1、吳家莊六車道連拱隧道、結構設計和施工方案探討摘  要：吳家莊隧道為六車道連拱隧道，隧道最大開挖寬度32.6m，是目前國內公路雙連拱隧道開挖跨度最大的隧道之一。本文結合宛坪高速公路中吳家莊隧道的結構設計及施工方案，簡要介紹了大跨徑連拱隧道的設計及施工有關技術。關鍵詞：公路隧道  連拱六車道  結構設計  施工方案     1  工程概況    宛坪高速公路(內鄉至西坪(豫陜界)為上海至武威國家重點公路河南境內的一段，是國家重點規劃的西部大開發8條大通道之一，路線全長82.297

2、km，共分為12個合同段，其中包括短隧道16座，分布在5個合同段，隧道總長3253m，且均為六車道連拱隧道，工程已進入施工階段。目前我國在一段高速公路上出現如此多的大跨徑連拱隧道還為數不多。    吳家莊隧道地處第7合同段，起訖樁號為：K41+640-K41+980，長340m，為全線最長的隧道。設計行車速度100kmh，隧道凈寬14.Om，凈高5.Om。隧道最大埋深71.15m。     2 工程地質條件  吳家莊隧道進出口均為全強風化白堊系上統細砂巖夾薄層泥巖，巖體呈塊狀，完整性一般，圍巖穩定性差。洞身主要為白

3、堊系上統細砂巖夾薄層泥巖，弱風化，軟弱相間巖組單斜構造，裂隙不發育，圍巖穩定性一般，泥巖遇水易軟。       3 隧道設計方案       3.1  隧道內輪廓斷面確定       隧道內輪廓方案的選取除滿足建筑限界的要求外，還必須考慮隧道通風、照明、通訊、排水、裝飾等其他設施及超高需要的空間，同時襯砌內輪廓的形狀和尺寸還要考慮結構受力特點、工程造價及施工方法等諸多因素進行分析比較，本著斷面利用率高，襯砌結構受力均勻、合理、安全、經濟

4、的原則進行選取。    我國修建連拱隧道的凈空輪廓有兩種，即直中墻凈空輪廓和曲中墻凈空輪廓。直中墻凈空輪廓的連拱隧道施工工藝簡單，洞內行車中心線與洞外路基行車中心線偏離較小，但視覺效果一般。隨著我國公路隧道建設的快速發展，建設者對隧道設計與施工工藝提出了更高的要求，現在隧道襯砌均采用大模板鋼臺車澆筑二次襯砌，以保證二次襯砌內表面整齊光潔。采用大模板臺車一次性資金投入大，而連拱隧道的直中墻凈空內輪廓與單洞隧道的凈空內輪廓差異較大，臺車的周轉利用率低造成較大的浪費。曲中墻凈空輪廓的連拱隧道有較好的視覺效果，并且由于其凈空輪廓與單洞隧道的凈空輪廓并無實質上的差異(設計時

5、可采用與單洞隧道相同的內輪廓半徑)，這樣就提高了臺車的利用率，節省資金。但曲中墻連拱隧道的左右洞行車道中心線與路線左右幅行車道中心線偏離比直中墻連拱隧道大許多，因此進出口與路基正常段的行車中心線的連接過渡距離較長。    根據以上直中墻連拱隧道和曲中墻連拱隧道的優缺點，本項目采用直中墻連拱隧道。主要有以下兩點原因：第一，由于全線隧道均為連拱隧道，臺車形式只有一種，故不存在因臺車的周轉利用率低而造成浪費；第二，全線隧道均為短隧道(多數長度為200m左右)，且有多處存在橋隧相接情況，若采用曲中墻連拱隧道而造成隧道進出口橋梁或路基寬度頻繁變化，對橋梁、路基的設計和施工帶

6、來諸多不便。    經過多種方案比較，隧道的內輪廓采用三心圓形式，隧道按雙洞單向行車雙跨連拱斷面設計，建筑限界寬度14.0m，其構成為：0.75m(檢修道)+1.0m(右側余寬)+3×3.75m(行車道)+0.5m(左側余寬)+0.5m；因全線隧道均為短隧道，并考慮洞內外銜接等問題，故只在右側設檢修道，建筑限界高度5.0m，檢修道凈高2.5m。隧道凈空斷面見圖1。    3.2襯砌結構參數擬定   由于吳家莊隧道為大跨徑連拱隧道，隧道最大開挖寬度達32.6m，最大開挖面積為323.7m2，這是本隧道的最顯

7、著的特點。加之地質條件較差，因此如何達到設計參數合理、安全及可靠，就成為了該隧道設計的關鍵。本隧道結構參數的選取采用了工程類比與數值分析相結合的方法。即在目前國內已建成六車道連拱隧道的基礎上，結合內輪廓斷面形式、施工工序、開挖方法等綜合因素進行支護參數的選取。隧道襯砌支護參數見表1。    4 隧道施工方案    由于隧道開挖跨度大，因此施工方案的選擇直接影響著隧道的施工安全、工程費用和工程進度，顯得極其重要。本隧道施工必須采用信息化施工，按照“新奧法”原理進行。施工步驟如下：    洞身段II、類圍巖施

8、工采用三導洞臺階法施工(圖2)。主要分為6個部分：開挖中導洞，并進行初期支護，模筑中隔墻；開挖左側(地質條件較差或受力不利一側)導洞，并進行初次支護；開挖右側(地質條件較好或受力有利一側)導洞，并進行初次支護；開挖、支護左側主洞；開挖、支護右側主洞；全斷面進行二次襯砌。    類圍巖采用中導洞法施工，主要分為4個部分：先全斷面開挖中導洞，并進行初次支護，模筑中隔墻；開挖左側(地質條件較差或受力不利一側)主洞，進行支護；開挖右側(地質條件較好或受力有利二側)主洞，進行支護；全斷面進行二次襯砌。    II、類圍巖施工要點：a合理控制三個

9、導洞開挖作業之間的距離，中導洞先行，系隧道開挖的關鍵；再開挖地質條件較差或受力不利一側的側導洞a，a導洞滯后中導洞810m；然后再開挖另一側導洞b，b導洞滯后a導洞810m，導洞均采用正臺階法施工，臺階長度58m，開挖進尺按兩榀鋼架間距進行。b合理控制左、右主洞開挖作業面之間的距離，主洞開挖先進行導洞a側主洞，導洞b側主洞滯后a側主洞8-10m，主洞開挖亦采用臺階法，類圍巖上臺階分部開挖留核心土。c，控制正洞開挖作業面與二次襯砌作業面之間的距離，正洞隧道開挖作業面與襯砌作業面之間距離最小按15m考慮。d施工過程加強監測，及時處理分析量測數據，調整支護參數。   

10、類圍巖段隧道中導洞采用全斷面開挖，地質條件較差或受力不利一側的主洞滯后中導洞8-10m，另一側主洞滯后前一主洞8-10m，主洞采用上下臺階法開挖。其余同II、III類圍巖工序。     5  結構計算    隧道支護設計和施工方案確定后，能否保證隧道施工過程的安全，必須對圍巖支護結構在施工過程中的穩定性進行分析。本次隧道襯砌結構計算理論按二維彈塑性理論，采用日本軟腦公司開發的"2Da"彈塑性有限元程序進行計算。    計算模型選取范圍：上邊界至地面，左右邊界距離大于

11、3倍的兩洞開挖寬度，下邊截至開挖洞底的距離大于3倍的洞高，其網格劃分如圖3所示。左右邊界節點水平位移約束，下邊界節點水平、豎向位移約束，上邊界為自由邊。    計算時把錨桿模擬為桿單元，工字鋼、噴射混凝土為梁單元。    針對不同圍巖類別結合隧道開挖的施工方案，通過有限元數值模擬計算，分別給出不同施工步驟襯砌的最大、最小主應力、位移及錨桿軸向應力等。計算結果表明，無論是用二維彈塑性理論還是荷載結構法計算，各類圍巖襯砌混凝土的壓應力均滿足強度要求，因而該設計的支護結構是安全合理的。模擬施工分部開挖過程中，雖然計算結果破壞接近度在個別點超

12、標(圖4)，但是由于我們在計算中沒有計及超前導管、臨時錨桿對圍巖的加固作用，也沒有計及鋼筋混凝土襯砌中的鋼筋及橫向支撐的作用。    通過荷載結構法對襯砌安全系數進行驗證，計算結果表明，按II、類圍巖襯砌結構考慮初期支護和二次襯砌共同受力，類圍巖最大埋深H=15m，按淺埋隧道計算，III、類圍巖均按深埋隧道計算。經過襯砌結構截面強度驗算(按組合截面進行內力分配)，按鋼筋混凝土進行強度驗算，其各個截面抗拉、抗壓安全系數均1.7，符合設計要求，所以隧道襯砌的強度滿足要求。     6  結束語     目前六車道公路分離式隧道已建成不少，并積累了豐富的經驗，然而對于六車道連拱隧道的修建在國內還為數不多。本文結合本段全部是六車道連拱隧道的特點，對六車道連拱隧道的結構支護參數、施工開挖方案進行研究探討，并應用有限元數值模擬方法對支護結構的強度及圍巖的穩定性進行了模擬分析，為今后大跨徑公路連拱隧道的設計積累了經驗。但大跨徑連拱隧道在設計和施工中