下嵋芝隧道擴(kuò)建設(shè)計(jì)思路分析

陳紅文

（山西運(yùn)城路橋有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城 044000）

1 工程概況

下嵋芝隧道位于呂梁柳林縣下嵋芝村西南側(cè)，省道三大線K71+040—K71+288 處。下嵋芝隧道原建于20 世紀(jì)90年代，2008年S248 改建時(shí)利用了該隧道，后對(duì)隧道拱部進(jìn)行了素混凝土加固。自2016年雨季以來，隧道襯砌出現(xiàn)了不同程度的病害，主要表現(xiàn)為襯砌裂縫及變形、鼓出，原因是隧道右上方舊隧積水及隧址區(qū)落水洞發(fā)育充分，地表水沿落水洞及土體裂縫下滲所致。經(jīng)調(diào)查襯砌變形段落為K71+136—K71+186，該隧道總體技術(shù)狀況類別被評(píng)定為5 類，現(xiàn)該隧道已關(guān)閉。原隧道標(biāo)準(zhǔn)老舊，凈寬僅為7.5 m，未設(shè)置防排水設(shè)施、檢修道及照明、監(jiān)控設(shè)施，應(yīng)實(shí)施病害處治或進(jìn)行重建或者改建。

2 地形地貌、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧址區(qū)地處呂梁山構(gòu)造山地。地貌單元屬黃土覆蓋構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)，微地貌黃土塬、峁等，小沖溝，黃土坎等地貌單元發(fā)育。海拔高度介于1 004.5～1 080.0 m 之間。

2.2 地層巖性

隧址區(qū)地層巖性結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，范圍內(nèi)出露地層由新到老為第四系上更新統(tǒng)馬蘭組、中更新統(tǒng)離石組組成；上更新統(tǒng)馬蘭組（Q3m）分布于隧道局部路段洞頂處，以粉土為主，呈黃褐色，結(jié)構(gòu)松散，表層富含植物根系，蟲孔較發(fā)育，具有Ⅱ級(jí)自重濕陷性，但由于分布于隧道洞頂局部路段，因此對(duì)隧道基本無影響。中更新統(tǒng)離石（Q2l）為黃褐色硬塑狀粉土，巨厚層分布，結(jié)構(gòu)較松散，干強(qiáng)度低，黏性較低，韌性差，在隧道進(jìn)出口段形成陡坎，為本隧道圍巖的主要組成體。

2.3 隧址區(qū)區(qū)域穩(wěn)定性及地震活動(dòng)性分析

根據(jù)《山西省地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18360—2001），項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的峰值加速度為0.05g，相應(yīng)的基本地震烈度為Ⅵ度，抗震設(shè)防烈度值7 度。隧址區(qū)屬于自重應(yīng)力為主的應(yīng)力場(chǎng)，且隧道埋深較淺，地應(yīng)力對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響較小。

2.4 水文地質(zhì)條件

隧址處水文地質(zhì)類型為第四系松散巖類孔隙水，主要分布于第四系上更新統(tǒng)馬蘭組黃土及中更新統(tǒng)離石組黃土中，含量十分有限，補(bǔ)給源來自于大氣降水，由于隧址區(qū)降雨量較小而蒸發(fā)量較大，因此水量很小，對(duì)隧道施工不造成大的影響。

2.5 隧道圍巖特征與圍巖分級(jí)

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》隧道圍巖分級(jí)綜合評(píng)判方法，隧道圍巖分級(jí)采用圍巖的堅(jiān)硬程度及巖體的完整程度兩個(gè)基本因素的定性特征、基本質(zhì)量指標(biāo)BQ 及彈性波縱波波速，同時(shí)考慮到地下水影響、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響、初始應(yīng)力狀態(tài)影響，進(jìn)行綜合評(píng)判來確定圍巖的級(jí)別，隧道圍巖級(jí)別分段評(píng)價(jià)如下。

2.5.1 K71+040—K71+084 段

圍巖以第四系上更系統(tǒng)粉土為主，洞口段結(jié)構(gòu)松軟；最大埋深40.0 m，水文地質(zhì)類型為松散巖類孔隙水，圍巖級(jí)別為V2 級(jí)；易產(chǎn)生塌方冒頂；施工時(shí)應(yīng)隨時(shí)跟進(jìn)二次襯砌。洞口地基承載力160～180 kPa。

2.5.2 K71+084—K71+249 段

圍巖以第四系中更新統(tǒng)中密粉土為主。最大埋深72.19 m，水文地質(zhì)類型為松散巖類孔隙水，圍巖結(jié)構(gòu)較松軟。級(jí)別為Ⅴ1 級(jí)，易產(chǎn)生塌方冒頂，施工時(shí)應(yīng)隨時(shí)跟進(jìn)二次襯砌。

2.5.3 K71+249—K71+288 段

圍巖以第四系上更系統(tǒng)粉土為主，洞口段結(jié)構(gòu)松軟；最大埋深40.0 m，水文地質(zhì)類型為松散巖類孔隙水，圍巖級(jí)別為Ⅴ2 級(jí)，易產(chǎn)生塌方冒頂，施工時(shí)應(yīng)隨時(shí)跟進(jìn)二次襯砌。洞口地基承載力160～180 kPa。

2.6 進(jìn)出口工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

進(jìn)出洞口為第四系上更新統(tǒng)馬蘭組黃土，結(jié)構(gòu)疏松，黏性低，韌性差，干強(qiáng)度低，而且地形落差大，因此穩(wěn)定性一般，施工過程應(yīng)避免人為過度開挖洞口坡腳；洞口地基承載力160～180 kPa；愈靠近洞口外部承載力愈低，由于組成物較松散，容易產(chǎn)生不均勻沉降。同時(shí)應(yīng)避免雨季施工，防止地表水對(duì)洞口地基土的沖刷、浸泡。

3 隧道主體工程

3.1 隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)

隧道橫斷面按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì),隧道采用三心圓（曲墻半圓拱形）斷面，組成為：（1.00+0.5+3.5×2+0.5+1.00）m[1]。圖1 隧道內(nèi)輪廓圖。

圖1 隧道內(nèi)輪廓圖

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 明洞襯砌

隧道洞口段結(jié)合地形、地質(zhì)等情況設(shè)置明洞，明洞襯砌采用C30 普通鋼筋混凝土明洞結(jié)構(gòu)。圖2 為明洞襯砌結(jié)構(gòu)圖。

圖2 明洞襯砌結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 洞身段襯砌

該隧道以新奧法原理進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并經(jīng)過有限元分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算校核，最后綜合考慮各種影響因素確定各級(jí)別圍巖復(fù)合襯砌的支護(hù)參數(shù)。初期支護(hù)為噴錨支護(hù)，二次支護(hù)為模注混凝土襯砌。在初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)置防水板及土工布。預(yù)留變形量可參照如下選用：Ⅴ級(jí)淺埋圍巖及舊隧病害段15 cm，Ⅴ級(jí)深埋圍巖段12 cm；并應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。結(jié)合考慮舊洞開挖安全和新洞支護(hù)安全性，支護(hù)設(shè)計(jì)如下：Ⅴ級(jí)淺埋圍巖及舊隧病害初期支護(hù)為全拱墻錨桿+全拱墻鋼筋網(wǎng)+型鋼成環(huán)支撐+噴射混凝土，同時(shí)配合30 mФ108超前大管棚支護(hù)（隧道進(jìn)口進(jìn)暗洞段）和超前小鋼管支護(hù)；二次襯砌為C30 帶仰拱的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。仰拱填充為C15 片石混凝土。

圖3 Ⅴ級(jí)淺埋圍巖及原洞病害段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

Ⅴ級(jí)深埋圍巖初期支護(hù)為全拱墻錨桿+全拱墻鋼筋網(wǎng)+型鋼成環(huán)支撐+噴射混凝土，同時(shí)配合超前小鋼管支護(hù)；二次襯砌為C30 帶仰拱的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。仰拱填充為C15 片石混凝土，圖3 為Ⅴ級(jí)淺埋圍巖及原洞病害段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

3.2.3 輔助施工

下嵋芝隧道為單洞雙向公路隧道，隧道采用的輔助施工措施主要有：超前長(zhǎng)管棚和超前小鋼管。

a）超前長(zhǎng)管棚 設(shè)置于隧道洞口，管棚入土深度是結(jié)合地形、地質(zhì)情況確定。管棚鋼管均采用Φ108×6 mm 熱軋無縫鋼管。圖4 隧道洞口管棚設(shè)計(jì)圖。

圖4 隧道洞口管棚設(shè)計(jì)圖

b）超前小鋼管 設(shè)置在隧道洞內(nèi)無長(zhǎng)管棚支護(hù)的Ⅴ級(jí)圍巖地段，采用外徑50 mm，壁厚5 mm 的熱軋無縫鋼管。圖5 超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)圖。

圖5 超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)圖

3.2.4 防排水工程設(shè)計(jì)

隧道防排水遵循“以排為主，防排結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，中心排水溝上回填碎石須壓實(shí)，使得水泥混凝土板下方不落空，保證水泥混凝土板強(qiáng)度。中心排水溝檢查井周圍配有加強(qiáng)鋼筋，澆筑混凝土板時(shí)要提前架設(shè)；檢查井、沉沙井必須低于排水管30 cm 以上，以便清淤疏通。

根據(jù)路線縱坡情況，在下嵋芝隧道石樓端洞內(nèi)設(shè)置泄水井（邊溝沉砂池），以攔截洞外路面水。本隧道進(jìn)出口路基開挖應(yīng)按路基設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，洞口處路基邊坡應(yīng)進(jìn)行防護(hù)，其截水溝應(yīng)與仰坡截水溝綜合考慮設(shè)置，形成完善的排水系統(tǒng)。

3.2.5 防凍設(shè)計(jì)

隧址區(qū)的最冷月平均氣溫-5.7 ℃，凍土深度最厚達(dá)120 cm。考慮凍脹對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞影響，排水邊溝采用開口形式；隧道中心排水管采用5 cm 聚氨酯保溫材料包裹，出口進(jìn)行保溫出水口設(shè)計(jì)，確保在冬季二次襯砌背后不凍結(jié)，排水系統(tǒng)的通暢。

3.2.6 路面設(shè)計(jì)

隧道內(nèi)路面選型采用復(fù)合式路面設(shè)計(jì)。隧道內(nèi)路面結(jié)構(gòu)：4 cm 細(xì)粒式密級(jí)配AC-13 型瀝青混凝土+6cm中粒式密級(jí)配AC-20型瀝青混凝土+24 cm 水泥混凝土板+15 cm 貧混凝土基層，表面層改性瀝青中摻加5%～8%改性瀝青重量的阻燃劑。隧道內(nèi)澆筑混凝土?xí)r要注意接縫、中心排水溝檢查井等處鋼筋的架設(shè)。

3.2.7 人行道設(shè)計(jì)

為便于對(duì)洞內(nèi)設(shè)施的維修養(yǎng)護(hù)及方便人行，隧道內(nèi)設(shè)置雙側(cè)人行道，人行道的高度考慮人員步行及下跨時(shí)的安全，滿足電纜槽空間尺寸的要求，設(shè)計(jì)人行道高度為30 cm，人行道寬度左、右側(cè)均為100 cm。

4 結(jié)語

本文根據(jù)改擴(kuò)建下嵋芝隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及病害程度，對(duì)下嵋芝隧道的內(nèi)輪廓、襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、輔助施工措施、防排水工程及路面設(shè)計(jì)參數(shù)的選取進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)以后類似圍巖的隧道工程改擴(kuò)建設(shè)計(jì)能夠起到一定的借鑒作用。