隧道改擴建設計要點探討

周 敏 曹海明

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

近年來隨著我國交通運輸的飛速發展，原有公路特別是20世紀末～21世紀初修建的公路，服務水平已不能適應交通運輸的需要，公路需要改擴建才能達到相應的服務水平。而隧道作為公路的一部分，隧道改擴建類似案例也越來越多。

目前國內大部分公路隧道改擴建集中分為兩大類，即新建、擴建。擴建，即在原有隧道的基礎上擴大隧道斷面、增加行車道的主要形式；新建，即在利用原隧道外側再新建隧道的形式。

1 國內典型的公路隧道改擴建工程案例

1)福建泉州至廈門段高速公路改擴建工程，原為雙向四車道高速公路，擴建為雙向八車道高速公路。全路段共設大坪山隧道、蘇厝隧道、山頭隧道、大帽山隧道4座，該工程根據不同的地形地質條件，采用相應的改擴建方案，目前已建設完成。

其中大帽山隧道長600 m，隧道洞身圍巖主要為強～微風化花崗巖及凝灰熔巖，場區地質構造穩定，除洞口段外，節理裂隙均不發育，巖體完整。且由于隧道路段周邊受用地限制，最終采用改擴建方案為：在原有隧道之間新建一座單洞四車道隧道，將原有右線隧道原位擴建為單洞四車道隧道，斷面布置如圖1所示。

蘇厝隧道(338 m)、山頭隧道(376 m)均為短隧道，圍巖主要為全～弱風化花崗巖，改擴建方案為：新建兩座單洞雙車道隧道，同時利用原有老隧道，形成雙向八車道，如圖2所示。

2)陜西212省道千陽嶺隧道為黃土隧道，全長845 m，原修建時采用礦山法施工，1997年開工修建，1998年交付運營，運營期間出現襯砌開裂、滲漏水、路面起拱等病害，隧道管理部分多次組織病害處治均未達到根本治理效果。尤其在2008年汶川大地震后，隧道路面拱起程度和范圍急劇增大，隧道襯砌滲漏水更為嚴重。

該隧道于2009年開始進行改擴建工程，采用分段跳躍式全斷面開挖方法，在原隧道3個斷面處鑿除原襯砌，全隧道形成6個工作面，改造施工首先開槽安裝臨時鋼拱架支撐，在臨時支撐保護下，拆除原襯砌，拆除后擴挖、出渣，出完渣后即掛鋼筋網、架設鋼拱架，按新奧法原理，重新進行襯砌。該隧道改擴建工程進展順利，已于2010年2月改造完成。

2 隧道改擴建方案的原則和比較

隧道改擴建應充分利用收集到的現有隧道技術條件，并根據運輸情況和要求、隧道現狀，并結合地形、地質、線路條件等既有情況，通過技術經濟比較后來制定合理的土建工程改擴建方案。

擴建方案能充分利用原有工程，最大節約用地。但考慮到其圍巖已經擾動，受力狀態復雜，擴建會使其跨徑更大，技術難度比新建隧道要大，同時建設期內需封閉交通。因此對于擴建成六車道的情況可采用雙洞六車道或在兩隧道一側或中間設一單洞雙車道隧道，對于擴建成八車道的情況，可根據新選隧道軸線地質、地形條件采用四洞八車道。

3 新建方案路線控制

一般來說，由于原隧道位置已固定，考慮左右線合理間距的要求，新增的隧道走廊帶也可相對固定。平縱面線位及進出洞口位置相對明確，需在此基礎上進行優化設計，主要在左右線間距和縱坡方面考慮。

3.1 間距控制

新建隧道與既有隧道間距一般應滿足表1的要求，以盡量減輕新建隧道在施工中對已建隧道的影響。

表1 分離式獨立雙洞間的最小凈距[1]

當新建隧道與已建隧道間距小于表1中規定數值時，應詳細調查既有隧道的現狀，根據需要對既有線襯砌結構以及既有線隧道與增建隧道之間的巖體進行加固。

3.2 縱坡控制

左右線相互高差應結合地形地質、洞門設置、橫向聯絡通道等因素，控制在合理范圍內。

以福建省安溪縣東二環路石獅巖隧道為例，該隧道已建右線平面處于直線上；隧道為人字坡，坡度為2.1%/813.9,-2%/1 380,-2.8%/360。進口樁號K7+540，設計標高82.141，出口樁號K9+480，設計標高57.480。

從圖3可以看出，原右線隧道洞口淺埋段較長。一般來說，洞口段長距離的淺埋段，塌方風險和造價水平相對而言較高。在設計新建左線縱坡和高程時，可通過適當抬高洞口標高，以減少新建左線洞口淺埋段的長度，來達到改善隧道修建條件的目的，同時也能減少部分工程造價。

經線路優化后，左線隧道采用了人字坡，坡度為2.8%/692.333,-2%/1 500,-2.8%/360。進口樁號ZK7+610，設計標高86.331，出口樁號ZK9+510，設計標高56.535。較大程度上減少了洞口段淺埋段長度，改善隧道修建條件，如圖4所示。

4 新建隧道施工對原隧道運營安全的保障

由于隧道為隱蔽管狀通道，給車輛安全運營帶來較大的影響。再加上新線建設同時既有隧道已運營通車，應從以下幾個方面保證原隧道運營期間的交通和結構安全：

1)合理確定洞口位置及洞門型式，保證主體結構的強度和耐久性；2)根據隧道長度、道路等級和交通量大小等設置相應的機電設施，對隧道進行實時監控和相關設施的控制；3)合理設置洞口標志標線及其他防護設施，保證進出口和洞內行車安全；4)洞口附近區域進行必要的交通引導，做好路段限速及隔離措施，夜間要配合電光標志及施工警示等，保障已通行隧道行車安全。

5 新建隧道施工爆破對原隧道影響分析

如果需要保持通行，則在新建隧道施工開挖爆破過程中，必須對原隧道加以保護。

1)具體保護措施有：

隧道修建過程中，必須對原有隧道內進行爆破震速監控，密切監視新建隧道開挖時原隧道內的震速、破壞等情況[2]。施工應與高速公路管理部門建立聯動機制，如有必要，可要求爆破期間原隧道臨時封閉。

2)左右線間距與施工爆破的相互影響分析：

以福建省平和縣西蟬至龍廈鐵路南靖貨運集散中心公路擴建工程的西蟬隧道為例。該隧道左線為已建隧道，位于平和縣，起迄樁號為：K2+080～K3+234,長1 154 m，屬長隧道，為單洞兩車道隧道。新建右線隧道位于原隧道右側，起訖樁號為：YK2+060～YK3+243,長1 183 m，屬長隧道。新建隧道與既有隧道間距較近，洞身段大部分中夾巖厚度為24 m，出口段中夾巖厚度僅為11 m。

按GB 6722—2011爆破安全規程中薩道夫斯基經驗公式R=(K/V)1/α×Q1/3計算爆破振動安全允許距離。

西蟬隧道圍巖以Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ級圍巖為主，取爆破振動影響最大的Ⅴ級圍巖段計算。

取以下兩種工況進行計算：

1)較硬圍巖，隧道間距23 m(洞身段)。

K取200，α取1.6，參考相關文獻資料，對于單段最大起爆藥量Q，考慮到分部開挖中的最大斷面施工，可取一次爆破總藥量中最大掏槽段藥量，為15 kg，R=23 m。

原隧道結構上最大爆破振動速度：

V=200(151/3/23)1.6=5.6 cm/s。

2)軟質圍巖，隧道間距11 m(洞口小凈距段)。

K取300，α取1.9，參考相關文獻資料，對于單段最大起爆藥量Q，考慮到分部開挖中的最大斷面施工，可取一次爆破總藥量中最大掏槽段藥量，為10 kg，R=11 m。

原隧道結構上最大爆破振動速度：

V=300(101/3/11)1.9=13.55 cm/s。

由以上計算可看出，對于洞身新建隧道距離與原有隧道大于23 m的地段，隧道爆破對原有隧道影響較小，滿足《爆破安全規程》要求；洞口小凈距段爆破速度接近《爆破安全規程》允許的范圍，必須通過減小裝藥或采用機械/人工開挖的方式，減少爆破對原有隧道的影響。

6 結語

1)改建項目應結合既有線(既有隧道)工程的工程地質條件和運營現狀，綜合分析改建難易程度、改建施工對附近環境的影響、改建施工對運營的干擾等因素，合理擬定改擴建標準和路線平縱走向。

2)改擴建施工中對正常運營有影響的，應做好施工期間交通組織設計，維持運營不受中斷。選擇施工方案時應以保證運營和施工安全為前提，盡量減少對運營的干擾。

3)原隧道結構在改擴建施工中，原結構中的應力分布和作用方向都有可能隨著新建隧道的爆破施工而改變，在這個過程當中，應當注重爆破震速監控，根據監測結果及時優化施工組織方案或者對原隧道的結構進行加固。

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].