山區普通公路隧道拓寬改造設計方案研究

■張祖榮

（福建弘沁工程勘察設計有限公司，南平 353000）

0 前言

自改革開放以來，我國交通建設事業發展迅速，以福建省為例，截至2017年底全省公里通車總里程突破10萬km，其中高速公路通車里程達到5020km，實現所有縣城二級以上公路連接，基本上形成了以高速公路為主骨架，國省干線等普通公路多路放射的綜合交通運輸網。

隨著國家對鄉村振興戰略的實施，縣、鄉公路必將成為新一輪公路建設的重點。一些修建年代久遠的公路，由于設計標準較低，通行能力不能滿足日益增長的交通需求，從而影響了經濟的快速發展，需要改擴建才能達到相應的服務水平。在不具備新建公路的條件下對原有公路進行拓寬改造將不失為一種有效方式，因此對于公路既有隧道路段的改擴建將成為重點控制性內容。相比重建一條的新的隧道來說，隧道改擴建是在原有隧道的基礎上進行的，具有開挖量少，可參考初建時的工程地質、水質地質等資料，或者直接在隧道出現嚴重病害的位置進行補充調查，能節省大量的勘察工作。隧道不同于地面結構，因此對于已建隧道的改擴建方案應結合工程的具體條件綜合論證，尋求最合理的改擴建方式。

1 工程概況

黃茵嶺隧道是某縣縣道X858徐建線官元至小湖二級公路建設工程的主要控制點，隧道樁號K2+433～K2+658，全長225m，建于20世紀70年代，漿砌塊石端墻式洞口、洞身為漿砌塊石邊墻，滲水嚴重，洞頂部分襯砌出現剝落、掉塊，存在較大安全隱患，改造迫在眉睫。

黃茵嶺隧道最大埋深約86.16m，深部圍巖為中風化變粒巖，為較軟巖-較硬巖，巖體呈柱狀，圍巖級別主要為Ⅳ、Ⅴ級。據當地區域地質資料分析，本區為低地應力區。隧道區地下水主要為風化基巖中的裂隙-孔隙水，賦存于風化基巖裂隙中，受季節和氣候影響較大，水量較貧乏，隧道路段工程地質情況如圖1所示。

圖1 隧道路段工程地質縱斷面圖（單位：m）

2 隧道病害成因分析

隧道病害是指由于設計、施工、地質、自然災害等各方面因素導致隧道襯砌產生開裂、滲漏水、凍害、基底翻漿冒泥等病害。隧道改擴建設計前必須調查既有隧道病害，分析病害成因。

2.1 隧道病害調查

黃茵嶺隧道病害調查內容具體如圖2所示。

圖2 隧道病害調查內容

黃茵嶺隧道位于直線上，端墻式洞口，內為+0.32%單向坡，建設初期因資金原因，隧道狹小，且修建年代久遠，工藝簡單，運營過程中未進行相應的養護，主要的病害有：（1）隧道拱頂襯砌剝落、掉塊。（2）隧道無防排水系統，洞內滲水，兩側無順暢的排水溝將洞內水排至洞外，致使洞內積水。（3）隧道內無照明系統，存在行車安全隱患。

2.2 隧道病害成因分析

隧道病害的產生原因是多方面的，主要可分為外因和內因兩大方面，黃茵嶺隧道病害主要原因如圖3所示。

圖3 黃茵嶺隧道病害主要原因

3 隧道加固前穩定性判斷

準確掌握既有隧道的現狀是安全順利地實施隧道擴寬改造的前提條件。一般來說，既有隧道的設計文件和竣工文件可作為隧道擴寬改造設計和施工的基礎資料，但是，其內容往往不夠完整且與現實情況不盡相同。為此，必須采用現場踏勘和測量以及無損檢測技術等調查手段收集既有隧道的現場資料，判定現狀隧道的穩定性。

既有隧道已運營30年以上，隧道存在襯砌厚度不足、襯砌混凝土存在裂縫、背后存在空洞、斷面輪廓不滿足現行標準、隧道防、排水系統缺陷、無照明設備的問題。檢測結果表明，現狀隧道總體質量未達到公路工程質量評定標準要求。

隧址區及其附近未發現構造破碎帶，未發現新構造運動跡象，未見影響場地穩定的活動性斷裂；未見滑坡、泥石流和巖溶塌陷等不良地質作用；但隧道出口處附近地表為雜填土層，施工時注意采取相應措施；隧址區現狀整體較穩定，可建隧道。

4 隧道拓寬改造方案確定及施工要點

4.1 擴寬改造方案的主要影響因素

（1）隧道與洞外道路的路面寬度不匹配，應結合隧道及其洞外道路交通現狀進行隧道擴寬改造，形成隧道與洞外道路交通的暢通銜接。

（2）應減少占用周邊土地，減少征遷，盡量在現有道路紅線范圍內進行隧道的擴寬改造。

（3）在隧道擴寬改造施工過程中，需確保既有隧道結構及交通運營的安全。

4.2 拓寬改造形式分析

公路隧道改擴建可分為增建隧道、大開挖道路和原位擴寬。結合黃茵嶺隧道實際情況確定改擴建形式。

（1）增建隧道：在既有隧道兩側增建隧道，實現隧道的擴寬。該方案占地面積大，拆遷范圍廣，實施難度大。

（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。該方案對景觀環境破壞極大；征遷困難；需要對高邊坡進行專項設計。

（3）原位擴寬：對既有隧道進行原位擴寬改造。該方案對景觀影響小，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，開挖量少。

綜合以上三種改造形式分析，考慮征遷及實施難度，認為原位擴寬改造方案比較貼合工程實際，最終確定采用原位擴寬的形式對黃茵嶺隧道進行改造。

4.3 擴寬改造方案的設計思路

（1）在既有隧道已經擾動過的圍巖中施工，圍巖壓力會較原隧道施工時增大，因此對于在已建隧道內進行改建，首先應該對原隧道有一個詳細準確的評價。

（2）合理確定隧道圍巖壓力與支護參數，應體現“強支護”的理念。

（3）制定出完善的超前探測、預加固以及臨時安全防護措施。

4.4 隧道拓寬改造設計

（1）主要設計要求

隧道內凈空除滿足行車限界要求外，還考慮了通風、照明、監控、通訊、營運管理等附屬設施所需空間，并結合襯砌結構受力要求而擬定。因此黃茵嶺隧道采用曲墻三心圓拱的內輪廓凈空，如圖4所示。

黃茵嶺隧道為典型的越嶺隧道，洞內、洞口坡度坡長應滿足設計規范要求。既有隧道高、寬度與設計要求的凈空高度和限界相差較多，考慮降低路線縱坡，采用落底方案，使工程不會擾動襯砌頂部而比較安全、簡易。

圖4 黃茵嶺隧道拓寬內輪廓斷面方案（單位：cm）

（2）洞口設計

洞口位置的確定一般遵循早進洞晚出洞的原則，盡量減少洞口邊仰坡開挖高度，同時兼顧洞口地形、地質條件，以及洞口的協調美觀等綜合因素，選用經濟、美觀、和諧自然并有利于行車視線誘導的洞門型式。

成洞面位置的確定一般遵循洞頂覆蓋厚度1.5～3.0m的原則，同時兼顧洞口地形，盡量減少洞口仰坡開挖高度。本隧道進出口端均采用端墻式洞門結構。隧道進出口仰坡和邊坡均進行綠化防護，綠化防護的形式根據邊坡坡率和圬工防護形式確定。進出口仰坡外露部分采用鍍鋅網植草防護。成洞面及明洞臨時邊坡采用掛網錨噴的支護方式來保證明洞回填前的臨時穩定。

（3）洞身結構設計

隧道結構按新奧法原理進行設計，采用復合式襯砌，以錨桿、濕噴混凝土（鋼筋掛網）、鋼拱架等為初期支護，大管棚、超前注漿小導管、超前錨桿等為施工輔助措施，充分發揮圍巖的自承能力，在監控量測信息的指導下施作初期支護和二次模筑襯砌，如表1和表2所示。

表1 隧道復合支護參數表

表2 隧道復合支護適用條件表

4.5 拓寬改造施工要點

施工應根據隧道洞口、洞身不同的段落和不同的圍巖級別和圍巖狀況采用合理開挖方法。針對黃茵嶺隧道為對既有隧道進行原位拓寬的實際情況，V級洞口加強段采用上下臺階分布開挖，并架立臨時中隔壁法，V級石質圍巖深埋及IV級圍巖有仰拱段采用臺階法開挖，如圖5和圖6所示。

圖5 V級圍巖洞口段、淺埋段施工工序圖

圖6 Ⅳ級圍巖、V級石質深埋段施工工序圖

V級圍巖洞口段、淺埋段開挖順序：1.開挖既有隧道拱部及拱肩部分→Ⅱ.上臺階拱部初期支護（包括中隔壁臨時支護、拱墻初期支護及臨時仰拱）→3.開挖左側導坑上臺階→Ⅳ.左側導坑上臺階初期支護（包括側壁臨時支護、拱墻初期支護及臨時仰拱），施工鎖腳錨桿→5.開挖左側導坑下臺階（包括臨時仰拱）→Ⅵ.左側導坑下臺階初期支護（包括拱墻、仰拱初期支護）→7.開挖右側導坑上臺階→Ⅷ.右側導坑上臺階初期支護（包括側壁臨時支護、拱墻初期支護及臨時仰拱），施工鎖腳錨桿→9.開挖右側導坑下臺階（包括臨時仰拱）→Ⅹ.右側導坑下臺階初期支護（包括拱墻、仰拱初期支護）→11.拆除中隔壁臨時支護→Ⅻ.灌注二次襯砌仰拱混凝土→XIII.鋪設洞身環向盲溝及防水板，整體灌注二次模筑混凝土襯砌。

Ⅳ級圍巖、V級石質深埋段開挖順序：1.開挖既有隧道拱部及拱肩部分→Ⅱ.上臺階拱部初期支護→3.跳挖上臺階左右側部分→Ⅳ.施工上臺階剩余初期支護→5開挖下臺階→Ⅵ.下臺階初期支護（Ⅳ級圍巖無此步驟），必要時邊墻腳設置鎖腳錨桿→Ⅶ.灌注二次襯砌仰拱混凝土→Ⅷ.鋪設洞身環向盲溝及防水板，整體灌注二次模筑混凝土襯砌。

以上施工順序應在施工輔助措施完成并達到強度后方可進行。

5 隧道改建后穩定性計算

襯砌結構穩定性對隧道改建后穩定性情況至關重要。襯砌結構計算采用荷載—結構法，荷載結構法原理認為，隧道開挖后地層的主要作用是對襯砌結構產生荷載，襯砌應能安全可靠地承受地層壓力等荷載的作用。本次穩定性計算采用荷載—結構模型，計算程序采用MIDAS NX。在程序中，用二維梁單元模擬襯砌，用二維桿單元模擬圍巖對襯砌的約束效果。以下以V級圍巖及對應支護的計算結果為例，過程及結果如圖7～圖10所示。從圖中可以看出，V級圍巖段采用45cm厚襯砌，配置22mm@25cm鋼筋滿足規范要求。

圖7 計算簡圖

圖8 彎矩圖

圖9 剪力圖

圖10 變形圖

6 結語

隨著我國交通事業的快速發展，越來越多運營時間長、等級較低的道路隧道需要拓寬改造。本文針對某縣道X858徐建線官元至小湖二級公路建設工程黃茵嶺隧道拓寬改造工程，通過對既有隧道結構現狀、隧道進出口附近既有支擋結構等現場調查核對，結合拆遷等實際情況，制定了原位拓寬隧道改建方案，并詳細介紹了該方案的設計思路和施工要點，最后通過改造后的隧道穩定性計算，表明該改造方案可滿足隧道穩定性和安全運營要求，對類似隧道工程的改擴建提供參考依據。