CN105909263A - 风积沙地层公路隧道结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风积沙地层公路隧道结构及其施工方法。根据现有技术修筑风积沙地层隧道无法合理确定风积沙隧道总体布置。本发明隧道结构的衬砌断面均为曲边墙拱形断面，拱部选用单心圆布置，设置仰拱，仰拱衬砌截面为等厚连接圆顺的衬砌断面，仰拱厚度与拱墙厚度相同；隧道结构包括明挖段和暗挖段，明挖段衬砌结构为整体式模筑钢筋混凝土结构，暗挖段衬砌结构为初期支护和二次衬砌及中间防水层组合而成的复合式衬砌；隧道结构暗挖段全段设置水平高压旋喷桩超前支护。本发明确定了风积沙隧道长度、埋深和双洞间距的布置要求，可有效降低工程造价；可以提供安全可靠的结构设计参数和超前支护方案，显著提升施工及运营期结构安全性。

Description

风积沙地层公路隧道结构及其施工方法

技术领域

本发明属于公路隧道工程技术领域，具体涉及一种风积沙地层公路隧道结构及其施工方法。

背景技术

在昆仑-秦岭-大巴山一带以北，包括西北5省(区)、山西、内蒙古、河北部分地区是我国最主要的荒漠化沙地分布区。强风搬移风沙流至冲积平原地区形成的沙丘地层即为风积沙地层，属第四纪风积物。风积沙地层具有结构松散、颗粒单一、粒径小、注浆渗透性差、抗剪强度低、无自稳力等特点，在外力作用下极易松散和破碎。

如何安全、经济的在风积沙地层修筑隧道是行业内非常棘手的难题之一。现有的公路隧道修建方法未涉及风积沙地质环境条件,隧道总体实施方案和具体技术参数均缺少指导依据,风积沙隧道应当采用暗挖法还是暗挖法无法得到确切的解答。现有的隧道结构支护设计基于新奥法理念，大多以工程类比经验法进行设计，没有专门针对风积沙地层这种特殊地质的结构设计建议参数。现有超前支护技术以小导管或大管棚注浆为主，无法封堵粒径微小且易于泄漏的风积沙颗粒。综上可知，现有的公路隧道建设技术并不适应风积沙地层的特殊要求。

目前国内中西部地区交通基础设施的建设依然处于快速发展阶段，穿越风沙区域的公路工程数量日益增多，风积沙地层隧道工程建设难题更加突显。因此，必须开发适用于风积沙地层的公路隧道修建方案，保障风积沙隧道修建安全性和经济性。

发明内容

本发明的目的是提供一种风积沙地层公路隧道结构及其施工方法，解决了现有技术无法合理确定风积沙隧道总体布置原则，没有可供参考的结构设计参数建议及超前支护方案等问题。

本发明所采用的技术方案为：

风积沙地层公路隧道结构，其特征在于：

隧道结构的衬砌断面均为曲边墙拱形断面，拱部选用单心圆布置，设置仰拱，仰拱衬砌截面为等厚连接圆顺的衬砌断面，仰拱厚度与拱墙厚度相同；

隧道结构包括明挖段和暗挖段，明挖段衬砌结构为整体式模筑钢筋混凝土结构，暗挖段衬砌结构为初期支护和二次衬砌及中间防水层组合而成的复合式衬砌；

隧道结构暗挖段全段设置水平高压旋喷桩超前支护。

隧道结构包括上、下行分离的独立单洞，上、下行净距离不小于两倍开挖跨径，最大埋深控制在40m以内，平均埋深小于30m，穿越风积沙段落控制在单洞长度500m以内。

水平高压旋喷桩超前支护的旋喷桩桩径为50～80cm，环向搭接重叠量为20～30cm，布置范围为覆盖拱部180°；

一次施作的纵向长度不超过20m，纵向搭接不小于4m，设置5～6°的外插角。

风积沙地层公路隧道结构的施工方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：明挖段、暗挖段的长度分配：

风积沙隧道总长度为L ₀ ，明挖段长度为L ₁ ，暗挖段长度为L ₂=L ₀ -L ₁，风积沙隧道总造价为：

式中：P为风积沙隧道工程总造价，单位为万元；C ₁ 为明挖段结构综合单价，单位为万元/m；C ₂ 为明挖段坡面防护综合单价，单位为万元/m²；C ₃ 为明挖段土方开挖及回填综合单价，单位为万元/m³；C ₄ 为暗挖段结构综合单价，单位为万元/m；C ₅ 为暗挖段旋喷桩综合单价，单位为万元/m；S为明挖段坡面面积，单位为m²,根据开挖形成的空间几何体关系得出：

；

V为明挖段开挖方量，单位为m³，根据开挖形成的空间几何体关系得出：

；

n ₀ 、n ₁ 、n ₂ 分别为风积沙地层坡率、明挖段两侧边坡坡率、明暗交界处仰坡坡率，均为比例坡率。

根据上式绘制P-L ₁ 关系曲线，应用作图法求解总造价P达到最小值对应的明挖段长度L _1e ，暗挖段长度为L ₀ -L _1e ；

步骤二：明挖段实施：

放坡坡率按风积沙材料自然休止角确定，取1：1.5～1：2.0；

仰坡下段采用重力式挡墙支撑风积沙地层坡脚，兼作第一环旋喷桩施作导向墙；

步骤三：暗挖段实施：

采用水平旋喷桩超前支护，形成连续搭接的加固体全面封堵沙粒泄漏路径，控制掌子面前方围岩变形；桩径为50～80cm，环向搭接重叠量为20～30cm，布置在隧道拱部180°范围内，一次施作的纵向长度为15～20m，纵向搭接4～5m，设置5～6°的外插角；

复合式衬砌的二次衬砌结构采用6m台车浇筑，衬砌浇筑紧跟开挖施工。

本发明具有以下优点：

本发明提供的设计方案，确定了风积沙隧道明挖段、暗挖段长度分配方法，可有效降低工程造价；提供安全可靠的结构设计参数和超前支护方案，显著提升施工及运营期结构安全性。

附图说明

图1是风积沙隧道总体布置平面示意图。

图2是风积沙隧道总体布置双洞间距示意图。

图3是风积沙隧道超前支护方案示意图。

图4是风积沙隧道暗挖段衬砌结构示意图。

图5是风积沙隧道明挖段衬砌结构示意图。

图6是风积沙隧道实施单元划分；

图7是风积沙隧道工程造价与明挖段长度关系曲线

图中，1-超前支护，2-初期支护，3-二次衬砌，4-明挖段衬砌结构，11-高压旋喷桩，21-初期支护锁脚锚管。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及的一种风积沙地层公路隧道结构，隧道结构包括上、下行分离的独立单洞，上、下行净距离不小于两倍开挖跨径，最大埋深控制在40m以内，平均埋深小于30m，穿越风积沙段落控制在单洞长度500m以内。隧道结构的衬砌断面均为曲边墙拱形断面，拱部选用单心圆布置，设置仰拱，仰拱衬砌截面为等厚连接圆顺的衬砌断面，仰拱厚度与拱墙厚度相同。隧道结构包括明挖段和暗挖段，明挖段衬砌结构为整体式模筑钢筋混凝土结构，暗挖段衬砌结构为初期支护和二次衬砌及中间防水层组合而成的复合式衬砌。隧道结构暗挖段全段设置水平高压旋喷桩超前支护。水平高压旋喷桩超前支护的旋喷桩桩径为50～80cm，环向搭接重叠量为20～30cm，布置范围为覆盖拱部180°；一次施作的纵向长度不超过20m，纵向搭接不小于4m，设置5～6°的外插角。

本发明将风积沙隧道划分为明挖段和暗挖段两个实施单元，基于造价最低原则确定明挖段、暗挖段的长度分配；明挖段采用坡率法及喷锚防护进行开挖支护，采用机械分部分块开挖，随挖随支，明挖隧道结构采用整体式钢筋混凝土结构；暗挖段采用水平旋喷桩超前支护，三台阶法施工，机械辅以人工开挖，暗挖隧道结构采用复合式衬砌结构。

1、隧道总体布置：

隧道路线总体方案设计应遵循绕避风积沙地层的原则，尽量缩短穿越风积沙段长度，穿越段落控制在单洞长度500m以内。路线总体设计及隧道布置还要考虑减小隧道埋深，风积沙隧道最大埋深控制在40m以内，平均埋深控制在30m以内。高速公路风积沙隧道采用上、下行分离的独立单洞，分离式隧道净距离不小于两倍开挖跨径。如图1、2所示。

衬砌断面采用曲边墙拱形断面，拱部选用单心圆布置，以利于旋喷桩桩位确定和钻进精度控制。隧道设仰拱，衬砌截面宜采用等厚连接圆顺的衬砌断面，仰拱厚度与拱墙厚度相同。

2、明挖段、暗挖段长度分配：

风积沙隧道划分为明挖段和暗挖段两个实施单元，如图6，基于工程造价最低原则对风积沙隧道明挖段、暗挖段进行长度分配。风积沙隧道总长度为L ₀ ，明挖段长度为L ₁ ，暗挖段长度为L ₂=L ₀ -L ₁，风积沙隧道总造价为：

式中：P为风积沙隧道工程总造价，单位为万元；C ₁ 为明挖段结构综合单价，单位为万元/m；C ₂ 为明挖段坡面防护综合单价，单位为万元/m²；C ₃ 为明挖段土方开挖及回填综合单价，单位为万元/m³；C ₄ 为暗挖段结构综合单价，单位为万元/m；C ₅ 为暗挖段旋喷桩综合单价，单位为万元/m；S为明挖段坡面面积，单位为m²,根据开挖形成的空间几何体关系得出

；

V为明挖段开挖方量，单位为m³，根据开挖形成的空间几何体关系得出

；

n ₀ 、n ₁ 、n ₂ 分别为风积沙地层坡率、明挖段两侧边坡坡率、明暗挖交界处仰坡坡率，均为比例坡率；B为隧道开挖跨度，单位为m。

根据上式绘制P-L ₁ 关系曲线，应用作图法求解总造价P达到最小值对应的明挖段长度L _1e ，暗挖段长度为L ₀ -L _1e ，如图7，至此，依据风积沙隧道工程造价最低原则完成了明挖段、暗挖段的长度分配。

3、超前支护设计：

风积沙地层公路隧道采用水平高压旋喷桩超前支护，如图3所示。桩径为50～80cm，环向搭接重叠量为20～30cm，布置范围为覆盖拱部180°，可根据支护效果局部调整扩大布设范围。一次施作的纵向长度不超过20m，纵向搭接不小于4m，设置5～6°的外插角。旋喷桩28d龄期无侧限抗压强度不应低于3.0MPa。

4、暗挖段衬砌结构设计：

风积沙隧道暗挖段衬砌结构采用由初期支护和二次衬砌及中间防水层组合而成的复合式衬砌，如图4所示。初期支护采用锚喷支护，即由喷射混凝土、锁脚钢管、钢筋网和钢架等支护形式组合使用，钢架采用“工”字截面型钢拱架，不设系统锚杆。二次衬砌宜采用模筑钢筋混凝土结构。

支护参数可根据隧道埋深按下表选用。

隧道暗挖段施工采用三台阶法开挖，机械辅以人工开挖。先行施作超前支护，采用高压旋喷桩工艺；然后进行隧道开挖，按三台阶七步法作业流程进行，开挖进尺50～75cm，台阶长度6m，台阶高度小于5m，每环旋喷桩施作后的首次开挖，需要人力凿除侵入初期支护限界内的旋喷桩端头；开挖后立即进行初期支护，采用喷锚工艺；初期支护闭合长度达到6m时，立即进行二次衬砌浇筑，衬砌台车长度采用6m规格，减小台车工作空间需求，尽量缩短二次衬砌落后初期支护的距离。

5、明挖段衬砌结构设计：

明挖段采用坡率法放坡开挖，并采用喷锚支护防护坡面，放坡坡率按风积沙材料自然休止角确定，取1：1.5～1：2.0。明暗交界处仰坡下段采用重力式挡墙支撑风积沙地层坡脚，兼作第一环旋喷桩施作导向墙。明挖隧道结构采用整体式钢筋混凝土结构，支护参数可根据最大回填高度按下表选用。

明挖段施工，首先进行地层开挖，采用机械开挖方式，按设计坡率开挖边坡和仰坡，边开挖边防护；然后进行明挖段隧道结构浇筑，仰拱先行施工，拱部和边墙采用衬砌台车同时浇筑。

下面是本发明在张承高速千松坝隧道风积沙段落的实施例：

千松坝隧道位于张家口至承德高速公路承德段丰宁县境内，隧道出口穿越风积沙地层。应用本发明的设计方案进行隧道总体布置和结构设计。

隧道总体设计尽量缩短风积沙段落长度，降低隧道埋深，适当延长明挖段长度，以降低工程总造价。布置隧道左线出口风积沙段长度为213m，明挖修筑90m，暗挖修筑123m；隧道右线出口风积沙段长度为214m，明挖修筑85m，暗挖修筑129m。双洞间距35m，大于两倍的开挖跨径。

隧道超前支护采用水平高压旋喷桩。桩径为60cm，环向搭接重叠量为20cm，布置范围为拱部180°。纵向长度为20m，搭接5m，设置5°的外插角。旋喷桩28d龄期无侧限抗压强度不应低于3.0MPa。

隧道暗挖段衬砌结构采用复合式衬砌，暗挖段隧道道埋深介于B与2B之间（B为隧道开挖跨径）。初期支护采用28cm厚C25早强喷射混凝土，配置I22b型钢拱架，间距50cm；Φ8钢筋网，间距15×15cm；Φ50壁厚3.5mm锁脚锚管，长度为5m。二次衬砌采用C30钢筋混凝土，截面厚度55cm，配置Φ22钢筋，间距20cm。

隧道明挖段衬砌结构采用C30钢筋混凝土，明挖段最大回填高度小于20m，结构厚度取65cm，配置Φ22钢筋，间距20cm。

千松坝隧道风积沙段实际施工历时约6个月，暗挖施工折算平均施工进度约40m/月，远高于国内其它已建风积沙隧道。监控量测显示结构沉降变形最大值为5cm，施工期间未发生质量及安全事故，没有因漏沙或大变形导致持续停工滞工情况，隧道结构具有充足的安全储备。

国内陕北和内蒙已建成几座风积沙隧道，由于缺少专用于风积沙地层的隧道设计方案，致使修建过程非常艰难曲折，经历多次方案修改方才完式，陕北某穿越风积沙地层的公路隧道，施工期间结构变形量达到80cm，全长约300m的段落历时近两年才施工完成，工程造价也显著增加。内蒙某风积沙隧道设计长度近1km，设计原方案采用暗挖施工，实际迫不得以全长采用了明挖施工，工期和造价均明显增加。而本发明针对风积沙隧道设计技术不足，提出一种风积沙地层公路隧道总体布置和结构设计方案，实施例的实践效果表明，本发明方案可以有效控制漏沙问题，保障施工期结构安全性，对风积沙地层具有良好的适应性，施工进度大幅提升，能够显著节约工期和造价。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.风积沙地层公路隧道结构，其特征在于：

隧道结构的衬砌断面均为曲边墙拱形断面，拱部选用单心圆布置，设置仰拱，仰拱衬砌截面为等厚连接圆顺的衬砌断面，仰拱厚度与拱墙厚度相同；

隧道结构包括明挖段和暗挖段，明挖段衬砌结构为整体式模筑钢筋混凝土结构，暗挖段衬砌结构为初期支护和二次衬砌及中间防水层组合而成的复合式衬砌；

隧道结构暗挖段全段设置水平高压旋喷桩超前支护。

2.根据权利要求1所述的风积沙地层公路隧道结构，其特征在于：

隧道结构包括上、下行分离的独立单洞，上、下行净距离不小于两倍开挖跨径，最大埋深控制在40m以内，平均埋深小于30m，穿越风积沙段落控制在单洞长度500m以内。

3.根据权利要求1所述的风积沙地层公路隧道结构，其特征在于：

水平高压旋喷桩超前支护的旋喷桩桩径为50～80cm，环向搭接重叠量为20～30cm，布置范围为覆盖拱部180°；

一次施作的纵向长度不超过20m，纵向搭接不小于4m，设置5～6°的外插角。

4.风积沙地层公路隧道结构的施工方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：明挖段、暗挖段的长度分配：

风积沙隧道总长度为L ₀ ，明挖段长度为L ₁ ，暗挖段长度为L ₂=L ₀ -L ₁，风积沙隧道总造价为：

式中：P为风积沙隧道工程总造价，单位为万元；C ₁ 为明挖段结构综合单价，单位为万元/m；C ₂ 为明挖段坡面防护综合单价，单位为万元/m²；C ₃ 为明挖段土方开挖及回填综合单价，单位为万元/m³；C ₄ 为暗挖段结构综合单价，单位为万元/m；C ₅ 为暗挖段旋喷桩综合单价，单位为万元/m；S为明挖段坡面面积，单位为m²,根据开挖形成的空间几何体关系得出：

；

V为明挖段开挖方量，单位为m³，根据开挖形成的空间几何体关系得出：

；

n ₀ 、n ₁ 、n ₂ 分别为风积沙地层坡率、明挖段两侧边坡坡率、明暗交界处仰坡坡率，均为比例坡率；

根据上式绘制P-L ₁ 关系曲线，应用作图法求解总造价P达到最小值对应的明挖段长度L _1e ，暗挖段长度为L ₀ -L _1e ；

步骤二：明挖段实施：

放坡坡率按风积沙材料自然休止角确定，取1：1.5～1：2.0；

仰坡下段采用重力式挡墙支撑风积沙地层坡脚，兼作第一环旋喷桩施作导向墙；

步骤三：暗挖段实施：

采用水平旋喷桩超前支护，形成连续搭接的加固体全面封堵沙粒泄漏路径，控制掌子面前方围岩变形；桩径为50～80cm，环向搭接重叠量为20～30cm，布置在隧道拱部180°范围内，一次施作的纵向长度为15～20m，纵向搭接4～5m，设置5～6°的外插角；

复合式衬砌的二次衬砌结构采用6m台车浇筑，衬砌浇筑紧跟开挖施工。