嚴重偏壓隧道的改擴建方案研究

付彥峰

(石家莊交通勘察設計院 石家莊市 050000)

受地形限制，公路建設中會經常修建一些偏壓隧道。偏壓隧道由于左右側地形變化較大，使得隧道結構上的荷載是不對稱的，特別是在水平方向存在較大的不平衡力。這些偏壓隧道在后期的改擴建中，會比普通隧道存在更大的難度。在偏壓與開挖同時作用下，圍巖應力得到釋放，若設計、施工不當，會很容易出現山體失穩狀況。以既有偏壓隧道為例，分析研究了其改擴建方案及注意事項。

1 工程概況

1.1 隧道現狀

平涉線井陘隧道建設于70年代，起終點樁號為K82+583～K83+088，全長505m。隧道位于山區傍河路段，平面位于緩和曲線、圓曲線、直線上。由于近些年交通量的增加，本段公路要進行三級升二級改擴建。

隧道左臨甘陶河，山體陡峭，右側為高山，呈偏壓狀態。左側巖石厚度較薄，對部分樁號左側巖石厚度進行測量，詳見表1。

表1 隧道左側(外側)巖層厚度測量結果

隧道內僅作噴錨支護，無二襯。內輪廓斷面不規則，平均寬8m，拱頂平均高4.5m，不滿足建筑限界凈寬11.5m、凈高5.0m的改擴建標準。其中K81+127處頂部有大坑，坑頂距路面高度達9.6m。隧道內左側有11處照明用橫洞。詳見圖1～圖4。

圖1 隧道洞門

圖2 照明橫洞

圖3 噴錨支護

圖4 內輪廓實測斷面

經過對隧道現狀的調查、評估，隧道支護未出現嚴重開裂、漏水等病害，結構基本處于穩定狀態。

1.2 工程地質

井陘隧道位于太行山低山地帶，地貌類型為侵蝕構造低山區，高程大約430.00～550.00m。隧道區所在大地構造一級單元為中朝準地臺，二級單元為山西斷隆，三級單元為太行拱斷束，穿過的四級單元為贊皇穹斷束。這些構造在近期并無明顯活動跡象，在近代歷史上該區未發生過源發性地震，區域地殼基本穩定。

在路線K82+583～K82+625(42m)、K83+068～K83+088(20m)段落，隧道埋深12.30～19.20m。圍巖主要為寒武系石灰巖，中晶質結構，中～厚層狀，屬較堅硬巖，裂隙、節理發育，巖層間結合較差，偏壓較嚴重。石灰巖Rc=37.2MPa，C=0.3MPa，ψ=25.7，軟化系數0.70；圍巖波速1200～2070m/s，完整性系數0.35～0.55，巖體破碎～較破碎。巖體穩定性差，隧道出水形式以潮濕及滴水為主，雨季可能出現淋流。滲透系數40m/d，[BQ]=241.3，圍巖級別Ⅴ級。

在路線K82+625～K83+068(443m)段落，隧道埋深19.20～45.50m。圍巖主要為寒武系石灰巖，中晶質結構，中～厚層狀，屬較堅硬巖。裂隙、節理較發育，巖層間結合較差，偏壓較嚴重。石灰巖Rc=49.5MPa，C=0.5MPa，ψ=35.0，軟化系數0.70；圍巖波速1520～3080m/s，完整性系數0.45～0.75，巖體較破碎～較完整。巖體穩定性較差，隧道出水形式以潮濕及滴水為主，雨季可能出現淋流。滲透系數35m/d，[BQ]=328.5，圍巖級別IⅤ級。

通過對隧道區域地理位置、地質及環境綜合分析，該隧道改建不會對地表環境產生不利影響。

2 隧道改擴建方案的確定

對于隧道改擴建，一般有新建方案、原道路中線兩側改擴建方案、原道路中線周圍改擴建方案、單側改擴建方案等。見圖5～圖7。

圖5 原道路中線兩側改擴建方案

圖6 原道路中線周圍改擴建方案

圖7 單側改擴建方案

新建方案的優點是設計、施工相對容易，施工安全性也相對較高。但是對于本項目而言，新建方案路線偏離舊路太遠，并且新建隧道長度將大大長于現有隧道，新增占地較多，投資巨大，此方案不具有實施的可能性。

原道路中線兩側改擴建方案(圖5)、原道路中線周圍改擴建方案(圖6)是以原隧道中線為基準向周圍進行的改擴建方案，其對原隧道周圍巖體擾動都較大。由于本項目隧道偏壓嚴重，臨河一側巖層較薄，若采用這兩種改擴建方案，則將進一步削弱臨河側壁巖體厚度，影響山體的穩定性，故中線兩側、周圍改擴建方案也不適宜。

單側改擴建方案(圖7)相對來說對非擴挖側巖體擾動較小，其產生的拱頂位移及圍巖應力也相對較小。但是對于本項目，單純的單側改擴建方案也存在削弱臨河側拱肩巖體厚度的問題。

根據隧址的地形、地質條件，經過分析論證，決定采用偏移中線后的單側改擴建方案，即以原隧道中心線向山體方向偏4m為改擴建方案路線設計中線，向山體側進行單側擴挖。采用中心偏移后的單側改擴建方案，相較于單純的單側改擴建方案，避免了擴大斷面后拱肩外山體厚度被削薄，增加了側墻外巖體厚度，更有利于巖體的穩定與安全。

對于原隧道斷面位于改擴建后斷面以外部分，采用泵送C30無收縮混凝土進行填塞加固巖體。新澆注混凝土與巖體界面設置Φ22錨桿進行連接，錨桿長2.5m，間距1.0m×1.0m，錨桿伸入圍巖1.5m。設Φ22鋼筋網，間距0.2m×0.2m。采取以上預加固措施后，再按加強的支護措施對隧道進行擴建施工。對于照明用橫洞及洞頂空洞，也采用同樣的方法進行填塞加固處理。

圖8 偏移中線后單側改擴建方案示意圖

3 隧道襯砌結構

對于Ⅴ級圍巖，采用Φ42mm小導管進行超前支護。拱部及右邊墻初期支護采用長4.0m的Φ25mm中空注漿錨桿，左側邊墻由于巖體較薄，采用Φ25mm預應力對拉錨桿對圍巖加固。初支噴射混凝土厚度為28cm，掛間距20cm×20cm的Φ8mm雙層鋼筋網，采用I22b鋼拱架，縱向間距60cm。二襯采用55cm厚的C30鋼筋混凝土。

對于Ⅳ級圍巖，采用Φ25mm中空注漿錨桿進行超前支護。拱部及右邊墻初期支護采用長3.5m的Φ25mm中空注漿錨桿，左側邊墻采用Φ25mm預應力對拉錨桿對圍巖加固。初支噴射混凝土厚度為24cm，掛間距20cm×20cm的Φ8mm鋼筋網，采用I18鋼拱架，縱向間距80cm。二襯采用45cm厚的鋼筋混凝土。

導坑鋼拱架均采用I16工字鋼，縱向間距與主洞鋼拱架相同。

4 施工方案

作為嚴重偏壓隧道，改擴建施工中的關鍵是要保證左側臨河圍巖的穩定性，避免對其擾動過大，施工中圍巖應力釋放過大，造成失穩。因此必須采取更加嚴格的、加強的施工步驟。根據隧道結構及圍巖狀況，利用既有隧道作為導洞，采用單側壁導坑法進行施工。具體施工流程如下：

(1)清除松散浮土、碎塊，安裝錨桿、掛鋼筋網，泵送C30無收縮混凝土澆注左側新隧道斷面以外部分。

(2)待第一步澆注的混凝土達到設計強度后，擴挖隧道左側上部。

(3)隧道左側上部進行初期支護施工。

(4)擴挖隧道左側下半斷面。

(5)隧道左側下部進行初期支護施工。

(6)隧道右側上臺階擴挖。

(7)隧道右側上部進行初期支護施工。

(8)隧道右側中臺階擴挖。

(9)隧道右側中部進行初期支護施工。

(10)隧道右側下半斷面擴挖。

(11)隧道右側下半斷面進行初期支護施工。

(12)澆注隧道仰拱。

(13)敷設防水板，全斷面澆注隧道二襯。

圖9 嚴重偏壓隧道施工方案示意圖

5 施工注意事項

(1)對于左側填塞加固部分的混凝土，必須澆注密實，混凝土中需摻入適量微膨脹劑。新澆注混凝土與原有隧道的內輪廓面鑿毛成麻面臺階狀，確保新澆注混凝土與舊巖面緊密貼合，起到共同受力作用。必須等新澆注混凝土達到設計強度后，再進行下一步施工作業。

(2)嚴格控制進尺。嚴重偏壓隧道的改擴建施工進尺應小于普通新開挖隧道施工進尺，確保臨空側巖體的穩定。Ⅳ級圍巖按1.0～1.5m控制，Ⅴ級圍巖按0.5～1.0m控制。

(3)施工中應盡量減少對圍巖的擾動破壞程度，充分發揮圍巖的自承能力，盡快形成“承載環”。嚴格控制爆破裝藥數量、范圍。

(4)加強施工監測，特別是對于左側臨河巖體的監測，以判斷圍巖的穩定狀況。在拱頂、拱肩、側墻、拱腳等部位設置監測點。監測內容包括：地質及支護狀態觀察、周邊位移、拱頂下沉、地質超前預報、地表下沉測量、圍巖內部位移、圍巖壓力、錨桿軸力、鋼支撐內力及外力項目。若出現異常，應立即停止施工，查明原因。

(5)施工預應力錨桿時，應先鉆孔測量好臨空側巖體厚度，據此確定錨桿長度。混凝土基座處應清除松散破碎的山體。施加預應力不得小于100kN，錨桿桿體拉斷荷載不小于180kN。注漿必須飽滿，注漿壓力在1.0～2.0MPa。

6 結語

對于嚴重偏壓隧道的改擴建，提出了偏移設計中線的單側擴挖、對臨空巖體加固、加強施工措施等方法，以達到保證圍巖穩定，避免施工中巖體應力釋放過大，達到安全改擴建的目的。