虎頭山隧道改造工程方案研究

劉曉梁

(山西省交通規劃勘察設計院)

1 引 言

省道304 平(平魯)萬(萬家寨)線全長106 km，起點為山西省朔州市平魯區，終點位于山西省忻州市偏關縣的萬家寨，是山西省北部地區一條重要的運煤公路。該公路為山嶺區二級公路，多數路段路基寬度為8.5 m，局部地形較好段落進行過改建或改線，路基寬度為12 m。

從忻州保德和陜西神木往東的大型車輛為了減少運營費用，借道從平萬線經過，造成平萬線交通量猛增，加之平萬線局部山嶺地區縱坡較大，容易造成事故和堵車現象。特別是平魯區附近的虎頭山隧道，為平萬線約10 km 處，1983 年建成通車，建設年限較早，隧道凈寬僅為7 m，凈高4.5 m，兩側無人行道和排水措施，隧道內路面損壞嚴重，大型運煤車輛在洞內行車和會車十分困難，極易引發交通事故，造成平萬線的中斷，且隧道較窄，事故救援特別困難。

2 初步方案

如果對現有虎頭山隧道進行拓寬改造，(1)該隧道內輪廓斷面為直墻式，不滿足現有隧道規范要求，在改造過程中施工難度較大，鑿除現有的襯砌結構會導致隧道圍巖應力釋放，容易造成坍塌、冒頂，存在安全隱患;(2)僅僅對現有隧道拓寬仍然不足以解決虎頭山隧道在平萬線運營過程中的瓶頸問題，而且在改造建設過程中會導致平萬線的運營癱瘓。

因此綜合比較多種方案，認為新建右幅隧道，維修利用現狀隧道作為左幅，形成上下行雙向分離行車局面，雖然其投資較高，但在施工期間能夠保證平萬線的基本通行能力，并且在改造完成后采用車輛分離行駛的方式，大大提高了車輛通過虎頭山的能力，提高車輛的運營效率和安全性。

建設完成后，平魯到萬家寨方向走右幅隧道，萬家寨到平魯方向走改造后的左幅隧道。該項目的實施將大大改善平萬線技術指標低，交通事故頻發的現象。

3 工程概況

3.1 地形地貌

虎頭山隧道位于山西省西北部，自然地理屬于呂梁山脈北段的管涔山中段。因受構造活動影響和水流侵蝕，地形切割劇烈，地形破碎，溝壑遍地。海拔標高2 000 m 左右，相對高差400～600 m，總的地勢為東高西低，微地貌為基巖山脊、梁、懸崖、峭壁、陡坎、沖溝，較大沖溝以北東向為主。隧址區天然植被較為稀少，天然植物僅在荒灘及農田邊緣少量分布，以草本植物和灌木為主。

3.2 地層巖性

新建虎頭山隧道出露地層由老至新為古生界寒武系中統徐莊組(∈2x)、中統張夏組(∈2z)、上統崮山組(∈3g)、新生界第四系中更新統(Q2pl)。隧道洞身范圍內主要為中統徐莊組、中統張夏組、上統崮山組。第四系中更新統分布于進出口段山梁上，披蓋于洞頂之上，為一套河流相的土狀堆積，巖性為棕黃色亞砂土(少數為亞粘土)，夾碎石。

3.3 地質構造

隧址區所處區域地質構造屬于呂梁太行斷塊西北部之次級構造單元偏關神池塊坪。該塊坪南北向長100 km，呈北寬南窄的三角形。出露地層以寒武系、奧陶系為主，局部殘留石炭系。構造形跡零散而微弱，多以褶皺形式出現。隧址區本身為一向北東傾斜的單斜構造，巖層產狀65°∠10°。

3.4 水文地質條件

隧址區穿越管涔山中部，區內最高海拔與最低海拔間的相對高差約330 m，地形起伏，溝谷切割很深，受地形條件的制約，隧址區大氣降水中的絕大部分匯入附近河谷之中，因此大氣降水的入滲總量十分有限。根據地質調查和鉆孔資料，隧址區無明顯的巖溶發育，周圍溝谷內未見地表水流或泉水出露，鉆孔中亦未測到穩定的地下水位。隧址區內地下水類型為巖溶裂隙水。

綜合分析，隧道洞身均處于地下水潛水位之上，隧道圍巖以潮濕或點滴狀出水為主，局部低洼平緩地帶或裂隙發育處雨季可能形成淋雨狀。地下水對隧道圍巖的影響總體較小。

4 方案研究

4.1 路線方案比選

在線型方面，A 線、B 線方案的平縱面指標均滿足《公路路線設計規范》的要求，A 線、B 線的平縱面指標相當。

表1 各方案平面技術指標表

從行車安全、通行能力、服務水平的分析:A 線、B 線方案地形條件相當，行車安全性相當。

從公路用地、拆遷量方面分析:B 線用地比A 線用地略少，拆遷量相當。

從與原有公路的干擾情況分析:B 線以隧道方式下穿平萬線路基段，設計標高位于原平萬線下約30 m，且B 線施工對原平萬線的運營有嚴重干擾，A 線與平萬線無交叉，施工無干擾。

從社會、經濟、安全效益、環境保護方面分析:A 線、B 線條件相當。

從工程數量方面分析:B 線路線較A 線路線長度長9 m;隧道短34 m。B 線土石方數量比A 線大44 104.3 m3。

表2 各方案縱斷面技術指標表

4.1 隧道方案比選

A 線方案隧道長度為999 m，B 線方案隧道長度為965 m，A 線比B 線隧道長度增加了34 m。A 線方案造價為7 087.5 萬元，B 線方案造價為7 395 萬元。

(1)隧道支護方案和防排水方案。

A 線與B 線采取的隧道支護方案和防排水方案一樣。

明洞采用鋼筋混凝土結構，洞身段襯砌均按新奧法原理設計，采用柔性支護體系結構的復合式襯砌，即以噴、錨、網、格柵鋼架等為初期支護，二次襯砌采用鋼筋混凝土或素混凝土，并視地層、地質條件增加管棚、超前錨桿等預加固措施。

防排水設計原則是以引、排水為主，防排結合，綜合處治。采用防、截、堵、排相結合，形成完整的防排水體系，使隧道防水可靠，排水暢通，運營期隧道內不滲不漏基本干燥。

明洞采用立體防水板及頂面回填粘土隔水層防水。洞身段采用立體防水板防水，環向軟式透水管引水經由縱向排水管、橫向排水管將水排至中央排水溝中，路面水流入兩側排水溝中。

(2)B 線方案弱點。

B 線方案，隧道進口處洞頂為一人工堆積體，平面上呈梯形分布，長120 m，寬25～45 m，厚3.5～15.0 m，體積約20 000 m3;且隧道進口左側為原有左線路基碎石自然坡積，所以進口處為不良地質。造成隧道施工中存在施工困難，容易坍塌，留有安全隱患。

B 線隧道于BK0 +930～BK1 +050 段120m 內下穿原有左線路基，于BK1 +050～BK1 +065 段15m 內下穿原左線虎頭山隧道，新建隧道設計標高與原左線路面標高平均相差30 m。由于平萬線交通繁忙，地方政府要求在隧道施工中保持原有左線暢通，故在隧道開挖過程中，洞頂路面大型運煤車輛的行駛，會使新建隧道發生坍塌與襯砌開裂，造成施工困難與安全隱患。

5 結 論

通過綜合比較及論證，在虎頭山隧道改造過程中，首先確立了新建右幅隧道的方案，使原虎頭山隧道形成上下行雙向分離行車格局;然后選定2 個方案進行比選，其中A 線方案的實施不會干擾原平萬線的正常運營，其隧道進出口不存在不良地質問題，并且A 線方案的造價低于B 線方案，所以虎頭山隧道改造工程采用A 線方案較為優越。

［1］中交第二公路勘察設計研究院有限公司.《公路隧道設計細則》(JTG/T D70－2010)［S］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］重慶交通科研設計院《公路隧道設計規范》(JTG/T D70－2004).北京:人民交通出版社，2004.

［3］關寶樹《隧道工程設計要點集》.北京:人民交通出版社，2003.

［4］交通部公路司《公路工程技術標準》(JTG B01－2003).北京:人民交通出版社，2004.