高速公路隧道擴建力學(xué)分析及方案研究

李佳冬

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們對高速公路運輸能力的要求越來越高。目前國內(nèi)的高速公路很多路段都是四車道，為了滿足人們的需求，需要擴建為六車道或者八車道。在高速公路擴建施工過程中，較為復(fù)雜的部分就是隧道擴建部分。本文通過介紹高速公路的研究現(xiàn)狀、高速公路隧道擴建形式以及結(jié)合具體的工程施工例子進行分析和方案的探究，可以給以后此類工程的施工提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：高速公路 運輸能力 隧道擴建

引言：大約從七、八十年前西方的一些較為發(fā)達的國家為了滿足人們對交通運輸?shù)囊缶烷_始研究并修建高速公路，經(jīng)過了幾十年的高速發(fā)展，高速公路現(xiàn)在已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠郑彩菄疑a(chǎn)力的具體體現(xiàn)之一。高速公路運輸效率高、負(fù)載容量大，由于人們對生活質(zhì)量的高要求，各國對高速公路的需求日趨上漲，越來越多的高速公路盤桓在國家版圖上。我國第一條高速公路是1988年建成的滬嘉高速公路，近幾十年來，我國高速公路的發(fā)展突飛猛進，為我國建設(shè)做出了巨大的貢獻。但是隨著生活水平的提高，人們不再滿足于“有”，而是追求高質(zhì)量的交通運輸，這樣對高速公路擴建的研究就顯得及其必要了。

1 高速公路隧道擴建形式及其研究現(xiàn)狀

一般來說高速公路隧道擴建工程一般包括新建小間距隧道形成隧道群和擴挖工法，擴挖工法一般又主要包括超前導(dǎo)洞擴挖法和新建隧道等方法。

1.1 小間距隧道的研究

就目前來說四車道高速公路隧道一般都是以上下行分離式的形式來修建的。《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中明確規(guī)定了高速公路隧道必須設(shè)計成雙洞形式。如表1.1所示是規(guī)定的雙洞最小凈距。

由于自然環(huán)境因素是影響高速公路隧道擴建的一個重要因素，比如高速公路所處的天氣環(huán)節(jié)較為惡劣、高速公路線路曲折，所以需要建立一個新的隧道，這個隧道的地理位置可以是處于原有隧道之間或者離原有隧道較近的地方，使這個新的隧道與原有隧道的凈距小到相互影響的范圍之內(nèi)，這樣就形成了小間距隧道群。

國外很早就對小間距隧道群有所研究，其中日本是在這方面走在前列的國家，1996年日本鐵道綜合技術(shù)研究所就得出了圖1.1的劃分標(biāo)準(zhǔn)。日本利用小間距隧道群設(shè)計的最有名的公路工程是名古屋神戶高速公路工程，綜合了多項內(nèi)容如施工、管理、檢測、安全等進行研究。

綜合國內(nèi)外對小間距隧道的研究方向，大概可以分成以下幾個方面：1.研究兩隧道之間互相影響的范圍。2.在確定互相影響的范圍之后，研究其合理間距。3.研究施工過程中可能會出現(xiàn)的地表沉降規(guī)律。4.研究加固措施。5.研究中間巖柱的穩(wěn)定性。

1.2 原位擴建和擴挖工法的研究

以原有隧道為擴建基礎(chǔ)，摧毀原有隧道的結(jié)構(gòu)，在原有隧道附近進行擴挖的擴建方法就是隧道的原位擴建。這種方法能夠增大隧道的空間范圍，以滿足增加車道的目的。原位擴建一般分為三種方法：單側(cè)擴建、雙側(cè)擴建以及周圍擴建。如圖1.2所示，單側(cè)擴建是指在破壞原有結(jié)構(gòu)后，只是在原隧道的一方擴挖，另一方幾乎不進行施工，一般應(yīng)用于需要保證原隧道一方巖石的完整性的工程項目中。雙側(cè)擴建是指破壞原有結(jié)構(gòu)后雙向擴挖，雙側(cè)擴建的優(yōu)點是擴建完成后道路的中心線保持不變，一般應(yīng)用于需要保證原路線的工程項目，缺點是工程施工較為復(fù)雜、花銷較大。周圍擴建在實際應(yīng)用中并不常見，需要打破隧道周圍的原始情況，工程施工復(fù)雜、難度大，對周圍巖石破壞大。

就世界范圍來說，最著名的原位擴建工程項目之一是如本名神高速公里天王山隧道工程。天王山隧道地質(zhì)環(huán)境惡劣，導(dǎo)致該工程施工難度較大，需要多種設(shè)備進行配合施工才能將影響降到最低。

2 高速公路隧道擴建實例

2.1 工程實例簡介

大帽山隧道位于沈海高速公路，建于1997年。大帽山隧道的改建需要在原隧道之間新建一個四車道大斷面隧道，然后將右洞擴挖為四車道隧道。由于新建隧道的凈距均屬于小間距隧道的范圍內(nèi)，這種工程在全國來說是沒有過的，所以大帽山隧道改建工程的意義十分重大，能夠為以后類似的工程提供借鑒。如圖2.1是該工程的擴建方案。

該擴建工程主要特點如下：

1）小間距進階施工。

2）軟弱圍巖大跨度扁平隧道。

3）由于該工程方案對右洞進行施工導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體不對稱，受力情況較為復(fù)雜。除此之外，右洞施工屬于小間距原位擴挖施工，隧道之間的相互作用不太明確。

4）地質(zhì)情況復(fù)雜，包含多種多樣的巖石群，對施工造成了很大的障礙。

2.2 擴建方案分析

四車道高速公路在我國高速公路隧道占有很大一部分的比例，所以在以往的隧道擴建工程中四車道的改建占很大一部分。在將四車道改建為六車道甚至八車道的工程中，如果要在同一個隧道中建造同向車道，就很可能出現(xiàn)三車道、四車道的大斷面隧道，這就大大增加了施工難度。接下來討論幾種利用普通分離式口將四車道改建為八車道的方案。

因為普通分離式隧道的特點之一就是隧道間距離比較大，可以利

用隧道之間的間距，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H地質(zhì)情況和空間范圍，重新設(shè)計建設(shè)新的隧道。圖2.2介紹了幾種普遍的普通分離式擴建工程方案。

如上圖所示，方案1和方案2主要是新增兩個雙車道，方案1是在兩個隧道之間新建一個，再在外側(cè)建造一個雙車道隧道，方案2相比于方案1來說建造的雙車道隧道都處于隧道外側(cè)。方案1和方案2的優(yōu)點主要是施工過程簡單，使用設(shè)備不復(fù)雜，施工時間較短，既可以進行施工，同時又可以保證交通的運輸，這樣施工效率較高，施工費用較小。除此之外，這兩種方案可以保證多隧道同時工作，這樣就能夠降低出現(xiàn)風(fēng)險事故的幾率，避免了因為事故造成的交通堵塞等情況。但是方案1和方案2也有不足之處，首先這兩種方案需要較為廣闊的空間，一邊修建隧道群，這樣不適合狹小地區(qū)隧道擴建的應(yīng)用。另外由于隧道被分成兩個洞室，這樣就會降低車輛通行的連貫性，可能會導(dǎo)致行車緩慢。

方案3采用的是新建雙車道隧道，對其中一個既有隧道擴建，擴大為四車道隧道。這個方案最大的好處就是隧道利用率高，達到100%，同時能夠保證車輛行駛的速率，同時因為隧道跨度小，施工難度較小，耗時較短，花費較小，施工的管控也較為容易，在出現(xiàn)事故之后，方案3也能夠保證隧道的正常通行。

雖然方案4和方案3都是采用的新建加擴挖的擴建方案，但是不同的是方案4的軌道利用率并沒有達到100%，施工過程大致為先在隧道中間修建四車道大斷面隧道，然后再進行擴挖改建。工程投入使用后兩個四車道隧道進行交通運輸，原有的雙車道隧道則作為應(yīng)急車道。但是方案3和方案4相比于方案1和方案2來說施工周期較長，耗費較大，施工復(fù)雜，中建隧道的施工和外側(cè)隧道的施工需要分布進行。

方案5是一種雙洞擴挖方案，主要就是對原有的分離式隧道進行擴挖，增加空間以形成八車道隧道。這種方案的好處是能夠最大限度地保證原有隧道的線路，而且占用空間不大，很適合空間較為狹窄的隧道擴建。但是這種方案的不足之處也很明顯，在施工過程中，需要在兩側(cè)進行擴挖，施工難度較大，同時在施工過程中隧道占用較大，可真正實行通車的空間就較為狹小，這樣就會大大降低高速公路的通行效率。

總結(jié)語：本文介紹了高速公路的一些擴建方案的研究現(xiàn)狀，研究了高速公路幾種普通分離式擴建方案的優(yōu)缺點，介紹了大帽山隧道擴建工程實例的具體情況。但是由于研究時間、條件和個人能力的原因，本文還存在很多不足之處，比如除了普通分離式擴建方案，目前還有其他的擴建方案也在大規(guī)模使用，對大帽山工程項目的施工過程也沒有完整進行介紹等，還需要后續(xù)進行大量的研究。

參考文獻：

[1]陳陸軍. 典型高速公路隧道擴建方案及施工力學(xué)行為研究[D].西南交通大學(xué)，2013.

[2]黃曉明，楊忠華.高速公路隧道擴建力學(xué)分析及方案研究[J].交通建設(shè)與管理，2014（08）：45-48.