下嵋芝隧道擴建設計思路分析

陳紅文

（山西運城路橋有限責任公司，山西 運城 044000）

1 工程概況

下嵋芝隧道位于呂梁柳林縣下嵋芝村西南側(cè)，省道三大線K71+040—K71+288 處。下嵋芝隧道原建于20 世紀90年代，2008年S248 改建時利用了該隧道，后對隧道拱部進行了素混凝土加固。自2016年雨季以來，隧道襯砌出現(xiàn)了不同程度的病害，主要表現(xiàn)為襯砌裂縫及變形、鼓出，原因是隧道右上方舊隧積水及隧址區(qū)落水洞發(fā)育充分，地表水沿落水洞及土體裂縫下滲所致。經(jīng)調(diào)查襯砌變形段落為K71+136—K71+186，該隧道總體技術狀況類別被評定為5 類，現(xiàn)該隧道已關閉。原隧道標準老舊，凈寬僅為7.5 m，未設置防排水設施、檢修道及照明、監(jiān)控設施，應實施病害處治或進行重建或者改建。

2 地形地貌、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧址區(qū)地處呂梁山構(gòu)造山地。地貌單元屬黃土覆蓋構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)，微地貌黃土塬、峁等，小沖溝，黃土坎等地貌單元發(fā)育。海拔高度介于1 004.5～1 080.0 m 之間。

2.2 地層巖性

隧址區(qū)地層巖性結(jié)構(gòu)簡單，范圍內(nèi)出露地層由新到老為第四系上更新統(tǒng)馬蘭組、中更新統(tǒng)離石組組成；上更新統(tǒng)馬蘭組（Q3m）分布于隧道局部路段洞頂處，以粉土為主，呈黃褐色，結(jié)構(gòu)松散，表層富含植物根系，蟲孔較發(fā)育，具有Ⅱ級自重濕陷性，但由于分布于隧道洞頂局部路段，因此對隧道基本無影響。中更新統(tǒng)離石（Q2l）為黃褐色硬塑狀粉土，巨厚層分布，結(jié)構(gòu)較松散，干強度低，黏性較低，韌性差，在隧道進出口段形成陡坎，為本隧道圍巖的主要組成體。

2.3 隧址區(qū)區(qū)域穩(wěn)定性及地震活動性分析

根據(jù)《山西省地震動峰值加速度區(qū)劃圖》中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18360—2001），項目區(qū)內(nèi)的峰值加速度為0.05g，相應的基本地震烈度為Ⅵ度，抗震設防烈度值7 度。隧址區(qū)屬于自重應力為主的應力場，且隧道埋深較淺，地應力對隧道圍巖穩(wěn)定性影響較小。

2.4 水文地質(zhì)條件

隧址處水文地質(zhì)類型為第四系松散巖類孔隙水，主要分布于第四系上更新統(tǒng)馬蘭組黃土及中更新統(tǒng)離石組黃土中，含量十分有限，補給源來自于大氣降水，由于隧址區(qū)降雨量較小而蒸發(fā)量較大，因此水量很小，對隧道施工不造成大的影響。

2.5 隧道圍巖特征與圍巖分級

根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》隧道圍巖分級綜合評判方法，隧道圍巖分級采用圍巖的堅硬程度及巖體的完整程度兩個基本因素的定性特征、基本質(zhì)量指標BQ 及彈性波縱波波速，同時考慮到地下水影響、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響、初始應力狀態(tài)影響，進行綜合評判來確定圍巖的級別，隧道圍巖級別分段評價如下。

2.5.1 K71+040—K71+084 段

圍巖以第四系上更系統(tǒng)粉土為主，洞口段結(jié)構(gòu)松軟；最大埋深40.0 m，水文地質(zhì)類型為松散巖類孔隙水，圍巖級別為V2 級；易產(chǎn)生塌方冒頂；施工時應隨時跟進二次襯砌。洞口地基承載力160～180 kPa。

2.5.2 K71+084—K71+249 段

圍巖以第四系中更新統(tǒng)中密粉土為主。最大埋深72.19 m，水文地質(zhì)類型為松散巖類孔隙水，圍巖結(jié)構(gòu)較松軟。級別為Ⅴ1 級，易產(chǎn)生塌方冒頂，施工時應隨時跟進二次襯砌。

2.5.3 K71+249—K71+288 段

圍巖以第四系上更系統(tǒng)粉土為主，洞口段結(jié)構(gòu)松軟；最大埋深40.0 m，水文地質(zhì)類型為松散巖類孔隙水，圍巖級別為Ⅴ2 級，易產(chǎn)生塌方冒頂，施工時應隨時跟進二次襯砌。洞口地基承載力160～180 kPa。

2.6 進出口工程地質(zhì)評價

進出洞口為第四系上更新統(tǒng)馬蘭組黃土，結(jié)構(gòu)疏松，黏性低，韌性差，干強度低，而且地形落差大，因此穩(wěn)定性一般，施工過程應避免人為過度開挖洞口坡腳；洞口地基承載力160～180 kPa；愈靠近洞口外部承載力愈低，由于組成物較松散，容易產(chǎn)生不均勻沉降。同時應避免雨季施工，防止地表水對洞口地基土的沖刷、浸泡。

3 隧道主體工程

3.1 隧道內(nèi)輪廓設計

隧道橫斷面按技術標準和規(guī)范要求進行設計,隧道采用三心圓（曲墻半圓拱形）斷面，組成為：（1.00+0.5+3.5×2+0.5+1.00）m[1]。圖1 隧道內(nèi)輪廓圖。

圖1 隧道內(nèi)輪廓圖

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)設計

3.2.1 明洞襯砌

隧道洞口段結(jié)合地形、地質(zhì)等情況設置明洞，明洞襯砌采用C30 普通鋼筋混凝土明洞結(jié)構(gòu)。圖2 為明洞襯砌結(jié)構(gòu)圖。

圖2 明洞襯砌結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 洞身段襯砌

該隧道以新奧法原理進行支護結(jié)構(gòu)的設計，并經(jīng)過有限元分析，進行結(jié)構(gòu)計算校核，最后綜合考慮各種影響因素確定各級別圍巖復合襯砌的支護參數(shù)。初期支護為噴錨支護，二次支護為模注混凝土襯砌。在初期支護與二次襯砌之間設置防水板及土工布。預留變形量可參照如下選用：Ⅴ級淺埋圍巖及舊隧病害段15 cm，Ⅴ級深埋圍巖段12 cm；并應根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果進行調(diào)整。結(jié)合考慮舊洞開挖安全和新洞支護安全性，支護設計如下：Ⅴ級淺埋圍巖及舊隧病害初期支護為全拱墻錨桿+全拱墻鋼筋網(wǎng)+型鋼成環(huán)支撐+噴射混凝土，同時配合30 mФ108超前大管棚支護（隧道進口進暗洞段）和超前小鋼管支護；二次襯砌為C30 帶仰拱的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。仰拱填充為C15 片石混凝土。

圖3 Ⅴ級淺埋圍巖及原洞病害段襯砌結(jié)構(gòu)設計圖

Ⅴ級深埋圍巖初期支護為全拱墻錨桿+全拱墻鋼筋網(wǎng)+型鋼成環(huán)支撐+噴射混凝土，同時配合超前小鋼管支護；二次襯砌為C30 帶仰拱的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。仰拱填充為C15 片石混凝土，圖3 為Ⅴ級淺埋圍巖及原洞病害段襯砌結(jié)構(gòu)設計圖。

3.2.3 輔助施工

下嵋芝隧道為單洞雙向公路隧道，隧道采用的輔助施工措施主要有：超前長管棚和超前小鋼管。

a）超前長管棚 設置于隧道洞口，管棚入土深度是結(jié)合地形、地質(zhì)情況確定。管棚鋼管均采用Φ108×6 mm 熱軋無縫鋼管。圖4 隧道洞口管棚設計圖。

圖4 隧道洞口管棚設計圖

b）超前小鋼管 設置在隧道洞內(nèi)無長管棚支護的Ⅴ級圍巖地段，采用外徑50 mm，壁厚5 mm 的熱軋無縫鋼管。圖5 超前小導管設計圖。

圖5 超前小導管設計圖

3.2.4 防排水工程設計

隧道防排水遵循“以排為主，防排結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則進行設計，中心排水溝上回填碎石須壓實，使得水泥混凝土板下方不落空，保證水泥混凝土板強度。中心排水溝檢查井周圍配有加強鋼筋，澆筑混凝土板時要提前架設；檢查井、沉沙井必須低于排水管30 cm 以上，以便清淤疏通。

根據(jù)路線縱坡情況，在下嵋芝隧道石樓端洞內(nèi)設置泄水井（邊溝沉砂池），以攔截洞外路面水。本隧道進出口路基開挖應按路基設計要求進行，洞口處路基邊坡應進行防護，其截水溝應與仰坡截水溝綜合考慮設置，形成完善的排水系統(tǒng)。

3.2.5 防凍設計

隧址區(qū)的最冷月平均氣溫-5.7 ℃，凍土深度最厚達120 cm。考慮凍脹對結(jié)構(gòu)的破壞影響，排水邊溝采用開口形式；隧道中心排水管采用5 cm 聚氨酯保溫材料包裹，出口進行保溫出水口設計，確保在冬季二次襯砌背后不凍結(jié)，排水系統(tǒng)的通暢。

3.2.6 路面設計

隧道內(nèi)路面選型采用復合式路面設計。隧道內(nèi)路面結(jié)構(gòu)：4 cm 細粒式密級配AC-13 型瀝青混凝土+6cm中粒式密級配AC-20型瀝青混凝土+24 cm 水泥混凝土板+15 cm 貧混凝土基層，表面層改性瀝青中摻加5%～8%改性瀝青重量的阻燃劑。隧道內(nèi)澆筑混凝土時要注意接縫、中心排水溝檢查井等處鋼筋的架設。

3.2.7 人行道設計

為便于對洞內(nèi)設施的維修養(yǎng)護及方便人行，隧道內(nèi)設置雙側(cè)人行道，人行道的高度考慮人員步行及下跨時的安全，滿足電纜槽空間尺寸的要求，設計人行道高度為30 cm，人行道寬度左、右側(cè)均為100 cm。

4 結(jié)語

本文根據(jù)改擴建下嵋芝隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及病害程度，對下嵋芝隧道的內(nèi)輪廓、襯砌結(jié)構(gòu)設計、輔助施工措施、防排水工程及路面設計參數(shù)的選取進行了詳細介紹，對以后類似圍巖的隧道工程改擴建設計能夠起到一定的借鑒作用。