金雞山隧道拓寬改造方案研究

陳七林

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院，福州 350003)

0 引言

隧道工程的拓寬改造方案可能會出現(xiàn)多種組合，其基本方案一般有2種，即保留既有隧道增建復線隧道和拆除既有隧道擴建既有隧道。受周邊條件的制約，增建復線隧道一般與既有隧道呈小凈距的平面布置，這種情況在用地緊張、環(huán)境復雜的市政隧道拓寬改造工程中比較多見。如果既有隧道圍巖在隧道修建時曾受到過施工擾動，圍巖整體穩(wěn)定性和自承能力會降低;如果在施工中曾發(fā)生過大超挖或坍塌，且既有隧道結(jié)構(gòu)又存在嚴重病害，拓寬改造施工就會面臨較大的安全風險［1-3］。其風險主要表現(xiàn)為:擴建既有隧道的襯砌拆除施工中可能會出現(xiàn)圍巖掉塊、坍塌等險情;增建復線隧道的近距離施工干擾會對既有隧道的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響。因此，無論采用哪一種拓寬改造方案，都必須將既有隧道作為重點關(guān)注對象，并應(yīng)進行安全控制。許多工程實踐和研究表明，既有隧道的拓寬改造施工安全是可控的［1-9］;但對于環(huán)境復雜的市政隧道，安全控制需根據(jù)具體情況進行。本文主要結(jié)合市政工程特點，對金雞山隧道拓寬改造的總體方案和安全控制進行研究。

1 工程現(xiàn)狀

金雞山隧道位于福州市城市主干道二環(huán)路東北段，主洞隧道于1995年建成通車，其平面呈分離雙洞布置，按單洞2車道設(shè)計，雙洞中心距離約38 m，隧道長約577 m。隧道東洞口緊接鶴林高架橋，與橋臺的最小距離約64 m。2005年在隧道北側(cè)約30 m處修建了一座雙向混行的行人和非機動車隧道，其路面凈寬約6.5 m，隧道長約605 m，洞外分別設(shè)置過街天橋和鶴林高架橋下穿橫通道。金雞山隧道示意圖見圖1。

金雞山隧道左右主洞已出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)開裂、襯砌背后回填不密實或有空洞、出現(xiàn)滲漏水等病害。洞外道路已經(jīng)過拓寬和立交改造，其寬度為機動車雙向8車道，主路為雙向4車道高架橋跨越沿路路口，已經(jīng)形成快速交通通道;高架橋兩側(cè)分別設(shè)置約9 m寬(包括2個機動車道和1個非機動車道)的輔路，輔路外側(cè)為人行道。因此，金雞山隧道與洞外道路的交通能力不匹配，已成為福州市二環(huán)路的交通瓶頸路段，急待進行隧道工程的拓寬改造。

圖1 金雞山隧道Fig.1 Jinjishan tunnel

2 拓寬改造的控制因素及原則

1)金雞山隧道與洞外道路的路面寬度不匹配，應(yīng)結(jié)合隧道及其洞外道路交通現(xiàn)狀進行隧道拓寬改造，形成隧道與洞外道路交通的暢通銜接，徹底解決金雞山隧道交通瓶頸問題。為了保持金雞山隧道與洞外主路和輔路的交通順接，需將金雞山隧道的機動車道從雙向4車道拓寬為雙向8車道，并維持非機動車道和人行道雙向混行的路面寬度約6.5 m。

2)二環(huán)路交通量大，是福州市城市交通路網(wǎng)中的主干道，一旦出現(xiàn)交通中斷情況，會造成大范圍的交通癱瘓，其影響后果嚴重;因此，在隧道拓寬改造施工期間，必須維持現(xiàn)狀機動車雙向4車道、非機動車道和人行道雙向混行的交通不中斷。

3)隧道洞外道路紅線寬度為80～90 m，洞口兩側(cè)房屋密集，用地比較緊張。應(yīng)減少占用周邊土地，減小房屋拆遷量，盡量在現(xiàn)有道路紅線范圍內(nèi)進行隧道的拓寬改造。

4)隧道東洞口距離鶴林高架橋較近，隧道拓寬改造須兼顧鶴林高架橋影響，綜合考慮實施方案。

5)在隧道拓寬改造施工過程中，需確保既有隧道的結(jié)構(gòu)及公共交通運營的安全。

3 拓寬改造的總體方案

3.1 方案1

在A，B隧道之間增設(shè)1座2車道的D隧道，D隧道與B隧道組成雙向4車道的主路隧道并將A，C隧道拓寬為輔路隧道，輔路隧道包括2個機動車道和1個行人和非機動車混行道，見圖2。

該方案須拆除和改建與隧道東洞口相接的鶴林高架橋，以便于D隧道順接。可考慮拆除與既有A隧道相接的南半幅部分的高架橋結(jié)構(gòu)，同時新建2車道高架橋與D隧道對接。

隧道拓寬改造施工及交通疏解方案如下:

1)維持現(xiàn)狀交通不變，施工D隧道，將D隧道與西洞口人行天橋和東洞口鶴林高架橋下穿橫通道連通，以滿足非機動車和行人的通行要求。

2)維持現(xiàn)狀機動車交通不變，將非機動車和行人從C隧道遷移至D隧道，再拓寬施工C隧道及其洞外道路。

3)將從鶴林高架橋到斗門高架橋方向的交通從B，D隧道遷移至C隧道，將A隧道交通遷移至B隧道，再拓寬施工A隧道及其洞外道路，包括拆除部分鶴林高架橋。

4)將B，D 2隧道交通遷移至A隧道，對B隧道進行大修，并新建2車道鶴林高架橋與D隧道銜接，完工后，B，D 2隧道交付使用。

3.2 方案2

將A，B隧道從2車道拓寬為4車道，維持既有C隧道不變。為實現(xiàn)與鶴林高架橋的交通銜接，A，B隧道東洞口段需向隧道外側(cè)拓寬;為減小隧道洞口附近的房屋拆遷工程量，A隧道西洞口段需向隧道內(nèi)側(cè)拓寬，見圖3。

本方案在既有隧址上進行拓寬，其施工會影響洞內(nèi)交通。可先關(guān)閉一座隧道的交通，并進行隧道及其洞外道路的拓寬施工;完工后，在已拓寬隧道內(nèi)按4車道雙向交通方式恢復交通，并拓寬施工另一座隧道及其洞外道路;最后恢復兩隧道的單向交通運營方式。

顯然，關(guān)閉隧道交通的施工方法能夠確保施工安全并達到快速施工目的，但對隧道交通的影響較大。有工程實例表明［5，9］:可在既有隧道的拓寬施工范圍內(nèi)設(shè)置防護臺車，通過防護臺車對洞內(nèi)交通車輛的保護和采取相應(yīng)的交通管制措施，以減小拓寬施工對洞內(nèi)交通的影響。但臺車保護的施工方法對拓寬改造的施工安全提出了較高的要求，施工工期也受到洞內(nèi)交通干擾的影響。

3.3 方案3

在B，C隧道之間增建2車道D隧道;然后，將既有A隧道從2車道拓寬為4車道，維持既有C隧道不變。為實現(xiàn)與鶴林高架橋的交通銜接，減小房屋拆遷，A隧道東洞口段需向隧道外側(cè)拓寬，西洞口段則需向隧道內(nèi)側(cè)拓寬，見圖4。

圖2 隧道拓寬方案1Fig.2 Tunnel widening option 1

表1 隧道拓寬方案分析比較表Table 1 Comparison and contrast between different tunnel widening options

圖3 隧道拓寬方案2Fig.3 Tunnel widening option 2

隧道的拓寬改造施工及交通疏解方案為:首先維持現(xiàn)狀交通不變，施工D隧道及洞外道路;然后將B隧道交通遷移至D隧道，A隧道交通遷移至B隧道，施工A隧道及洞外道路;最后將B隧道交通遷移至A隧道，B隧道經(jīng)大修后交付運營。

3.4 方案比選

從表1中可以看出，3個方案各具優(yōu)缺點。方案1:行人、非機動車無需過街，交通功能較好，施工對交通的影響較小，但須拆除改建部分鶴林高架橋，施工工期長，投資高;方案2:對鶴林高架橋無影響，施工場地條件好，但須中斷或管制先行拓寬隧道的洞內(nèi)交通，對交通的影響大;方案3:對鶴林高架橋無影響，施工對交通的影響較小，工期較短，投資較低，但對隧道施工的控制爆破技術(shù)要求高。

金雞山隧道的拓寬改造須盡量避免或減小對道路交通的影響，同時要考慮隧道拓寬改造對鶴林高架橋的影響;因此，綜合考慮各種因素，可選用方案3作為拓寬改造的實施方案。

4 拓寬改造的安全控制措施

4.1 既有隧道的現(xiàn)狀調(diào)查

準確掌握既有隧道的現(xiàn)狀是安全順利地實施隧道拓寬改造的前提條件。一般來說，既有隧道的設(shè)計文件和竣工文件可作為隧道拓寬改造設(shè)計和施工的基礎(chǔ)資料;但是，其內(nèi)容往往不夠完整且與現(xiàn)實情況不盡相同。為此，必須采用現(xiàn)場踏勘和測量以及無損檢測技術(shù)等調(diào)查手段收集既有隧道的現(xiàn)場資料。

現(xiàn)場調(diào)查資料的內(nèi)容應(yīng)包括:隧道平面和縱斷面、隧道凈空斷面、襯砌結(jié)構(gòu)開裂和滲漏水情況、二次襯砌的厚度和鋼筋分布情況、初期支護的厚度和鋼支撐分布情況、二次襯砌和初期支護背后的空洞等病害分布情況、初期支護背后的破碎或軟弱圍巖的分布情況。

4.2 新建小凈距隧道的安全施工措施

方案3中的新建D隧道與既有B，C隧道之間的凈距離約4 m，隧道之間的中夾巖寬度比較小，新建隧道的施工將會對既有隧道的安全產(chǎn)生不利影響。在工程實踐中，有許多修建類似小凈距隧道的成功經(jīng)驗［3-5］;但是，在施工中因為隧道間距較小而出現(xiàn)既有隧道襯砌開裂、剝落等危及行車安全的現(xiàn)象在國內(nèi)外也有實例［6］。為此，在隧道拓寬改造施工中采取合理的安全施工措施是很有必要的。

圖4 隧道拓寬方案3Fig.4 Fig.3 Tunnel widening option 3

1)既有B，C隧道的加固和防護措施。既有隧道的加固主要是針對存在病害的地段，且應(yīng)在新建隧道施工之前實施。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料，對襯砌背后存在回填不密實、空洞及圍巖整體性差等病害的地段，進行襯砌背后的注漿加固;對二次襯砌厚度不足或開裂嚴重地段，在洞內(nèi)設(shè)置防護拱架進行臨時加固防護，防護拱架須緊貼二次襯砌內(nèi)側(cè)。

在新建隧道爆破掌子面對應(yīng)的既有隧道內(nèi)設(shè)置防護臺車，以防止因新建隧道的爆破施工可能產(chǎn)生既有襯砌的剝落或掉塊，確保既有隧道的運營安全。

2)新建D隧道的爆破施工及中夾巖加固措施。金雞山隧道的圍巖巖性主要為中風化-微風化花崗巖，屬于硬質(zhì)巖;因此，新建隧道的爆破震動對既有隧道的影響最大［6］，應(yīng)采用微震動的控制爆破技術(shù)和震動監(jiān)測等監(jiān)控量測手段，以控制爆破震動對既有隧道結(jié)構(gòu)和中夾巖的不利影響。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料，對中夾巖的整體穩(wěn)定狀態(tài)進行評價，或采用無損檢測技術(shù)對中夾巖的完整性和穩(wěn)定性進行檢測。對中夾巖圍巖整體穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)破碎的地段，還需采用超前支護措施進行注漿加固，以確保中夾巖的穩(wěn)定性。

4.3 拆除擴建既有隧道的安全施工措施

在方案3中，既有A隧道需要拆除和擴建。既有隧道的拆除一般可采用爆破拆除的方法，主要是運用微震動的控制爆破技術(shù)，并輔以人工鑿除、機械切除和機械清理等，該方法安全、快速、有效，在工程中的應(yīng)用較多［2，4-5，7-9］。襯砌結(jié)構(gòu)拆除后，圍巖和襯砌之間的受力平衡遭到破壞，圍巖會發(fā)生應(yīng)力重分布。當襯砌背后存在回填不密實和空洞或圍巖整體性差等病害時，如果襯砌拆除的方法不當會發(fā)生圍巖掉塊、坍塌等險情。由于初期支護對圍巖具有支護作用，爆破拆除二次襯砌時發(fā)生險情的可能性比較小，而最有可能發(fā)生險情的是初期支護的拆除施工;因此，在拆除初期支護時，應(yīng)根據(jù)病害情況首選人工拆除方法，必要時可考慮先采用超前預(yù)加固措施對病害處進行圍巖注漿加固，再采用人工拆除初期支護。

擴建隧道的斷面比既有隧道的斷面要大很多，可考慮采用導洞超前先行開挖巖石，以便盡可能首先清除襯砌背后的松散巖體，避免襯砌拆除時出現(xiàn)圍巖掉塊或坍塌等險情，也可為爆破施工創(chuàng)造臨空面。

當既有隧道襯砌背后無病害或病害分布范圍位于擴建隧道的開挖輪廓線以內(nèi)時，可采用微震動的控制爆破技術(shù)進行開挖施工，其施工順序詳見圖5(a)。

當既有隧道襯砌背后的病害分布范圍位于擴建隧道的開挖輪廓線以外時，應(yīng)首先采用超前預(yù)加固措施對病害處圍巖進行注漿加固，以提高擴建隧道圍巖的穩(wěn)定性，防止過大超挖、掉塊和坍塌，然后采用微震動的控制爆破技術(shù)進行開挖施工，其施工順序詳見圖5(b)。

圖5 擴建隧道開挖順序Fig.11 Excavation sequence in tunnel widening

當既有隧道襯砌背后的病害分布范圍位于擴建隧道的開挖輪廓線以外且病害的分布范圍較小時，也可采用適當加大超挖的方式清除病害，然后再密實回填。

4.4 既有隧道的交通安全維護措施

既有隧道的加固、防護和監(jiān)控量測等工作不應(yīng)影響洞內(nèi)交通，可在交通量較小的夜間進行施工作業(yè)。為確保施工安全，在進行新建復線隧道和擴建既有隧道的爆破施工中，應(yīng)對既有隧道實行交通管制。

5 結(jié)論與建議

1)金雞山隧道的拓寬改造方案需要綜合考慮城市交通要求、道路紅線范圍、城市用地、房屋拆遷以及與鶴林高架橋的銜接等各種因素。經(jīng)過3個方案的分析比較，方案3(增建復線D隧道、擴建既有A隧道和大修B隧道)可作為實施方案。

2)既有隧道的拓寬改造必須準確掌握既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖的病害現(xiàn)狀。

3)在新建小凈距隧道的施工前，必須針對病害情況對既有隧道進行襯砌背后的注漿加固和采用鋼拱架進行臨時結(jié)構(gòu)防護;為防止襯砌掉塊，確保運營安全，既有隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)置防護臺車。

4)新建小凈距隧道和拆除擴建既有隧道應(yīng)采用微震動控制爆破技術(shù)和震動監(jiān)測等監(jiān)控量測手段，以控制爆破震動對既有隧道結(jié)構(gòu)和圍巖的不利影響。對中夾巖圍巖整體穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)破碎的地段，還需采用超前支護措施進行注漿加固。

5)拆除擴建既有隧道的開挖，應(yīng)盡量先行清除襯砌背后的松散巖體，避免襯砌爆破拆除時出現(xiàn)掉塊或坍塌。在拆除初期支護時，應(yīng)根據(jù)病害情況謹慎采用爆破拆除的方法，必要時可采用超前預(yù)加固措施，并以人工鑿除為主拆除初期支護。

6)既有隧道內(nèi)的施工作業(yè)均應(yīng)以不影響洞內(nèi)交通為前提。在新建隧道和擴建隧道的爆破施工中，應(yīng)對既有隧道實行交通管制。

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