桥隧相接条件下超大断面隧道的设计Ξ

李　勇,丁　浩

(重庆交通科研设计院隧道与交通工程所,重庆　400067)

摘　要:在桥隧相接的条件下,为适应现场的地形地质条件,采取了将原设计的连拱隧道变更为超大断面单跨隧道的应对措施。针对这种矢跨比仅为0.35、内净空面积达327.54m2的地下结构,从设计和施工的角度,通过数值模拟,确定了支护参数和开挖工序。

关键词:桥隧相接;超大断面隧道;设计;数值模拟;矢跨比

中图分类号:U45;T B115　　　　　　　　文献标识码:A

Design of Tunnel with Super2large Section Immediately

Adjacent to Bridge

LI Y ong,DI NG Hao

(Tunnel and Traffic Engineering Dept.,Chongqing Communications Research and Design Institute,Chongqing400067,P.R.China) Abstract:F or a tunnel immediately adjacent to a bridge,the bi2arch tunnel of the previous design is changed into sin2 gle span tunnel with super2large section to be fitted for conditions of local terrain and geology.F or the underground structure with rise2to2span ratio0.35and inner profile area327.54m2,the parameters of support and excavation steps are determined through numerical simulation in respect of design and construction.

K eyw ords:tunnel immediately adjacent to bridge;tunnel with super2large section;design;numerical simulation;rise -to-span ratio

1　工程概况

拍盘隧道位于山西晋城市境内,右洞长3479 m,左洞长3447.45m,属特长隧道

。隧道围岩以白云岩、灰岩为主,总体工程地质条件良好,洞室围岩稳定。由于其进口紧接仙神河大桥(见图1),故其进口一端平面布置为连拱隧道(222.47m)、小净距隧道(529.85m)、分离式隧道组合形成的分岔式特殊结构型式。

但在其连拱隧道段中导洞掘进贯通后,发现实际地形与地质条件均较原设计有较大出入。其一是进口地形陡峭(见图2),桥台无法施作;其二是,在进口附近的中导洞岩壁左侧及底板发现裂隙(见图3),后经详细勘察,揭示其为卸荷裂隙带。为适应地形地质条件的变化,桥隧相接的过渡段落都必须进行相应的变更设计。

图1　桥隧相接效果图

Fig.1　A painting showing tunnel immediately adjacent to bridge

第2卷　第3期2006年06月　　　　　　　　　

地下空间与工程学报

Chinese Journal of Underground S pace and Engineering

V ol.2

Jun.2006

Ξ收稿日期:2006202215(修改稿)

作者简介:李　勇(19682),男,工学学士,现任重庆交通科研设计院隧道与交通工程所总工,高工,主要从事公路隧道和城市地下空间结构的勘察设计等方面的工作。E2mail:dinghao@ccrdi.cmhk.com

图2　隧道进口远景图　　　图3　裂隙出露带

Fig.2　Perspective of tunnel entrance Fig.3　Fissure protruding through the partition wall

2　地质地形条件的剖析

2.1　地质地形条件对隧道的影响

由于卸荷裂隙的影响,再注意到岩坡面

、岩层面的组合,造成隧道进口产生了一定范围的危岩体,从而对隧道、桥梁的施工和桥梁的后期运营存在安全隐患。

通过地质调查、槽探、物探和赤平投影法等手段分析可得,该危岩体自然状态下是稳定的,由于岩层风化和节理裂隙和层面的组合,可形成小方量的危石掉块。但由于隧道的开挖,其洞口边仰坡必须采取相关锚固措施以确保隧道施工安全。2.2　地形地质条件对桥梁的影响

由于桥梁在后期运营中制动力、震动等因素的影响,易产生水平荷载,这对卸荷裂隙造成的危岩体的安全是极为不利的,因此桥台必须伸入隧道内一定长度,以

(部分)跨过该裂隙带,减小这种影响。此外,仙神河沟底桥墩的施工安全也受危岩体和崩落小块石的影响。

3　应对措施

由上所述

,对于此种地质地形条件下的桥隧过

渡段的处治主要采取以下措施:

(1)箱梁和桥台伸入隧道内25m ,采用整体式浇筑;

(2)桥隧相接段的隧道洞身由连拱结构变为超大跨结构;

(3)洞口边仰坡适量开挖,以减小危岩体的部分水平倾覆荷载;

(4)采用预应力锚索、挂网锚喷、裂缝灌浆等措施锚固边仰坡影响范围内的危岩体;

(5)在仰坡坡口8m 外设置较大断面的截水

沟,结合倒削竹式洞门结构防止小块岩石的崩落。

这些措施的核心问题是,如何实施超大断面的单跨结构的洞身工程。

4　超大断面的单跨结构设计

由于桥隧相接过渡段洞身的原设计为连拱结构(见图4),为保持内轮廓断面的圆顺,并注意到箱梁和桥台结构的整体浇筑,确定了图5所示的超大断面的单跨结构。

图4　连拱结构断面图

Fig.4　Section diagram of bi 2arch structure

图5　单跨结构断面图

Fig.5　Section diagram of single span structure

单跨结构断面支护措施如下:①局部软弱地段超前支护采用5m 长的Φ42小导管,环向间距0.45m ,纵向间距2.0m ;②初期支护采用26cm 厚的C20喷射混凝土,隧道路面以上打设5m 长Φ22锚

杆,路面以下打设6m 长Φ22锚杆,并保证其端部嵌入二次衬砌80cm ,间距均为@1m ×1m ,梅花形布置;③初期支护中还设20b 工字钢,纵向间距0.5m ;④二次衬砌为拱圈厚85cm 的C30模筑钢筋混凝土,在开挖完成后一次整体浇筑。

其中,断面最大开挖宽度达25.77m ,最大开挖高度18.75m ,从起拱线以上算矢高9.13m ,其矢跨比为0.35,内净空面积327.54m 2

,接近为单向5车道、上下双层的地下结构。

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142006年第3期　　　　　　　　　　李　勇,等:桥隧相接条件下超大断面隧道的设计

5　单跨结构施工方案及数值模拟

5.1　施工方案的确定

鉴于此结构的特殊性,且在国内尚无可参照的

工程实例,因此,必须通过有限元数值模拟分析其结构的安全性以及施工方案。

注意到实际施工中导洞已按原连拱隧道的设计开挖,变更后隧道断面大,为避免工序转换而使施工组织困难,单跨段隧道采用图6所示的开挖工序,施工遵循“弱爆破、短开挖、强支护、早闭合、勤量测、衬砌紧跟”的原则,结合反馈信息及时优化调整设计参数。这种开挖工序是将大断面的单跨先分解为三个的小跨度断面,再逐渐扩挖、连通,最终形成设计断面

。

附注:大跨段原为连拱隧道,其中导洞已开挖,故施工工序从中导洞开挖后计。①开挖一侧边墙;Ⅱ施作一侧边墙处初期支护;③开挖另一侧边墙;Ⅳ施作另一侧边墙处初期支护;⑤中导洞拱部开挖;Ⅵ施作拱部初期支护;⑦开挖一侧拱腰;Ⅷ施作一侧拱腰处初期支护;⑨开挖另一侧拱腰;Ⅹ施作另一侧拱腰处初期支护;Ⅺ全断面施作二次衬砌; λω开挖中导洞下部核心土。

图6　隧道开挖施工步序断面

Fig.6　Section of tunnel excavation steps

设计中采用ANSY S 有限元分析软件,对隧道

结构及施工进行数值模拟分析,以确定支护及衬砌参数和施工方案,其中开挖模拟了上下台阶法、先拱后墙开挖法以及先墙后拱开挖法(即图6),分析结果表明,前两种开挖方法均造成了围岩的塑性破坏和大变形,只有采用图6所示的开挖工序,围岩与支护结构的安全才能得到保障。因此,下文将着重分析按图6开挖的数值模拟结果。5.2　二次衬砌的安全性

从图7～9可得,二次衬砌最大拉、压、剪应力分别为0.24MPa 、0.03MPa 、0.05MPa ;根据《公路隧

道设计规范(J TG D70-2004)》,C30混凝土的容许拉、压、剪应力为0.5MPa 、11.2MPa 、1.1MPa ,计算可得二次衬砌的抗拉、压、剪安全系数分别为2.08、373.3、22。故二次衬砌的安全度较高,为隧道的后期安全、耐久运营提供了较好的安全性

。

图7　二次衬砌大主应力等值云图

Fig.7　C ontour chromatogram of the first principal

stress of secondary

lining

图8　二次衬砌小主应力等值云图

Fig.8　C ontour chromatogram of the third principal

stress of secondary lining

5.3　围岩的安全性

地勘报告显示,该段围岩属寒武系崮山组白云岩,湿抗压强度182.7MPa ,抗拉强度3.7MPa 。结

合图10～11,尽管在衬砌底座两侧和衬砌边墙顶部附近围岩的拉应力最大达6.21MPa ,超过了围岩的抗拉强度,但区域很小,也未贯通,而最大压应力仅为0.8MPa ,远远低于岩体的抗压强度。图12显示,结构底部存在两块半径0.8m 左右的半圆塑性区,但两者未连通,且考虑到隧道施工完后,路面以下会浇筑桥台混凝土框架结构,这可进一步保证围岩的塑性区不致扩展。综上所述,该超大断面的单跨结构采用上述开挖步序施工,支护设计为隧道后期的耐久、安全运营提供了较好的

814地下空间与工程学报　　　　　　　　　　　　　　　　第2卷

安全度

。

图9　二次衬砌剪应力等值云图

Fig.9　C ontour chromatogram of shearing stress

of secondary

lining

图10　围岩大主应力等值云图

Fig.10　C ontour chromatogram of the first principal

stress of surrounding

rock

图11　围岩小主应力等值云图

Fig.11　C ontour chromatogram of the third principal

stress of surrounding rock

6　结语

在桥隧相接的条件下,采用这种超大断面的特

殊结构型式以适应地形地质条件的变化,

这类公路

图12　围岩塑性应变等值云图

Fig.12　C ontour chromatogram of plastic strain

of surrounding rock

隧道的建设尚处于探索阶段,工程实践不多,供设

计参考的资料少,通过本隧道的变更设计,有以下几点体会:

(1)桥隧相接涉及到隧道和桥梁,两专业人员必须密切配合,结合现场地质地形条件进行精心设计。

(2)隧道工程地质勘察工作必须详细、准确,其地勘资料是确定结构参数和施工方案的基础,是设计第一输入资料。

(3)超大断面的单跨结构,其扁平率仅为0.35,支护设计采用新奥法原理,并结合数值模拟、工程类比等手段综合确定。

(4)这种超大断面、小矢跨比的断面开挖,宜优先从增大矢跨比、减小断面的角度考虑,CRD 法、三导坑法等都是可行的开挖方案,但上、下台阶法不宜选用。

(5)由于该断面结构与普通四车道大跨隧道不同,它在后者基础上又往路面下深挖了6.5m ,因此数值模拟揭示出边墙侧压比拱部松弛荷载对衬砌结构的影响更明显,设计、施工应尤为注意。

(6)对于这种结构,施工更显得尤为重要,应要求承包人精心组织、耐心实施,严格按设计开挖工序施作。

参考文献:

[1]　丁浩等.隧道抗水压衬砌结构数值仿真模拟[J ].公路

交通技术,2005,56(5):103-107

[2]　山西省第三地质工程勘察院.晋济高速公路仙神河大

桥南桥台与拍盘隧道相接部位岩坡稳定性评价报告

[S].山西:2005

[3]　重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范(J G J D70-2004)[S].北京:人民交通出版社,2004

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