杭金衢高速公路新嶺隧道改擴建設計

鄭軍華 丁海洋

(浙江數智交院科技股份有限公司(浙江省交通規劃設計研究院)，浙江 杭州 310031)

隨著我國公路交通量快速增長，許多運營時間較長的高速公路已不能滿足現有交通量需求，急需修建復線或改擴建既有道路以提升道路通行能力及服務水平。改擴建過程中不可避免地會遇到既有隧道工程。隧道往往決定著整條線路的工期，因此，隧道的改擴建是整個工程的核心工程。本文以浙江杭金衢高速新嶺隧道改擴建工程為依托，詳細介紹隧道車道數的確定、改擴建方式及與既有隧道合理凈距確定、新建隧道與開挖工法設計，以及控制爆破措施與既有隧道監控等較新且難的問題。

隧道改擴建主要分為原址擴建方案以及新建隧道方案。其中，原位擴挖方案對既有交通影響較大、施工工序復雜、施工風險大、對隧道結構需進行具體分析[1,2]，一般隧道擴建在可行的情況下宜采用分離增建的形式加寬，具體工程中均需根據實際情況具體比選分析[3-5]。且隧道原位改擴建過程中易發生滲漏水現象，近年來，對該類方案的研究較多[6-9]。改擴建技術、擴挖工法對隧道改擴建也有較大的影響[10-13]。對于隧道改擴建過程中的詳細設計，如加寬方式、合理凈距的確定等的研究并不多見。

1 工程概況

杭金衢高速公路位于浙江，是滬昆高速的重要組成部分。新嶺隧道位于杭金衢高速公路浙江諸暨直埠鎮，在次塢出口以南3.6 km處，是杭金衢高速杭州至金華段的重點工程。改擴建前屬于交通擁堵最嚴重的路段，逢年過節堵車屢見不鮮，曾號稱浙江高速的“堵王”，且交通事故頻發。因此，新嶺隧道的改擴建方案是該項目成功與否的關鍵。

既有新嶺隧道為分離式雙向四車道隧道，隧道長度為1 423 m，屬于長隧道。設計行車時速120 km/h，隧道限界凈寬10.75 m、凈高5.0 m；隧道左、右軸線間距為41.3 m，隧道平面處于直線段上，縱坡采用人字坡；內輪廓采用單心圓斷面，采用錨噴支護復合模注混凝土襯砌；隧道共2處人通和1處車通，于2003年建成通車。

隧道進出洞口段位于丘陵地形，為含黏性土碎石、強～中風化巖體、節理裂隙發育，呈鑲嵌碎裂結構，穩定性差，圍巖等級評定為Ⅴ級。進洞口處于沖溝下部緩坡，地表水易匯集；右洞分布采空區，為當地村民自發采煤所致，逐煤開采，有露天方式和巷道方式，無規劃、無支護措施和管理措施，對隧道圍巖有較大的影響，弱化了隧道地基的承載力，極易產生較大的圍巖位移。

2 既有隧道病害概況

隧道施工過程中曾發生多次小塌方和圍巖變更，塌方范圍、方量較小，塌方區采用漿砌片石或混凝土回填。新嶺隧道建成通車至今，發生了襯砌開裂、洞內滲水等不同程度的病害。

2011年9月，對新嶺隧道進行了病害調查、襯砌質量檢測，主要檢測結果如下：1)隧道主要的病害為襯砌裂縫，裂縫的分布范圍廣、較密集。隧道左線裂縫以環向和縱向裂縫為主，隧道右線裂縫以縱向為主，環向和斜向裂縫次之。裂縫寬度普遍為0.2 mm～3 mm，裂縫深度一般在20 cm以上。2)現場調查已處理過的舊裂縫未出現二次開裂現象。按裂縫寬度分類，裂縫屬于微張開裂縫。深度相對較深，判斷隧道二襯結構破損等級為B級。3)部分隧道段二襯存在不密實的現象；斷面輪廓無侵限現象；混凝土強度滿足要求。4)部分隧道段二襯實際厚度小于設計厚度。

3 隧道改擴建設計

3.1 隧道車道數確定

杭金衢高速公路全線改擴建采用雙向八車道標準，但由于新嶺隧道出口與直埠樞紐較近，將產生較大的轉向交通量，考慮今后大小型車分道管理，從可能的實際交通模式出發，需要對新嶺隧道至直埠樞紐互通交通負荷能力作重點分析，以確定增建隧道的車道數需求。計算采用FHWA的HCM2000模型，采用交織構型A型的計算模型，構型簡化圖見圖1，左側為杭州方向，右側為金華方向。

根據分析結果，如采用原隧道保留、兩側增建隧道的方案，因隧道出口距前方直埠樞紐較近，按常規路段增建2個車道無法滿足轉向交通量通行需求，也不利于大小型車提前分道管理及通行安全，因此需各增建3個車道才能滿足通行需求。此外，采用單個四車道隧道也能滿足正常的通行需求。

3.2 隧道改擴建加寬方式

隧道改擴建加寬方式，可根據隧道軸線地形、地質條件，采用單側分離增建、雙側分離增建和原位擴挖等多種形式。由于原位擴挖隧道對既有交通影響較大、施工工序復雜、施工風險大，隧道路段宜采用分離增建的形式加寬。此外，因單洞四車道隧道造價高、施工風險大，故分離增建的隧道不宜采用單洞四車道方案。

工可階段對雙側增建隧道方案、單側增建隧道方案和一側增建另一側原位擴挖隧道等方案進行了綜合比選，結合分離增建隧道的車道數需求分析及隧道特點，初步設計階段提出以下2個方案做進一步比選。方案一：在隧道兩側分別增建一個三車道隧道；方案二：在隧道右側增建一個單洞四車道隧道。改擴建方案平面示意圖如圖2所示。

2個方案的比選結果如表1所示。

表1 方案比選表

鑒于新嶺隧道段地質情況較差，盡管方案二造價比方案一低，方案二左幅2個二車道隧道并不能滿足車流量需求。且四車道隧道屬于大斷面隧道，施工難度大、施工風險高且工期長，對隧道旁一村落的影響也最大；方案一的行車通行能力能夠滿足遠期車流量需求，因此推薦采用方案一。

3.3 新老隧道合理凈距確定

浙江是土地資源極為稀缺的省份之一，為使有限的土地得到最大程度的利用，隧道拓寬工程需在保證既有隧道結構安全的前提下盡量節約用地，因此，新老隧道間凈距的選擇無疑是一個非常重要的影響因素。為確保新隧道不會對老隧道的安全運營造成明顯影響，有必要探明新隧道動、靜力開挖作用下對老隧道造成的影響，以確定新建隧道的合理開挖工法、開挖進尺及新老隧道凈距等關鍵性指標。

采用大型通用有限元程序ANSYS，結合新嶺隧道的實際斷面形式建立計算模型，研究動、靜力狀態下新建隧道施工對既有隧道的力學行為影響特征。以30 m凈距情況為例，有限元計算模型如圖3所示。結合新嶺隧道的實際情況，分別選取Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級不同圍巖三處典型斷面進行計算分析。每種圍巖斷面均按照新老隧道凈距分別為10 m，20 m以及30 m三種情況進行計算。另外考慮到既有隧道病害嚴重，針對不同圍巖段的襯砌背后空洞、裂縫等病害情況，研究其在爆破影響下的振動速度，并和二襯完好時的工況進行比較，進一步探討新隧道施工對老病害隧道造成的影響。

通過新建隧道爆破及靜力作用下對既有隧道的影響及施工工法的分析，可得到如下幾個結論：

1)如圖4所示，靜力開挖作用下，隨著凈距的增加，新隧道施工對老隧道的影響逐漸減弱。當開挖凈距控制在30 m時，各級圍巖施工時的振動速度均滿足相關規范要求。2)拱頂裂縫和空洞同時出現時計算模型如圖5所示，監測點編號示意圖如圖6所示，各病害工況下監測點振動速度峰值曲線圖如圖7所示。當二襯背后出現空洞時，由于空洞的放大效應，新建隧道爆破振動將引起空洞部位振動速度及位移等量值的增大。當既有隧道二襯出現裂縫時，在裂縫周邊區域會產生應力集中現象，此時相比于正常工況，振動速度和位移反而會減小；當裂縫和空洞同時出現時，由于空洞的放大作用，結構的附加應力進一步增大，此為最不利情況，此時同樣應當以振動速度和應力共同作為安全控制基準。3)鑒于新嶺腳村右側拆遷問題，在前期線位方案的擬定過程中對隧道洞口間距和拆遷問題進行了深入研究后發現，隧道洞口采用20 m凈距較30 m凈距拆遷減少約700 m2，征地減少0.7 hm2，兩者相差不明顯。綜上所述，根據對項目工期、施工安全性、工程造價和對既有隧道運營影響等因素綜合比較后，確定新建隧道與既有隧道間合理凈距按30 m控制。

3.4 隧道主體設計

3.4.1 既有隧道利用

新嶺隧道拓寬后，既有隧道通過采取病害維修加固、路面翻修、機電設施改造等措施后，維持原有通行方向進行利用。

根據既有隧道全面的病害檢測資料和新建隧道施工完成后的實際病害情況，采用工程類比法對既有隧道襯砌背后空洞注漿回填、裂縫修補與襯砌加固、滲漏水整治等方面進行全面的處治維修，同時對路面、機電附屬設施等進行改造升級。整治加固完成后，要求在進行正常養護的同時，還應建立長期觀察、觀測機制。

3.4.2 新建隧道設置

根據2.2節中所選的拓寬方案一，在既有隧道兩側分別增建一個三車道隧道，隧道平均長度1 414.5 m。新建隧道設計標準如表2所示。

3.4.3 隧道洞內橫通道及防災救援設計

1)洞內車行橫通道。

車行橫通道用于應急情況下的車輛疏散，同時也兼行人疏散通道。新隧道與老隧道之間，左右洞各設一個車通。車通中線與隧道中線呈60°夾角。最大轉彎半徑為15 m。原有隧道之間的車通保留。

2)洞內人行橫通道。

綜合考慮隧道長度等情況來設置人通、車通。新老隧道間各新增2個人通，原有隧道之間的人通保留。

3)隧道運營防災救援應急預案。

當隧道內發生火災、嚴重交通事故時，應立即阻斷隧道外流入的車輛；當事故發生在新建隧道時，洞內事故分區內的人員、車輛通過新建人通、車通向既有隧道疏散，消防滅火作業首先由隧道管理人員現場組織疏散和救援，隧道洞內每隔50 m單側設消火栓及滅火器。當事故發生在既有隧道時，洞內事故分區內的人員通過人通、車通向兩側隧道疏散，車輛通過既有車通向另一個既有隧道疏散。疏散路線示意圖如圖8所示。

3.4.4 隧道施工工藝、監控量測及控制爆破措施

既有隧道在新隧道施工時依舊在營運，由于既有隧道與新建隧道凈距較小，新建隧道施工的爆破振動會在很大程度上影響既有隧道的行車舒適度、圍巖穩定性以及結構安全。

因此，綜合了新嶺隧道的實際情況、地質概況等因素，根據爆破振動對老隧道圍巖穩定及結構安全的影響性分析結果確定了施工方法、爆破控制指標等。

1)施工方法。

Ⅴ級圍巖進出洞口段采用雙側壁導坑法，每循環進尺不大于0.6 m；其余Ⅴ級圍巖段采用預留核心土法，每循環進尺不大于0.8 m。Ⅳ級圍巖段采用上下臺階法，每循環進尺不大于1.2 m。Ⅲ級圍巖段采用全斷面法，每循環進尺不大于1.5 m。

2)既有隧道監控量測。

隧道施工過程中應對新、老隧道進行全程實時監控，動態評估新隧道施工對老隧道造成的影響，從而調整爆破等相關設計，主要監控量測項目包括：

a.既有隧道洞內觀察。

新隧道施工前應對老隧道進行全面的觀測、記錄，標記出所有的襯砌裂縫，重點觀測可能新增的裂縫。每次爆破施工后，應立刻對起爆點對應的老隧道里程處前后50 m范圍內進行全面的檢查，重點針對裂縫的發展、懸掛設備、隧道外觀等進行觀測，應盡量采用自動化采集設備，以縮短檢查時間，并用相機等手段進行詳細記錄。一旦發現異常情況，應立刻封閉交通，確保運營安全。

b.既有隧道重點裂縫監測。

為進一步了解新隧道施工對老隧道造成的影響，對每次爆破掌子面前后30 m范圍內的重點裂縫進行連續觀測。

c.既有隧道爆破振動速度監測。

每次隧道施工爆破時，需對既有隧道對應里程的監測點進行振速及頻率的記錄，評估對既有隧道的影響，從而動態調整施工。

在靠近新建隧道側的既有隧道邊墻上每斷面布置2個～3個測點，每個測點均設置垂直與水平速度傳感器各1個；Ⅳ級、Ⅴ級圍巖段每隔10 m設置1個斷面，Ⅲ級圍巖段每隔20 m設置1個斷面。每次爆破時，記錄爆破掌子面對應既有隧道里程前后5個斷面相應數據。由于既有隧道存在二襯裂縫、襯背空洞等病害情況，爆破振動速度監測時，監測點應盡可能選擇在上述不利位置進行，依據既有隧道的實際情況選擇具有代表性的位置設置振動測點進行測試。

3)控制爆破措施。

a.爆破振動速度要求。

既有隧道爆破振動速度一般不大于10 cm/s，當襯砌存在裂縫時，標準可控制為3 cm/s～5 cm/s。為防止兩次爆破的結果疊加，起爆間隔應根據測試確定，或者也可按經驗值取不小于200 ms。

b.爆破減震措施。

恰當的掏槽位置以及掏槽形式的選擇能有效降低爆破時的振動。

爆破時按恰當的順序分別起爆，微差爆破。

炮孔封閉加強，從而有效提高爆破的能量利用率。

合理布置空孔。在靠近既有隧道的一側開挖區合理布置空孔，從而減小爆破產生的振動，減小對老隧道造成的破壞。

4 結語

1)綜合考慮交通量通行需求、施工難度、施工風險、工期以及工程造價因素，本項目最終采用兩側三車道擴建方案。

2)根據對項目工期、施工安全性、工程造價和對既有隧道運營影響等因素綜合比較后，確定新建隧道與既有隧道間合理凈距按30 m控制。

3)新嶺隧道具體施工方案應為：先施工新建隧道以及進出洞口兩端引線、聯絡通道，現有車輛依舊從既有隧道通行；待新隧道施工完成后，封閉既有隧道，車輛通過新建隧道通行；既有隧道進行病害整治和路面等設施改造。洞內橫通道從新建隧道側開始施工，至接近既有隧道時先暫停施工，待新建隧道主洞施工完成、既有隧道車輛引至新建隧道后，再從既有隧道側施工。