韩家岭四车道隧道设计与施工技术研究.doc

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韩家岭四车道隧道设计与施工技术研究

万明富魏明祥

（辽宁省交通勘测设计院沈阳110005）

时磊

（辽宁省公路勘测设计公司沈阳110005）

摘要本文结合沈大高速公路改扩建工程中韩家岭四车道隧道的设计、施工与课题研究，简要

介绍大跨度隧道的设计、施工有关技术。

关键词大跨度隧道设计施工研究

1工程概况

1．1韩家岭四车道隧道越岭方案的历史背景

韩家岭隧道是沈大高速公路扩建为八车道时出现的单洞四车道隧道，隧道位于大连市金

洲区北部约6．5km处，老沈大高速公路的西侧。

老沈大高速公路以大开挖的方式穿越韩家岭，最大开挖深度超过30m。

这次改扩建工程的设计过程中，在确定越岭方案前，先后比较过如下几个方案：

方案一是在老高速公路基础上加宽，即将老路边坡继续刷去。

该方案施工简单，但是阳

至大连方向在该处上坡坡度较大，超过规范要求，要改善纵坡就要继续下挖，必然带来更深的挖方边坡，破坏山体和环境。

方案二是离开老高速公路适当距离修一座单洞三车道隧道或一座两车道联体隧道（两洞

同时作为下行线），前者必然使交通能力在隧道处出现瓶颈现象，后者则导致视觉上的不顺畅。

方案三是在方案二的平面线位上修筑单洞四车道隧道作为下行线，老沈大高速公路作为

上行线，上述两方案存在的问题将得到解决，但是该方案实施起来技术相对复杂。

经过反复论证，决定采用方案三作为韩家岭最终的越岭方案。

1．2工程简介

韩家岭隧道起迄桩号为K344+635．5一K345+156．5，隧道全长521m，隧道纵坡为

1．6，隧道位于R一5500m的圆曲线上。

隧道区表层为小于4m厚的碎石土，基岩为岩与页岩、泥灰岩互层，灰岩为硬质岩，页岩、泥灰岩为软质岩。

隧道进出口段均为Ⅱ类围岩，围岩极不稳定。

2四车道隧道设计方案

2．1四车道隧道断面形式

隧道断面设计必须掌握好两个指标：

一是隧道的安全，二是隧道的造价。

在隧道跨度一定的情况下，隧道的最大开挖高度就成为决定上述两个指标的关键因素。

在其他条件相同的情况下，一般是最大开挖高度大（即矢跨比大），隧道结构受力就趋向有利，隧道的安全性较高，但这将带来更多的挖方和工程材料，反之最大开挖高度小（即矢跨比小），隧道结构受力就不利。

为了保证隧道安全，必然要适当地加强支护衬砌参数。

所以，如何确定一个相对合理的断面，使其技术上可行，经济上合理，是本隧道设计的关键。

2．1．1四车道隧道的净空断面要求

为了保持交通通畅，隧道几何线形与净空按与洞外路基相同的设计时速（120km／h）设计，

隧道基本总宽度为19．OOm（一0．75+0．50+0．75--}-4×3．75+0．75+0．50+0·75m），建筑限

界净高5．5m，检修道净高2．5m。

2．1．2单洞四车道隧道的衬砌断面设计

在满足隧道净空断面的前提下，拟订几种尺寸的隧道断面，进行初步分析计算，选择相对

较优断面作为隧道的衬砌内轮廓断面。

首先，确定隧道衬砌断面的总体构成形式，拱部是采用单心圆、三心圆或是五心圆，要由两

个标准来衡量：

一是净空断面的利用率（经济因素），二是围岩、支护衬砌结构的力学效应（安全

因素）。

上述几种形式的断面见图1（a），（b），（c）。

（＆）单圜

图1隧道衬砌拱部方案比较图

对上述几种形式的断面进行比较（其他条件相同前提下），比较结果见表1。

可以看出，拱

部采用五心圆方案时效果更为理想。

表1隧道断面分析成果比较表

方案名称结构特点断面利用率力学特点

拱部为一个圆弧，侧墙与仰侧墙与仰拱交接处应力集中现拱部单心圆较低

拱交接处不圆顺象较大

拱部为三个圆弧，侧墙与仰侧墙与仰拱交接处应力集中现拱部三心圆较高

拱交接处不圆顺象较大

拱部为五个圆弧，侧墙与仰侧墙与仰拱交接处应力集中现拱部五心圆较高

拱交接处圆顺象较小

然后，对五心圆断面进行进一步优化，即进行不同矢跨比的力学效应比较，确定出隧道的

几何断面，如图2所示。

2．2结构设计支护衬砌参数与注意事项

2．2．1支护衬砌参数

在确定隧道内轮廓断面的同时，初步拟订一套支护衬砌参数，然后利用相关软件进行分析

计算，并调整支护衬砌参数。

隧道支护衬砌参数见表2。

2．2．2结构设计注意事项

这里不详细介绍结构分析过程，仅就结构计算分析后应注意的事项进行讨论。

a．配筋设计：

考虑到隧道断面太大，围岩变形周期长，使得衬砌结构建成后可能产生裂缝，

影响结构安全和美观；如果有渗漏现象产生，在北方由于存在冻融现象，对结构的影响更为严

重，所以在衬砌结构中必须进行适当配筋。

表2隧道支护参数表（主洞）

围衬初期支护与超前支护二次衬砌

岩砌锚杆喷射混凝土钢拱架管棚拱圈仰拱

明30号钢筋30号钢筋

Sm混凝土厚混凝土厚洞

75cm75cm

浅西25中空锚杆，单根西108×6ram25号钢筋25号钢筋

S0长6．Om，间距0．4030cm厚25号I18号钢拱大管棚

，环混凝土厚混凝土厚埋钢纤维混凝土架

×0．80m距40cm75cm75cm

西25中空锚杆，单根西50×5ram25号钢筋25号钢筋

IS2长6．Om，间距0．5030cm厚25号I18号钢拱小管棚

，环混凝土厚混凝土厚

×0．80m

钢纤维混凝土架距

40cm75cm75cm

~25中空锚杆，单根cP22超前锚25号钢筋25号钢筋

IS3长5．5m，间距0．7526cm厚25号I18号钢拱

×1．OOm

钢纤维混凝土架杆，环距混凝土厚混凝土厚

40crn7Oc12270cm

cP25中空锚杆，单根25号钢筋

ⅣS4长5．Om，间距1．O022cm厚25号I16号钢拱

钢纤维混凝土架混凝土厚

×1．OOm65cm

b．仰拱设置：

考虑到隧道跨度较大，

在Ⅲ类及其以下类别的围岩中均设置了仰

拱。

c．基础设计：

在Ⅳ类围岩中衬砌没有

设置仰拱，上覆荷载传递到衬砌基础时，衬

砌墙脚产生较大的应力。

为了保障墙脚不

受破坏，基础尺寸要求加大加厚。

d．洞口加强：

隧道洞口处于较为不利

的受力状态，隧道洞口稳定与否直接决定

了能否安全进洞。

为了达到这个目的，在隧

道洞口设置一段加强性一次衬砌。

2．5大跨度隧道施工方案

2．3．1施工方案比较

由于单洞四车道隧道没有系统成熟的

施工经验可以借鉴，设计过程中拟订了两

种施工方案。

施工开挖方案及其优缺点如

图3、表3所示，以设仰拱衬砌为例，无仰

拱段可以借鉴，适当调整即可。

2．3．2方案选择

图2四车道隧道衬砌断面与净空限界图

根据各方案对应的支护参数，采用数值方法对各个施工环节进行力学分析，对存在的安全

隐患采取切实可行的预防措施后，两个方案均可行。

韩家岭隧道虽然长度仅有500多米，但是由于没有成熟的经验可以借鉴，每个施工环节需

要进行摸索才能推广，要全面铺开施工需要花费很长时间；同时由于北方冬天漫长，有效的年

度工期较短。

而韩家岭隧道是整个沈大高速公路改扩建工程中的关键控制工程，决定着整条高

速公路的工期。

所以最终推荐施工速度快、经过系统有效地组织仍能够安全施工的上下台阶法

作为隧道施工方案，但是风险相对较大。

（a）双侧壁导洞上下台阶法（b）上下台阶法

图5施工开挖方案图

表5施工开挖工序及优缺点比较表

开挖工序步骤序号

双侧壁导洞上下台阶法上下台阶法

1左导洞开挖拱部超前支护（管棚、超前锚杆等）

2左导洞初期支护（锚、喷、网）上台阶开挖

3右导洞开挖拱部初期支护（锚、喷、网）

4右导洞初期支护（锚、喷、网）左侧下台阶开挖

5拱部超前支护（管棚、超前锚杆等）左侧仰拱初期支护（喷）

6上台阶开挖右侧下台阶开挖

7拱部初期支护（锚、喷、网）右侧仰拱初期支护（喷）

8下台阶开挖二次衬砌（先仰拱、后拱部）

9仰拱初期支护（喷）

10二次衬砌（先仰拱、后拱部）

a．施工较为安全优点施工工序转换较为简单

b．事故发生后能够及时地控制局面

a．围岩受扰动次数多①开挖后围岩变形不好控制缺点

b．施工工序转换较为复杂②施工安全相对较差

备注在洞口第一循环时，需要设置一次衬砌，该工序在上台阶初期支护结束后进行。

5现场施工

承包商结合自己的技术实力、机构设备、管理水平，选择上下台阶法作为隧道施工方案，并

对该方案进行了适当优化，对施工中可能存在的安全隐患进行充分考虑，对安全隐患进行了充

分的应急准备工作，使得旋工得以正常进行。

5．1应急措施

在现场常备一定数量的工字钢拱架，当现场监控量测结果或调查结果表明隧道围岩或初

期支护存在安全隐患时，应当及时架立钢拱架，并封闭临时仰拱（也采用钢拱架）。

5．2方案局部调整

隧道施工过程中，遇到一些非常软弱的围岩。

K344+97o--K345-{-025段的地质情况报

告，上台阶施工到K344+96o--970的几个循环中，发现围岩节理裂隙发育，裂隙中有大量粘

土，并有少量裂隙水，围岩完整性、稳定性较差。

开挖到K344~982处时，发现隧道开挖断面左

侧有一断层，围岩非常破碎，右侧围岩非常完整。

为了保证隧道施工的安全和质量，将支护衬砌

参数、相应范围及施工控制进行调整。

3．2．1循环进尺长度缩短

因为岩石很差，循环进尺不能过大，坚持每循环进尺控制在80cm以内。

3．2．2初期支护与超前支护

在隧道左侧围岩较差段，原设计为Ⅳ类围岩，实际施工时采用S3初期支护及超前支护参

数；在隧道右侧围岩较好段，仍采用S4初期支护参数。

3．2．3侧墙部位及锁脚锚杆

在围岩较差的地方，左侧侧墙必须增设锁脚锚杆。

3．2．4二次衬砌

二次衬砌厚度维持S4不变。

3．2．5仰拱部位

在基础地质很差、承载力较小的区段，地基难以承担上部传递下来的荷载，就必须设置仰

拱，仰拱厚度与拱部厚度保持一致。

侧墙部位开挖应当注意开挖轮廓，并对地基进行专门的加

固处理。

4科研课题

4．1科研课题的主要内容

关于隧道结构方面课题的主要内容如下：

a．确定隧道最优设计断面、围岩的支护方式、支护参数；

b．计算机模拟分析计算，确定隧道在不同围岩的开挖工艺及支护、衬砌施作的最佳时机；

研究隧道可能出现突发事件的应急方案；

C．室内相似模拟实验，确定隧道在不同围岩的开挖工艺及支护、衬砌施作的最佳时机；

d．现场监控量测并提供现场监控量测数据，供业主、监理及承包商进行现场生产管理；

e．反演计算，核实围岩及其支护衬砌参数。

4．2有关研究数据

限于篇幅，仅将有关监控量测的结论叙述如下：

深部位移监测主要采用三点位移计，分别

监测3．0m、2．5m、2．0m深部围岩的位移状况。

根据初步监测，约在深度2．2～2．5m时，深部

位移就为零；量测接触应力值分别为0．09MPa和0．03MPa，随着时间的推移，量测值的变化

不大。

这说明开挖方法、初期支护是合理可行的；顶板下沉数据表明顶板在初期支护初有一定

的下沉，后期基本停止，地表下沉监测和喷层无一开裂就是很好的证明。

5后记

韩家岭隧道于2002年3月完成设计，2002年6月开工，2003年4月上断面施工贯通，

2003年9月主体工程结束。

在设计与施工过程中，进行较为系列的科研课题“辽宁省沈大高速

公路韩家岭隧道修筑技术研究’’（交通部科研课题）。

课题内容包括：

隧道断面优化，围岩支护方

式，支护参数；大跨度隧道围岩开挖方法的计算机模拟分析；室内模拟实验；现场监控量测，实

现信息化施工；反演计算；隧道照明参数。

各个分项内容的具体情况将在课题研究总结报告中

提供。