公路隧道设计及施工工艺

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【摘要】以小佛寺隧道工程为例，基于公路隧道设计需遵循的原则，主要探讨了小佛寺隧道设计工程中的隧道勘测、隧道选线、隧道纵断面设计等内容，并详细研究了公路隧道的施工工艺，包括隧道掘进、地质预报、中线及高程控制等。

【关键词】隧道设计；隧道施工；公路隧道工程

1工程概况

小佛寺隧道位于山东省济南市历城区锦绣川镇，主要通过的村落为东崖村、团飘村。隧址区地形起伏较大，地面标高260.0耀510.0m，相对高差250m，左右线进口自然坡角约5毅，左右线出口自然坡角约9.6毅。隧址区植被发育，多为核桃树、果树、杂木以及杂草等。其隧址区地层岩性简单，上覆第四系残坡积覆盖粉质黏土层（Q4pl+dl），下伏（沂）石灰岩、页岩。地下水补给主要以大气降水补给为主。地下水埋深变化较大，水位深度为23.0m耀150.0m，局部钻孔未见地下水。

2公路隧道设计遵循原则

公路隧道设计应按照国家规范要求设计，隧道中线与洞口等高线斜交，则洞口可采用斜交结构设计，隧道中线及端墙交角应跃45毅[1]。施工图纸设计应考虑到隧道内轮廓，隧道洞口设置洞门，可采用削竹式、端墙式、柱式、台阶式。洞门设计应符合实际施工特点，满足工程地理条件。内部轮廓设计应确保排水、照明、管理、通风等设备所需空间。洞门设计应按照地质条件及施工需求，结合工程周边环境确定。若隧道位于城镇、村落等建筑物附近，应更加注重隧道的美观性，确保工程建设与城市建设及环境保护的协调。

3公路隧道设计

3.1隧道勘测。在开展公路隧道建设前，对施工区域科学勘测是确保设计有效的基础。前期勘测应注重确定隧道位置、类型、施工方案、环境保护后期运营养护等。要对公路隧道区域地貌、地质及地下水分布、水量等进行详细分析。在隧道勘察中应开展地质勘探，了解各区域更详细的围岩类型。围岩条件对隧道稳定、使用寿命及具体施工方案有较大影响，应针对围岩等级及岩性选择合适的隧道设计方案。以小佛寺隧道为例，其地质调绘及钻探显示，隧址区地层分为粉质黏土和中风化闪长岩，粉质黏土呈现换褐色，图纸均匀，有可见铁锰质氧化物，含少量碎石（直径1耀4cm），[fa0]=140kPa。小佛寺隧道围岩级别统计如表1所示。中风化闪长岩呈现灰绿色，岩芯柱状，岩溶及节理裂隙发育带赋水性良好。其补水方式为大气降水，通过风化裂隙汇入地下水，地下水以地下径流及泉水排除，施工区域地下水埋深变化大，水深23.0耀150.0m，中风化石灰岩渗透系数K=0.007耀0.015m/d。涌水量Qs=629.71m3/d。3.2隧道选线。隧道位置决定了工程造价、建成后养护及安全运营多方面内容。在勘测设计中，应确定路线走向，深入调查后，科学设计方案。若路线开挖深度跃30m，应和隧道及深路堑方案比对，综合考虑施工难度、成本、运营、维护等内容，同时兼顾政治、经济、国防、环保等需求来确定采用的方案是否合理。隧道平面及纵面线形应和隧道两端路线在一定范围内保持一致，在隧道起点、终点、中间点以“线路最短”为概念，落实“成本最低”理念。不同控制点可通过反复穿线、插点、结合区域地形特点，确定道路中线位置，避免隧道洞口高边坡。在地质条件上，注重洞口及隧道总长设计，在设计中要考虑高程及路线长度，针对线路、地形、地质确定隧道位置及长度，特长隧道考虑辅助坑道及通风设置，洞口位置考虑边坡及仰坡稳定。3.3隧道纵断面设计。隧道纵坡需满足线路设计限制坡度要求，纵坡形状采用单坡及人字坡，单坡可在高程路线高差大时便于展线，人字坡便于施工排水及出碴。平纵面线形应顺应地势及确保隧道洞内外线形一致，且和区域景观保持一致，分析地质及场地对施工难度影响，应避免平曲线设置不合理造成行车及通风不便。受地形、地质限制较大时，平曲线可不设超高[2]。3.4隧道内轮廓设计。隧道内轮廓设计应考虑公路等级、车道数、侧向宽度及余宽，如何设置人行道、检修道。隧道内轮廓不得侵入隧道建筑限界，具体内轮廓如图1所示。

4公路隧道施工工艺

4.1隧道掘进。在公路隧道工程中，隧道掘进需符合政府规范要求，开挖后设置支护。应重视公路隧道地质超前预报，加强监控，掌握掘进可能出现的风险问题。掘进方式可选择手掘式、半机械及机械式掘进等。按照挡土形式分为明挖和暗挖：明挖方式，其开挖面从隧道外直接观测，在城市浅埋隧道施工中应用广泛；暗挖方式，不能直接观测到开挖面，需以固定装置间接掌握开挖面，在贯穿高山隧道中应用广泛。4.1.1地质预报。地质预报需具备超前性。隧道开挖中围岩、特殊地质、渗水都会影响开挖效率及质量，应及时掌握情况，指导工作，这就需重视地质超前预报。在开挖中，随着掘进深入，新问题将接踵而来，可采用打超前探孔、地震波法、超声波探测等方式，也可参考地质专家判断，针对地质构造特征对施工前方地质进行判断。4.1.2中线及高程控制。在公路隧道中线测量前，应考虑隧道开挖打通后其偏差数据。应针对隧道长及平面形状，在图纸上布置测点及预计贯通点，在平面图上测量必要尺寸，以规范极限误差计算测角及量距精度。4km以下的隧道中线贯通极限误差控制在依100mm，4耀8km隧道中线贯通极限误差控制在依150mm。隧道高程数据对控制建设规模有重要影响，短隧道采用通用水平仪控制，长隧道采用精密水平仪建设，确保高程能达到需求精度，高程贯通极限误差在依50mm。在隧道开挖中，应注重对项目施工进度控制，掌握隧道纵向坡度和方向偏离，实时调整隧道掘进状态。4.1.3掘进方式。可采取盾构法进行施工。隧道松软地质以盾构法开挖，盾构是圆形钢结构开挖设备，其前端为切口环，中间支撑环，后端为盾尾。开挖中，切口环切入底层，掩护施工人员工作，支承环承担主要荷载，可安装多台推进盾构千斤顶或其他设备。盾尾随切口环和支承环前进，保护施工安装铁管片及混凝土管片安全。盾构法在松软地层区具有实践意义，能确保施工安全，避免超挖出现。掘进机法在隧道断面上施工，以连续掘进设备施工，普通掘进机前端为金属圆盘，具有较强旋转及推动能力。圆盘上附着多把刀具，用以切割地层，圆盘周边存在铲斗，对切割后碎石倾入运输部分，由后方运出。其机身部分有数对可伸缩支撑机构，刀具切割地层，其外伸撑紧岩壁，平衡扭矩及推力。掘进机法对围岩影响小，速度较快，操作人员少，可有效减少人力成本，减轻劳动强度，缩短工期[3]。4.2隧道支护。4.2.1复合式衬砌。以喷锚网或单喷作为初期支护后，泵送混凝土形成拱圈作为二次衬砌，形成喷锚网支护+混凝土衬砌。考虑隧道防排水需要，在初支与二次衬砌间铺挂排水管、防水板等，建立防水层。4.2.2喷锚。锚杆种类繁多，在施工中应针对围岩及设计需求，选择喷锚方式，确保支护稳定。喷锚方式分为干式和湿式两种，无论采用哪种喷锚方式，都应确定合适混凝土配合比，确保其满足强度、喷射要求，喷射材料选择水泥、粗集料、细集料、速凝剂、水。施工前应清理喷岩面，确保喷射混凝土与岩面有良好的粘结力，控制混凝土厚度，使厚度满足设计要求，锚杆、钢筋网、钢支撑等具有足够保护层，发现局部脱落及时补喷。

5结语

综上所述，公路隧道建设是国民经济发展中的有力支撑，应积极探索现代化技术在公路隧道施工中的合理应用，以新技术增加施工安全性，提高工程质量。为确保车辆在隧道中行驶的安全性和快捷性，应针对隧道所处区域道路独特性及环境特点分析，以科学设计及施工工艺，提高隧道安全性，为区域化经济发展奠定坚实的基础。

【参考文献】

【1】JTGD70—2004公路隧道设计规范[S].

【2】刘富强.公路隧道设计与施工技术探究[J].工程建设与设计，2017（7）：96-98.

【3】钟恩.单洞四车道特大断面公路隧道设计与施工关键技术分析[J].交通世界，2017（Z2）：158-159.

作者:张良 单位:中交第一公路勘察设计研究院有限公司