太舊高速北茹隧道改擴建方案比選研究

鄧皇根

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

山西省高速公路建設和運營已經走過二十多年，伴隨著高速公路改擴建工程在全國各地的興起和發展，山西省高速公路改擴建邁開了自己的建設步伐，其中包含已經建設完成的長邯高速改擴建和正在建設的晉陽高速改擴建。

太舊高速是山西省高速公路網規劃“四縱十五橫三十三聯”第七橫的重要組成部分，是山西省第一條高速公路。近年來隨著太舊高速沿線社會經濟的快速發展和周邊路網的不斷完善，主線交通流量增長很快，雖然以北的京昆高速太陽段分流緩解了太舊高速的壓力，但從交通量預測結果來看，未來仍將保持較高的增長速度。太舊高速服務水平逐年降低，服務水平已降至三級服務水平下限，通行能力差，事故頻發，安全性差。目前的道路標準難以滿足交通量、社會經濟發展、道路服務水平、交通安全等方面的需求，實施改擴建工程刻不容緩。

既有太舊高速原設計速度60 km∕h，雙向四車道，改擴建采用設計速度80 km∕h，雙向八車道。北茹隧道是既有太舊高速上唯一一座隧道，北茹隧道改擴建屬于整個改擴建項目的重點亦是難點，遵循“利用與改擴建充分結合、建設與運營相互協調”的原則，本文綜合考慮北茹隧道的現狀、洞外接線條件、建設標準、改擴建難易程度、交通量及組成、施工交通組織及運營安全等因素，進行隧道分離增建、原位擴挖及其組合等多方案經濟技術比選。

1 北茹隧道概況

北茹隧道按山嶺地區高速公路分離式雙洞隧道設計，采用的主要技術標準：設計行車速度60 km∕h；隧道建筑限界凈寬9.5 m，凈高5.0 m。右線樁號范圍SYK90+995—SYK92+060，長度1 065 m，左線樁號范圍SZK90+935—SZK92+000，長度1 065 m，左右線凈距約40 m。圖1 為北茹隧道現狀平面圖，圖中南側北茹1 號隧道為G307 改擴建項目已建雙向四車道隧道，間距約100 m。

圖1 北茹隧道現狀平面圖

如圖2所示，北茹隧道共設置車行橫洞1 處，人行橫洞2 處，在左、右洞中部各設緊急停車帶1 處，其有效長度為30 m，兩端過渡段長度各20 m，緊急停車帶設于車輛前進方向的右側，寬2.5 m。

圖2 車行、人行橫洞平面布置示意圖（單位：m）

隧址區出露地層和隧道圍巖主要由二疊系上統上石盒子組（P2s）砂泥巖組成，屬于較軟巖，全風化-中風化，節理裂隙較發育，巖體較破碎-較完整，圍巖級別為Ⅴ～Ⅳ級，隧道洞體進出口自然坡度40°左右，巖層產狀165°∠9°，路線走向約280°～290°，強風化巖層易發生崩塌掉塊現象，隧道口邊坡穩定性稍差，圍巖級別為Ⅴ級。隧址區內地下水為碎屑巖類裂隙水，賦水量較少。

北茹隧道1994年開工建設，1996年建成通車，通車運營二十多年以來，2017年進行了一次大的維修改造，土建部分對隧道襯砌裂縫和滲漏水、襯砌背后空腔、洞口結冰等進行了病害處治；機電部分對監控、通風、消防、照明和供配電系統進行了升級改造。受山西交通控股集團有限公司太舊高速公路分公司委托，山西省交通建設工程質量檢測中心（有限公司）于2019年7月對太舊高速公路北茹隧道進行了土建結構定期檢查，評定結果為2 類。

2 北茹隧道改擴建方案綜合比選

北茹隧道作為既有雙洞四車道分離式隧道，擴建為八車道隧道時，可采用利用既有雙洞再增建雙洞四車道隧道或單洞四車道隧道方案或原位擴建方案。

北茹隧道原設計速度60 km∕h，該項目改擴建設計速度采用80 km∕h，當設計速度提升時，對利用的既有隧道應重新確定建筑限界。經分析，既有北茹隧道內輪廓不能滿足設計速度提升后的標準兩車道（3.75 m×2）隧道建筑限界基本寬度要求，但能夠滿足僅限小客車通行的兩車道（3.75 m×2）隧道建筑限界基本寬度要求。

在上述分析的前提下，結合路線總體設計，對北茹隧道改擴建進行了5 個方案的定性和定量的比選研究。

2.1 原位擴建方案

如圖3所示，方案一即在滿足改擴建設計速度80 km∕h 的前提下，由上下行分離式雙洞四車道隧道擴建成上下行小凈距雙洞八車道隧道。

圖3 原位擴建方案示意圖

經路線總體研究，該方案主要存在以下問題：

a）該方案對北茹隧道雙洞分別進行拓寬改造，結合項目總體建設思路，建設期間不中斷太舊高速交通，因此在項目建設期可利用單洞單向保通，另需修建一條保通便道，但該路段受地形高差大、藥林寺冠山省級自然保護區等因素限制，保通困難，需中斷交通，社會影響性極差。

b）在DK50+000—DK51+000 段，推薦方案位于既有太舊高速北側山坡布線，該路段地形較高，路線范圍內山頂至隧道洞口高差為56 m，均位于藥林寺冠山省級自然保護區實驗區范圍內，該路段長500 m，需大面積開挖山體，對保護區影響較大。

c）隧道出口侵占了桃河支流治導線范圍，該路段溝谷狹長，河道改流困難，不具備改移條件。

d）路線方案穿越了華陽二礦龍門風機房廠區范圍，溝通拆遷難度大，項目實施社會影響較差。

e）既有北茹隧道原位擴建，左右洞凈距約40 m，屬于小凈距隧道，而且是長隧道，對于雙洞八車道隧道來說，施工風險較大。

綜合上述問題，路線總體上不采用該方案。

2.2 原隧道改建+分離增建

如圖4所示，方案二維持原設計速度60 km∕h 的前提下，原標準利用原隧道改建成舊關至太原方向同向分離雙洞四車道隧道，另分離增建太原至舊關方向同向分離雙洞四車道隧道。

圖4 原隧道改建+分離增建方案示意圖

該方案工程規模較小，主要是原下行洞的行車方向右側增設一處緊急停車帶，如圖5所示，采用局部擴挖的方式，另外，由于行車方向的改變，需要對原下行洞的通風進行改造。

圖5 原下行洞新增緊急停車帶示意圖（單位：m）

2.3 原位擴建+分離增建

如圖6所示，方案三即在滿足改擴建設計速度80 km∕h的前提下，依據現行隧道規范[1-2]將原上下行分離式雙洞四車道隧道擴建成舊關至太原方向同向分離雙洞四車道隧道，另分離增建太原至舊關方向同向分離雙洞四車道隧道。

圖6 原位擴建+分離增建方案示意圖

圖7 為新舊隧道內輪廓對比圖，擴挖最寬處僅83.5 cm，原位擴建隧道擴挖面積較小，且需將原有襯砌全部拆除并重新施作，采用機械鑿除的方法對斷面進行開挖，減少對圍巖的擾動。

圖7 新舊隧道內輪廓對比圖（單位：cm）

由于既有緊急停車帶的有效長度和右側加寬寬度不滿足現有隧道規范的相關要求，原上行洞緊急停車帶需要進行擴建，原下行洞需要在行車方向右側增設一處緊急停車帶。

2.4 單洞擴建+單洞救援通道+分離增建

如圖8所示，方案四即在滿足改擴建設計速度80 km∕h 的前提下，利用原隧道下行洞單洞擴建成舊關至太原方向單洞四車道隧道，上行洞不再作為通車使用，而是作為應急疏散救援通道，亦可兼作運營備用通道，并利用既有隧道橫通道連接擴建后的四車道隧道和應急疏散救援通道，另分離增建太原至舊關方向同向分離雙洞四車道隧道。

圖8 單洞擴建+單洞救援通道+分離增建方案示意圖

利用原上行洞作為救援通道，應在下階段對既有北茹隧道進行專項檢查，根據新的專項檢查報告，加固利用原上行洞[3]。

利用原下行洞單側擴挖成四車道隧道，Ⅲ級圍巖宜采用臺階法，Ⅳ級圍巖宜采用臺階法或中隔壁法，Ⅴ級圍巖宜采用中隔壁法或交叉中隔壁法。

2.5 單洞改建+單洞原位擴建+分離增建

如圖9所示，方案五即在滿足改擴建設計速度80 km∕h 的前提下，依據現行規范將原下行洞改建成僅限小客車通行的兩車道隧道，將原上行洞擴建成滿足大車通行的標準兩車道隧道，另分離增建太原至舊關方向同向分離雙洞四車道隧道。

圖9 單洞改建+單洞原位擴建+分離增建方案示意圖

原下行洞的改建主要工程規模包括：為滿足洞口3 s 平、縱線形一致要求，舊關端平面線位進行了局部調整，調整段落需要進行拆除新建；原洞內由于錨噴加固處治、襯砌變形等原因造成的實際內輪廓不滿足調整后的隧道建筑限界要求的局部段落，需要拆除新建；行車方向右側增設一處緊急停車帶，采用局部擴挖的方式；原洞內路面為雙向坡，調整后為單向坡，洞內路面需重鋪；兩側檢修道拆除新建；由于行車方向的改變，需要對原下行洞的通風進行改造。

隧道改建拆除鋼筋混凝土襯砌時，遵循“地質條件由好向差、承載由強到弱、分割多個單元拆除”的原則；拆除混凝土襯砌時，遵循“弱預裂、早支護、分割多單元拆除”的原則。改建施工宜成環進行，可采用間隔分段施工。

原上行洞的擴建同方案三，擴挖面積較小，需將原有襯砌全部拆除并重新施作，采用機械鑿除的方法對斷面進行開挖，減少對圍巖的擾動。

2.6 綜合比選

從路線總體方面考慮，方案一已不具備比選意義，方案二～方案五這4 個方案舊關至太原方向改擴建方式有所不同，而太原至舊關方向改擴建方式一致，即增建同向分離雙洞四車隧道，因此，主要圍繞舊關至太原方向的改擴建進行該4 個方案的經濟技術綜合比選，見表1。

表1 改擴建方案綜合比選

由表1 綜合比選得出：建議方案五作為北茹隧道改擴建推薦方案，該方案滿足80 km∕h 設計速度改擴建標準的同時，對既有隧道的利用率高，節省造價。主要不足是客貨分流，但可充分利用智慧交通相關技術通過設置機電交安設施彌補不足。

3 結語

在工程可行性研究階段，經過多方案經濟技術比選，確定“單洞改建+單洞原位擴建+分離增建”作為既有太舊高速北茹隧道改擴建推薦方案，該方案技術可行、經濟合理，可供同類工程參考。