复合式隧道衬砌结构设计方法探究

杨孟君

中国公路工程咨询集团有限公司(武汉)桥隧分公司 湖北 武汉 430000

1 引言

隧道支护结构按新奥法原理设计,采用复合式衬砌结构,隧道各级围岩复合式衬砌设计支护参数选择以工程类比为主。复合式衬砌施工工作的开展,应能提升结构设计方案的施工效果,掌握设计标准原则,不断优化设计方法,提升设计水平,消除不良的结构设计隐患。

2 工程概况

某工程隧道施工,所处位置属于亚热带、暖温带高原季风气候。全年气温不高,晴天较少,雨日较多。主导风向为西北风和东南风,年均风速2.1m/s,最大风速18m/s,刮风时间甚少,一般2～3级。水系多表现为树枝状,绝大多数河流具有陡峭的“V”形断面,纵坡大,水流湍急。除区域性干流外,一般支流水量具有明显的季节变化。路线所经区域内的构造形迹主要以北东向为主而展布的一系列断裂、褶皱构造。断裂多见于背斜核部或两翼,走向一般40～60°,大多数断裂略呈S形,与褶皱大体平行；力学性质均属压性和压扭性。

3 隧道结构设计原则和标准

3.1 设计原则 隧道设计以“安全、经济、适用、美观”作为基本原则。隧道洞口设计严格控制边仰坡高度,避免大挖大刷,尽量实现低仰坡进洞,尽量降低对沿线脆弱的生态环境的影响；洞身设计需要考虑提升安全性、长期稳定性和功能性指标,在设计中,要采取多方设计结合模式,提升排水效果,具备较高防渗效果。隧道土建设计充分体现动态反馈设计、信息化施工、动态管理的理念。隧道设计工作的开展需要根据施工目标要求,结合各种规范技术、质量和安全管控要求,结合实际的地质环境条件和水文条件,确定可靠的设计方案,在设计工作开展中,能具备较高的可行性保障,同时能彰显较高的环境保护和生态理念,在结构设计工作开展中,应能同时兼顾经济性指标要求,保障在设计工作开展中,能满足各种施工目标需求,同时达到最大化成本节约效果。

3.2 设计标准 隧道结构设计速度为80km/h；双向四车道,行车道宽度2×3.75m；公路Ⅰ级,隧道结构安全等级为一级。拱、墙达到二级防水标准,结构不允许漏水；衬砌背后不积水。地震动峰值加速度系数为0.1～0.2g,地震基本烈度Ⅶ～Ⅷ度。路面基本照明亮度不低于3.5cd/m2。结构设计使用年限为100年。

4 复合式隧道衬砌结构设计方法

4.1 小净距隧道隧道衬砌结构设计 小净距隧道衬砌结构具有突出的稳定保障,但是需要考虑施工开展因素,结合具体的施工技术开展流程以及所应用的机械设备,优化设计方案。路线布设尽量少占耕地,本项目小净距隧道主要布设于连拱分岔段。小净距隧道：“少扰动、快加固、勤量测、早封闭”的原则,保障隧道衬砌结构存在较小的变形隐患,保障施工能安全、稳定。小净距隧道支护结构先行洞与后行洞掌子面间距控制在45m以上,先行洞初支完成并达到设计强度后,后行洞方可开挖,爆破震动速度限制在15cm/s。

4.2 连拱隧道隧道衬砌结构设计 连拱隧道适合特殊的地质环境条件,如洞口狭窄、对洞口的间距有明确的规定要求的工程设计。中墙设计是连拱隧道的关键环节,往往受洞外接线影响较大,故需特别强调设计与施工安全、防排水系统可靠性的有机结合。为确保连拱隧道施工安全,爆破震动速度不应大于15cm/s。在衬砌结构的设计工作开展中,能发挥突出的结构设计优势,考虑连拱结构的施工技术要求,做好技术隐患的规避,保障在施工过程中,能按照设计方案,实现衬砌结构较好施工技术优势的提升,一定程度上能获得较高的施工管控效果。

4.3 紧急停车带衬砌结构设计 长大隧道在行车方向的右侧设置紧急停车带,其设置间距根据行车横通道的布置,总体按照不超过750m控制。长度小于1000m的隧道不设紧急停车带。紧急停车带结合隧道地质情况尽量布设在隧道洞身围岩较好地段；紧急停车带衬砌断面采用三心圆,建筑限界净高5.0 m,其有效长度不小于40m,过渡段长度不小于5m,宽度取3.0m,加右侧向宽度0.75m,其路面横坡为1%,其变坡点为标准建筑限界的右侧行车道的外边沿

4.4 人行、车行横通道 人行、车行横通道的设置按照规范考虑,一般在左右洞室之间间隔不大于750米设置一处联络两主洞的车行横通道,在两行车横通道之间设置两处联络两主洞的人行横通道,行车横洞设置于紧急停车带处,人行、车行横通道布置与隧道轴线正交。

4.5 构造措施

(1)纵向构造。在隧道内不同围岩等级交界处、结构变化处设置变形缝,在洞口段及连续Ⅳ、Ⅴ级围岩中每80米应设一道,洞身Ⅲ级围岩段变形缝间距按不大于100米设置,以适应不均匀沉降。变形缝设计具体见防水设计图。

(2)背后注浆。别后注浆工作要及时,保障结构体能尽早的形成稳定支撑作用,在施工过程中,可以发挥良好的抗水体侵蚀作用,在构造措施的施工过程中,能发挥出良好的施工管控力,保障各种施工质量指标能稳定可靠的开展。注浆作业关键是要能提升注浆材料的性能质量,在注浆过程中,应控制注浆量和注浆压力,保障注浆液充满整个注浆空间,在施工过程中,需要保障注浆均匀的流出注浆孔,保障浆液充满整个注浆区域。

4.6 结构防排水 结构防排水主要是能做好结构施工的质量管控,能提升钢筋混凝土结构的密实性在,在施工过程中,需要做好质量验收,保障施工效果提升,同时能做到在施工过程中,发挥出良好的不良病害识别和及时处理效果,主要是能做到对结构裂缝及时的处理,消除不良的结构渗漏隐患。结构自防水采用C30、P8(钢筋)混凝土,处理好施工缝与变形缝的防水；施工中应加强管理,确保混凝土的密实性,关键是处理好施工缝与变形缝的防水。结构防排水设计工作的开展应能注重采取防、排结合的方式,采取系统化防排水机制,不同防水系统之间相互配合,提升衬砌结构的防水能力,在施工过程中,注意做好工艺技术的管控,提升结果防排水能力。

(1)结构自防水。隧道复合式衬砌结构,主要是初期衬砌承担所有荷载进行设计,所以初期衬砌结构具有较高的结构防水能力提升效果,在结果自防水的施工工作开展中,能发挥出较高的结构自防水设计管控效果,进一步提升结构体防水能力,保障隧道工程在长期的使用过程中,都能具备较高的结构稳定使用能力。

(2)外辅加防水层防水。在初期支护和二次衬砌之间拱墙敷设400g/㎡无纺布与1.5mm厚PVC防水板,采用半包分区防水,所有变形缝与施工缝外侧均设EVA外贴式止水带；防水材料主要技术指标应满足有关规范的要求。

(3)变形缝、施工缝防水。变形缝、施工缝应作为防水防渗控制的重点,在施工过程中,通常需要制定可靠的防水结构方案,在施工过程中,能做好有关材料的施工控制,保障施工效果提升,全面实现在施工管控中,能发挥出良好的结构材料质量控制、施工环节质量管控效果。施工过程中,应能发挥出较高的工艺技术控制效果,在施工层面上,应能确保具备较高的技术人员技术水平控制能力,做好技术交底,明确施工要点,在焊接施工、位置控制、质量检查环节都能发挥较高的施工管控效果。

(4)排水措施。隧道洞内排水是在隧道两侧设纵向排水边沟,沿隧道周边纵向设DN110HDPE双壁打孔波纹管,引入隧道两侧排水沟内,具体见“隧道结构防排水设计图”。地面排水应能可靠设置排水位置,根据排水需求,确定排水结构的坡度,避免出现水体滞留隐患。

4.7 隧道进出口及洞门设计” 隧道进出口及洞门位置对存在较大的扰断塌陷隐患,在施工层面上,需要保障施工结构具备足够的承载能力,保障隧道进出口位置,在长期受到各种动荷载的影响下,始终能保持较高的稳定性、安全性。洞口设计也需要保障具备较高的美感要求,符合美学理念,同时体现简洁、受力明确合理的特点。为提升洞口设计美感,可以通过加设装饰线条的方式,打造各种可靠设计造型,提升设计优势,保障在设计工作开展中,能发挥较高的美学保障,同时能实现在设计工作开展中,不会影响结构的安全。隧道洞门施工前先清除洞口坡体上碎石堆积体同时清理山坡危石等,再进行明洞基坑的施工。暗洞开挖后,在洞口段支护变形基本稳定的前提下应尽快施做明洞及洞门。

5 结语

复合式衬砌设计工作的开展,需要满足多方面的要求,同时考虑施工因素,不断对设计方案优化,提升设计实施效果,保障隧道结构能满足各种工程建设要求。