杭金衢高速公路新嶺隧道改擴建設(shè)計

鄭軍華 丁海洋

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院)，浙江 杭州 310031)

隨著我國公路交通量快速增長，許多運營時間較長的高速公路已不能滿足現(xiàn)有交通量需求，急需修建復(fù)線或改擴建既有道路以提升道路通行能力及服務(wù)水平。改擴建過程中不可避免地會遇到既有隧道工程。隧道往往決定著整條線路的工期，因此，隧道的改擴建是整個工程的核心工程。本文以浙江杭金衢高速新嶺隧道改擴建工程為依托，詳細(xì)介紹隧道車道數(shù)的確定、改擴建方式及與既有隧道合理凈距確定、新建隧道與開挖工法設(shè)計，以及控制爆破措施與既有隧道監(jiān)控等較新且難的問題。

隧道改擴建主要分為原址擴建方案以及新建隧道方案。其中，原位擴挖方案對既有交通影響較大、施工工序復(fù)雜、施工風(fēng)險大、對隧道結(jié)構(gòu)需進(jìn)行具體分析[1,2]，一般隧道擴建在可行的情況下宜采用分離增建的形式加寬，具體工程中均需根據(jù)實際情況具體比選分析[3-5]。且隧道原位改擴建過程中易發(fā)生滲漏水現(xiàn)象，近年來，對該類方案的研究較多[6-9]。改擴建技術(shù)、擴挖工法對隧道改擴建也有較大的影響[10-13]。對于隧道改擴建過程中的詳細(xì)設(shè)計，如加寬方式、合理凈距的確定等的研究并不多見。

1 工程概況

杭金衢高速公路位于浙江，是滬昆高速的重要組成部分。新嶺隧道位于杭金衢高速公路浙江諸暨直埠鎮(zhèn)，在次塢出口以南3.6 km處，是杭金衢高速杭州至金華段的重點工程。改擴建前屬于交通擁堵最嚴(yán)重的路段，逢年過節(jié)堵車屢見不鮮，曾號稱浙江高速的“堵王”，且交通事故頻發(fā)。因此，新嶺隧道的改擴建方案是該項目成功與否的關(guān)鍵。

既有新嶺隧道為分離式雙向四車道隧道，隧道長度為1 423 m，屬于長隧道。設(shè)計行車時速120 km/h，隧道限界凈寬10.75 m、凈高5.0 m；隧道左、右軸線間距為41.3 m，隧道平面處于直線段上，縱坡采用人字坡；內(nèi)輪廓采用單心圓斷面，采用錨噴支護復(fù)合模注混凝土襯砌；隧道共2處人通和1處車通，于2003年建成通車。

隧道進(jìn)出洞口段位于丘陵地形，為含黏性土碎石、強～中風(fēng)化巖體、節(jié)理裂隙發(fā)育，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差，圍巖等級評定為Ⅴ級。進(jìn)洞口處于沖溝下部緩坡，地表水易匯集；右洞分布采空區(qū)，為當(dāng)?shù)卮迕褡园l(fā)采煤所致，逐煤開采，有露天方式和巷道方式，無規(guī)劃、無支護措施和管理措施，對隧道圍巖有較大的影響，弱化了隧道地基的承載力，極易產(chǎn)生較大的圍巖位移。

2 既有隧道病害概況

隧道施工過程中曾發(fā)生多次小塌方和圍巖變更，塌方范圍、方量較小，塌方區(qū)采用漿砌片石或混凝土回填。新嶺隧道建成通車至今，發(fā)生了襯砌開裂、洞內(nèi)滲水等不同程度的病害。

2011年9月，對新嶺隧道進(jìn)行了病害調(diào)查、襯砌質(zhì)量檢測，主要檢測結(jié)果如下：1)隧道主要的病害為襯砌裂縫，裂縫的分布范圍廣、較密集。隧道左線裂縫以環(huán)向和縱向裂縫為主，隧道右線裂縫以縱向為主，環(huán)向和斜向裂縫次之。裂縫寬度普遍為0.2 mm～3 mm，裂縫深度一般在20 cm以上。2)現(xiàn)場調(diào)查已處理過的舊裂縫未出現(xiàn)二次開裂現(xiàn)象。按裂縫寬度分類，裂縫屬于微張開裂縫。深度相對較深，判斷隧道二襯結(jié)構(gòu)破損等級為B級。3)部分隧道段二襯存在不密實的現(xiàn)象；斷面輪廓無侵限現(xiàn)象；混凝土強度滿足要求。4)部分隧道段二襯實際厚度小于設(shè)計厚度。

3 隧道改擴建設(shè)計

3.1 隧道車道數(shù)確定

杭金衢高速公路全線改擴建采用雙向八車道標(biāo)準(zhǔn)，但由于新嶺隧道出口與直埠樞紐較近，將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)向交通量，考慮今后大小型車分道管理，從可能的實際交通模式出發(fā)，需要對新嶺隧道至直埠樞紐互通交通負(fù)荷能力作重點分析，以確定增建隧道的車道數(shù)需求。計算采用FHWA的HCM2000模型，采用交織構(gòu)型A型的計算模型，構(gòu)型簡化圖見圖1，左側(cè)為杭州方向，右側(cè)為金華方向。

根據(jù)分析結(jié)果，如采用原隧道保留、兩側(cè)增建隧道的方案，因隧道出口距前方直埠樞紐較近，按常規(guī)路段增建2個車道無法滿足轉(zhuǎn)向交通量通行需求，也不利于大小型車提前分道管理及通行安全，因此需各增建3個車道才能滿足通行需求。此外，采用單個四車道隧道也能滿足正常的通行需求。

3.2 隧道改擴建加寬方式

隧道改擴建加寬方式，可根據(jù)隧道軸線地形、地質(zhì)條件，采用單側(cè)分離增建、雙側(cè)分離增建和原位擴挖等多種形式。由于原位擴挖隧道對既有交通影響較大、施工工序復(fù)雜、施工風(fēng)險大，隧道路段宜采用分離增建的形式加寬。此外，因單洞四車道隧道造價高、施工風(fēng)險大，故分離增建的隧道不宜采用單洞四車道方案。

工可階段對雙側(cè)增建隧道方案、單側(cè)增建隧道方案和一側(cè)增建另一側(cè)原位擴挖隧道等方案進(jìn)行了綜合比選，結(jié)合分離增建隧道的車道數(shù)需求分析及隧道特點，初步設(shè)計階段提出以下2個方案做進(jìn)一步比選。方案一：在隧道兩側(cè)分別增建一個三車道隧道；方案二：在隧道右側(cè)增建一個單洞四車道隧道。改擴建方案平面示意圖如圖2所示。

2個方案的比選結(jié)果如表1所示。

表1 方案比選表

鑒于新嶺隧道段地質(zhì)情況較差，盡管方案二造價比方案一低，方案二左幅2個二車道隧道并不能滿足車流量需求。且四車道隧道屬于大斷面隧道，施工難度大、施工風(fēng)險高且工期長，對隧道旁一村落的影響也最大；方案一的行車通行能力能夠滿足遠(yuǎn)期車流量需求，因此推薦采用方案一。

3.3 新老隧道合理凈距確定

浙江是土地資源極為稀缺的省份之一，為使有限的土地得到最大程度的利用，隧道拓寬工程需在保證既有隧道結(jié)構(gòu)安全的前提下盡量節(jié)約用地，因此，新老隧道間凈距的選擇無疑是一個非常重要的影響因素。為確保新隧道不會對老隧道的安全運營造成明顯影響，有必要探明新隧道動、靜力開挖作用下對老隧道造成的影響，以確定新建隧道的合理開挖工法、開挖進(jìn)尺及新老隧道凈距等關(guān)鍵性指標(biāo)。

采用大型通用有限元程序ANSYS，結(jié)合新嶺隧道的實際斷面形式建立計算模型，研究動、靜力狀態(tài)下新建隧道施工對既有隧道的力學(xué)行為影響特征。以30 m凈距情況為例，有限元計算模型如圖3所示。結(jié)合新嶺隧道的實際情況，分別選?、蠹墶ⅱ艏?、Ⅴ級不同圍巖三處典型斷面進(jìn)行計算分析。每種圍巖斷面均按照新老隧道凈距分別為10 m，20 m以及30 m三種情況進(jìn)行計算。另外考慮到既有隧道病害嚴(yán)重，針對不同圍巖段的襯砌背后空洞、裂縫等病害情況，研究其在爆破影響下的振動速度，并和二襯完好時的工況進(jìn)行比較，進(jìn)一步探討新隧道施工對老病害隧道造成的影響。

通過新建隧道爆破及靜力作用下對既有隧道的影響及施工工法的分析，可得到如下幾個結(jié)論：

1)如圖4所示，靜力開挖作用下，隨著凈距的增加，新隧道施工對老隧道的影響逐漸減弱。當(dāng)開挖凈距控制在30 m時，各級圍巖施工時的振動速度均滿足相關(guān)規(guī)范要求。2)拱頂裂縫和空洞同時出現(xiàn)時計算模型如圖5所示，監(jiān)測點編號示意圖如圖6所示，各病害工況下監(jiān)測點振動速度峰值曲線圖如圖7所示。當(dāng)二襯背后出現(xiàn)空洞時，由于空洞的放大效應(yīng)，新建隧道爆破振動將引起空洞部位振動速度及位移等量值的增大。當(dāng)既有隧道二襯出現(xiàn)裂縫時，在裂縫周邊區(qū)域會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時相比于正常工況，振動速度和位移反而會減??；當(dāng)裂縫和空洞同時出現(xiàn)時，由于空洞的放大作用，結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力進(jìn)一步增大，此為最不利情況，此時同樣應(yīng)當(dāng)以振動速度和應(yīng)力共同作為安全控制基準(zhǔn)。3)鑒于新嶺腳村右側(cè)拆遷問題，在前期線位方案的擬定過程中對隧道洞口間距和拆遷問題進(jìn)行了深入研究后發(fā)現(xiàn)，隧道洞口采用20 m凈距較30 m凈距拆遷減少約700 m2，征地減少0.7 hm2，兩者相差不明顯。綜上所述，根據(jù)對項目工期、施工安全性、工程造價和對既有隧道運營影響等因素綜合比較后，確定新建隧道與既有隧道間合理凈距按30 m控制。

3.4 隧道主體設(shè)計

3.4.1 既有隧道利用

新嶺隧道拓寬后，既有隧道通過采取病害維修加固、路面翻修、機電設(shè)施改造等措施后，維持原有通行方向進(jìn)行利用。

根據(jù)既有隧道全面的病害檢測資料和新建隧道施工完成后的實際病害情況，采用工程類比法對既有隧道襯砌背后空洞注漿回填、裂縫修補與襯砌加固、滲漏水整治等方面進(jìn)行全面的處治維修，同時對路面、機電附屬設(shè)施等進(jìn)行改造升級。整治加固完成后，要求在進(jìn)行正常養(yǎng)護的同時，還應(yīng)建立長期觀察、觀測機制。

3.4.2 新建隧道設(shè)置

根據(jù)2.2節(jié)中所選的拓寬方案一，在既有隧道兩側(cè)分別增建一個三車道隧道，隧道平均長度1 414.5 m。新建隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

3.4.3 隧道洞內(nèi)橫通道及防災(zāi)救援設(shè)計

1)洞內(nèi)車行橫通道。

車行橫通道用于應(yīng)急情況下的車輛疏散，同時也兼行人疏散通道。新隧道與老隧道之間，左右洞各設(shè)一個車通。車通中線與隧道中線呈60°夾角。最大轉(zhuǎn)彎半徑為15 m。原有隧道之間的車通保留。

2)洞內(nèi)人行橫通道。

綜合考慮隧道長度等情況來設(shè)置人通、車通。新老隧道間各新增2個人通，原有隧道之間的人通保留。

3)隧道運營防災(zāi)救援應(yīng)急預(yù)案。

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、嚴(yán)重交通事故時，應(yīng)立即阻斷隧道外流入的車輛；當(dāng)事故發(fā)生在新建隧道時，洞內(nèi)事故分區(qū)內(nèi)的人員、車輛通過新建人通、車通向既有隧道疏散，消防滅火作業(yè)首先由隧道管理人員現(xiàn)場組織疏散和救援，隧道洞內(nèi)每隔50 m單側(cè)設(shè)消火栓及滅火器。當(dāng)事故發(fā)生在既有隧道時，洞內(nèi)事故分區(qū)內(nèi)的人員通過人通、車通向兩側(cè)隧道疏散，車輛通過既有車通向另一個既有隧道疏散。疏散路線示意圖如圖8所示。

3.4.4 隧道施工工藝、監(jiān)控量測及控制爆破措施

既有隧道在新隧道施工時依舊在營運，由于既有隧道與新建隧道凈距較小，新建隧道施工的爆破振動會在很大程度上影響既有隧道的行車舒適度、圍巖穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)安全。

因此，綜合了新嶺隧道的實際情況、地質(zhì)概況等因素，根據(jù)爆破振動對老隧道圍巖穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)安全的影響性分析結(jié)果確定了施工方法、爆破控制指標(biāo)等。

1)施工方法。

Ⅴ級圍巖進(jìn)出洞口段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，每循環(huán)進(jìn)尺不大于0.6 m；其余Ⅴ級圍巖段采用預(yù)留核心土法，每循環(huán)進(jìn)尺不大于0.8 m。Ⅳ級圍巖段采用上下臺階法，每循環(huán)進(jìn)尺不大于1.2 m。Ⅲ級圍巖段采用全斷面法，每循環(huán)進(jìn)尺不大于1.5 m。

2)既有隧道監(jiān)控量測。

隧道施工過程中應(yīng)對新、老隧道進(jìn)行全程實時監(jiān)控，動態(tài)評估新隧道施工對老隧道造成的影響，從而調(diào)整爆破等相關(guān)設(shè)計，主要監(jiān)控量測項目包括：

a.既有隧道洞內(nèi)觀察。

新隧道施工前應(yīng)對老隧道進(jìn)行全面的觀測、記錄，標(biāo)記出所有的襯砌裂縫，重點觀測可能新增的裂縫。每次爆破施工后，應(yīng)立刻對起爆點對應(yīng)的老隧道里程處前后50 m范圍內(nèi)進(jìn)行全面的檢查，重點針對裂縫的發(fā)展、懸掛設(shè)備、隧道外觀等進(jìn)行觀測，應(yīng)盡量采用自動化采集設(shè)備，以縮短檢查時間，并用相機等手段進(jìn)行詳細(xì)記錄。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)立刻封閉交通，確保運營安全。

b.既有隧道重點裂縫監(jiān)測。

為進(jìn)一步了解新隧道施工對老隧道造成的影響，對每次爆破掌子面前后30 m范圍內(nèi)的重點裂縫進(jìn)行連續(xù)觀測。

c.既有隧道爆破振動速度監(jiān)測。

每次隧道施工爆破時，需對既有隧道對應(yīng)里程的監(jiān)測點進(jìn)行振速及頻率的記錄，評估對既有隧道的影響，從而動態(tài)調(diào)整施工。

在靠近新建隧道側(cè)的既有隧道邊墻上每斷面布置2個～3個測點，每個測點均設(shè)置垂直與水平速度傳感器各1個；Ⅳ級、Ⅴ級圍巖段每隔10 m設(shè)置1個斷面，Ⅲ級圍巖段每隔20 m設(shè)置1個斷面。每次爆破時，記錄爆破掌子面對應(yīng)既有隧道里程前后5個斷面相應(yīng)數(shù)據(jù)。由于既有隧道存在二襯裂縫、襯背空洞等病害情況，爆破振動速度監(jiān)測時，監(jiān)測點應(yīng)盡可能選擇在上述不利位置進(jìn)行，依據(jù)既有隧道的實際情況選擇具有代表性的位置設(shè)置振動測點進(jìn)行測試。

3)控制爆破措施。

a.爆破振動速度要求。

既有隧道爆破振動速度一般不大于10 cm/s，當(dāng)襯砌存在裂縫時，標(biāo)準(zhǔn)可控制為3 cm/s～5 cm/s。為防止兩次爆破的結(jié)果疊加，起爆間隔應(yīng)根據(jù)測試確定，或者也可按經(jīng)驗值取不小于200 ms。

b.爆破減震措施。

恰當(dāng)?shù)奶筒畚恢靡约疤筒坌问降倪x擇能有效降低爆破時的振動。

爆破時按恰當(dāng)?shù)捻樞蚍謩e起爆，微差爆破。

炮孔封閉加強，從而有效提高爆破的能量利用率。

合理布置空孔。在靠近既有隧道的一側(cè)開挖區(qū)合理布置空孔，從而減小爆破產(chǎn)生的振動，減小對老隧道造成的破壞。

4 結(jié)語

1)綜合考慮交通量通行需求、施工難度、施工風(fēng)險、工期以及工程造價因素，本項目最終采用兩側(cè)三車道擴建方案。

2)根據(jù)對項目工期、施工安全性、工程造價和對既有隧道運營影響等因素綜合比較后，確定新建隧道與既有隧道間合理凈距按30 m控制。

3)新嶺隧道具體施工方案應(yīng)為：先施工新建隧道以及進(jìn)出洞口兩端引線、聯(lián)絡(luò)通道，現(xiàn)有車輛依舊從既有隧道通行；待新隧道施工完成后，封閉既有隧道，車輛通過新建隧道通行；既有隧道進(jìn)行病害整治和路面等設(shè)施改造。洞內(nèi)橫通道從新建隧道側(cè)開始施工，至接近既有隧道時先暫停施工，待新建隧道主洞施工完成、既有隧道車輛引至新建隧道后，再從既有隧道側(cè)施工。