山區公路既有隧道擴建設計探討

唐明亮

(廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007)

?

山區公路既有隧道擴建設計探討

唐明亮

(廣西交通科學研究院，廣西南寧530007)

唐明亮(1982—)，工程師，碩士研究生，主要從事公路橋梁、隧道設計工作。

摘要：山區公路隧道在改善公路線型、縮短里程、保護生態環境等方面起著重要作用。文章結合內龍隧道擴建設計實例，分析了新建隧道設計和擴建隧道設計的差異，探討了既有隧道擴建設計中需考慮的重點因素與隧道洞口、結構、防排水設計及巖溶處理方法，為今后類似隧道擴建設計提供參考。

關鍵詞：山區公路；隧道擴建；結構設計；防排水；巖溶處理

0引言

近年來，隨著山區國民經濟的迅速發展，原有隧道已不能適應交通量日益增長的需求，山區公路既有隧道擴建顯得尤為迫切。然而隧道工程界一直以來較注重新建工程[3]，對既有隧道維修、擴建設計關注較少。相比于新建隧道，如何考慮利用既有隧道空間及襯砌，減少對開挖面的擾動，節省初期支護，從而降低隧道工程造價是擴建隧道設計需重點考慮的問題。

1工程概況

內龍隧道為擴建隧道，隧道進出口段路基均設置有擋墻，洞門處巖體陡峭，偶有落石；出口端左側有一天然溶洞，現被利用為石料加工廠，由于本路限制大車通過，洞內有堆砌物堵道，僅限小型車輛通行。既有隧道進口段襯砌為11 m，出口段襯砌4 m，上部拱圈為混凝土襯砌，厚約60 cm，兩側直墻為漿砌塊石墻身，厚約80 cm。洞門凈寬約為7.8 m，直墻高約4.1 m，上部拱圈矢高約為2 m。

由于原有隧道等級較低，凈空較少，設計中考慮擴建為單洞雙車道隧道，隧道全長234 m，屬短隧道。隧道平面進出口段位于緩和曲線和圓曲線上，為施工方便，隧道全線按最大加寬斷面設計，斷面采用單心圓曲墻式斷面，半徑為R=5.6 m，隧道建筑限界凈寬為10.0 m，凈高為5.0 m，見圖1。

圖1　隧道內輪廓圖(尺寸：cm)

2隧道擴建設計重點

隧道的布設根據路線走向和隧道埋深確定，同時考慮施工條件、工期、防火救災及運營管理等因素。根據公路隧道設計新理念，隧道洞口位置和洞口方案的確定本著“安全、環保、和諧”的原則，盡量避免破壞山體植被，保持原生態和原有植被環境，并通過回填及防護等措施消除工程開挖所造成的不良地質隱患，使工程與自然融為一體。本隧道為擴建隧道，設計過程中需重點考慮以下因素：

(1)詳細調查、測量現有隧道控制點、輪廓和襯砌厚度，結合現有地形，選線過程中充分考慮利用現有隧道良好地質地段進行選線，減少不良地質對隧道的影響和隧道開挖工程量。

(2)根據隧道通風、排水、施工方案和兩端接線的要求，隧道縱坡設置不宜過大。

(3)在基本了解主要地質情況的基礎上，對隧道所在的地質情況應進行認真的研究，制定合理的襯砌防護方案。

(4)既有隧道僅在兩端洞口段有15 m襯砌(合計)，洞身段為裸洞，滲水比較嚴重，設計中須加強對防排水的處理。

(5)綜合考慮路線線形指標及隧道進出口工程地質水文地質條件、營運管理及棄碴等因素。

3隧道洞口設計

我國公路隧道設計規范[1]中對洞口的設計范圍沒有明確的規定，設計中常把洞門與洞口視為一體。隧道洞口根據進出口地形、地貌、地質、開挖邊坡穩定性、防排水需要、洞口采光以及環保景觀等因素綜合考慮。隧道宜“早進晚出”，洞口貼坡進洞，或設置一段明洞，盡可能采用零開挖洞口，盡量減少洞口邊坡和仰坡的開挖，保證山體穩定。洞門型式的選擇力求結構簡潔，洞口形式主要采用端墻式、削竹式等。

(1)進口端洞口：進口端洞口地處山坡中下部，山體自然坡度較陡，坡面植被較少，基巖出露，山體右側較陡，上部巖石較破碎，舊路上偶有落石，山體穩定性較差。隧道軸線走向與洞口處等高線基本垂直；巖層走向與隧道走向基本垂直，隧道前側地面線非常陡峭，坡角>80°，但巖石完整性較好，洞口仰坡坡體較為穩定。山體地層主要為中風化石灰巖，隧道洞口開挖后形成的邊坡高度較高，穩定性較差。隧道洞口圍巖為Ⅳ級，成洞條件一般，隧道開挖后，洞頂易剝落、掉塊。右側邊坡坡度較陡且巖層破碎，施工中容易出現落石及崩塌，建議邊坡及仰坡開挖最大高度<20 m，邊坡坡比取1∶0.2、仰坡坡比取1∶0.05，坡面清除破碎巖體后用錨噴混凝土進行防護。左側為直立式擋土墻，考慮到洞門基礎不能懸空，擴建隧道洞門直接與既有隧道暗洞相連，洞門型式采用偏壓端墻式洞門，外露面采用鑲面處理。

(2)出口端洞口：出口端洞口處左側有一天然溶洞，被利用為石材廠，溶洞發育，基巖出露，目前山體處于穩定狀態，既有隧道洞口大半位于溶洞中。隧道軸線走向與洞口處等高線基本垂直；巖層走向與隧道走向基本垂直，隧道圍巖較為穩定；第四系覆蓋層薄，隧道洞口開挖后形成的邊坡高度較大，左高右低，巖體穩定性較好；考慮地下水修正后，隧道出口段圍巖定為Ⅳ級，成洞條件較好，邊、仰坡坡比均取1∶0.05，坡面清除破碎巖體后用錨噴混凝土進行防護。由于既有隧道洞口左側上方懸有巖石，從安全考慮新建明洞延長原有洞口，洞門型式采用偏壓端墻式洞門，外露面采用鑲面處理。

4隧道結構設計

本隧道是在既有隧道基礎上進行擴挖，由于原有隧道襯砌的作用，擴挖施工時可以避免對圍巖的大面積擾動。隧道結構設計考慮充分利用原有襯砌和圍巖的自承能力，運用新奧法原理進行設計和指導施工，隧道施工時主要采用光面爆破和預裂爆破技術，嚴格按照隧道內輪廓進行控制，避免超挖和欠挖。

隧道結構采用由初期支護、防水層及二次襯砌組合成的復合式襯砌，初期支護由錨桿、噴射混凝土、掛鋼筋網和鋼拱架組成，二次襯砌為模注鋼筋混凝土或素混凝土，二者共同組成永久性承載結構。復合式襯砌采用工程類比法并通過結構理論分析和現場監控量測來確定初期支護和二次襯砌的支護參數，必要時采用輔助施工手段(超前管棚、超前錨桿和超前小導管等)加固圍巖，既加固了巖體，又充分發揮了圍巖和襯砌自身的承載能力，從而達到安全、經濟、有效的目的。各級圍巖復合式襯砌支護參數如表1所示。

表1　復合式襯砌支護參數表

此外，由于舊路改擴建對本段路線進行了優化，使隧道部分路段既有隧道與擴建后的隧道中線不一致，導致擴建后的隧道襯砌左側留下較大空洞，如圖2所示，空洞的存在對隧道影響較大，設計考慮采用C15片石混凝土按下列順序回填：

圖2　襯砌斷面及空洞回填示意圖

(1)首先沿后方已支護的鋼拱架的環向邊緣，向前方圍巖內插入多根錨桿，以后方型鋼拱架為支撐點，用錨桿在后方拱架及前方圍巖間形成一個拱形超前簡支結構。

(2)在所述簡支結構中部預先固定至少2根鋼管作為回填混凝土泵送管。

(3)然后再以簡支結構為骨架，通過泵送管向空洞部分泵送回填混凝土直至填滿空洞。

5防排水設計

隧道防、排水設計遵循“以排為主，防、排、截、堵相結合，因地制宜，綜合治理”的原則，保證隧道結構物和營運設備的正常使用和行車安全[1]。隧道防排水設計的主要目的是結合隧址區工程地質和水文地質等情況妥善處理地表水和地下水，使洞內外形成完整、暢通、便于維修的防排水系統，避免襯砌滴水、路面滲水、圍巖凍脹和洞內結冰等病害，保證隧道建成運營后洞內基本干燥，結構和設備可以正常使用以及行車安全。

5.1　洞外防排水設計

根據地形情況，在洞口上方邊坡、仰坡坡頂≥5 m處設置與地形等高線相適應的洞頂排水溝，向路線一側或兩側引入適當的地點排走，避免流水對洞口段山體進行沖刷。此外，洞頂排水溝應在洞口刷坡前預先用漿砌片石砌筑，并用水泥砂漿抹面成“三面光”。當縱坡過陡時，應在必要位置設置跌水或急流槽等設施，施工時盡量恢復洞口地形原貌，減少人工修飾的痕跡。

5.2　洞內防排水設計

為提高隧道防排水能力，本項目在初期支護與二次襯砌間設置由EVA復合防水板、無紡布組成的防水層，并要求對施工縫和沉降縫作專門的防水處理，同時襯砌背后每間隔10 m設置一道環向盲管(φ50mm單壁打孔波紋管)，盲管與由φ100mm雙壁打孔波紋管組成的縱向排水管相連通，通過橫向排水管(采用φ100mm雙壁打孔波紋管)流入隧道兩側排水溝；洞內環向及橫向排水管可根據洞內滲水情況適當增加。隧道施工縫、沉降縫不應設置在有集中水流的地段，且在施工縫和變形縫處均采用背貼式止水帶和中埋式橡膠止水帶。

6巖溶處理

本隧道隧址區位于巖溶區，存在較多溶洞，出口端左側的溶洞較大，現被利用為石料廠。巖溶對隧道影響較大，對于溶洞原則上采用片石混凝土進行回填，但對已經穩定的大型溶洞可以不作處理，只需做好防排

水措施。隧道建設期間應根據已有隧道出露的圍巖情況，提前做好應急預案，確保隧道安全，必要時應根據開挖后的實際地質情況，對隧道圍巖級別作適當的調整(比如將對應圍巖級別降一級的原則處理)。對于局部可能會遇見的溶蝕裂隙、小型溶洞、溶溝(槽)等，一般規模不會很大，可采取埋填、跨越等措施處理。

由于隧道進、出洞口位于陡峭的斜坡下，考慮到表層塊石呈散體狀、巖石較破碎，溶隙較發育，施工時若大爆破，極易引起隧道巖石崩塌、掉塊等情況，危及施工人員的人身安全，要求施工時應及時清除洞口危石，加強安全工作以及采用正確的施工方法和有效的邊坡防護措施。

7結語

本文結合內龍隧道擴建設計實例，對既有隧道擴建設計中需考慮的重點因素及隧道洞口、結構、防排水設計及巖溶處理方法進行了探討，得出了以下結論：

(1)隧道擴建設計前應詳細調查、測量現有隧道的控制點、輪廓及襯砌厚度，選線過程充分考慮利用現有隧道進行選線。

(2)要根據既有隧道地形、地質情況及隧道現狀合理進行隧道洞口、結構設計。

(3)防排水設計是一項系統工程，在勘測、設計選材、施工等任何環節都必須給予足夠的重視。

(4)要根據現場實際狀況，采用多種方法靈活處理溶洞等特殊地質問題。

參考文獻

[1]JTG D70-2004,公路隧道設計規范[S].

[2]JTG/T D70-2010,公路隧道設計細則[S].

[3]楊小禮，王作偉，陳杰.既有隧道擴建工程及襯砌穩定性研究[J].交通科學與工程，2010(1)：49-52，58.

Discussions on Expansion Design of Existing Tunnel in Mountain Highway

TANG Ming-liang

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：The mountain highway tunnel plays an important role in improving the highway liner type，shortening the mileage，and protecting the ecological environment and so on.Combined with the Neilong Tunnel expan-sion design practices，this article analyzed the differences between new tunnel design and tunnel expansion design，and discussed the key considerations in expansion design of existing tunnel as well as the tunnel entrance，structure，waterproofing and drainage design and karst processing method，thereby providing the reference for the expansion construction design of future similar tunnels.

Keywords：Mountain highway； Tunnel expansion； Structural design； Waterproofing and drainage； Karst treatment

收稿日期：2015-04-02

文章編號：1673-4874(2015)05-0054-03

中圖分類號：U457+6

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.015

作者簡介