象山隧道拓寬改造工程方案研究

臧萬軍，王釗

(1.福建工程學院 土木工程學院，福建 福州 350118； 2. 地下工程福建省高校重點實驗室，福建 福州 350118)

象山隧道拓寬改造工程方案研究

臧萬軍1,2，王釗1,2

(1.福建工程學院 土木工程學院，福建 福州 350118； 2. 地下工程福建省高校重點實驗室，福建 福州 350118)

對象山隧道拓寬改造工程方案進行研究。對比增建隧道、大開挖道路、原位拓寬3種擴建形式，綜合分析象山隧道工程現狀、拓寬改造基本原則和影響因素，提出原位拓寬形式的合理性。分析原隧道兩側小洞各拓寬成3車道、保留中間兩個大洞和原隧道兩側大洞連通小洞各改建為一個大洞兩種原位拓寬改造方案，從結構受力、營運能力、施工難度、交通影響和經濟性等方面進行比選，確定可行性方案。對連拱隧道拓寬改造施工提出建議，為今后類似的隧道拓寬改造工程提供參考。

連拱隧道； 拓寬改造； 方案比選

我國現有公路隧道一般為雙向四車道分離式隧道，既有隧道拓寬改造的形式一般有增建隧道、原位拓寬以及兩者組合。目前已有一些學者對既有隧道拓寬改造方案進行了探索，采用增建隧道形式的有上海打浦路隧道[1]、日本塔之峰隧道[2]等；采用原位擴建形式的有重慶鵝嶺隧道[3]、關村壩隧道[4]、日本天王山隧道[5]等；采用組合擴建方式的有福建大帽山隧道[6-8]等。

象山隧道是少見的四連拱結構隧道，力學狀態較分離式隧道更為復雜，拓寬改造的施工難度及風險更顯著，對四連拱隧道進行拓寬改造，目前還沒有工程先例[9]。本文結合定性分析和定量分析等方法對象山隧道拓寬改造工程方案進行研究，為類似連拱隧道拓寬改造工程提供參考。

1 工程概況[10]

1.1 工程地質條件

象山隧道整體埋深較淺，最大埋深小于23 m，主要穿越象山殘積剝蝕山丘，地表植被茂密。隧道通過區域，上部是第四系殘積、坡積砂紙粘土及表層部分人工雜填土，分布不均；下部主要是由燕山晚期第二次侵入形成的花崗巖基底及第四次侵入的大型花崗斑巖巖脈組成，局部地段遇到輝綠玢巖穿插。地質條件復雜，巖體自穩能力很差，圍巖級別主要為Ⅳ、Ⅴ級。

1.2 隧道原設計

象山隧道建于1994年，全長230 m，基本位于直線上,內為-0.532%的單面坡。設計為4洞連拱隧道，中間兩洞通行機動車，雙向4車道；外側洞設計為人非混行車道(見圖1)。近年來為緩解交通壓力，兩側洞開放給小型機動車通行。

圖1 象山隧道斷面(單位：m)Fig.1 Cross-sectional drawing of Xiangshan tunnel(unit:m)

隧道采用復合式襯砌，其中III級圍巖地段隧道采用底板形式，Ⅳ級及以上圍巖地段均采用仰拱形式。進出口兩端采用明洞。中間隧道路面以上凈空58.7 m2，側洞路面以上凈空26.9 m2。

1.3 隧道病害整治情況

1997年，象山隧道進行病害整治施工，整治內容：恢復地表排水系統；采用無機材料漿液填充和加固襯砌背后空洞與圍巖松散體；對裂縫和有危害的施工縫進行補漏處理，并形成隧道防排水系統；兩邊洞加一層鋼筋混凝土襯砌穩定結構。

1.4 隧道健康檢測情況

2011年，對象山隧道襯砌質量和病害情況進行檢測和調研，表明襯砌強度總體符合設計要求，但由于運營時間長，且受外界環境影響存在差異，導致襯砌混凝土強度離散性較大，局部范圍略低于設計要求。隧道無重大施工缺陷，襯砌背后無大空洞，局部襯砌厚度略小于設計值及不密實。

2 制定拓寬改造方案的基本原則及影響因素

2.1 拓寬改造方案的基本原則

1)符合福州市城市總體規劃，滿足交通功能需要，方便運營管理、維修，減少拆遷，并與周邊環境協調一致。

2)有利于環境保護和水土保持，節約能源和土地，保護文物，保護原有植被。

3)采用技術成熟、施工難度低、施工進度快的方案，合理組織施工及施工期間的交通組織。

4)既要經濟合理，安全可靠，又要適合本工程的建設特點。

2.2 隧道拓寬改造方案的主要影響因素

象山隧道位于福州市二環路，西依象山、后縣山，東臨西湖，周邊建筑林立。如圖2所示。

圖2 象山隧道周邊環境Fig.2 Surroundings of Xiangshan tunnel

對于象山隧道拓寬改造方案的擬定，周邊主要影響因素有：

1)工程靠象山，臨西湖，隧道頂部植被茂密，環境及景觀保護難度大。

2)伊斯蘭教墓地群位于隧道北口西側，面積2 300 m2，部分位于隧道洞頂，墓區搬遷困難。

3)隧道東側，從北到南依次是西湖別墅、九龍山莊及職業病防治院。其中西湖別墅及九龍山莊建筑距離隧道邊線18 m，九龍山莊停車場緊鄰隧道邊線，施工風險極大。

3 隧道拓寬改造方案研究

3.1 拓寬改造形式分析

3.1.1 增建隧道

在既有隧道兩側增建隧道，實現隧道的拓寬。該方案占地面積大，拆遷范圍廣，涉及穆斯林墓區的搬遷，方案實施難度大。

3.1.2 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。該方案對景觀破壞極大；涉及穆斯林墓區，遷改困難；垂直開挖30多m，基坑臨近西湖別墅和九龍山莊住宅，施工風險高；山體敞開明挖，開挖量大，施工噪音及運輸對周邊影響大。

3.1.3 原位拓寬

對既有四連拱隧道進行原位拓寬改造。該方案對景觀影響小，不侵占墓區，但爆破作業可能引起糾紛；施工有風險，但采取措施后，可保證安全；暗挖施工，僅兩端洞口施工對周邊影響略大，對山頂居民影響小；開挖方量小。

3.2 拓寬改造方案擬定

通過對上述3種拓寬改造形式的分析，增建隧道及大開挖方案對周邊環境影響大，實施難度大，原位拓寬改造形式最為合理。因此，對原位拓寬改造形式進一步分析，并提出A、B兩個方案進行比選。

3.2.1 方案A

原隧道兩側小洞各拓寬成3車道，中間兩個大洞加固處理。最終形成雙向8個機動車道+兩個人非混行車道的新四連拱隧道形式(如圖3)。

圖3 方案A拓寬后隧道斷面圖Fig.3 Cross-sectional schematic of scheme A

3.2.2 方案B

原隧道整體改建，以中隔墻為基準，兩側大洞與小洞連通，各改建為一個大洞，形成一座雙連拱隧道，最終也是雙向8個機動車道+兩個人非混行車道規模(如圖4)。

圖4 方案B拓寬后隧道斷面圖Fig.4 Cross-sectional schematic of scheme B

4 結構受力分析

4.1 計算模型

采用ANSYS程序進行計算，按《混凝土結構設計規范(2015年版)》(GB 50010-2010)[11]計算配筋，并驗算結構裂縫寬度。

采用復合式襯砌,設計參數參考《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004)[12]取值。根據新奧法的基本理論和復合式襯砌的設計原理，初期支護為主要承載結構，二次襯砌在Ⅳ、Ⅴ級圍巖時作為承載結構，對于Ⅳ級圍巖地段，二次襯砌分擔荷載比例為30%，對于Ⅴ級圍巖地段，二次襯砌分擔荷載比例為60%。

計算采用荷載-結構模式，二襯采用二維梁單元模擬，梁單元寬度為單位寬度，梁高為實際襯砌厚度。結構計算參數如表1所示。圍巖抗力采用彈簧單元模擬，彈簧施加范圍及數量根據試算中結構的變形情況進行調整和優化，僅當結構產生指向圍巖方向的位移時添加彈簧單元，圍巖彈性抗力系數按實測圍巖的側向基床系數和垂向基床系數選值。

表1 計算參數Tab.1 Calculation parameter of mechanical forces

4.2 方案A(V級圍巖地段最不利斷面)

V級圍巖拱部φ180 mm管棚聯合φ50 mm小導管超前支護，初期支護掛網錨噴，噴30 cm厚C25纖維混凝土，內設格柵鋼架；二襯采用65 cm厚C40鋼筋混凝土。

計算斷面隧道洞身位于中風化輝綠玢巖中，V級圍巖，埋深16.5 m，隧道頂部砂質粘土層6.7 m，強風化輝綠玢巖5.6 m，中風化輝綠玢巖4.2 m。根據連拱隧道深淺埋計算公式，屬于超淺埋隧道。隧道拱頂垂直壓力：qy=γH=394.2 kPa

計算側壓力系數:

λ=0.08；

彈性抗力系數取300MPa/m；排水型結構，不計水壓力。

按概率極限狀態法，根據承載力極限狀態(圖5～7)和正常使用極限狀態(圖8～10)的要求，分別進行承載能力及穩定性計算，變形及裂縫寬度驗算。從表2、3可看出，通過合理配筋，方案A的結構能滿足結構強度及變形要求。

圖5 承載力極限狀態彎矩圖(單位：N·m)Fig.5 Bending moment diagram at limit state of bearing capacity(unit:N·m)

圖6 承載力極限狀態軸力圖(單位：N)Fig.6 Axial force diagram at limit state of bearing capacity(unit:N)

圖7 承載力極限狀態剪力圖(單位：N)Fig.7 Shearing force diagram at limit state of bearing capacity(unit:N)

表2 承載力極限狀態計算結果Tab.2 Computed result at limit state of bearing capacity

圖8 正常使用極限狀態彎矩圖(單位：N·m) Fig.8 Bending moment diagram at serviceabi-lity limit state(unit:N·m)

圖9 正常使用極限狀態軸力圖(單位：N) Fig.9 Axial force diagram at serviceabilitylimit state(unit:N)

圖10 正常使用極限狀態剪力圖(單位：N)Fig.10 Shearing force diagram at serviceability limit state(unit:N)

表3 正常使用極限狀態計算結果Tab.3 Computed result at serviceability limit state

4.3 方案B(V級圍巖地段最不利斷面)

V級圍巖拱部φ300 mm管棚聯合φ50 mm小導管超前支護，初期支護掛網錨噴，噴35 cm厚C25纖維混凝土，內設格柵鋼架；二襯采用95 cm厚C40鋼筋混凝土。

計算斷面隧道洞身位于中風化輝綠玢巖中，V級圍巖，埋深14.5 m，隧道頂部砂質粘土層6.7 m，強風化輝綠玢巖5.6 m，中風化輝綠玢巖2.2 m。隧道寬度50 m，按小凈距超淺埋隧道計算。

隧道拱頂垂直壓力qy=γH=302.5 kPa;計算側壓力系數λ=0.08；圍巖彈性抗力系數取300 MPa/m;中隔壁處隧道彈性抗力系數取1 000 MPa/m;排水型結構，不計水壓力。

按概率極限狀態法，根據承載力極限狀態(圖11～13)和正常使用極限狀態(圖14～16)的要求，分別進行承載能力及穩定性計算，變形及裂縫寬度驗算。從表4、5可以看出，通過合理配筋，方案B的結構能滿足結構強度及變形要求。

圖11 承載力極限狀態彎矩圖(單位：N·m)Fig.11 Bending moment diagram at limit state of bearing capacity(unit:N·m)

圖12 承載力極限狀態軸力圖(單位：N)Fig.12 Axial force diagram at limit state ofbearing capacity(unit:N)

圖13 承載力極限狀態剪力圖(單位：N)Fig.13 Shearing force diagram at limit state ofbearing capacity

圖14 正常使用極限狀態彎矩圖(單位：N·m)Fig.14 Bending moment diagram at service-ability limit state(unit:N·m)

表4 承載力極限狀態計算結果Tab.4 Computed result at limit state of bearing capacity

圖15 正常使用極限狀態軸力圖(單位：N)Fig.15 Axial force diagram at serviceability limit state(unit:N)

圖16 正常使用極限狀態剪力圖(單位：N)Fig.16 Shearing force diagram at serviceability limit state(unit:N)

表5 正常使用極限狀態計算結果Tab.5 Computed result at serviceability limit state

5 方案比選

中隔墻是連拱隧道中連接兩側隧道結構的關鍵受力結構，必須充分利用中隔墻的支撐作用進行隧道結構受力的有效轉換。計算對比發現，方案A結構中隔墻位置處的受力遠小于方案B，因此，在確保隧道支護結構的力學平衡和變形穩定方面，方案A要優于方案B。方案A與方案B其他方面比選分析見表6。

表6 象山隧道拓寬改造方案比選Tab.6 Excavation schemes comparison

從表6可看出，方案A和B通行能力相當，但方案A道路分4幅，隧道內行車互相干擾較小；方案A施工難度及風險均比方案B小；按方案A拓寬改造隧道對既有交通的影響較小，按方案B改造期間則需要將二環路該段交通全部封閉，影響很大；方案A工程規模較方案B小，投資也較低。綜上，象山隧道拓寬改造的方案A更具有可行性。

6 結論及建議

1)象山隧道拓寬改造采用原位拓寬形式最為合理，原隧道兩側小洞各拓寬成3車道，保留中間兩個大洞的方案具有可行性。

2)連拱隧道原位拓寬改造的技術要求比較高。中隔墻是連拱隧道中連接兩側隧道結構的關鍵受力結構。連拱隧道的結構拆除時必須將中隔墻結構作為重點保護對象，必須充分利用中隔墻的支撐作用進行隧道結構受力的有效轉換，以確保隧道支護結構的力學平衡和變形穩定。

3)根據象山隧道的檢測情況，象山隧道襯砌混凝土強度總體符合設計要求，但由于運營時間長，受外界環境影響存在差異，考慮到本次施工對圍巖結構的再次擾動，因此本方案改造側洞的同時，須進行中間兩個洞加固。側洞改造完成后，須對中間兩個洞進行混凝土質量及背后空洞檢測，并對襯砌背后空洞進行注漿加強，對局部強度不達標的混凝土進行鑿除重新模筑，對全隧應采用芳綸復合材料進行補強。

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[2]先明其.從單線改建成復線的運營隧道——箱根登山鐵道 塔之峰隧道[J].現代隧道技術,1996(4):75-80.

[3]高干,劉元雪,周結中,等.地下空間擴建型式研究[J].現代隧道技術,2010,47(6):1-9.

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[8]陳陸軍.典型高速公路隧道擴建方案及施工力學行為研究[D].成都：西南交通大學,2013.

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[11]中華人民共和國住房和城鄉建設部．混凝土結構設計規范： GB50010-2010 [S]．北京：中國建筑工業出版社，2016．

[12]中華人民共和國交通部．公路隧道設計規范： JTG D70-2004[S]．北京：人民交通出版社，2004．

(責任編輯： 陳雯)

Study on excavation schemes of Xiangshan tunnel extension

Zang Wanjun1,2, Wang Zhao1,2

(1.College of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China；2. Fujian Provincial University Key Laboratory of Underground Engineering, Fuzhou 350118, China)

The excavation schemes of Xiangshan tunnel extension project were researched. The in-situ extension was found to be more reasonable than constructing new tunnels and cutting excavation by comprehensive analysis of the geographical condition, the basic principle and the influential factors of tunnel extension. Two excavation schemes were compared in mechanics characteristic, operation (traffic) capacity, construction difficulty and risk, traffic influence and economy. Several suggestions on the construction of multi-arch tunnel extension projects were proposed, which can provide reference for similar projects in the future.

multi-arch tunnel; tunnel extension; scheme comparison

2016-10-28

福建省自然科學基金面上項目(2016J01205)

臧萬軍(1975- )，男，吉林農安人，博士，副教授，高級工程師，研究方向： 隧道抗震減震、 隧道施工、 地下工程風險評估。

10.3969/j.issn.1672-4348.2016.06.003

U452.2+5

A

1672-4348(2016)06-0526-06