杭金衢高速公路新嶺隧道段拓寬工程總體方案研究

陳 暉,汪質華,陳 魁,李 萬

(杭金衢高速公路拓寬工程建設指揮部，浙江 杭州 310000)

杭州—金華—衢州高速公路(杭金衢高速公路)全長近300 km，自2003年貫通以來一直承擔著內陸省市和上海之間繁重的交通運輸任務，為推動沿線地區的發展做出了重要貢獻。據統計，該公路的交通量增長迅速，年均增長率達10%，特別是局部路段，在2008年就已超過50 000 pcu/d，接近設計飽和交通量。鑒于此，為與經濟、社會的快速發展相匹配，擬定于2017年年底前將杭金衢高速公路由4車道擴建為8車道。

新嶺隧道段作為杭金衢高速公路上擁堵情況最為嚴重的一段，是全省最為著名的堵點之一，社會關注度極高，管理方將該路段的保暢通工作作為“保民生、維穩定”的政治任務來抓。為此，浙江省委省政府特事特辦，果斷決定將該段作為先行段提前實施改擴建，當時計劃于2015年底建成[1]。

1 項目概況及難點

1.1 項目概況

新嶺隧道段先行拓寬段起于諸暨與蕭山交界處，止于直埠樞紐杭州方向的出入口預留位置，路線全長13.646 km，包括主線上跨分離式立交208.02 m/3座，隧道1 408.5 m/1座，互通式立交1處。該路段設計速度為時速120 km，以公路-I級作為設計荷載[2]。整體式路基及對應的行車道寬度分別為42.0 m、2×15 m，分離式路基及對應的行車道寬度分別為20.75 m、2×7.5 m。

1.2 項目難點

受國情與地域特點、建設水平等因素的影響，改擴建工程中，從改擴建的規模與方式，到路線、互通、橋梁、路基路面等相關的專業技術，都有許多不同于新建工程的具體問題，需要認真地研究和分析[3-7]。

項目所在地屬于平原、低山、丘陵相結合的區域，公路里程雖短，但涉及隧道、高邊坡、大橋、互通等各專業分項工程的改擴建。無論總體還是分項工程，該項目方案的確定均有較大難度，并且還要同步考慮與全線改擴建的協調。除一般改擴建工程存在的共性難點外，該項目還面臨一些特有的制約因素，具體而言：① 道路沿線分布有大量村鎮，且土地資源緊張，項目的開展涉及到繁重的征地、拆遷工作；② 作為浙江省最繁忙的黃金通道之一，施工與運營保障的難度大，交通組織復雜；③ 隧道改擴建需考慮對既有隧道的影響，擇優選擇加寬方式并合理確定與既有隧道的間距。仔細論證新建隧道的襯砌支護方案與開挖工法，并做好對現狀隧道的監測等。以上均是較新且難的問題；④ 高邊坡路段爆破施工對運營的影響大，需研究合理的技術方案；⑤ 隧道距離直埠樞紐近，改擴建車道數的確定及對交通流的引導設計十分重要。

2 改擴建時機、加寬方式與規模

2.1 改擴建時機

建設時機的確定是改擴建工程中至關重要的一環。改擴建進行得太早不利于資源的最大化利用；過晚則不利于改擴建方案的制定，并會給施工組織、協調以及交通組織和人民生活等各個方面帶來諸多不便。此外，投資、道路狀況、項目周邊路網等也是決定改擴建時機的重要因素。總之，影響因素多，決策難度大，需要在充分考慮擬改擴建項目特點的基礎上，宏觀把控，統籌兼顧，綜合權衡利弊。若單純從某一角度(如投資效益)決策，有可能會失去較好的時機[8]。

國內已有改擴建工程實踐表明，在擬定改擴建時機時應充分考慮擬改擴建項目的現有交通量和運輸質量，盡量使擬改擴建項目的服務水平保持在3級及以上。對于四車道高速公路而言，應使日均交通量保持在45 000～50 000 pcu/d以下，v/c保持在0.65～0.7以下，此時車輛的運行速度自由度雖已受限，車輛之間易相互干擾，且經常出現車隊，但平均行駛速度仍能維持在尚好的水平上。

該項目的紅墾至金華段改擴建工程已于2005年開始前期研究，但受制于各方面制約因素，最終立項于2014年，并要求于2017年年底前竣工。由前述分析可知，新嶺隧道段改擴建工程已錯過最佳改擴建時機。此外，新嶺隧道段交通運營狀況還有兩個特點：一是大型車比例約20%，受隧道進口前長上坡影響，通行能力不足；二是周末與節假日流量特別大(大于8萬輛)，且有一定的潮汐現象。因此，實際運營中擁堵頻繁發生。

進一步分析發現，新嶺隧道段既有隧道還需維修加固，隧道加固施工需待新建隧道貫通后進行，與路面施工在同一階段交織，交通轉換復雜。若與全線同步，流量進一步增長后，實施難度大大增加。但若能先行實施改擴建，在2015年建成，則可避開路面施工時間段，進而減小全線改擴建施工對交通的影響。

綜合以上因素，經論證并報請上級批準，決定對新嶺隧道段提前實施改擴建，以搶占相對有利的建設時機。

圖1 新嶺隧道洞前長山坡

2.2 改擴建加寬方式

改擴建實施過程中，道路加寬方式的選擇應在道路沿線地形、地質等調查的基礎上，綜合考慮構造物形式與規模、施工條件，并確定好施工期間的交通組織，因地制宜地選擇加寬方式。此外，不應片面地追求整條道路加寬方式的一致性，具體路段應當具體分析，應在充分研究各個路段具體情況的基礎上，合理選用最為恰當的加寬方式[9]。

在改擴建工程中，相比單側拼寬和分離增建，兩側拼寬具有獨特的優勢，該種加寬方式運營集中高效，可以使既有資源的利用最大化，并可節約土地，已成為改擴建工程中加寬方式的首要選擇。對于本項目而言，現狀道路交通流量大，沿線分布有大量高填深挖路基，且包含隧道等構造物，這給雙側拼寬的實施帶來了一定的挑戰，但綜合道路沿線的規劃、分流條件、結構物以及互通特點等方面來看，雙側加寬仍不失為首選的加寬方案[10]。

初擬了單側增建四車道隧道、一側增建隧道另一側擴挖隧道以及兩側增建等加寬方案。考慮到隧道特點，為與道路全線加寬方式相匹配，且便于與樞紐銜接，決定采用兩側分離增建的加寬方案，相較其他方案，該方案具有明顯的優勢。

圖2 新嶺隧道加寬效果圖

2.3 項目規模

2.3.1車道數

杭金衢高速公路改擴建項目中，擬將全線擴建為八車道，但考慮到新嶺隧道距離直埠樞紐僅有約1.2 km，為便于項目竣工后對大小型車輛進行分道管理，特基于實際的交通模式，針對新嶺隧道與直埠樞紐互通間的交通負荷能力展開專題研究，并基于分析結果擬定分離增建隧道的車道數。分析計算模型采用FHWA的HCM2000模型中的交織構型A型，構型簡化圖如圖3所示。

圖3 構型簡化示意圖

分析結果表明：無論是杭州至金華方向還是金華至杭州方向，若采用原隧道保留，增建1個2車道隧道(2+2)的模式，至2030年，對幾種可能的交通組織方式，都難以實現設計期望的服務水平。如金華方向，直埠出口車輛全走外洞，外洞疊加車輛占比為40%時，速度59.07 km/h，密度18.58，服務水平D級；杭州方向，貨車及諸永往杭州方向均走外洞時，增建的外洞在2020年即達到D級服務水平。總之，考慮可能的實際交通模式，若僅增建2車道隧道，道路通行能力將無法滿足遠景年的交通需求。但增建隧道若采用3車道，通行能力則能夠滿足相應要求。因此，綜合改擴建工程適當超前的原則，最終擬定的加寬方式為兩側分離增建隧道，且均采用3車道隧道。

2.3.2起終點

由于為先行段，納入全線改擴建項目中，先行段項目的起終點需要在考慮土石方調配、施工及運營、政策處理、與全線施工進度配合的基礎上分析確定。最終選擇對以上方面均相對有利的方案，起點定于蕭山與諸暨縣界，終點定于直埠樞紐，全長13.6 km。

3 交通組織方案

為保證施工期間的道路服務水平，無論是全線還是新嶺隧道段，其改擴建總體方案中均將“保四”通行作為前提和基礎。鑒于此，特擬定了多種技術方案和交通組織方案，并進行了研究和比選，以尋求二者相對協調的最優解。

利用先行的有利時機，對新嶺隧道段及全線改擴建各階段中的交通需求與狀況進行了預判。分析可知新嶺隧道段交通壓力最大的時段與全線最困難時段是可以錯開的。由于新嶺隧道段里程較短，可通過合理的施工組織、交通轉換使其在最困難時段不致影響全線對應時段的服務水平，盡量不因新嶺隧道段的施工而使分流的區域規模、路段的交通組織難度明顯增加，服務水平明顯下降。

為達到上述目的，在工程技術方案與交通組織方案的協調方面做了大量工作：

a.精心分析各分項工程的施工對運營的影響，從工程角度尋求利于運營的技術方案。如在確定爆破方案時，應尋求合理的隧道間距以減少對現狀構造物的影響；深入分析邊坡的開挖與運輸方式，在有條件的路段選擇上部錨固下部陡直開挖的施工方案以減少爆破；對拆建的主線橋采用超拼等。

b.精心編排施工組織計劃。將施工階段細分為9個時間段，對施工內容及范圍、通行方式、分流需求、管制速度、作業區保障等進行綜合的協調設計。

c.設置必要的輔助設施。如考慮到隧道施工進程相對滯后，特設置洞前運營聯絡道以滿足路面上面層施工的交通轉換需求等。

d.細化各階段、各作業區段的交通工程臨時標志、標線及安全設施設計。

至2015年底，新嶺隧道段改擴建完工，整個施工過程總體控制在預先規劃的范圍內，施工及運營的協調十分成功，甚至在2015年春節還利用先行貫通的左洞和春節前后的車流潮汐現象，成功避免了往年的擁堵現象。實踐證明在設計階段所作的細化努力是十分有效的。

4 關鍵技術及對策

公路改建、擴建在我國已有十多年歷史，一些常規的、不同于新建工程的技術亦逐漸成熟[11]，《高速公路改擴建設計細則》(JTG/T L11-2014)對舊路數據采集與評價、線形擬合、路基路面及構造物拼接、新舊設計荷載標準的銜接、拼寬地基處理等相關技術進行了總結和規定[12]，此處不再贅述，重點介紹新嶺隧道段幾個特殊問題的研究與對策。

4.1 既有隧道檢測評估與加固整治

4.1.1檢測評估

新嶺隧道存在襯砌開裂、漏水等病害，特別是靠近杭州一側，由于地表地形于排水不利，在多雨季節時有地表水滲入隧道周圍的情況發生，地表水滲入隧道周圍后進一步沿隧道結構的縫隙滲漏，形成隧道滲水現象，并最終對隧道圍巖的穩定產生不利影響。新建隧道采用鉆爆法施工，新舊隧道間距為30 m，若既有隧道結構安全儲備高，在新隧道施工期間老隧道的安全性則有一定的保證；相反，如果老隧道病害比較嚴重，整治效果不理想，則新建隧道施工期間的爆破振動可能加劇老隧道病害的發展，導致嚴重的工程事故。鑒于此，開展全面、系統的隧道襯砌病害調查與檢測工作顯得尤為重要，可較為準確地判斷隧道結構的安全和服役狀況提供依據，并可為病害產生原因的分析提供依據。

檢測評估的主要結論如下：

a.開裂是既有隧道的主要病害。其中，環向開裂和縱向開裂是左線隧道的主要開裂類型，且開裂部位多發生于邊墻，拱腰次之，拱頂的裂縫最少。右線隧道則以縱向開裂最為多發，環向和斜向裂縫相對少見(比例大致相當)，且拱頂、邊墻和拱腰處的開裂最為嚴重。裂縫的寬度、深度分別為0.2～3 mm、20 cm，屬于微張開型裂縫。

b.經處置的既有裂縫尚未出現二次開裂現象。據舊裂縫寬度判斷其屬微張開型裂縫，深度相對較深。現場局部區段鉆孔取芯分析結果也表明其確屬舊裂縫，暫無擴展趨勢。據此判斷二襯結構破損等級為B級。

c.在隧道洞身段的局部區間，存在二襯背后脫空或不密實等病害，主要發生于拱頂、拱腰等部位。

d.沿隧道行車方向的非均布荷載、圍巖地質的改變以及沉降縫的處置不合理等因素是環向開裂的主要因素。由于其寬度較小(主要在0.2～3 mm范圍)，不會對二襯結構的穩定性產生很大影響。

e.不規則開裂主要表現為干縮裂縫和溫度裂縫，對二襯各方面的影響較小。

f.局部斜裂縫源于環向和縱向應力的合力超過混凝土抗剪強度而發生剪切破壞(拱頂延伸至拱腰位置)或地基發生了一定程度的不均勻沉降(邊墻位置)所致，對二襯穩定性有一定影響。

g.針對III、IV類圍巖中縱向開裂的斷面，分別計算了襯砌開裂位置在開裂前和開裂后的內力。結果表明，襯砌開裂后，剛度減小，彎矩值降低，軸力值升高，開裂處的安全系數大幅減小。

4.1.2加固整治設計主要措施

工程類比法是加固整治設計中應用最為廣泛的方法，加固整治包括襯砌背后空洞注漿回填、裂縫修補與加固、滲漏水整治及新建隧道施工期間對既有隧道的應急加固等方面。整治加固完成后，要求在按養護規范進行正常養護的同時，還應建立長期的觀察、觀測機制。

a.裂縫。根據檢測結果、設計資料和施工資料，在考慮病害對隧道影響程度的基礎上，基于不同區段的實際情況擬定了以下5種處置措施：

①適用于裂縫較寬、張開，且分布密集、縱環交錯成環，或襯砌產生錯臺的情況。處置措施：首先使用低壓注射灌漿法進行修補，再用Φ25中空預應力漲殼式錨桿+拱部連續貼單層或雙層碳纖維的方法加固襯砌結構。

②當裂縫密集，且寬度較寬時，首先使用低壓注射灌漿法修補，再在拱部連續貼碳纖維布。

③當裂縫分布較密集、組合較不利，但裂縫普遍不寬時，首先使用低壓注射灌漿法修補，再在拱部間斷粘貼碳纖維布。

④一般區段中補強局部較寬裂縫時(寬度多大于0.3 mm)，可先使用低壓注射灌漿法修補，再沿較寬的裂縫貼碳纖維布。

⑤采用低壓注射灌漿法修補大于0.3 mm的既有裂縫。

b.襯砌背后空洞。采用注漿處理，需要回填時，采用φ100鋼管和純水泥漿。水泥漿水灰比采用0.5∶1～0.6∶1，注漿壓力采用0.1～0.2 MPa，要求回填密實，空洞較大處分次進行。

c.錨桿加固圍巖。對于裂縫較寬且分布密集、成環向封閉狀，或局部襯砌厚度不足的個別區段，為改善襯砌的受力并增強圍巖的穩定，采用Φ25漲殼式中空預應力錨桿加固圍巖，并在拱部粘貼碳纖維布。

d.滲漏水處理。根據不同滲漏水特點，對較嚴重的集中滲水部位采用打孔引排，對孤立滲水點或小面積濕漬部位采用注漿封堵的方法進行處理。

4.2 新隧道爆破振動控制

爆破施工法在山嶺隧道施工中廣泛應用，但施工時伴有振動，于鄰近既有隧道不利。若爆破設計不合理，施工將影響現狀隧道的后期正常運營，甚至會導致其破壞。因此特研究了近距離新建隧道的爆破振動對現狀隧道安全的影響，并研究了爆破施工的控制技術，在此基礎上提出了設計、施工及控制方法。

4.2.1襯砌設計

以鋼筋混凝土作為明洞的襯砌結構，對于暗洞，則使用復合式襯砌，如表1所示。另對洞內車行橫通道區域和緊急停車帶斷面的襯砌支護作進一步加強。

4.2.2施工方案

a.V級圍巖。施工時，右洞進口采空區采用“φ108管棚+注漿”，單側壁導坑法，并增設臨時橫撐，開挖時每循環進尺不大于0.6 m。其它V級圍巖以“大管棚或小導管+注漿”預支護，采用環形開挖預留核心法，每循環進尺不大于0.8 m。

b.IV級圍巖。采用“小導管+注漿”預支護，上下臺階分部開挖法施工，每循環進尺不大于1.2 m。

c.III級圍巖。采用全斷面開挖法施工，為防止坍塌，在必要時輔以超前錨桿等措施，每循環進尺不大于1.5 m。

4.2.3爆破設計

V級圍巖較為薄弱，施工難度較大，以其為例介紹爆破方案：施工鉆爆時每個循環0.6～0.8 m，以平行空眼直線掏槽、光面爆破技術作為爆破方案，施工工序共分為4個部分，按圖4和圖5布置炮眼。

4.2.4振動速度控制

合理選用爆破安全標準是正確評價結構物安全性的前提，但目前國內外的研究者們對有關安全標準的選用尚未達成共識。峰值質點速度可以較好地評估巖石、混凝土結構容許的震動破壞等級，現有的關于爆破振動的多數成果也是通過測量、分析振動速度得出的。具體而言：爆破地點離現狀構筑物較近時，應控制爆破以盡量減小開挖范圍外的巖石振動速度，保證其不影響現狀構筑物的安全及使用。

為確保新嶺隧道的結構安全，爆破施工時應制定完整的監測方案。鑒于新嶺隧道不同路段的病害狀況不同，對不同地段因地制宜地制定了不同的振動速度控制標準，見表2。

表1 新建隧道襯砌支護參數Table 1 Parameters of lining support of newly built tunnel圍巖級別超前支護初期支護二次襯砌錨桿E6鋼筋焊接網噴砼鋼拱架拱圈仰拱S5JQA大管棚注漿?25先錨后灌式注漿錨桿-0.5 m×1.0 m,長4.5 m雙層28 cm22 a號工字鋼間距0.5 m60 cmC30鋼筋砼60 cmC30鋼筋砼S5JQB大管棚注漿?25先錨后灌式注漿錨桿-0.5 m×1.0 m,長4.5 m雙層26 cm20 a號工字鋼間距0.5 m60 cmC30鋼筋砼60 cmC30鋼筋砼S5A大管棚(小導管)注漿?25先錨后灌式注漿錨桿-0.5 m×1.0 m,長4.5 m雙層26 cm18號工字鋼間距0.5 m60 cmC30鋼筋砼60 cmC30鋼筋砼S5B小導管注漿?25先錨后灌式注漿錨桿-0.75 m×1.0 m,長4.0 m雙層26 cm18號工字鋼間距0.75 m60 cmC30鋼筋砼60 cmC30鋼筋砼S4小導管注漿?25先錨后灌式注漿錨桿-1.0 m×1.0 m,長3.5 m單層20 cm格柵拱架間距1.0 m45 cmC30鋼筋砼45 cmC30鋼筋砼S3超前錨桿(必要時)?25先錨后灌式注漿錨桿-1.2 m×1.2 m,長3.0 m單層15 cm—45 cmC30砼—

圖4 炮眼布置示意圖(單位：m)

表2 既有隧道振動速度控制標準(設計建議)Table 2 Vibration speed control standard of existing tun-nel(design suggestion)段落長度振動速度AZK46+580～AZK46+69011010AZK46+690～AZK46+8301405AZK46+830～AZK46+98015015左洞AZK46+980～AZK47+18020010AZK47+180～AZK47+220405AZK47+220～AZK47+42020010AZK47+420～AZK47+480605AZK47+480～AZK47+95047010AYK46+606～AYK46+72011410AYK46+720～AYK46+8301105右洞AYK46+830～AYK46+98015010AYK46+980～AYK47+050705AYK47+050～AYK47+60055010AYK47+600～AYK48+46546510

圖5 掏槽孔布置示意圖(單位：cm)

4.3 洞口段采空區處理

圖6 洞口采空區范圍地面塌陷

新建右洞進口段存在廢棄小煤窯采空區，局部地面已塌陷，見圖6。受總體方案限制，路線難以繞避，處治不當則難以保證洞口邊仰坡的施工安全。4.3.1明挖段處理方案

a.支護樁采用φ1.5 m的鉆孔灌注樁，支護樁方案見圖7。

b.明挖后采用C15片石砼回填隧道底板下的采空區。

c.設φ75 cm鋼筋混凝土圓管進行排水，并做好明洞防滲處理。

4.3.2暗挖段處理方案

a.采用超前大管棚注漿預支護。

b.將系統錨桿調整為徑向小導管。

c.利用明洞明挖后空間，φ76×5 mm鋼花管注漿處理，鋼花管豎向間距2 m，縱向間距3 m；注漿材料采用1∶1水泥砂漿，注漿壓力0.5～1.0 MPa。

d.采用單側壁導坑法施工。

e.對采空區地表塌穴回填土石，頂部設置50 cm厚粘土層，并做好截排水措施。

4.4 高邊坡技術方案

對于運營狀態下的高速公路而言，改擴建工程中路塹段的拓寬比路堤段和新建工程的施工難度大，主要體現在山體的薄層開挖工效低、運輸困難，對營運影響大等方面。現有的研究中有關高邊坡路段擴挖方法的分析和施工控制方法的討論尚不多見，因此，針對新嶺隧道段的高邊坡路段，決定根據穩定系數補償原理采用先錨固后開挖的施工方案，具體方案如圖8所示。實踐結果表明該方案是可行的，既減少了對山體的破壞，節省了用地，又大大加快了施工進度。

基于有限元強度折減法分析典型邊坡的穩定性，分析結果列于表3中。采用預應力錨固技術增強邊坡穩定性，以開挖后邊坡穩定性系數不小于開挖前穩定性系數的原則來確定所需的錨固力。

圖7 洞口采空區明挖段支護樁方案(單位： cm)

圖8 路塹拓寬技術方案

表3 典型邊坡穩定性系數Table 3 Stability coefficient of typical slope計算方法采用表2參數在不同工況下邊坡穩定性系數采用反分析不確定參數+在不同工況下邊坡穩定系數現狀邊坡開挖后加固后現狀邊坡開挖后加固后Spencer1.7021.6801.7061.2001.1691.200強度折減法1.691.671.721.201.171.22注: +:Fs=1.2,即:C=100 kPa;?=23.74°。

4.5 互通跨線橋

原設計中次塢互通A匝道跨線橋橋下凈空按四車道標準設計，現按八車道拓寬，橋下凈空不能滿足拓寬后整體式標準路基的寬度要求，橋臺會侵占拓寬后的硬路肩。按工可要求匝道橋梁主跨需拆除以加大跨徑，但考慮到只侵占拓寬后硬路肩一部分寬度，如能保留該跨線橋，不僅能節省大量投資并減少對環境的破壞，而且可減小施工期的交通組織難度和對地方交通的干擾。鑒于此，從硬路肩功能出發，對路面的支撐、主線通行能力與安全、臨時停車、救援等幾方面進行了需求分析。認為在完善交安設施的基礎上，不拆建能保留的剩余路肩寬度對通行能力和行車安全沒有影響，救援則可通過從邊跨設置便道解決。故最終保留了該匝道橋，該匝道橋在營運使用中效果良好。圖9為該點斷面示意。

圖9 次塢互通A匝道橋下主線斷面布置示意(單位： cm)

5 結語

杭金衢高速公路新嶺隧道段拓寬工程總體方案的擬定經歷了艱巨而復雜的過程。

a.在深入研究新建隧道施工對既有隧道的影響及采空區進洞方案后，成功實現了兩側加寬，并與全線加寬方式協調良好。

b.通過對施工方案、施工計劃及交通組織方案的研究，在科學決策建設時機的基礎上，實現了大交通量條件下的“保四”通行，并與全線改擴建交通組織配合默契。

c.對于隧道與互通樞紐相距較近的情況，根據實際運營管理模式，對路段交通負荷進行了分析論證，科學合理地確定了隧道規模。

d.通過高邊坡擴挖技術研究，確定了先進可靠的技術措施。通過工點硬路肩功能保障分析，采取技術手段保留了互通跨線橋，大大減少了施工對運營的干擾，節約了資源和造價。