山區(qū)公路既有隧道擴(kuò)建設(shè)計(jì)探討

唐明亮

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

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山區(qū)公路既有隧道擴(kuò)建設(shè)計(jì)探討

唐明亮

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

唐明亮(1982—)，工程師，碩士研究生，主要從事公路橋梁、隧道設(shè)計(jì)工作。

摘要：山區(qū)公路隧道在改善公路線型、縮短里程、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面起著重要作用。文章結(jié)合內(nèi)龍隧道擴(kuò)建設(shè)計(jì)實(shí)例，分析了新建隧道設(shè)計(jì)和擴(kuò)建隧道設(shè)計(jì)的差異，探討了既有隧道擴(kuò)建設(shè)計(jì)中需考慮的重點(diǎn)因素與隧道洞口、結(jié)構(gòu)、防排水設(shè)計(jì)及巖溶處理方法，為今后類似隧道擴(kuò)建設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：山區(qū)公路；隧道擴(kuò)建；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；防排水；巖溶處理

0引言

近年來，隨著山區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，原有隧道已不能適應(yīng)交通量日益增長(zhǎng)的需求，山區(qū)公路既有隧道擴(kuò)建顯得尤為迫切。然而隧道工程界一直以來較注重新建工程[3]，對(duì)既有隧道維修、擴(kuò)建設(shè)計(jì)關(guān)注較少。相比于新建隧道，如何考慮利用既有隧道空間及襯砌，減少對(duì)開挖面的擾動(dòng)，節(jié)省初期支護(hù)，從而降低隧道工程造價(jià)是擴(kuò)建隧道設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮的問題。

1工程概況

內(nèi)龍隧道為擴(kuò)建隧道，隧道進(jìn)出口段路基均設(shè)置有擋墻，洞門處巖體陡峭，偶有落石；出口端左側(cè)有一天然溶洞，現(xiàn)被利用為石料加工廠，由于本路限制大車通過，洞內(nèi)有堆砌物堵道，僅限小型車輛通行。既有隧道進(jìn)口段襯砌為11 m，出口段襯砌4 m，上部拱圈為混凝土襯砌，厚約60 cm，兩側(cè)直墻為漿砌塊石墻身，厚約80 cm。洞門凈寬約為7.8 m，直墻高約4.1 m，上部拱圈矢高約為2 m。

由于原有隧道等級(jí)較低，凈空較少，設(shè)計(jì)中考慮擴(kuò)建為單洞雙車道隧道，隧道全長(zhǎng)234 m，屬短隧道。隧道平面進(jìn)出口段位于緩和曲線和圓曲線上，為施工方便，隧道全線按最大加寬斷面設(shè)計(jì)，斷面采用單心圓曲墻式斷面，半徑為R=5.6 m，隧道建筑限界凈寬為10.0 m，凈高為5.0 m，見圖1。

圖1　隧道內(nèi)輪廓圖(尺寸：cm)

2隧道擴(kuò)建設(shè)計(jì)重點(diǎn)

隧道的布設(shè)根據(jù)路線走向和隧道埋深確定，同時(shí)考慮施工條件、工期、防火救災(zāi)及運(yùn)營(yíng)管理等因素。根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)新理念，隧道洞口位置和洞口方案的確定本著“安全、環(huán)保、和諧”的原則，盡量避免破壞山體植被，保持原生態(tài)和原有植被環(huán)境，并通過回填及防護(hù)等措施消除工程開挖所造成的不良地質(zhì)隱患，使工程與自然融為一體。本隧道為擴(kuò)建隧道，設(shè)計(jì)過程中需重點(diǎn)考慮以下因素：

(1)詳細(xì)調(diào)查、測(cè)量現(xiàn)有隧道控制點(diǎn)、輪廓和襯砌厚度，結(jié)合現(xiàn)有地形，選線過程中充分考慮利用現(xiàn)有隧道良好地質(zhì)地段進(jìn)行選線，減少不良地質(zhì)對(duì)隧道的影響和隧道開挖工程量。

(2)根據(jù)隧道通風(fēng)、排水、施工方案和兩端接線的要求，隧道縱坡設(shè)置不宜過大。

(3)在基本了解主要地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上，對(duì)隧道所在的地質(zhì)情況應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真的研究，制定合理的襯砌防護(hù)方案。

(4)既有隧道僅在兩端洞口段有15 m襯砌(合計(jì))，洞身段為裸洞，滲水比較嚴(yán)重，設(shè)計(jì)中須加強(qiáng)對(duì)防排水的處理。

(5)綜合考慮路線線形指標(biāo)及隧道進(jìn)出口工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件、營(yíng)運(yùn)管理及棄碴等因素。

3隧道洞口設(shè)計(jì)

我國(guó)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[1]中對(duì)洞口的設(shè)計(jì)范圍沒有明確的規(guī)定，設(shè)計(jì)中常把洞門與洞口視為一體。隧道洞口根據(jù)進(jìn)出口地形、地貌、地質(zhì)、開挖邊坡穩(wěn)定性、防排水需要、洞口采光以及環(huán)保景觀等因素綜合考慮。隧道宜“早進(jìn)晚出”，洞口貼坡進(jìn)洞，或設(shè)置一段明洞，盡可能采用零開挖洞口，盡量減少洞口邊坡和仰坡的開挖，保證山體穩(wěn)定。洞門型式的選擇力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，洞口形式主要采用端墻式、削竹式等。

(1)進(jìn)口端洞口：進(jìn)口端洞口地處山坡中下部，山體自然坡度較陡，坡面植被較少，基巖出露，山體右側(cè)較陡，上部巖石較破碎，舊路上偶有落石，山體穩(wěn)定性較差。隧道軸線走向與洞口處等高線基本垂直；巖層走向與隧道走向基本垂直，隧道前側(cè)地面線非常陡峭，坡角>80°，但巖石完整性較好，洞口仰坡坡體較為穩(wěn)定。山體地層主要為中風(fēng)化石灰?guī)r，隧道洞口開挖后形成的邊坡高度較高，穩(wěn)定性較差。隧道洞口圍巖為Ⅳ級(jí)，成洞條件一般，隧道開挖后，洞頂易剝落、掉塊。右側(cè)邊坡坡度較陡且?guī)r層破碎，施工中容易出現(xiàn)落石及崩塌，建議邊坡及仰坡開挖最大高度<20 m，邊坡坡比取1∶0.2、仰坡坡比取1∶0.05，坡面清除破碎巖體后用錨噴混凝土進(jìn)行防護(hù)。左側(cè)為直立式擋土墻，考慮到洞門基礎(chǔ)不能懸空，擴(kuò)建隧道洞門直接與既有隧道暗洞相連，洞門型式采用偏壓端墻式洞門，外露面采用鑲面處理。

(2)出口端洞口：出口端洞口處左側(cè)有一天然溶洞，被利用為石材廠，溶洞發(fā)育，基巖出露，目前山體處于穩(wěn)定狀態(tài)，既有隧道洞口大半位于溶洞中。隧道軸線走向與洞口處等高線基本垂直；巖層走向與隧道走向基本垂直，隧道圍巖較為穩(wěn)定；第四系覆蓋層薄，隧道洞口開挖后形成的邊坡高度較大，左高右低，巖體穩(wěn)定性較好；考慮地下水修正后，隧道出口段圍巖定為Ⅳ級(jí)，成洞條件較好，邊、仰坡坡比均取1∶0.05，坡面清除破碎巖體后用錨噴混凝土進(jìn)行防護(hù)。由于既有隧道洞口左側(cè)上方懸有巖石，從安全考慮新建明洞延長(zhǎng)原有洞口，洞門型式采用偏壓端墻式洞門，外露面采用鑲面處理。

4隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本隧道是在既有隧道基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)挖，由于原有隧道襯砌的作用，擴(kuò)挖施工時(shí)可以避免對(duì)圍巖的大面積擾動(dòng)。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮充分利用原有襯砌和圍巖的自承能力，運(yùn)用新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工，隧道施工時(shí)主要采用光面爆破和預(yù)裂爆破技術(shù)，嚴(yán)格按照隧道內(nèi)輪廓進(jìn)行控制，避免超挖和欠挖。

隧道結(jié)構(gòu)采用由初期支護(hù)、防水層及二次襯砌組合成的復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)由錨桿、噴射混凝土、掛鋼筋網(wǎng)和鋼拱架組成，二次襯砌為模注鋼筋混凝土或素混凝土，二者共同組成永久性承載結(jié)構(gòu)。復(fù)合式襯砌采用工程類比法并通過結(jié)構(gòu)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)來確定初期支護(hù)和二次襯砌的支護(hù)參數(shù)，必要時(shí)采用輔助施工手段(超前管棚、超前錨桿和超前小導(dǎo)管等)加固圍巖，既加固了巖體，又充分發(fā)揮了圍巖和襯砌自身的承載能力，從而達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、有效的目的。各級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1　復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)表

此外，由于舊路改擴(kuò)建對(duì)本段路線進(jìn)行了優(yōu)化，使隧道部分路段既有隧道與擴(kuò)建后的隧道中線不一致，導(dǎo)致擴(kuò)建后的隧道襯砌左側(cè)留下較大空洞，如圖2所示，空洞的存在對(duì)隧道影響較大，設(shè)計(jì)考慮采用C15片石混凝土按下列順序回填：

圖2　襯砌斷面及空洞回填示意圖

(1)首先沿后方已支護(hù)的鋼拱架的環(huán)向邊緣，向前方圍巖內(nèi)插入多根錨桿，以后方型鋼拱架為支撐點(diǎn)，用錨桿在后方拱架及前方圍巖間形成一個(gè)拱形超前簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。

(2)在所述簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)中部預(yù)先固定至少2根鋼管作為回填混凝土泵送管。

(3)然后再以簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)為骨架，通過泵送管向空洞部分泵送回填混凝土直至填滿空洞。

5防排水設(shè)計(jì)

隧道防、排水設(shè)計(jì)遵循“以排為主，防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，保證隧道結(jié)構(gòu)物和營(yíng)運(yùn)設(shè)備的正常使用和行車安全[1]。隧道防排水設(shè)計(jì)的主要目的是結(jié)合隧址區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等情況妥善處理地表水和地下水，使洞內(nèi)外形成完整、暢通、便于維修的防排水系統(tǒng)，避免襯砌滴水、路面滲水、圍巖凍脹和洞內(nèi)結(jié)冰等病害，保證隧道建成運(yùn)營(yíng)后洞內(nèi)基本干燥，結(jié)構(gòu)和設(shè)備可以正常使用以及行車安全。

5.1　洞外防排水設(shè)計(jì)

根據(jù)地形情況，在洞口上方邊坡、仰坡坡頂≥5 m處設(shè)置與地形等高線相適應(yīng)的洞頂排水溝，向路線一側(cè)或兩側(cè)引入適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)排走，避免流水對(duì)洞口段山體進(jìn)行沖刷。此外，洞頂排水溝應(yīng)在洞口刷坡前預(yù)先用漿砌片石砌筑，并用水泥砂漿抹面成“三面光”。當(dāng)縱坡過陡時(shí)，應(yīng)在必要位置設(shè)置跌水或急流槽等設(shè)施，施工時(shí)盡量恢復(fù)洞口地形原貌，減少人工修飾的痕跡。

5.2　洞內(nèi)防排水設(shè)計(jì)

為提高隧道防排水能力，本項(xiàng)目在初期支護(hù)與二次襯砌間設(shè)置由EVA復(fù)合防水板、無紡布組成的防水層，并要求對(duì)施工縫和沉降縫作專門的防水處理，同時(shí)襯砌背后每間隔10 m設(shè)置一道環(huán)向盲管(φ50mm單壁打孔波紋管)，盲管與由φ100mm雙壁打孔波紋管組成的縱向排水管相連通，通過橫向排水管(采用φ100mm雙壁打孔波紋管)流入隧道兩側(cè)排水溝；洞內(nèi)環(huán)向及橫向排水管可根據(jù)洞內(nèi)滲水情況適當(dāng)增加。隧道施工縫、沉降縫不應(yīng)設(shè)置在有集中水流的地段，且在施工縫和變形縫處均采用背貼式止水帶和中埋式橡膠止水帶。

6巖溶處理

本隧道隧址區(qū)位于巖溶區(qū)，存在較多溶洞，出口端左側(cè)的溶洞較大，現(xiàn)被利用為石料廠。巖溶對(duì)隧道影響較大，對(duì)于溶洞原則上采用片石混凝土進(jìn)行回填，但對(duì)已經(jīng)穩(wěn)定的大型溶洞可以不作處理，只需做好防排

水措施。隧道建設(shè)期間應(yīng)根據(jù)已有隧道出露的圍巖情況，提前做好應(yīng)急預(yù)案，確保隧道安全，必要時(shí)應(yīng)根據(jù)開挖后的實(shí)際地質(zhì)情況，對(duì)隧道圍巖級(jí)別作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整(比如將對(duì)應(yīng)圍巖級(jí)別降一級(jí)的原則處理)。對(duì)于局部可能會(huì)遇見的溶蝕裂隙、小型溶洞、溶溝(槽)等，一般規(guī)模不會(huì)很大，可采取埋填、跨越等措施處理。

由于隧道進(jìn)、出洞口位于陡峭的斜坡下，考慮到表層塊石呈散體狀、巖石較破碎，溶隙較發(fā)育，施工時(shí)若大爆破，極易引起隧道巖石崩塌、掉塊等情況，危及施工人員的人身安全，要求施工時(shí)應(yīng)及時(shí)清除洞口危石，加強(qiáng)安全工作以及采用正確的施工方法和有效的邊坡防護(hù)措施。

7結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合內(nèi)龍隧道擴(kuò)建設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)既有隧道擴(kuò)建設(shè)計(jì)中需考慮的重點(diǎn)因素及隧道洞口、結(jié)構(gòu)、防排水設(shè)計(jì)及巖溶處理方法進(jìn)行了探討，得出了以下結(jié)論：

(1)隧道擴(kuò)建設(shè)計(jì)前應(yīng)詳細(xì)調(diào)查、測(cè)量現(xiàn)有隧道的控制點(diǎn)、輪廓及襯砌厚度，選線過程充分考慮利用現(xiàn)有隧道進(jìn)行選線。

(2)要根據(jù)既有隧道地形、地質(zhì)情況及隧道現(xiàn)狀合理進(jìn)行隧道洞口、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(3)防排水設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在勘測(cè)、設(shè)計(jì)選材、施工等任何環(huán)節(jié)都必須給予足夠的重視。

(4)要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，采用多種方法靈活處理溶洞等特殊地質(zhì)問題。

參考文獻(xiàn)

[1]JTG D70-2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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[3]楊小禮，王作偉，陳杰.既有隧道擴(kuò)建工程及襯砌穩(wěn)定性研究[J].交通科學(xué)與工程，2010(1)：49-52，58.

Discussions on Expansion Design of Existing Tunnel in Mountain Highway

TANG Ming-liang

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：The mountain highway tunnel plays an important role in improving the highway liner type，shortening the mileage，and protecting the ecological environment and so on.Combined with the Neilong Tunnel expan-sion design practices，this article analyzed the differences between new tunnel design and tunnel expansion design，and discussed the key considerations in expansion design of existing tunnel as well as the tunnel entrance，structure，waterproofing and drainage design and karst processing method，thereby providing the reference for the expansion construction design of future similar tunnels.

Keywords：Mountain highway； Tunnel expansion； Structural design； Waterproofing and drainage； Karst treatment

收稿日期：2015-04-02

文章編號(hào)：1673-4874(2015)05-0054-03

中圖分類號(hào)：U457+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.015

作者簡(jiǎn)介