明月峡公路隧道下穿拱桥桥台的施工设计及监控量测
李泳伸
（四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 成都 610041）
摘 要 本文通过对明月峡公路隧道下穿原肖家坝大桥桥台的设计，总结了公路隧道接近施工的设计过程中应重点注意的问题及监控量测技术，对今后类似工程的施工设计提供参考。
关键词 公路隧道 下穿 桥台 施工设计 监控量测
1 前 言
随着基础设施建设的不断完善，接近既有结构物进行山岭隧道施工的实例越来越多，接近施工技术理应成为隧道施工技术一个重要构成部分。在接近施工中，究竟采用什么样的措施，与既有结构物和新设结构物的位置关系、影响程度、既有结构物的种类和重要程度等有密切关系，在设计施工中必须慎重地加以研究。但是如何进行接近施工设计，其程序与方法均没有统一定论。本文旨在通过总结下穿拱桥桥台的明月峡公路隧道的难点设计，为类似工程设计提供一点借鉴。
2 工程概况
2．1 明月峡隧道概况
二连浩特至河口国道主干线四川境陕川界至广元公路明月峡隧道位于广元市朝天区朝天村及楼房沟村境内。明月峡隧道轴线呈弧形状展布，属长隧道，隧道形式为分离式隧道。明月峡隧道概况见表1。
表1 明月峡隧道概况表
隧道进口位于刘家坪东侧王家沟左岸中下部，地形坡度较大，在39°～50°左右，局部近直立。坡体坡向54°，为逆向坡，坡面呈折线形，陡缓相间，多基岩出露，隧道洞口轴线方向237°～244°，与地形等高线近垂直，挂口地形条件较好。
隧道进口段南侧为108国道肖家坝大桥广元岸拱座。隧道左线开挖边线至桥台直线最近距离是在LK24＋291断面，最近距离46 m，在此断面上的垂直净距26 m如图1和图2所示。
图1 明月峡隧道进口段与原肖家坝大桥拱座平面位置图
图2 明月峡隧道LK24＋291断面与原肖家坝大桥拱座相对位置图
2．2 原肖家坝大桥概况
原肖家坝大桥所在路线为北京至昆明国道主干线公路（四川境）的汽车专用二级公路，是四川省出省通道之一，目前这条公路交通运输极其繁重。肖家坝大桥设计为钢筋混凝土箱肋拱桥，净跨径Lo＝120 m，净矢高Fo＝20 m，矢跨比＝1/6。
由图1和图2知，隧道进口端开挖断面与原肖家坝大桥桥台平面、纵面最小净距分别为3．6B和2．0B（B为隧道开挖宽度）。
按相关参考资料知，新建隧道将修建在对桥台无影响范围内，如图3所示。但是，由于拱桥对于拱座附近地表位移异常敏感，同时也因为本桥所在的公路特殊地位，设计时还是必须对新建隧道是否对原肖家坝大桥产生影响进行充分论证，确保设计方案的可靠性。主要必须保证以下两点：隧道在修建过程中其爆破振动不对原肖家坝大桥产生影响；隧道建成后桥结构有足够安全保障。
Ⅰ代表无影响范围；Ⅱ代表注意范围；Ⅲ代表需采取措施范围
图3 明月峡隧道与原肖家坝大桥接近度划分图
3 隧道下穿拱桥桥台的难点设计
根据前面论述，初步确定明月峡隧道下穿拱桥桥台的设计思想为：设计结构合理，施工严控爆破，过程加强量测；并结合地质平面及纵断面，确定明月峡隧道左线LK24＋235～LK24＋380段共长145 m作为设计重点考虑范围。
3．1 下穿桥台段落的隧道结构参数设计
在拟订下穿桥台段落的隧道结构参数时，不能简单地通过加大初支喷混凝土或二衬厚度的方法来解决。
对于软弱围岩中的浅埋隧道，地应力量值本来就不大，致使岩体破坏、强度丧失的临界变形值比较小。在这种情况下，为了保护和发挥围岩的自承能力，须强调的是围岩变形的控制而不是释放，对于支护系统须强调的是刚性而不是柔性。经过对比，设计提出通过预留变形量的合理取值来强化隧道结构。设计规范中要求V级围岩段预留变形量为8～12 cm，对这一特殊段落的预留变形量取为8 cm，体现设计要求“及早施工二次衬砌，主动控制围岩变形”的理念。
表2 下穿拱桥桥台段隧道洞身支护参数
表2支护参数确定后，采用边界元计算软件Examine2D作为计算工具进行理论分析验算。屈服准则采用Mohr-Coulomb准则，在弹性范围内对隧道结构进行分析。由平均主应力的变化可知，隧道开挖前后，岩层的平均主应力分布形态没有发生明显变化；隧道开挖没有对桥台附近的位移场分布产生显著影响；隧道毛洞开挖所引起的周边围岩破坏区域没有发展到桥台附近，如图4和图5所示。
图4 隧道开挖后总位移分布图
图5 隧道开挖后平均主应力分布图
3．2 严格控制隧道爆破施工振动
隧道工程采用爆破开挖施工，地层振动受到动荷载作用会对桥台、拱座产生影响。线位关系一经确定，就可以通过理论公式计算出爆破振动安全允许振速，也可以反算出爆破振动安全允许距离，从而检查线位是否在影响范围之外，同时还可以根据线位关系，计算出施工中每一爆破使用最大装药量，并在施工中严格控制。
3．2．1 按爆破振动距离计算施工中最大装药量
隧道开挖边界点至桥台最近距离为56 m。由此，根据这个距离并查取保护对象所在地质点振动安全允许速度，计算确定每一循环的炸药使用量。
式中 R——爆破振动安全允许距离，m；
Q——炸药量，延时爆破为最大一段药量，kg；
V——保护对象所在地质点振动安全允许速度，cm/s；
K，a——与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。
则爆破允许药量
代入三参数值，则Q＝182 kg。
即隧道开挖时，最大药量不得超过182 kg。考虑隧道施工爆破控制工序复杂，爆破设计时取1．5倍的安全系数，则每一开挖爆破药量宜控制在120 kg内。
实际施工中，每一断面开挖总量（按上下台阶法）不超过75 m2，装药总量不会超过计算控制值，要求采用多段微差爆破，减小爆破振动。
3．2．2 爆破振动安全允许标准计算
地面建筑物的爆破振动判据，采用保护对象所在地质点峰值振动速度和主振频率。
（1）振动速度计算
沿用M·A萨道夫斯基公式
式中 R——爆破振动安全允许距离，m；
Q——炸药量，延时爆破为最大一段药量，kg；
K，a——与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。
代入三参数值，则V＝3．4 cm/s。
如将此值（V＝3．4 cm/s）重新带入式（1），并取Q＝182 kg，则R＝58 m，超过实际距离。由此可知，必须保证爆破药量在120 kg以内，同时要求满足桥台所在地质点峰值振动速度不超过3．4 cm/s，可以满足爆破振动安全允许标准。
（2）主振频率确定
国内外目前对于振动频率计算公式很少，唯一可行的方法是以经验数据或实测数据，根据隧道工程特点，其爆破频率一般值为50 Hz左右。一般拱桥的周期多在0．1～1．0 s（频率1～10 Hz），频率相差大，故不易产生共振破坏。
3．3 加强施工过程监控量测
经过计算，原肖家坝大桥桥台拱座累计的最大位移不得超过10 mm。结合前面的论述和计算，确定隧道下穿拱座段的监控量测方案。
①将左线隧道ZK24＋235～ZK24＋380段至大桥主墩的三角形区域划定为监控区，对该区域采取严密的监控量测措施，以检验施工方法的合理性，预测影响区地表变形趋势，如图6所示。
图6 肖家坝大桥监控段地表位移量测测线布置示意图
②地表位移量测方案：
a．在拱座与拱的交线上设置测点1～测点3，量测其水平和垂直位移，频率为2次/d。
b．监控区内由测点1向左线隧道测量线引3条测线，分别为测点1～ZK24＋255、测点2～ZK24＋295、测点3～ZK24＋327，每条测线上按5 m间距布置测点，采用水准仪量测各测点沉降值，频率为2次/d。
③拱座震动监测：隧道内每次爆破时均应检测拱座振速，要求该处最大振速小于25 mm/s，不能满足要求则应修改爆破参数。
④若拱座位移达到5 mm，应召集工程建设各方结合当时进度商讨位移发展的可能性，必要时改进施工、支护措施；若拱座的累计位移达到7 mm，应立即停止开挖，对洞周地层实施加固的同时施作二次衬砌，严格控制桥上交通流量，必要时实行交通管制，对大桥进行加固处理，拱座累计最大位移不得超过10 mm。
⑤隧道施工期间，除以上监控量测措施外，还应派专人不间断地对大桥的整体运营状况作巡视。监控位移异常变化时，应立即实行交通管制，限制车辆通行。
4 结 语
本文所提及的明月峡隧道下穿原肖家坝大桥桥台的设计正在付诸实施中。在设计过程中，笔者感触颇深，有如下心得体会：
①必须高度重视公路隧道与既有结构物的接近施工设计，在线位选取时应尽量使线位远离既有结构物。由于专业关系，这需要与路线总体单位进行多次协调才能实现。
②对于接近施工的设计，主要问题集中于对既有结构物的详细调查（必要时应有对既有结构物的理论计算），对隧道结构参数的特殊考虑，结合国内施工实际水平考虑施工爆破振动，有针对地进行监控量测设计。
［1］重庆交通科研设计院．公路隧道设计规范（JTG D70—2004）［S］．北京：人民交通出版社，2004．
［2］中华人民共和国行业标准．爆破安全规程（GB 6722—2003）［S］．北京：人民交通出版社，2003．
［3］王建宇．隧道工程的技术进步［M］．北京：中国铁道出版社，2004．
［4］关宝树．隧道工程施工要点集［M］．北京：人民交通出版社，2003．
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