山區(qū)普通公路隧道拓寬改造設(shè)計(jì)方案研究

■張祖榮

（福建弘沁工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，南平 353000）

0 前言

自改革開放以來，我國(guó)交通建設(shè)事業(yè)發(fā)展迅速，以福建省為例，截至2017年底全省公里通車總里程突破10萬(wàn)km，其中高速公路通車?yán)锍踢_(dá)到5020km，實(shí)現(xiàn)所有縣城二級(jí)以上公路連接，基本上形成了以高速公路為主骨架，國(guó)省干線等普通公路多路放射的綜合交通運(yùn)輸網(wǎng)。

隨著國(guó)家對(duì)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，縣、鄉(xiāng)公路必將成為新一輪公路建設(shè)的重點(diǎn)。一些修建年代久遠(yuǎn)的公路，由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，通行能力不能滿足日益增長(zhǎng)的交通需求，從而影響了經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，需要改擴(kuò)建才能達(dá)到相應(yīng)的服務(wù)水平。在不具備新建公路的條件下對(duì)原有公路進(jìn)行拓寬改造將不失為一種有效方式，因此對(duì)于公路既有隧道路段的改擴(kuò)建將成為重點(diǎn)控制性內(nèi)容。相比重建一條的新的隧道來說，隧道改擴(kuò)建是在原有隧道的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，具有開挖量少，可參考初建時(shí)的工程地質(zhì)、水質(zhì)地質(zhì)等資料，或者直接在隧道出現(xiàn)嚴(yán)重病害的位置進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)查，能節(jié)省大量的勘察工作。隧道不同于地面結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于已建隧道的改擴(kuò)建方案應(yīng)結(jié)合工程的具體條件綜合論證，尋求最合理的改擴(kuò)建方式。

1 工程概況

黃茵嶺隧道是某縣縣道X858徐建線官元至小湖二級(jí)公路建設(shè)工程的主要控制點(diǎn)，隧道樁號(hào)K2+433～K2+658，全長(zhǎng)225m，建于20世紀(jì)70年代，漿砌塊石端墻式洞口、洞身為漿砌塊石邊墻，滲水嚴(yán)重，洞頂部分襯砌出現(xiàn)剝落、掉塊，存在較大安全隱患，改造迫在眉睫。

黃茵嶺隧道最大埋深約86.16m，深部圍巖為中風(fēng)化變粒巖，為較軟巖-較硬巖，巖體呈柱狀，圍巖級(jí)別主要為Ⅳ、Ⅴ級(jí)。據(jù)當(dāng)?shù)貐^(qū)域地質(zhì)資料分析，本區(qū)為低地應(yīng)力區(qū)。隧道區(qū)地下水主要為風(fēng)化基巖中的裂隙-孔隙水，賦存于風(fēng)化基巖裂隙中，受季節(jié)和氣候影響較大，水量較貧乏，隧道路段工程地質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 隧道路段工程地質(zhì)縱斷面圖（單位：m）

2 隧道病害成因分析

隧道病害是指由于設(shè)計(jì)、施工、地質(zhì)、自然災(zāi)害等各方面因素導(dǎo)致隧道襯砌產(chǎn)生開裂、滲漏水、凍害、基底翻漿冒泥等病害。隧道改擴(kuò)建設(shè)計(jì)前必須調(diào)查既有隧道病害，分析病害成因。

2.1 隧道病害調(diào)查

黃茵嶺隧道病害調(diào)查內(nèi)容具體如圖2所示。

圖2 隧道病害調(diào)查內(nèi)容

黃茵嶺隧道位于直線上，端墻式洞口，內(nèi)為+0.32%單向坡，建設(shè)初期因資金原因，隧道狹小，且修建年代久遠(yuǎn)，工藝簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)過程中未進(jìn)行相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)，主要的病害有：（1）隧道拱頂襯砌剝落、掉塊。（2）隧道無防排水系統(tǒng)，洞內(nèi)滲水，兩側(cè)無順暢的排水溝將洞內(nèi)水排至洞外，致使洞內(nèi)積水。（3）隧道內(nèi)無照明系統(tǒng)，存在行車安全隱患。

2.2 隧道病害成因分析

隧道病害的產(chǎn)生原因是多方面的，主要可分為外因和內(nèi)因兩大方面，黃茵嶺隧道病害主要原因如圖3所示。

圖3 黃茵嶺隧道病害主要原因

3 隧道加固前穩(wěn)定性判斷

準(zhǔn)確掌握既有隧道的現(xiàn)狀是安全順利地實(shí)施隧道擴(kuò)寬改造的前提條件。一般來說，既有隧道的設(shè)計(jì)文件和竣工文件可作為隧道擴(kuò)寬改造設(shè)計(jì)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(shí)情況不盡相同。為此，必須采用現(xiàn)場(chǎng)踏勘和測(cè)量以及無損檢測(cè)技術(shù)等調(diào)查手段收集既有隧道的現(xiàn)場(chǎng)資料，判定現(xiàn)狀隧道的穩(wěn)定性。

既有隧道已運(yùn)營(yíng)30年以上，隧道存在襯砌厚度不足、襯砌混凝土存在裂縫、背后存在空洞、斷面輪廓不滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、隧道防、排水系統(tǒng)缺陷、無照明設(shè)備的問題。檢測(cè)結(jié)果表明，現(xiàn)狀隧道總體質(zhì)量未達(dá)到公路工程質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求。

隧址區(qū)及其附近未發(fā)現(xiàn)構(gòu)造破碎帶，未發(fā)現(xiàn)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)跡象，未見影響場(chǎng)地穩(wěn)定的活動(dòng)性斷裂；未見滑坡、泥石流和巖溶塌陷等不良地質(zhì)作用；但隧道出口處附近地表為雜填土層，施工時(shí)注意采取相應(yīng)措施；隧址區(qū)現(xiàn)狀整體較穩(wěn)定，可建隧道。

4 隧道拓寬改造方案確定及施工要點(diǎn)

4.1 擴(kuò)寬改造方案的主要影響因素

（1）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(jìn)行隧道擴(kuò)寬改造，形成隧道與洞外道路交通的暢通銜接。

（2）應(yīng)減少占用周邊土地，減少征遷，盡量在現(xiàn)有道路紅線范圍內(nèi)進(jìn)行隧道的擴(kuò)寬改造。

（3）在隧道擴(kuò)寬改造施工過程中，需確保既有隧道結(jié)構(gòu)及交通運(yùn)營(yíng)的安全。

4.2 拓寬改造形式分析

公路隧道改擴(kuò)建可分為增建隧道、大開挖道路和原位擴(kuò)寬。結(jié)合黃茵嶺隧道實(shí)際情況確定改擴(kuò)建形式。

（1）增建隧道：在既有隧道兩側(cè)增建隧道，實(shí)現(xiàn)隧道的擴(kuò)寬。該方案占地面積大，拆遷范圍廣，實(shí)施難度大。

（2）大開挖道路：采用大開挖方式，明挖道路上方山體，以路塹代替隧道。該方案對(duì)景觀環(huán)境破壞極大；征遷困難；需要對(duì)高邊坡進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

（3）原位擴(kuò)寬：對(duì)既有隧道進(jìn)行原位擴(kuò)寬改造。該方案對(duì)景觀影響小，施工有風(fēng)險(xiǎn)，但采取措施后，可保證安全；暗挖施工，僅兩端洞口施工對(duì)周邊影響略大，開挖量少。

綜合以上三種改造形式分析，考慮征遷及實(shí)施難度，認(rèn)為原位擴(kuò)寬改造方案比較貼合工程實(shí)際，最終確定采用原位擴(kuò)寬的形式對(duì)黃茵嶺隧道進(jìn)行改造。

4.3 擴(kuò)寬改造方案的設(shè)計(jì)思路

（1）在既有隧道已經(jīng)擾動(dòng)過的圍巖中施工，圍巖壓力會(huì)較原隧道施工時(shí)增大，因此對(duì)于在已建隧道內(nèi)進(jìn)行改建，首先應(yīng)該對(duì)原隧道有一個(gè)詳細(xì)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

（2）合理確定隧道圍巖壓力與支護(hù)參數(shù)，應(yīng)體現(xiàn)“強(qiáng)支護(hù)”的理念。

（3）制定出完善的超前探測(cè)、預(yù)加固以及臨時(shí)安全防護(hù)措施。

4.4 隧道拓寬改造設(shè)計(jì)

（1）主要設(shè)計(jì)要求

隧道內(nèi)凈空除滿足行車限界要求外，還考慮了通風(fēng)、照明、監(jiān)控、通訊、營(yíng)運(yùn)管理等附屬設(shè)施所需空間，并結(jié)合襯砌結(jié)構(gòu)受力要求而擬定。因此黃茵嶺隧道采用曲墻三心圓拱的內(nèi)輪廓凈空，如圖4所示。

黃茵嶺隧道為典型的越嶺隧道，洞內(nèi)、洞口坡度坡長(zhǎng)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。既有隧道高、寬度與設(shè)計(jì)要求的凈空高度和限界相差較多，考慮降低路線縱坡，采用落底方案，使工程不會(huì)擾動(dòng)襯砌頂部而比較安全、簡(jiǎn)易。

圖4 黃茵嶺隧道拓寬內(nèi)輪廓斷面方案（單位：cm）

（2）洞口設(shè)計(jì)

洞口位置的確定一般遵循早進(jìn)洞晚出洞的原則，盡量減少洞口邊仰坡開挖高度，同時(shí)兼顧洞口地形、地質(zhì)條件，以及洞口的協(xié)調(diào)美觀等綜合因素，選用經(jīng)濟(jì)、美觀、和諧自然并有利于行車視線誘導(dǎo)的洞門型式。

成洞面位置的確定一般遵循洞頂覆蓋厚度1.5～3.0m的原則，同時(shí)兼顧洞口地形，盡量減少洞口仰坡開挖高度。本隧道進(jìn)出口端均采用端墻式洞門結(jié)構(gòu)。隧道進(jìn)出口仰坡和邊坡均進(jìn)行綠化防護(hù)，綠化防護(hù)的形式根據(jù)邊坡坡率和圬工防護(hù)形式確定。進(jìn)出口仰坡外露部分采用鍍鋅網(wǎng)植草防護(hù)。成洞面及明洞臨時(shí)邊坡采用掛網(wǎng)錨噴的支護(hù)方式來保證明洞回填前的臨時(shí)穩(wěn)定。

（3）洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道結(jié)構(gòu)按新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌，以錨桿、濕噴混凝土（鋼筋掛網(wǎng)）、鋼拱架等為初期支護(hù)，大管棚、超前注漿小導(dǎo)管、超前錨桿等為施工輔助措施，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，在監(jiān)控量測(cè)信息的指導(dǎo)下施作初期支護(hù)和二次模筑襯砌，如表1和表2所示。

表1 隧道復(fù)合支護(hù)參數(shù)表

表2 隧道復(fù)合支護(hù)適用條件表

4.5 拓寬改造施工要點(diǎn)

施工應(yīng)根據(jù)隧道洞口、洞身不同的段落和不同的圍巖級(jí)別和圍巖狀況采用合理開挖方法。針對(duì)黃茵嶺隧道為對(duì)既有隧道進(jìn)行原位拓寬的實(shí)際情況，V級(jí)洞口加強(qiáng)段采用上下臺(tái)階分布開挖，并架立臨時(shí)中隔壁法，V級(jí)石質(zhì)圍巖深埋及IV級(jí)圍巖有仰拱段采用臺(tái)階法開挖，如圖5和圖6所示。

圖5 V級(jí)圍巖洞口段、淺埋段施工工序圖

圖6 Ⅳ級(jí)圍巖、V級(jí)石質(zhì)深埋段施工工序圖

V級(jí)圍巖洞口段、淺埋段開挖順序：1.開挖既有隧道拱部及拱肩部分→Ⅱ.上臺(tái)階拱部初期支護(hù)（包括中隔壁臨時(shí)支護(hù)、拱墻初期支護(hù)及臨時(shí)仰拱）→3.開挖左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階→Ⅳ.左側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)（包括側(cè)壁臨時(shí)支護(hù)、拱墻初期支護(hù)及臨時(shí)仰拱），施工鎖腳錨桿→5.開挖左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階（包括臨時(shí)仰拱）→Ⅵ.左側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)（包括拱墻、仰拱初期支護(hù)）→7.開挖右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階→Ⅷ.右側(cè)導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)（包括側(cè)壁臨時(shí)支護(hù)、拱墻初期支護(hù)及臨時(shí)仰拱），施工鎖腳錨桿→9.開挖右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階（包括臨時(shí)仰拱）→Ⅹ.右側(cè)導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)（包括拱墻、仰拱初期支護(hù)）→11.拆除中隔壁臨時(shí)支護(hù)→Ⅻ.灌注二次襯砌仰拱混凝土→XIII.鋪設(shè)洞身環(huán)向盲溝及防水板，整體灌注二次模筑混凝土襯砌。

Ⅳ級(jí)圍巖、V級(jí)石質(zhì)深埋段開挖順序：1.開挖既有隧道拱部及拱肩部分→Ⅱ.上臺(tái)階拱部初期支護(hù)→3.跳挖上臺(tái)階左右側(cè)部分→Ⅳ.施工上臺(tái)階剩余初期支護(hù)→5開挖下臺(tái)階→Ⅵ.下臺(tái)階初期支護(hù)（Ⅳ級(jí)圍巖無此步驟），必要時(shí)邊墻腳設(shè)置鎖腳錨桿→Ⅶ.灌注二次襯砌仰拱混凝土→Ⅷ.鋪設(shè)洞身環(huán)向盲溝及防水板，整體灌注二次模筑混凝土襯砌。

以上施工順序應(yīng)在施工輔助措施完成并達(dá)到強(qiáng)度后方可進(jìn)行。

5 隧道改建后穩(wěn)定性計(jì)算

襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)隧道改建后穩(wěn)定性情況至關(guān)重要。襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算采用荷載—結(jié)構(gòu)法，荷載結(jié)構(gòu)法原理認(rèn)為，隧道開挖后地層的主要作用是對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，襯砌應(yīng)能安全可靠地承受地層壓力等荷載的作用。本次穩(wěn)定性計(jì)算采用荷載—結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算程序采用MIDAS NX。在程序中，用二維梁?jiǎn)卧M襯砌，用二維桿單元模擬圍巖對(duì)襯砌的約束效果。以下以V級(jí)圍巖及對(duì)應(yīng)支護(hù)的計(jì)算結(jié)果為例，過程及結(jié)果如圖7～圖10所示。從圖中可以看出，V級(jí)圍巖段采用45cm厚襯砌，配置22mm@25cm鋼筋滿足規(guī)范要求。

圖7 計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖8 彎矩圖

圖9 剪力圖

圖10 變形圖

6 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展，越來越多運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)、等級(jí)較低的道路隧道需要拓寬改造。本文針對(duì)某縣道X858徐建線官元至小湖二級(jí)公路建設(shè)工程黃茵嶺隧道拓寬改造工程，通過對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、隧道進(jìn)出口附近既有支擋結(jié)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查核對(duì)，結(jié)合拆遷等實(shí)際情況，制定了原位拓寬隧道改建方案，并詳細(xì)介紹了該方案的設(shè)計(jì)思路和施工要點(diǎn)，最后通過改造后的隧道穩(wěn)定性計(jì)算，表明該改造方案可滿足隧道穩(wěn)定性和安全運(yùn)營(yíng)要求，對(duì)類似隧道工程的改擴(kuò)建提供參考依據(jù)。