張韋華

（山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250031）

0 引 言

隧道作為交通的重要組成部分，是城市發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。因此，做好城市隧道總體設(shè)計(jì)，對解決城市交通節(jié)點(diǎn)擁堵問題具有重要意義。本文以石門堂山隧道為研究對象，對國內(nèi)首條既有連拱隧道側(cè)新建的超大跨度隧道進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 工程概況

華南快速干線位于中國廣東省廣州市，為一條城市快速路，設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h。它是進(jìn)出廣州中心城區(qū)及承擔(dān)過境交通的重要通道?，F(xiàn)石門堂山隧道全長623 m，為雙向四車道的連拱隧道，北距太和互通約為5 km，南距春崗互通立交約為1.8 km。根據(jù)近4 a的交通流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，特別是節(jié)假日期間，擁堵情況更為嚴(yán)重，已成為華南快速路的交通瓶頸。高峰期間，排隊(duì)通過石門堂山隧道的車都有5～10 km長，造成全線大堵車。

由于石門堂山隧道現(xiàn)狀斷面為雙向四車道，隧道處車道數(shù)的縮減導(dǎo)致成為全線擁堵的瓶頸。而隧道擴(kuò)建工程實(shí)施后有效打通交通瓶頸，緩解該處多年擁堵問題。

2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)預(yù)測交通量結(jié)果，擴(kuò)建需要四車道才滿足遠(yuǎn)期交通量增長的需求。而新建四車道隧道成本較高，考慮節(jié)約建設(shè)成本方面，對新建三車道隧道也進(jìn)行對比分析。對新建單洞四車道隧道，目前尚無設(shè)計(jì)規(guī)范可依，存在設(shè)計(jì)難度較大、施工較為復(fù)雜、成本較高的問題。

2.1 主要控制因素

主要控制因素包括現(xiàn)有正在通車的623 m的四車道的連拱隧道、地下的廣佛環(huán)線東環(huán)隧道、北側(cè)夕陽大橋南側(cè)橋頭，南側(cè)金雞一號橋、110 kV茶龍線及部分房屋。項(xiàng)目建設(shè)主要難度和風(fēng)險(xiǎn)體現(xiàn)有：

（1）目前隧道設(shè)計(jì)規(guī)范尚無單洞四車道超大跨度隧道相關(guān)支護(hù)參數(shù)建議值，且施工分部開挖斷面大、步驟多，設(shè)計(jì)和施工難度大。

（2）隧道穿越原隧道棄渣區(qū)域，土質(zhì)松軟，承載力差，邊仰坡防護(hù)難度大，采用小導(dǎo)管注水泥漿加固土體。

（3）新隧道建設(shè)過程中爆破開挖對原隧道有一定震動擾動，需嚴(yán)格控制爆破振速，并持續(xù)對原隧道監(jiān)控量測，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。

（4）新建隧道向原隧道開挖人行通道過程需采用爆破和機(jī)械開挖相結(jié)合的方式，尤其接近原隧道結(jié)構(gòu)時(shí)和對原隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行開挖時(shí)，必須采用機(jī)械切割開挖，精細(xì)化施工要求高。

2.2 平面設(shè)計(jì)

平面設(shè)計(jì)起、終點(diǎn)首先要考慮路線基本走向服從于新建隧道的選址，然后根據(jù)舊路線型與結(jié)合相關(guān)城市規(guī)劃，考慮地形、地質(zhì)條件、工程規(guī)模與造價(jià)、環(huán)境保護(hù)等因素，綜合論證起終點(diǎn)的合理位置。路線起點(diǎn)推薦設(shè)置于既有夕陽大橋南側(cè)橋頭，從橋頭開始新建分離線與舊路主線分離。該起點(diǎn)方案有效避免對既有橋梁進(jìn)行改造，有效降低了工程實(shí)施難度和造價(jià)。路線終點(diǎn)推薦設(shè)置于既有金雞一號中橋北側(cè)橋頭，在橋頭前新建分離線匯入舊路主線，避免對既有橋梁進(jìn)行改造。預(yù)留遠(yuǎn)期華快擴(kuò)建車道接口。

擴(kuò)建工程路線全長約2.0 km，按城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，單向四車道，主線設(shè)計(jì)速度80 km/h。路線平曲線最小半徑為445 m；停車視距采用110 m。全線新建隧道1座，長720 m。為節(jié)約占地的同時(shí)保證施工期間不對原連拱隧道產(chǎn)生有害影響，確定兩者最小凈距為38 m，隧道限高5 m，內(nèi)輪廓寬17.9 m，最大暗挖跨度達(dá)20.3 m。確保洞外直線段長度不小于3 s行程。新建右幅與舊路主線分離后在現(xiàn)有隧道西側(cè)新建單洞單向四車道隧道，途經(jīng)大源村和金雞村，右幅新建分離線位走向基本與舊路平行。

2.3 縱斷面設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目建設(shè)場地地勢隧道北段較為陡峭，南段較為平坦開闊，構(gòu)造物以橋梁、隧道和涵洞為主。在縱斷面設(shè)計(jì)中，以安全、環(huán)保、節(jié)約投資為主要考慮因素，在條件允許時(shí)盡量減少工程量。隧道段最大縱坡為3.0%，路基段最大縱坡為4.0%，最短坡長272.703 m，最小凸形豎曲線半徑4 500 m，最小凹形豎曲線半徑6 000 m。

2.4 橫斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)本項(xiàng)目各方案的性質(zhì)、沿線地形、地質(zhì)、地物、交通量預(yù)測結(jié)果、通行能力和服務(wù)水平評價(jià)結(jié)果，新建右幅分離線全線采用V=80 km/h的設(shè)計(jì)速度，單向四車道城市快速路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度為17.5 m。項(xiàng)目范圍內(nèi)舊路暫按單向四～六車道進(jìn)行改造，路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為26.5 m。

2.5 起終點(diǎn)預(yù)留遠(yuǎn)期拓寬接口設(shè)計(jì)

隧道北預(yù)留遠(yuǎn)期接口，在收集機(jī)場二高茶山立交及華快擴(kuò)建工可、竣工圖紙進(jìn)行研究。擴(kuò)建方案在西側(cè)擴(kuò)建，近期采用路基接順現(xiàn)華快，已預(yù)留遠(yuǎn)期擴(kuò)寬橋梁位置。經(jīng)復(fù)核，現(xiàn)有標(biāo)高也滿足遠(yuǎn)期擴(kuò)建接順的要求。

隧道終點(diǎn)南端為路基段，距離春崗立交2.1 km。春崗立交至龍洞段比較方案，受占地拆遷、春崗立交等影響大。由于距離較長，隧道南端終點(diǎn)段至春崗立交段遠(yuǎn)期采用兩側(cè)加寬，由雙六改造為雙八，隧道南端接口已經(jīng)預(yù)留并滿足春崗立交至龍洞段改造的高架、下穿廣河的各方案的平縱拉順。

3 隧道方案設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)狀隧道簡介

現(xiàn)石門堂山隧道為雙向四車道連拱隧道，隧道位于春崗立交北側(cè)約2 km位置，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，隧道內(nèi)限速60 km/h。隧道內(nèi)采用3%的單向坡，最大埋深約110 m，地形為緩丘，地表植被發(fā)育，參數(shù)見表1。

表1 現(xiàn)有隧道參數(shù)一覽表

3.2 隧道方案比較

針對現(xiàn)華快石門堂山隧道雙向四車道擁堵的現(xiàn)狀，考慮到東側(cè)為禁建區(qū)且地質(zhì)非常差，西側(cè)80m范圍為限建區(qū)，擬在西側(cè)新建隧道滿足用地、規(guī)劃和安全運(yùn)營的要求?，F(xiàn)擬在原西側(cè)新建隧道單向通行，既有連拱隧道單向通行，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程造價(jià)比選不同新建隧道方案。

方案一：西側(cè)新建單向四車道隧道

新建單洞四車道隧道，單洞四車道隧道目前尚無設(shè)計(jì)規(guī)范可依，存在設(shè)計(jì)難度較大、施工較為復(fù)雜、成本較高的問題。但是近些年我國新建大量單洞四車道隧道，如廣深沿江高速東莞段－牛頭山隧道（建筑限界凈寬18.25 m，凈高5.0 m）、深圳外環(huán)高速深圳龍崗段－紅花嶺隧道（建筑限界凈寬18.50 m，凈高5.0 m）、濱萊高速改擴(kuò)建隧道群（建筑限界寬度18.25 m，凈高5.0 m）。這些新建隧道為四車道隧道的設(shè)計(jì)和施工積累了大量的成功經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)四車道隧道與洞外車道相同可以很好地緩解通行壓力，避免交通堵塞，且駕車視野開闊，具有很好的駕車體驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 方案一西側(cè)新建單向四車道隧道橫斷面示意（單位：m）

方案二：西側(cè)新建四車道連拱隧道

四車道連拱隧道在展線困難、征地緊張的情況下應(yīng)用較多，同時(shí)設(shè)計(jì)施工技術(shù)較為成熟。但是，近些年連拱隧道較少興建，主要是因?yàn)槭┕こ绦驘┈?、造價(jià)相對較高、防水效果不理想，尤其是通向連拱的形式，在單向四車道隧道大規(guī)模建設(shè)的情況下，已被逐漸替代。與單洞四車道相比，連拱隧道占地多、行車安全性和舒適性差，如圖2所示。

圖2 方案二西側(cè)新建四車道連拱隧道示意（單位：m）

方案三：西側(cè)新建分離式雙洞單向四車道隧道

分離式雙洞單向四車道隧道施工風(fēng)險(xiǎn)較小，具有十分成熟的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，但是分離線位占地多，與單洞四車道相比占地多、行車安全性和舒適性差，如圖3所示。

圖3 方案三西側(cè)新建分離式雙洞單向四車道示意（單位：m）

方案四：西側(cè)新建單洞三車道隧道

單洞三車道隧道施工風(fēng)險(xiǎn)較小，具有十分成熟的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，但是洞內(nèi)外車道不同，即使有很好的交通引導(dǎo)，也仍有可能引發(fā)安全事故。長遠(yuǎn)來看，三車道隧道不滿足遠(yuǎn)期交通量增長需求，有可能成為該段道路交通發(fā)展的瓶頸，導(dǎo)致交通擁堵，如圖4所示。

圖4 方案四西側(cè)新建單洞三車道隧道示意（單位：m）

綜合以上方案比較（見表2），長久考慮遠(yuǎn)期交通發(fā)展、行車舒適度，選取方案一作為新建單向四車道隧道推薦方案。

表2 隧道方案匯總比較

3.3 隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)速度：80 km/h。

主洞限界凈寬：17.25 m=0.75 m左側(cè)檢修道+0.50 m左側(cè)向?qū)挾?2×3.5 m行車道+2×3.75 m行車道+0.75 m右側(cè)向?qū)挾?0.75 m右側(cè)檢修道。

主洞限界凈高：行車道凈高≥5.0 m，檢修道凈高≥2.5 m。

人行橫洞限界凈寬：2.0 m。

人行橫洞限界凈高：2.5 m，如圖5所示。

圖5 隧道主洞建筑限界（單位：mm）

隧道內(nèi)輪廓除符合隧道限界的要求以外，還應(yīng)考慮洞內(nèi)排水、通風(fēng)、照明、消防、配電、監(jiān)控等附屬設(shè)施所需的空間，并考慮施工工藝等要求留有一定的富余量，使確定的斷面形式、尺寸達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、合理的目的，隧道主洞內(nèi)輪廓采用三心圓斷面形式，如圖6所示。

圖6 隧道主洞內(nèi)輪廓隧道（單位：mm）

3.4 隧道洞口與襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道洞門的設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮進(jìn)出口地形、地貌、地質(zhì)、開挖邊坡穩(wěn)定性、防水排水需要、洞口采光、環(huán)保景觀等多重因素。按照“早進(jìn)洞、晚出洞”的設(shè)計(jì)原則，洞口貼坡進(jìn)洞，或設(shè)置一段明洞，盡可能采用零開挖洞口，盡量減少洞口邊坡、仰坡的開挖，保證山體穩(wěn)定。

洞內(nèi)按新奧法原理設(shè)計(jì)，施工采用光面爆破和預(yù)裂爆破技術(shù)，盡量減少對圍巖的擾動，嚴(yán)格控制超挖和欠挖。隧道結(jié)構(gòu)采用柔性支護(hù)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)合式襯砌，即以超前鋼管注漿加固地層、系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、掛鋼筋網(wǎng)、工字鋼型鋼鋼架、格柵拱架等為初期支護(hù)，模筑混凝土或鋼筋混凝土為二次支護(hù)，并在兩次襯砌之間敷設(shè)EVA防水板及無紡?fù)凉げ挤浪畬?。隧道襯砌類型、襯砌斷面型式、襯砌結(jié)構(gòu)尺寸方案設(shè)計(jì)，主要采用工程類比法，結(jié)合構(gòu)造要求和經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，根據(jù)圍巖級別和洞室埋深條件擬定相應(yīng)的支護(hù)類型，并對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的理論分析計(jì)算和校核，確定支護(hù)襯砌模式。

3.5 新舊隧道關(guān)系

新隧道建成后，原石門堂山隧道將改為雙洞南往北單向通行。為節(jié)約占地的同時(shí)保證施工期間不對原連拱隧道產(chǎn)生有害影響，確定兩者最小凈距為38 m。這也是國內(nèi)首條既有連拱隧道側(cè)新建的超大跨度隧道。

（1）凈距問題

推薦方案利用既有隧道作為左洞，施工過程中應(yīng)盡量采用每步驟開挖量小的施工方法。在地質(zhì)條件允許的條件下，盡量采用人工和機(jī)械混合開挖的方式，以避免爆破振動對既有隧道的影響。必須鉆爆施工時(shí)，應(yīng)對爆破振動速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

根據(jù)隧道規(guī)范，兩洞間凈距宜取0.8～2.0倍開挖寬度，圍巖條件總體較好時(shí)取較小值，圍巖條件總體較差時(shí)取較大值。兩洞跨度不同時(shí)，以較大跨度控制。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，圍巖以花崗巖為主，完整性好，巖質(zhì)堅(jiān)硬，洞身主要以Ⅱ級、Ⅲ級為主，凈距約為1.5B，貼合規(guī)范要求。而且開展本項(xiàng)目前，設(shè)計(jì)人員對全國二十余座四車道隧道進(jìn)行了調(diào)查研究。根據(jù)實(shí)際情況反饋，兩洞間距大于1倍洞徑時(shí)，兩洞的開挖基本沒有有害影響。山東省東南二環(huán)延長線四車道隧道群，分離式隧道兩洞凈距最小12 m，而且是在Ⅴ級圍巖破碎區(qū)段。通過一些科研單位分析，Ⅴ級圍巖破碎區(qū)段四車道特大跨度隧道應(yīng)力影響范圍不大于1.5倍洞徑（小于30 m）。

（2）舊隧道之間橫通道

既有隧道橫洞宜設(shè)置在Ⅱ級、Ⅲ級圍巖襯砌處，且將新建橫洞二襯伸入既有主洞二襯內(nèi)，與主洞二襯相結(jié)合，達(dá)到加固橫洞影響范圍內(nèi)主洞二襯的目的。同時(shí)在橫洞與主洞二襯交接處設(shè)置兩道遇水膨脹橡膠止水條，防止圍巖水由施工縫侵入隧道內(nèi)。在既有隧道破除原襯砌前，對橫洞位置前后10 m范圍內(nèi)進(jìn)行套拱加固處理，并對襯砌進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控量測。在新建隧道建成后，封閉華快舊隧道西側(cè)隧道，南行車輛通過新建隧道臨時(shí)疏解，然后再進(jìn)行新舊隧道之間的橫通道施工。

3.6 隧道防排水設(shè)計(jì)

隧道防排水設(shè)計(jì)遵循“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，采用完整的防排水體系，使隧道內(nèi)防水可靠，排水通暢，保證運(yùn)營期間隧道內(nèi)不滲不漏，基本干燥，如圖7所示。

本次隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用潔污分排方案，將隧道襯砌外圍巖滲水通過橫向排水管引入地下側(cè)式排水溝排走，而隧道內(nèi)雨水、路面積水和清潔污水等匯入地面排水溝排出。

3.7 路面及裝飾設(shè)計(jì)

結(jié)合國內(nèi)公路隧道建設(shè)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，為了提高隧道中行車的舒適性和安全性，減少路面的變化，本項(xiàng)目隧道主洞采用瀝青復(fù)合式路面，車行、人行橫通道采用水泥混凝土路面。

隧道推薦采用“耐火瓷磚+防火涂料”的洞內(nèi)裝飾方案。隧道邊墻3.8 m高范圍內(nèi)采用乳白色耐火瓷磚鑲貼，其余部分噴涂隧道專用厚型防火涂料。隧道采用機(jī)械通風(fēng)，配有滅火器、消防栓等安全設(shè)備，新建兩條與既有隧道連通的救援人行通道，發(fā)生火災(zāi)等災(zāi)害時(shí)能夠及時(shí)處理救援。同時(shí)四車道隧道與洞外車道數(shù)相同，可以很好地緩解通行壓力，避免交通堵塞，且駕車視野開闊，不僅具有很好的駕車體驗(yàn)，而且能夠有效提高行車的安全性。

4 結(jié) 語

在路線全長約2 km的范圍內(nèi)，新建長720 m單洞四車道超大跨度隧道1座，是國內(nèi)首條既有連拱隧道側(cè)新建的超大跨度隧道。開挖斷面大、步驟多，設(shè)計(jì)和施工難度大，隧道穿越原隧道棄渣區(qū)域，土質(zhì)松軟承載力差，邊仰坡防護(hù)難度大，采用小導(dǎo)管注水泥漿加固土體。新隧道建設(shè)過程中，爆破開挖對原隧道有一定震動擾動，需嚴(yán)格控制爆破振速，并持續(xù)對原隧道監(jiān)控量測，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。新建隧道向原隧道開挖人行通道過程需采用爆破和機(jī)械開挖相結(jié)合，尤其接近原隧道結(jié)構(gòu)時(shí)和對原隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行開挖時(shí)，必須采用機(jī)械切割開挖，精細(xì)化施工要求高。設(shè)計(jì)綜合考慮各種限制性因素，從總體上把控了路線的關(guān)鍵因素。新建隧道位于原隧道西側(cè)，為節(jié)約占地的同時(shí)保證施工期間不對原連拱隧道產(chǎn)生有害影響，兩者凈距保持在38m左右。這也是國內(nèi)首條在既有連拱隧道外側(cè)新建的超大跨度隧道。確定在舊有的連拱隧道西側(cè)新建了一個(gè)單洞四車道隧道的基礎(chǔ)上調(diào)整、優(yōu)化了路線接順方案，既滿足了基本的技術(shù)規(guī)范要求，也兼顧了項(xiàng)目全線遠(yuǎn)期改造的條件。更重要的是，通過總體設(shè)計(jì)，使近、遠(yuǎn)期拓建有機(jī)協(xié)調(diào)，利于分期建設(shè)?？傮w設(shè)計(jì)在整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中起到了關(guān)鍵性作用。