土質淺埋隧道擴建技術研究

梁文輝

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

1 工程背景

1.1 工程簡介

我國早期修建的公路隧道由于受到當時經濟和技術水平的制約以及施工材料、施工質量的影響，隧道技術指標低、通行能力小、隧道病害多、運行安全缺乏保障，極大地制約了經濟的發展[1]。在這種條件下，當受到路網及走廊帶限制時，對原有隧道擴建就成為改善路網條件、提高通行能力的有利選擇。

S218是興縣南北方向一條重要的運輸動脈，是神木縣和嵐縣的主要通道，本路段的大貨車多、比例大。S218利民隧道建成于1999年10月，隨著交通量的增大，S218已無法滿足通行能力要求，2009年隧道兩端接線進行了升級改造。目前隧道兩端接線設計標準為60 km/h，路基寬度10.0 m。利民隧道設計標準為30 km/h，建筑限界凈寬8.5 m，已成為該路段的交通瓶頸，無法滿足通行能力要求。

因此，為了進一步改善區域交通，服務地方經濟，對利民隧道的改擴建已成當務之急。利民隧道擴建后設計標準將達到60 km/h，與接線段一致，隧道凈寬12.0 m，前后接線段經截彎取直，滿足隧道3 s要求，保障區域交通順暢安全。

1.2 利民隧道現狀

利民隧道采用標準低，隧道長260 m，平縱指標較差，隧道洞口兩邊舊路半徑小、縱坡大。通過對利民隧道進行病害調查，依據《公路隧道養護技術規范》[2]以及《公路隧道提質升級行動技術指南》[3]隧道技術狀況評定等級要求，隧道評定等級為5類。利民隧道“處于危險狀態，應及時關閉隧道，實施病害處治，特殊情況需進行局部重建或改建”。隧道主要病害：

1.2.1 洞口、洞門

隧道進口端洞口擋墻破損，邊坡土體坍塌，植物侵入。出口端洞口擋墻勾縫砂漿脫落，邊坡植物侵入。進出口排水溝破損堵塞。

隧道兩端洞門均為端墻式洞門，進口端洞門墻滲水泛白，豎向開裂明顯。出口端洞門墻勾縫脫落破損，主拱圈混凝土剝落，斜向開裂。

1.2.2 襯砌

隧道襯砌整體滲水嚴重，沿隧道整體分布，尤其是兩側邊墻濕滲嚴重。

1.2.3 路面

隧道路面坑槽明顯，橫縱向開裂嚴重，多處網狀裂縫。

通過上述隧道定期檢查病害統計主要結果，結合檢修道、排水設施、吊頂、預埋件及內裝飾等分項結果，依據隧道土建結構技術狀況評分公式：

式中：wi為分項權重；JGCIi為分項狀況值，值域0～4，分項狀況值取各分項檢查段落狀況值的最大值。

經計算，隧道土建結構技術狀況評分值為38.95，土建結構評定等級為5類。

2 利民隧道工程地質條件

2.1 地形地貌

隧址區地貌單元為黃土剝蝕丘陵區，表現為黃土塬峁狀，小沖溝發育，海拔高程1 004.5～1 080.0 m，相對高差75.5 m，隧道洞頂上覆土層最大厚度45 m。

2.2 工程地質

隧址區為第四紀黏土巨厚層，屬非均質土層組成的粉土、粉質黏土，垂直節理裂隙發育，進出口為第四系全新統早期沖洪積層（Q41al+pl），粉土、粉質黏土，結構較松散，孔隙發育，土質較均勻，地表植被一般，有明顯落水洞；隧道中部為第四系上更新統沖洪積物（Q3al+pl）或第四系中更新統洪積物（Q2pl），粉質黏土，黃灰色或褐紅色，垂直節理發育，土質較均勻，物理力學性能較好。全隧圍巖級別為Ⅴ級，屬Ⅴ級淺埋隧道。

3 隧道設計

3.1 隧道建筑限界設計

S218利民隧道原設計速度為30 km/h，隧道建筑限界為：

凈寬：3.25×2+0.25+0.25+0.75+0.75=8.5 m；凈高：4.5 m。

擴建后設計速度采用60 km/h，考慮后期路網進一步升級改造，同時參照《公路隧道設計細則》5.1.7條“長度小于500 m的獨立短隧道，橫斷面宜設計與路基同寬”，隧道建筑限界采用：

凈寬：3.75×2+1.25+1.25+1.0+1.0=12 m；凈高：5.0 m。

圖1 利民隧道建筑界限（單位：cm）

3.2 襯砌設計

參考國內外成功案例，依據利民隧道地質狀況、施工安全等因素，綜合考慮采用單側擴挖方案。單側擴挖方案相較于兩側擴挖和周邊擴挖具有圍巖位移量小、受力更合理的特點。

既有隧道為淺埋土質隧道，洞內滲漏水嚴重，隧道地表面有3處落水洞，形成貫通坑洞。為防止施工期間洞內滲漏水，對隧道穩定造成極大隱患，首先對隧道地表進行封水處理，對既有落水洞進行回填，采用30 cm厚的3∶7灰土進行封水壓實，防止施工及以后運營過程中地表水下滲?？紤]到隧道頂與周邊山體環境協調統一，在隧道頂覆50 cm厚的種植土，完善邊仰坡刷坡排水綠化措施。

隧道洞身長期受滲漏水影響，土體結構極不穩定，采取擴挖，巖土體受到二次擾動，應力重分布，在施工過程中形成塌方的風險極大，為保證施工期間的安全性，開挖初期，選用袋裝土將隧道全部回填，極大降低施工期間塌方風險。

綜合比選其他擴挖施工方案，參考成功案例，保證新洞支護的安全性，支護設計參數如下：

明洞采用60 cm厚C30鋼筋混凝土結構，整環閉合，仰拱回填采用C15混凝土。

暗洞初期采用2.5 mφ25全螺紋早強水泥砂漿錨桿，水灰比為0.8∶1，縱橫向間距為0.5×1.5 m；采用φ8鋼筋網片，間距為20×20 cm（雙層）布設；采用Ⅰ22b型鋼拱架，間距50 cm；噴射混凝土采用C25早強混凝土，厚度29 cm。在型鋼安裝過程中，在拱腰及拱腳處分別設置2根φ42鎖腳錨桿，對型鋼進行固定。同時隧道進出口暗洞段采用超前大管棚和雙層超前小導管相結合支護形式。二次襯砌采用60 cm厚C30鋼筋混凝土結構形式。

圖2 隧道襯砌設計圖

3.3 施工方案

本項目為淺埋土質隧道擴挖工程，既有隧道已完工20余年，隧道圍巖體早已完成應力重分布，目前處于穩定狀態。隨著隧道擴建工程的實施，隧道圍巖體受力將受到極大影響，為保證在開挖過程中隧道圍巖體的穩定性，本項目隧道采用單側壁開挖法施工。

本項目隧道以礦井法原理為指導，隧道施工工序為：

圖3 隧道施工工序圖

a）將既有隧道用袋裝砂土回填，施作超前支護，拆除左側即有隧道。

b）開挖左側拱頂部分圍巖，施作左側邊墻、拱頂局部初期支護，施作單側壁上部臨時支撐。

c）開挖左側仰拱部分圍巖，施作左側仰拱局部初期支護，施作單側壁下部臨時支撐。

d）采用上下臺階法，開挖右側拱頂、邊墻部分圍巖，施作右側邊墻，施作單側壁上部臨時支撐。

e）開挖右側邊墻、仰拱剩余部分圍巖，施作右側邊墻、仰拱，隧道初期支護閉合成環。

f）拆除臨時支撐，施作防排水設施，澆筑仰拱及矮邊墻。

4 結語

a）既有隧道擴挖優先采用單側擴挖方案，單側擴挖的圍巖位移分布及圍巖屈服范圍均優于兩側擴挖和周圍擴挖[4]。

b）針對淺埋土質圍巖隧道進行擴挖改建，由于其受力情況的復雜性，應采用礦山法進行設計施工，初期支護及二襯需及早閉合成環。

c）大管棚與小導管相結合，能有效地防止隧道巖土體的塌落，保證施工和支護的安全。

d）本項目在開挖之前，采用袋裝砂土回填，有效降低了施工的風險。施工組織過程中，應采用靈活多樣的支護加固措施，減小施工風險，保障施工安全。