黃土隧道改建設(shè)計(jì)方案研究

張勃蓬

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

山西晉西北位于黃土高原地區(qū)，該地區(qū)的地質(zhì)地形特點(diǎn)是溝壑縱橫，黃土峁梁、沖溝隨處可見，地表覆蓋厚層黃土。該區(qū)國省干線公路隧道數(shù)量較多，且多為20世紀(jì)七八十年代修建，特點(diǎn)是寬度窄（多為6～7.5 m）、高度低（限界高多為4～4.5 m），隧道邊墻基本為直墻式，建筑材料多為磚石圬工，一般均未設(shè)人行道、防排水及機(jī)電設(shè)施，并且此類舊隧大多存在著不同程度的各類病害。因此，此類老舊黃土隧道改擴(kuò)建工程將會(huì)越來越多。

黃土隧道改建一般有原隧加固、原址擴(kuò)挖及另選新址重建等方案，但各方案的設(shè)計(jì)、施工難易度、造價(jià)、占地等存在較大差別。目前國內(nèi)外老舊黃土隧道改建的研究很少，其設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)均處于探索、積累階段。本文結(jié)合該隧道改建工程方案比選對(duì)老舊黃土隧道改建方案的研究進(jìn)行闡述。

1 工程概況

1.1 背景及現(xiàn)狀

下嵋芝隧道是S248線上的一座老舊黃土隧道，全長248 m，位于柳林縣境內(nèi)，隧道兩端連接公路曾于2008年進(jìn)行了改建，采用二級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，速度40 km/h，路基寬度為10 m，改建時(shí)僅對(duì)隧道拱部進(jìn)行了混凝土加固處理。隧道建于20世紀(jì)八十年代，采用礦山法修建，隧道寬7.5 m，凈高6.9 m，隧道邊墻為直墻式，邊墻采用漿砌塊石，拱部為素混凝土襯砌，路面面層為瀝青混凝土，無人行道、防排水及機(jī)電設(shè)施，建筑限界僅滿足現(xiàn)行《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》不設(shè)人行道的雙車道4級(jí)公路隧道標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)速度30 km/h，低于兩端接線設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是典型的寬路窄隧；目前已成為該路段交通瓶頸。

圖1 舊隧斷面圖（單位：cm）

根據(jù)下嵋芝隧道檢測報(bào)告，該隧道總體技術(shù)狀況類別被評(píng)定為5類，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉隧道，實(shí)施病害處治或改建[1]。

圖2 舊隧洞口

圖3 襯砌鼓出

1.2 地形地貌及工程地質(zhì)情況

a）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)，微地貌為黃土塬、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。

b）工程地質(zhì) 隧址區(qū)地層巖性結(jié)構(gòu)簡單，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。

2 改建技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)交通量預(yù)測及隧道前后路段線型、路基寬度及公路技術(shù)等級(jí)等因素，確定改建隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)速度40 km/h，建筑限界10×5 m，雙側(cè)人行道2×1.0 m的兩車道公路隧道。根據(jù)建筑限界的要求，考慮襯砌結(jié)構(gòu)受力特性、裝飾厚度及富余空間等因素?cái)M定隧道內(nèi)輪廓采用三心圓斷面，拱半徑5.20 m，曲墻半徑7.64 m，仰拱半徑15.00 m。

圖4 隧道建筑限界及內(nèi)輪廓圖（單位：cm）

3 改建方案綜述及比選

3.1 方案一 原址擴(kuò)挖方案

考慮隧道施工風(fēng)險(xiǎn)及洞口地形限制，僅對(duì)隧道進(jìn)行擴(kuò)挖，洞口接線維持不變，隧道長度不變，該方案的起終點(diǎn)即為現(xiàn)狀隧道的起終點(diǎn)，路線平縱線型與原路相同。

本方案工程造價(jià)2 565萬元。優(yōu)點(diǎn)為隧道限界滿足要求，無新增占地，工期稍短，缺點(diǎn)及難點(diǎn)在于黃土舊隧施工風(fēng)險(xiǎn)大，合理確定支護(hù)參數(shù)及施工步序?yàn)橹刂兄亍?/p>

由于舊隧道已發(fā)生病害并被鑒定為危隧，因此在原襯砌拆除時(shí)必須進(jìn)行必要的安全防護(hù)[2]，以確保施工安全。臨時(shí)支護(hù)方案為沿舊洞襯砌表面架設(shè)鋼拱架支護(hù)。且在施工中必須注意舊洞圍巖及地表變形情況，以隨時(shí)修正支護(hù)方案。

原址擴(kuò)挖方案施工步序：

a）施作既有隧道臨時(shí)鋼拱架，再施作超前支護(hù)。

b）拆除臨時(shí)鋼拱架及拱部舊隧襯砌和開挖拱部圍巖（與拱架間距相同）。

表1 復(fù)合式襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

c）施作拱部初期支護(hù)，施工左右側(cè)鋼架鎖腳錨管。

d）拆除既有隧道左側(cè)邊墻（與拱架間距相同）。

e）開挖左側(cè)邊墻圍巖。

f）施作左側(cè)邊墻初期支護(hù)，施工左側(cè)鋼架鎖腳錨管。

g）拆除既有隧道右側(cè)邊墻（與拱架間距相同）。

h）開挖右側(cè)邊墻圍巖。

i）施作右側(cè)邊墻初期支護(hù)，施工右側(cè)鋼架鎖腳錨管。

j）仰拱落底開挖。

k）施作仰拱。

l）鋪設(shè)防水板，整體施作拱墻二次襯砌。

圖5 原址擴(kuò)挖隧道施工步序

3.2 方案二 新建隧道方案

路線布設(shè)于原隧道東側(cè)，距原隧道凈距約30 m，改線總長度為982.956 m，隧道長430 m，新建隧道方案采用雙車道2級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度40 km/h，路基寬度10.0 m，隧道凈寬10.0 m，凈高5.0 m。本方案路線布設(shè)原則在滿足規(guī)范的前提下，盡量選擇工程量小且新建隧道與原隧道無干擾的地段。

本方案工程造價(jià)4 884萬元。優(yōu)點(diǎn)在于重新布線公路線形指標(biāo)較高，新建隧道較于原址擴(kuò)挖施工難度較小；缺點(diǎn)為工程量大且新增占地多，工期長。

3.3 方案三 現(xiàn)狀隧道加固方案

本方案擬對(duì)現(xiàn)狀下嵋芝隧道進(jìn)行加固，對(duì)暗洞襯砌進(jìn)行加固，路線平縱面線形及隧道長度均不變，凈寬仍為7.5 m，僅對(duì)原隧道襯砌進(jìn)行加固。隧道等級(jí)仍維持現(xiàn)狀。

本方案造價(jià)為1 011萬元。優(yōu)點(diǎn)在于造價(jià)低、工期短、能盡快通車且無占地。缺點(diǎn)是加固后隧道建筑限界未變，仍低于兩端接線標(biāo)準(zhǔn)。由于是危隧，加固前也需要臨時(shí)支護(hù)，因此施工風(fēng)險(xiǎn)與難度與方案一相當(dāng)。

本方案施工順序：

a）沿隧道襯砌表面架設(shè)Ⅰ18拱架進(jìn)行臨時(shí)加固。

b）采用跳槽施工鑿除邊墻塊石，嵌入I20b鋼拱架，拱架間距0.8～1.0 m，澆筑邊墻混凝土（跳槽施工槽寬1.0～2.0 m，間隔3.0～5.0 m），拱部采用噴射混凝土填充。

c）拆除臨時(shí)支護(hù)。d）重新施作路面。

通過對(duì)以上方案進(jìn)行綜合比選，原址擴(kuò)挖方案設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與兩端接線相匹配，無占地、造價(jià)適中、工期合理、且施工風(fēng)險(xiǎn)可控，因此將方案一作為推薦方案。

4 施工期間的保通

為了保證施工期間隧道兩端群眾的正常出行及周邊企業(yè)的貨物運(yùn)輸，根據(jù)公路管理段要求，在現(xiàn)狀省道附近，利用現(xiàn)有鄉(xiāng)間道路，設(shè)置保通車道，從而解決群眾出行和企業(yè)的交通運(yùn)輸問題，同時(shí)兼做施工便道。保通車道全長1.055 km，路基寬度為6.5 m，采用20 cm厚級(jí)配砂礫路面。保通車道起終點(diǎn)均與省道順接，路線走向最大限度地利用省道兩側(cè)的現(xiàn)有道路，以減少工程規(guī)模。

5 結(jié)語

在黃土舊隧改建方案比選中，因原路線布設(shè)時(shí)，已占用了隧道最佳布設(shè)位置，即隧道長度最短，路線最順暢的穿越位置；所以選址新建方案，隧道長度肯定比原隧長，另外隧道兩側(cè)需要重新接線，并且需要新增占地，因此造價(jià)會(huì)遠(yuǎn)高于原址擴(kuò)挖方案；而加固方案因其建筑限界不變，不能提高其通行能力而被排除。原址擴(kuò)挖方案，優(yōu)點(diǎn)在于隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)滿足要求，平縱面線形維持不變，且不需要新增占地，同時(shí)造價(jià)合理，通過增加臨時(shí)支護(hù)等措施，施工安全也可保證。因此，黃土隧道改建工程中，優(yōu)選原址擴(kuò)挖方案。