復雜條件下城市隧道改建設計

劉 挺，徐學深

(1.寧波大榭開發區宏利路橋工程有限公司，浙江寧波 315192;2.寧波順和路橋設計有限公司，浙江寧波 315105)

0 引言

沈家門海中洲隧道所處條件復雜，與一般隧道改建相比，具有周邊建筑物密集、存在未處理的塌腔體、埋深淺、跨度大及設計和施工控制要求高等顯著特點，如何在施工時保證隧道及周邊建筑物的安全成為改建設計的關鍵。

在隧道改建相關研究中:文獻［1］對既有隧道改建施工的安全風險及對策進行了闡述，其中設計風險防范及對策等相關內容對海中洲隧道改建設計具有一定的指導性，但偏向于理論化，缺乏實用性;文獻［2］主要闡述了城市隧道改建的方案比選及施工安全控制，對海中洲隧道改建方案設計具有較強的指導意義，但未涉及到改建隧道的結構設計;文獻［3］列舉了隧道擴挖及改建施工中各種擴挖工法，分別探討其適用條件、使用限制及優缺點，對改建隧道的設計及施工具有一定的指導意義，但偏向于施工方面，缺乏對設計方面的指導性;文獻［4－5］對大跨度隧道的結構設計和施工技術進行了論述，對海中洲隧道的結構設計具有一定的參考價值，但新建隧道的結構設計參數對于改建隧道的適用程度不明確，且隧道所處的周邊環境相差較大。

綜上可知，目前相關的文獻多從某個方面對隧道改建設計及施工進行研究，而對在復雜條件下城市隧道改建設計方面，缺乏較為系統的研究成果，國內也沒有相應的設計規范和規程。本文針對海中洲隧道所處的復雜條件，介紹城市隧道改建方案比選及在結構設計、原隧道塌方地段處理和開挖方案等方面所采取的技術措施。

1 工程概況

1.1 工程現狀

海中洲隧道是城區主干道東海路上的一座短隧道，原隧道于1986年9月竣工，全長184.5 m，為雙向兩車道隧道，行車道機非混合通行，隧道東洞口平曲線半徑較小(35 m)。隧道凈高5 m，凈寬10 m，其中行車道2×3.5 m，兩側人行道2×1.5 m;東海路行車道寬13 m，其中機動車道2×3.5 m，非機動車道2×2.75 m，機非分隔帶2×0.25 m。隧道洞身兩側直墻為50 cm厚漿砌塊石，拱部為40 cm厚混凝土襯砌，洞口段為40 cm厚鋼筋混凝土襯砌。

受當時設計和施工技術限制，又經過20余a的運營，海中洲隧道洞內已經出現襯砌結構開裂和滲漏水等病害，且通過地質勘察探明，原隧道東洞口曲線處存在縱向長約7 m、橫向寬約9.8 m、高1.3 ～8.7 m 的塌腔體。隨著城區交通量的增長，原隧道越來越不能適應交通的需求，已成為東海路的交通瓶頸，且老隧道的病害還會給運營安全埋下隱患，急需對原隧道進行改建。

1.2 地形、地貌情況

海中洲隧道位于沈家門地區中部，為低矮丘陵區。區內地形北部高，南部及東西兩側低，低矮丘陵的山脊線呈近南北向延展，最高處海拔為49.3 m，最低處海拔為3.2 m，地形坡度為31°～33°，呈凸面坡形態。隧道頂部中軸線處高程為11.3～36.5 m。隧道頂部地面，其西部為沈家門人民醫院住宅區、實驗樓及蓄水池，地形較平坦;其東側為零星分布的林區、墳墓及菜地，有較多人工開挖形成的陡坎(高1～3 m)，地形高差變化較大。

1.3 水文、地質情況

工作區內水文地質條件簡單。地表無水庫等較大的水體和井、泉出露，也無常年性地表逕流，大氣降水呈短暫性地表逕流，基巖裂隙富水性差。原塌方處頂部為坡積、洪積層，厚0.5～5.8 m(一般為1 m 左右)，含砂礫黏土。圍巖以強風化及中等風化凝灰巖為主，裂隙發育，并有強風化鉀長花崗巖脈穿插，巖石破碎，穩定性較差。海中洲隧道地質縱斷面見圖1。

圖1 海中洲隧道地質縱斷面Fig.1 Geological profile of Haizhongzhou tunnel

2 隧道改建難點和要求

2.1 隧道改建難點

1)隧道周邊建筑物密集。隧道西洞口明洞頂正上方有1幢5層磚混結構的住宅樓;隧道正上方地表為沈家門醫院，有1幢7層和1幢3層的樓房。隧道改建前西洞口情況見圖2。

2)原隧道有塌方未處理。東洞口曲線處曾發生塌方，但未產生冒頂。限于當時技術和資金上的制約，塌方未處理。

3)隧道埋深淺。隧道洞頂最大高程為36.5 m，最大埋深約29.5 m，整座隧道都屬于淺埋。

圖2 海中洲隧道改建前西洞口情況Fig.2 West portal of Haizhongzhou tunnel before rehabilitation

4)隧道跨度大。為盡可能與相接道路順接，海中洲隧道凈寬為16 m，最大開挖跨度達到19.4 m，襯砌結構設計難度較大。

5)設計和施工控制要求高。隧道改建既要保證自身施工安全，又要保證周邊建筑物的安全，必須在設計階段提出明確的技術指標，以便控制施工中的變形及沉降。

2.2 隧道改建要求

1)改變機動車單向通行現狀，解決東海路交通瓶頸問題，實現區內便捷、快速的交通網絡。

2)實現機動車與非機動車分道行駛，提高道路通行能力，消除混合交通安全隱患。

3)保證隧道主體工程及周圍相關建筑物的結構安全，消除原隧道塌腔體的安全隱患。

3 改建方案

3.1 主輔洞方案

原隧道經過加固改建后成為僅供汽車行駛的主洞，行車道寬度保持2×3.5 m不變，行車道兩側設置2×1.2 m的路緣帶，以提高行車的安全性;再在兩側各增設1個與主洞呈小凈距布設的輔洞，輔洞凈寬3.5 m，凈高3 m，僅供非機動車和行人通行。主輔洞方案見圖3。

圖3 主輔洞方案示意圖(單位:cm)Fig.3 Rehabilitation option:main tunnel tube and assistant tunnel tubes(cm)

該方案右側輔洞東洞口與5層樓房沖突，需將該樓房拆除;右側輔洞西洞口位于7層房屋的底層，雖不需要拆除該房屋，但需對底層房屋的柱子進行加固;原隧道加固改建時需封閉交通。

3.2 擴洞方案

原隧道經過擴挖，由凈寬10 m改建成凈寬16 m，改建后隧道兩側各增設2.75 m的非機動車道和1.5 m的人行道。機非車道由防撞護欄進行隔離，非機動車道與人行道由高起的步道進行自然分離。擴洞方案見圖4。

該方案西洞口開挖輪廓線與5層樓房基礎基本持平，需將該樓房及左側周邊房屋拆除;原隧道改建時需較長時間封閉交通;改建時可適當調整原隧道軸線位置，增大隧道內的曲線半徑，以改善通視和通風條件，同時可以徹底消除原隧道塌腔體安全隱患。

圖4 擴洞方案示意圖Fig.4 Rehabilitation option:Cross-section enlarging

3.3 方案比選

2種改建方案綜合比較見表1。從表1可以看出，2種方案各具優缺點，都可以實施。通過對各種因素進行綜合比較，擴洞方案更具優勢，推薦作為本工程的實施方案。

4 設計中采用的技術措施

4.1 襯砌結構設計及數值模擬計算

4.1.1 襯砌結構設計

海中洲隧道凈寬為16 m，最大開挖跨度達到19.4 m(介于3車道和4車道之間)，屬于較大跨度隧道，且隧道條件復雜，襯砌結構設計難度較大。隧道襯砌結構按照新奧法原理進行設計。針對海中洲隧道的實際情況，襯砌結構在類似跨度工程類比［4－6］的基礎上采用了較為強大的支護參數，主要體現在2個方面。

1)復合式襯砌各支護形式強強組合。由于隧道跨度大、埋深淺、對開挖后圍巖的變形及地表的沉降要求嚴，對各支護形式進行了強強組合。初期支護錨桿與鋼架相間布置，充分發揮各自作用，除S3型外，均設置2層鋼筋網，以增強支護的整體性，鋼架均選用剛度較大的工字鋼架，在支護完成早期即能支承荷載，以便有效控制圍巖變形及地表沉降;二次襯砌均采用鋼筋混凝土結構。

2)超前支護設置強大。由于老隧道存在脫空等病害，拆除老隧道襯砌及擴挖時易發生掉塊或坍塌，對超前支護進行了加強。特別是洞口加強段，超前支護除采用長管棚外，還增加了環向注漿小導管，以防止長管棚與開挖輪廓線之間的圍巖出現掉塊或因掉塊而引發進一步坍塌。隧道復合式襯砌支護參數見表2。

表1 改建方案綜合比較表Table 1 Comparison and contrast between two rehabilitation options

表2 隧道復合式襯砌支護參數表Table 2 Parameters of composite lining

4.1.2 數值模擬計算

設計中采用有限元軟件Ansys，建立了二維有限元數值模型，在水平方向取距離擴建隧道45 m，在豎直方向向下取30 m，向上取至地表(即30 m)。圍巖和襯砌的物理力學參數如表3所示。按如下假定進行數值計算:圍巖為均質且各向同性的連續介質;結構受力只考慮自重應力場;邊界條件除上部為自由邊界以外，底面和兩側面均為法向約束邊界。

表3 圍巖和襯砌的物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of surrounding rocks and lining

根據計算分析的需要和實際的施工工況，選取了新建(工況1)、中間擴挖(工況2)及外側擴挖(工況3)分別進行模擬，隧道施工采用三臺階法。通過數值模擬，可得出如下結論:

1)圍巖應力。各個施工步驟中的圍巖應力，工況2和工況3均比工況1大。

2)塑性區分布。在上、中臺階開挖后，3種工況均在新支護兩側腳即將開挖的中部土體位置出現塑性區，工況2較工況1數值和區域都稍大，工況3塑性區呈現左右不對稱分布;下臺階開挖后，僅有工況2在拱腳處有一定區域的塑性區，且數值較小。

3)圍巖變形。開挖面拱頂位置的總沉降量，工況1為56.23 mm，工況 2 為 56.68 mm，工況 3 為 56.43 mm。3種工況下的隧道施工造成圍巖豎向的位移變形整體變化趨勢相似，變化量也相差不大。工況1和工況2洞內收斂變化趨勢相似，工況1左右均為1.465 mm;工況2左右均為1.846 mm;由于工況3存在圍巖偏壓現象，洞內收斂左右側區別較大，左側為1.87 mm，右側為0.97 mm。

4)支護結構應力(見表4)。支護結構承受的應力均在安全抗壓強度范圍內，二次襯砌分擔了一定的圍巖壓力，但主要還是作為結構的安全儲備。

表4 支護結構應力Table 4 Stress of supporting structure

4.2 原隧道塌方地段處理方案設計

原隧道施工年代較早，竣工資料簡單，無塌方情況的施工記錄。在設計階段，通過地質雷達勘察揭示，K0+224～+231段為原隧道塌方區，形成沿隧道縱向長約7 m，橫向寬約9.8m的空洞，塌腔體高1.3～8.7 m，塌腔體體積約360 m3。該段圍巖為強風化凝灰巖，節理發育，巖層走向與隧道走向成近90°交角，有滑層，層間夾泥。原襯砌拱背上堆積原塌方渣體約50 m3。塌方區空腔頂地表覆蓋層厚度不一，最厚處約20 m，最薄處約8 m，為強風化的土夾碎石。

由于海中洲隧道周邊建筑物密集，埋深淺，新老隧道橫斷面在原塌方地段處于交叉的不利位置，塌方處理制約因素多，原隧道塌方處理不當將會導致嚴重的后果［7］。為順利通過塌方體，處理方案設計確定了安全、可靠、不留后患、經濟、快速施工的總體原則，采用了地表注漿錨桿加固、塌腔處理和塌腔回填等綜合整治措施。隧道塌方處理橫斷面示意圖如圖5所示，具體處理措施主要有4點。

圖5 隧道塌方處理橫斷面示意圖Fig.5 Tunnel collapse treatment

1)為減少施工擾動引起新的坍塌，開挖前需先對地表進行加固，首先考慮采用地表注漿對地層進行加固，但在現場試驗時效果不佳，后改為地表注漿錨桿加固，并采用噴射混凝土封閉地表，以減少地表水下滲進入塌腔體。

2)采用人工風鎬作業，短進尺拆除老隧道襯砌，初期支護保持緊跟，當有進入塌腔體的空間時，即對塌腔體進行噴、錨、網支護加固;加固完成后施作隧道上半斷面初期支護;塌腔體與初期支護間采用豎向支撐連接，形成共同受力，再對塌腔體復噴混凝土，初期支護外表面澆筑護拱;由于隧道跨度大，為減少初期支護早期的受力，在初期支護未封閉成環前，設置臨時工字鋼支撐。

3)隧道改建將東洞口的曲線半徑由35m調整為110m，新、老隧道之間在橫斷面上是交叉關系，兩者存在空腔，在塌腔體加固完成后，對新老隧道之間空腔進行回填。

4)由于塌腔體頂地表覆蓋層薄，地面建筑物密集，同時考慮運營過程中隧道的耐久性和結構安全等因素，在初期支護仰拱封閉后分多次對塌腔體進行回填，保證塌腔體回填密實。

4.3 開挖方案設計

海中洲隧道跨度大、條件復雜，且新老隧道橫斷面在部分位置存在交叉，開挖方案設計難度較大。在設計開挖方案時，充分考慮了老隧道拱部為混凝土襯砌的實際情況，開挖施工時將其作為護拱，對施工作業人員可起到防護作用。具體開挖方案為:新隧道開挖利用已有隧道作為導洞，分3個臺階進行開挖及支護，先采用人工風鎬作業，短進尺拆除上臺階老隧道襯砌;再進行上臺階擴挖部分開挖及支護，S5+、S4、S3型開挖進尺分別不超過 0.5，1，1.25 m。施工中應保持初期支護緊跟，初期支護與老隧道襯砌之間的距離控制在50 cm左右(萬一發生塌方，可減少塌渣落入隧道內)，以提高施工作業安全性。上臺階開挖及支護長度達到3～5 m時，進行中臺階開挖及支護，同樣方法完成下臺階開挖及支護，最終形成新隧道支護體系。

設計中，按照與實際隧道1∶30的比例制作了模型，模型容重、內摩擦角、泊松比及應變相似比為1，彈性模量、黏聚力、應力及強度相似比為30。模擬試驗選取了新建(工況1)、中間擴挖(工況2)及外側擴挖(工況3)3個工況，每個工況的施工步驟分為3個循環，每個循環均采用三臺階法進行開挖支護。工況2試驗模型及模擬情況見圖6。

通過模擬試驗及現場檢測，可得出如下結論:

1)圍巖應力。隧道施工中，拱頂的圍巖應力變化最大。如工況1在上臺階開挖前后拱頂壓應力由15.1 kPa下降到2.3 kPa，而擴挖隧道由于多了舊襯砌拆除步驟，應力下降趨勢更為平緩;擴挖隧道由于土體開挖，掌子面后方圍巖出現較大臨空面，圍巖整體對掌子面縱向產生一定的荷載作用;工況3舊襯砌越靠近新襯砌，舊襯砌拆除對圍巖應力變化影響越大。

圖6 中間擴挖隧道試驗模型及模擬情況Fig.6 Model of tunnel cross-section enlarging

2)支護結構應力。隨著施工的進行，支護結構應力從拱頂向拱肩及拱腰傳遞，并呈增大趨勢，直至襯砌封閉成環。如工況1拱肩位置襯砌最大應力為255 kPa，拱腰位置最大應力為300 kPa;舊襯砌能起到一定的支護作用，能在一定程度上抑制圍巖變形，減輕掌子面縱向的圍巖壓力，故擴挖隧道襯砌受到的壓應力比工況1小。

3)圍巖變形。擴建隧道施工過程中，拱頂、兩側拱肩及兩側邊墻圍巖變形較大。如工況2在下臺階開挖后拱頂沉降量為1.8×10－5m。

針對模擬試驗得出的結論及海中洲隧道的復雜條件，且考慮到隧道開挖斷面大，初期支護封閉成環時間間隔長，設計要求在分臺階開挖及支護后設置臨時工字鋼支撐(見圖7)。臨時支撐應確保落地，以實現初期支護盡快閉合成環，進一步提高初期支護早期承載能力，抑制圍巖的過度變形。

圖7 臨時工字鋼支撐設計示意圖Fig.7 Temporary bracing by I-shaped steel

4.4 監控量測

海中洲隧道周邊環境復雜，建筑物密集，埋深淺，除選用常規的監控量測項目外，設計中有針對性地增加了建筑物沉降、建筑物傾斜及巖體爆破地面質點振動速度3個監測項目。監測方案見表5。樁基礎建筑物沉降允許值要求不大于10 mm，天然地基建筑物沉降允許值要求不大于30 mm［8－9］;砌體承重結構基礎的局部傾斜要求不大于2 mm，多層和高層建筑物基礎的傾斜要求不大于 4 mm［8］;爆破振動速度不大于1 cm/s［10］。

表5 海中洲隧道施工監測方案Table 5 Monitoring program of Haizhongzhou tunnel

5 實施效果

針對海中洲隧道所處的復雜條件，改建設計階段采取了相應的技術措施，并在施工階段強化動態設計，隧道施工進展順利。通過現場監測，各項指標均能達到設計要求，如天然地基建筑物的最大沉降量為18.3 mm，多層和高層建筑物基礎的最大傾斜為3.4 mm，最大爆破振動速度為0.92 cm/s。

經過近10個月的施工，隧道于2007年9月1日建成通車，既實現了隧道施工質量、安全無事故，又未對周邊建筑物結構安全造成影響。2011年9月，隧道順利通過竣工驗收，各項指標均符合要求。

6 結論及討論

1)海中洲隧道改建方案設計需綜合考慮使用功能、交通安全、施工安全、施工難度、工程投資、工期和對環境影響等因素。經過2種方案的詳細比較，擴洞方案更具優勢，可作為實施方案。

2)海中洲隧道采用了較為強大的襯砌支護參數，對抑制圍巖的過度變形和地表的異常沉降作用明顯，通過有限元軟件驗證表明襯砌參數滿足要求，可以保證施工及周邊建筑物的安全，但支護參數的科學性及經濟性還有待于通過更多類似工程來驗證。

3)根據現場實際情況，海中洲隧道原塌方地段處理采用先地表加固后塌腔體加固、塌腔體支護和永久支護共同受力的方式，加固完成后分多次進行塌腔體回填，僅用25 d就順利完成，處理方案安全、適用。

4)通過模擬試驗及現場檢測，海中洲隧道開挖方案采用老隧道作為導洞，充分利用舊襯砌的支護作用，開挖及支護施工在舊襯砌掩護下分三臺階進行，保持初期支護緊跟，并設置臨時支撐，可保證施工安全，對擴洞開挖及支護施工有較好的適用性。

5)海中洲隧道周邊環境復雜，建筑物密集，改建設計對爆破振動速度、建筑物沉降及建筑物傾斜等指標提出了明確的要求，施工單位應按照設計要求的指標制定實施性施工組織設計。

［1］ 金波，韓常領，王萬平，等.既有隧道改建施工的安全風險及對策［J］.公路，2008(7):269 － 271.(JIN Bo，HAN Changling，WANG Wanping，et al.Security risks and countermeasures for reconstruction construction of the existing tunnel［J］.Highway，2008(7):269 － 271.(in Chinese))

［2］ 陳七林.金雞山隧道拓寬改造方案研究［J］.隧道建設，2011，31(5):577 －582.(CHEN Qilin.Case study on widening options of Jinjishan tunnel［J］.Tunnel Construction，2011，31(5):577 －582.(in Chinese))

［3］ 李佳翰，朱晃葵，卓孟慧，等.既有隧道擴挖及改建技術探討［J］.隧道建設，2011，31(S1):358 －364.(LEE Chiahan，CHU Huangkuei，CHO Menghui，et al.Study on enlarging and reconstruction technology of existing tunnel［J］.Tunnel Construction，2011，31(S1):358 －364.(in Chinese))

［4］ 萬明富，魏明祥，時磊.韓家嶺四車道隧道設計與施工技術研究［J］.公路隧道，2004(4):7－12.

［5］ 黃倫海，秦峰，龔世強.雅寶雙洞八車道公路隧道設計［J］.現代隧道技術，2005(4):5 －8.

［6］ 重慶交通科研設計院.JTG D70—2004公路隧道設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004:17－18，36 －40，143－144.

［7］ 徐學深.海中洲隧道擴建中原隧道塌方的處理技術［J］.隧道建設，2012，32(2):223 － 227，249.(XU Xueshen.Case study on treatment of previous collapse in rehabilitation of Haizhongzhou tunnel［J］.Tunnel Construction，2012，32(2):223 －227，249.(in Chinese))

［8］ 中國建筑科學研究院.GB 50007—2002建筑地基基礎設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002:27－31.

［9］ 王海云.地鐵隧道近距離下穿建筑物的保護［J］.科技資訊，2007(22):71－73.

［10］ 中國工程爆破協會.GB 6722—2003爆破安全規程［S］.北京:中國標準出版社，2003:42 －43，127 －130.