
　　从20世纪90年代初开始，我国在公路隧道建设中逐渐采用连拱隧道。进入21世纪，由于提高了环保要求，越来越广泛地采用中短隧道。连拱隧道因其在布线、洞口接线、节约用地等方面的优势而得到普遍应用。
　　二、连拱隧道的适用性及结构选型
　　连拱隧道和分离式隧道差异较大，分析连拱隧道的特点对于隧道结构选型具有重要意义。连拱隧道在短隧道中可避免洞口分幅，洞口占地面积较少，线路布线方便，可保持路线线型流畅；在城市中可大大减少拆迁，降低工程造价，也容易与隧道外的桥梁或特殊工程相连。按中墙形状可分为直中墙和曲中墙连拱隧道，按中墙结构型式可分为整浇中墙和三层中墙连拱隧道，施工过程中也未发现结构存在稳定问题。实践表明三层曲中墙的连拱隧道是理想的结构型式。
　　三、连拱隧道设计要点
　　连拱隧道设计的重点为隧道断面型式、中导坑及中墙、施工工序的设计。下面谈谈设计三层曲中墙连拱隧道的体会。
　　3.1 连拱隧道合理的结构断面设计
　　隧道断面型式总体上按三种地质情况进行确定：为土质、软岩或断层破碎带(围岩级别为Ⅴ、Ⅵ级)；较软岩、硬岩(围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级)；硬岩(围岩级别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级)。分述如下：
　　1) 土质、软岩或断层破碎带(围岩级别为Ⅴ、Ⅵ级)衬砌断面结构型式:这种地层的特点为：隧道所受的竖向及水平压力大，基底承载力及围岩的弹性抗力较小，围岩软弱遇水易软化，因此要求结构要有足够的承载力，支护体系应有足够的稳定性，在施工过程中不应产生大的变形及位移。隧道开挖后支护应及时封闭，同时隧道开挖轮廓应尽量圆顺，避免一些直线的开挖，初期支护在底部应封闭。
　　2) 较软岩、硬岩(围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级)的衬砌断面结构型式:这种地层的特点为：隧道所受的竖向及水平压力较小，基底承载力及围岩的弹性抗力较大，针对土质、软岩或断层破碎带衬砌断面结构型式的一些要求，在这种围岩情况下可以弱化。底部的初期支护可不封闭，但设计时要求隧道的仰拱能及时跟进，以达到隧道支护及时封闭的要求，同时也自然地提高了仰拱的作用。
　　3) 硬岩(围岩级别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级)的衬砌断面结构型式:这种地层的特点为：隧道所受的竖向及水平压力均相对很小，特别是水平压力显著减小，基底承载力及围岩的弹性抗力都很大，隧道基本不会发生失稳和破坏的情况。所以应采用不带仰拱的衬砌型式。最需考虑的是隧道后续开挖对已经做好的支护或二次衬砌的震动影响。通过中导坑的开挖，其自然地起到了隔断左右洞爆破震动的传递，所以在设计时要求开挖时重视这一点。
　　3.2 连拱隧道中导坑及中隔墙的设计:隧道中导坑，设计断面比较小、结构稳定，也是连拱隧道施工过程中最安全的施工阶段。中导坑和中隔墙的设计直接关系到连拱隧道施工质量、施工过程中隧道稳定等问题，需要特别讨论。
　　3.2.1中导坑设计
　　中导坑应偏向于主洞先开挖的一侧：使得在同样宽度的情况下，在一侧可获得较大的施工空间，可进行施工人员的走动及布设施工设施;如果需要在中导坑一侧回填土石或混凝土、加设横向钢支撑时，由于在中导坑开挖宽度一样时，该侧宽度较窄，可节约工程数量，降低造价;隧道主洞开挖并施工了支护和二次衬砌后，会对中隔墙产生较大的水平推力，将中导坑向该侧偏移，中隔墙顶围岩对中墙的抗力是有利于中墙稳定的。中导坑开挖底面应较中隔墙底面略高：因为在中导坑开挖后，随着施工设备的碾压和水的浸泡，中隔墙底容易软化，表层破碎，而中隔墙在施工过程中需承受很大的竖向压力，所以必须保证基底围岩的承载力。中导坑(侧导坑)的宽度不能太窄：由于中导坑必须先开挖施工，一般要求中导坑需先贯通；从施工进度和安全的角度出发，导坑开挖和支护的施工均应采用挖掘机等设备进行，所以要求其必须具备一定的开挖宽度。通过对现场实际施工设备及具体施工操作的调查，中导坑支护后的净宽不宜小于4.5m。
　　3.2.2中隔墙设计
　　在三层曲中墙连拱隧道的中隔墙和单层直中墙连拱隧道的作用有些差异，但究其在各施工阶段情况来看，其所受的外力大小等情况和单层直中墙的连拱隧道中隔墙差异不大。但由于在二次衬砌施工后，其作用不大，也容许其有一定的裂缝，所以设计安全系数可减小。在具体工程中建议中隔墙的厚度应根据不同围岩级别来定，但最小厚度不应小于80cm；设计时应加大中隔隔墙基底的宽度，以增强中隔墙的稳定性；最好能在中隔墙顶部增加一些锚杆，且锚杆伸人中隔墙不小于50cm的长度，以增强中隔墙抗倾覆的能力；中隔墙设计应支撑到导坑的顶部，即要求施工时一次施工至顶部。
　　3.2.3中隔墙侧向支撑
　　由于三层曲中墙连拱隧道在施工时的结构稳定性较传统连拱隧道结构型式更好，通过近几年三层曲中墙连拱隧道设计和建设积累的经验，认为对中隔墙的横向支撑只需设一些钢支撑或不设支撑；而按传统对中墙一侧回填土石或片石混凝土，一方面投资较大，延长施工工期，并且隧道开挖时对已完成的工程振动较大，如果不回填，则可对冲击波起到隔离的作用。
　　3.3 隧道防排水设计
　　我们对分离式隧道的防排水设计和施工已经积累了丰富的经验。三层曲中墙连拱隧道结构防排水设计和施工与分离式隧道的防排水原理基本一致，只需参照分离式隧道进行防排水设计。
　　根据分离式隧道的防排水设计思路，需要在防水板和初期支护之间铺设环向和纵向盲沟。对于三层曲中墙连拱隧道，在中隔墙处需要在二衬和中隔墙间安装环向盲沟和纵向盲沟；中隔墙采用模筑混凝土，并且在二次衬砌和中隔墙间无任何预留变形量，在该处防排水的设计和施工与分离式隧道有一些差异。建议采取的措施是：隧道的环向盲沟和中隔墙间的纵向盲沟应选取扁状的塑料盲沟，以减小对中隔墙或二次衬砌空间的侵入；二次衬砌是连拱隧道的主要承载体，在高围岩级别中均采用钢筋混凝土结构，因此盲沟不能侵入二次衬砌。建议中隔墙的钢筋布置时适当增加一定的保护层厚度，同时在中隔墙施工时预留盲沟所需的槽。
　　3.4 连拱隧道合理的施工工序
　　对墙连拱隧道而言，其施工工序对隧道的稳定和结构安全影响很大，施工工序不仅仅是平面的施工顺序，尚应注意在隧道纵向方面的开挖和施工控制，如各工序之间的纵向距离控制。
　　3.4.1软岩高围岩级别的三层曲中墙连拱隧道施工工序
　　根据目前国内已建成或在建的连拱隧道，通过现场对这些隧道的支护、施工过程中的稳定性等实地工程调查，认为合理的软岩高围岩级别的三层曲中墙施工顺序设计要点为：
　　1)施工工序首先应选取三导坑法进行施工。2) 地质条件略好时，可采用中导坑开挖+主洞微台阶法开挖，上半断面超前的距离不大于10m。
　　3)主洞的下一个循环的开挖，需在前一个循环开挖主洞的二次衬砌施工后进行。
　　3.4.2硬岩及低围岩级别的三层曲中墙连拱隧道施工工序
　　硬岩及低围岩级别相对于软岩高围岩级别而言具有：隧道基底承载力高，围岩侧压力小，总的隧道压力小等特点。所以隧道的施工工序也应不同于软岩连拱隧道，建议采用的施工工序为中导坑法开挖；主洞开挖可采用台阶法或全断面开挖；后开挖主洞的开挖，最好在先开挖主洞的二次衬砌施工后进行。当受施工制约时，可根据实际施工时视围岩和中墙结构和厚度等情况，左右洞可同时开挖。一般情况下连拱隧道属浅埋短隧道。连拱隧道宽度较宽，在洞口段常会出现偏压地形偏压或地质构造偏压，施工中应注意确定内、外侧主洞开挖的先后顺序。国内目前关于这个问题的争议较大，通过实地处理浅埋偏压连拱隧道的经验和计算分析，我们认为应先开挖外侧的隧道。在外侧隧道的二次衬砌完成后，才能进行内侧隧道的开挖和施工。
　　四、结语
　　连拱隧道的设计已比较成熟。可以根据实际选线时采用一些连拱隧道，特别是在围岩地质条件较好、隧道洞口地形有利的中短隧道更宜选用连拱隧道。写本文的目的是希望与同行共同探讨、学习，形成正确的认识，在实际应用时有条件地通过综合比较分析而选用连拱隧道结构型式。
　　参考文献
　　[1] 中华人民共和国交通运输部.JTGD70-2004公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.
　　[2] 中华人民共和国交通运输部.JTGF60-2009公路隧道施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2009.
　　[3] 中华人民共和国交通运输部.JTG/TF60-2009公路隧道施工技术细则[S].北京:人民,E-