复杂条件下城市隧道改建设计

刘 挺，徐学深

(1.宁波大榭开发区宏利路桥工程有限公司，浙江宁波 315192;2.宁波顺和路桥设计有限公司，浙江宁波 315105)

0 引言

沈家门海中洲隧道所处条件复杂，与一般隧道改建相比，具有周边建筑物密集、存在未处理的塌腔体、埋深浅、跨度大及设计和施工控制要求高等显著特点，如何在施工时保证隧道及周边建筑物的安全成为改建设计的关键。

在隧道改建相关研究中:文献［1］对既有隧道改建施工的安全风险及对策进行了阐述，其中设计风险防范及对策等相关内容对海中洲隧道改建设计具有一定的指导性，但偏向于理论化，缺乏实用性;文献［2］主要阐述了城市隧道改建的方案比选及施工安全控制，对海中洲隧道改建方案设计具有较强的指导意义，但未涉及到改建隧道的结构设计;文献［3］列举了隧道扩挖及改建施工中各种扩挖工法，分别探讨其适用条件、使用限制及优缺点，对改建隧道的设计及施工具有一定的指导意义，但偏向于施工方面，缺乏对设计方面的指导性;文献［4－5］对大跨度隧道的结构设计和施工技术进行了论述，对海中洲隧道的结构设计具有一定的参考价值，但新建隧道的结构设计参数对于改建隧道的适用程度不明确，且隧道所处的周边环境相差较大。

综上可知，目前相关的文献多从某个方面对隧道改建设计及施工进行研究，而对在复杂条件下城市隧道改建设计方面，缺乏较为系统的研究成果，国内也没有相应的设计规范和规程。本文针对海中洲隧道所处的复杂条件，介绍城市隧道改建方案比选及在结构设计、原隧道塌方地段处理和开挖方案等方面所采取的技术措施。

1 工程概况

1.1 工程现状

海中洲隧道是城区主干道东海路上的一座短隧道，原隧道于1986年9月竣工，全长184.5 m，为双向两车道隧道，行车道机非混合通行，隧道东洞口平曲线半径较小(35 m)。隧道净高5 m，净宽10 m，其中行车道2×3.5 m，两侧人行道2×1.5 m;东海路行车道宽13 m，其中机动车道2×3.5 m，非机动车道2×2.75 m，机非分隔带2×0.25 m。隧道洞身两侧直墙为50 cm厚浆砌块石，拱部为40 cm厚混凝土衬砌，洞口段为40 cm厚钢筋混凝土衬砌。

受当时设计和施工技术限制，又经过20余a的运营，海中洲隧道洞内已经出现衬砌结构开裂和渗漏水等病害，且通过地质勘察探明，原隧道东洞口曲线处存在纵向长约7 m、横向宽约9.8 m、高1.3 ～8.7 m 的塌腔体。随着城区交通量的增长，原隧道越来越不能适应交通的需求，已成为东海路的交通瓶颈，且老隧道的病害还会给运营安全埋下隐患，急需对原隧道进行改建。

1.2 地形、地貌情况

海中洲隧道位于沈家门地区中部，为低矮丘陵区。区内地形北部高，南部及东西两侧低，低矮丘陵的山脊线呈近南北向延展，最高处海拔为49.3 m，最低处海拔为3.2 m，地形坡度为31°～33°，呈凸面坡形态。隧道顶部中轴线处高程为11.3～36.5 m。隧道顶部地面，其西部为沈家门人民医院住宅区、实验楼及蓄水池，地形较平坦;其东侧为零星分布的林区、坟墓及菜地，有较多人工开挖形成的陡坎(高1～3 m)，地形高差变化较大。

1.3 水文、地质情况

工作区内水文地质条件简单。地表无水库等较大的水体和井、泉出露，也无常年性地表迳流，大气降水呈短暂性地表迳流，基岩裂隙富水性差。原塌方处顶部为坡积、洪积层，厚0.5～5.8 m(一般为1 m 左右)，含砂砾黏土。围岩以强风化及中等风化凝灰岩为主，裂隙发育，并有强风化钾长花岗岩脉穿插，岩石破碎，稳定性较差。海中洲隧道地质纵断面见图1。

图1 海中洲隧道地质纵断面Fig.1 Geological profile of Haizhongzhou tunnel

2 隧道改建难点和要求

2.1 隧道改建难点

1)隧道周边建筑物密集。隧道西洞口明洞顶正上方有1幢5层砖混结构的住宅楼;隧道正上方地表为沈家门医院，有1幢7层和1幢3层的楼房。隧道改建前西洞口情况见图2。

2)原隧道有塌方未处理。东洞口曲线处曾发生塌方，但未产生冒顶。限于当时技术和资金上的制约，塌方未处理。

3)隧道埋深浅。隧道洞顶最大高程为36.5 m，最大埋深约29.5 m，整座隧道都属于浅埋。

图2 海中洲隧道改建前西洞口情况Fig.2 West portal of Haizhongzhou tunnel before rehabilitation

4)隧道跨度大。为尽可能与相接道路顺接，海中洲隧道净宽为16 m，最大开挖跨度达到19.4 m，衬砌结构设计难度较大。

5)设计和施工控制要求高。隧道改建既要保证自身施工安全，又要保证周边建筑物的安全，必须在设计阶段提出明确的技术指标，以便控制施工中的变形及沉降。

2.2 隧道改建要求

1)改变机动车单向通行现状，解决东海路交通瓶颈问题，实现区内便捷、快速的交通网络。

2)实现机动车与非机动车分道行驶，提高道路通行能力，消除混合交通安全隐患。

3)保证隧道主体工程及周围相关建筑物的结构安全，消除原隧道塌腔体的安全隐患。

3 改建方案

3.1 主辅洞方案

原隧道经过加固改建后成为仅供汽车行驶的主洞，行车道宽度保持2×3.5 m不变，行车道两侧设置2×1.2 m的路缘带，以提高行车的安全性;再在两侧各增设1个与主洞呈小净距布设的辅洞，辅洞净宽3.5 m，净高3 m，仅供非机动车和行人通行。主辅洞方案见图3。

图3 主辅洞方案示意图(单位:cm)Fig.3 Rehabilitation option:main tunnel tube and assistant tunnel tubes(cm)

该方案右侧辅洞东洞口与5层楼房冲突，需将该楼房拆除;右侧辅洞西洞口位于7层房屋的底层，虽不需要拆除该房屋，但需对底层房屋的柱子进行加固;原隧道加固改建时需封闭交通。

3.2 扩洞方案

原隧道经过扩挖，由净宽10 m改建成净宽16 m，改建后隧道两侧各增设2.75 m的非机动车道和1.5 m的人行道。机非车道由防撞护栏进行隔离，非机动车道与人行道由高起的步道进行自然分离。扩洞方案见图4。

该方案西洞口开挖轮廓线与5层楼房基础基本持平，需将该楼房及左侧周边房屋拆除;原隧道改建时需较长时间封闭交通;改建时可适当调整原隧道轴线位置，增大隧道内的曲线半径，以改善通视和通风条件，同时可以彻底消除原隧道塌腔体安全隐患。

图4 扩洞方案示意图Fig.4 Rehabilitation option:Cross-section enlarging

3.3 方案比选

2种改建方案综合比较见表1。从表1可以看出，2种方案各具优缺点，都可以实施。通过对各种因素进行综合比较，扩洞方案更具优势，推荐作为本工程的实施方案。

4 设计中采用的技术措施

4.1 衬砌结构设计及数值模拟计算

4.1.1 衬砌结构设计

海中洲隧道净宽为16 m，最大开挖跨度达到19.4 m(介于3车道和4车道之间)，属于较大跨度隧道，且隧道条件复杂，衬砌结构设计难度较大。隧道衬砌结构按照新奥法原理进行设计。针对海中洲隧道的实际情况，衬砌结构在类似跨度工程类比［4－6］的基础上采用了较为强大的支护参数，主要体现在2个方面。

1)复合式衬砌各支护形式强强组合。由于隧道跨度大、埋深浅、对开挖后围岩的变形及地表的沉降要求严，对各支护形式进行了强强组合。初期支护锚杆与钢架相间布置，充分发挥各自作用，除S3型外，均设置2层钢筋网，以增强支护的整体性，钢架均选用刚度较大的工字钢架，在支护完成早期即能支承荷载，以便有效控制围岩变形及地表沉降;二次衬砌均采用钢筋混凝土结构。

2)超前支护设置强大。由于老隧道存在脱空等病害，拆除老隧道衬砌及扩挖时易发生掉块或坍塌，对超前支护进行了加强。特别是洞口加强段，超前支护除采用长管棚外，还增加了环向注浆小导管，以防止长管棚与开挖轮廓线之间的围岩出现掉块或因掉块而引发进一步坍塌。隧道复合式衬砌支护参数见表2。

表1 改建方案综合比较表Table 1 Comparison and contrast between two rehabilitation options

表2 隧道复合式衬砌支护参数表Table 2 Parameters of composite lining

4.1.2 数值模拟计算

设计中采用有限元软件Ansys，建立了二维有限元数值模型，在水平方向取距离扩建隧道45 m，在竖直方向向下取30 m，向上取至地表(即30 m)。围岩和衬砌的物理力学参数如表3所示。按如下假定进行数值计算:围岩为均质且各向同性的连续介质;结构受力只考虑自重应力场;边界条件除上部为自由边界以外，底面和两侧面均为法向约束边界。

表3 围岩和衬砌的物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of surrounding rocks and lining

根据计算分析的需要和实际的施工工况，选取了新建(工况1)、中间扩挖(工况2)及外侧扩挖(工况3)分别进行模拟，隧道施工采用三台阶法。通过数值模拟，可得出如下结论:

1)围岩应力。各个施工步骤中的围岩应力，工况2和工况3均比工况1大。

2)塑性区分布。在上、中台阶开挖后，3种工况均在新支护两侧脚即将开挖的中部土体位置出现塑性区，工况2较工况1数值和区域都稍大，工况3塑性区呈现左右不对称分布;下台阶开挖后，仅有工况2在拱脚处有一定区域的塑性区，且数值较小。

3)围岩变形。开挖面拱顶位置的总沉降量，工况1为56.23 mm，工况 2 为 56.68 mm，工况 3 为 56.43 mm。3种工况下的隧道施工造成围岩竖向的位移变形整体变化趋势相似，变化量也相差不大。工况1和工况2洞内收敛变化趋势相似，工况1左右均为1.465 mm;工况2左右均为1.846 mm;由于工况3存在围岩偏压现象，洞内收敛左右侧区别较大，左侧为1.87 mm，右侧为0.97 mm。

4)支护结构应力(见表4)。支护结构承受的应力均在安全抗压强度范围内，二次衬砌分担了一定的围岩压力，但主要还是作为结构的安全储备。

表4 支护结构应力Table 4 Stress of supporting structure

4.2 原隧道塌方地段处理方案设计

原隧道施工年代较早，竣工资料简单，无塌方情况的施工记录。在设计阶段，通过地质雷达勘察揭示，K0+224～+231段为原隧道塌方区，形成沿隧道纵向长约7 m，横向宽约9.8m的空洞，塌腔体高1.3～8.7 m，塌腔体体积约360 m3。该段围岩为强风化凝灰岩，节理发育，岩层走向与隧道走向成近90°交角，有滑层，层间夹泥。原衬砌拱背上堆积原塌方渣体约50 m3。塌方区空腔顶地表覆盖层厚度不一，最厚处约20 m，最薄处约8 m，为强风化的土夹碎石。

由于海中洲隧道周边建筑物密集，埋深浅，新老隧道横断面在原塌方地段处于交叉的不利位置，塌方处理制约因素多，原隧道塌方处理不当将会导致严重的后果［7］。为顺利通过塌方体，处理方案设计确定了安全、可靠、不留后患、经济、快速施工的总体原则，采用了地表注浆锚杆加固、塌腔处理和塌腔回填等综合整治措施。隧道塌方处理横断面示意图如图5所示，具体处理措施主要有4点。

图5 隧道塌方处理横断面示意图Fig.5 Tunnel collapse treatment

1)为减少施工扰动引起新的坍塌，开挖前需先对地表进行加固，首先考虑采用地表注浆对地层进行加固，但在现场试验时效果不佳，后改为地表注浆锚杆加固，并采用喷射混凝土封闭地表，以减少地表水下渗进入塌腔体。

2)采用人工风镐作业，短进尺拆除老隧道衬砌，初期支护保持紧跟，当有进入塌腔体的空间时，即对塌腔体进行喷、锚、网支护加固;加固完成后施作隧道上半断面初期支护;塌腔体与初期支护间采用竖向支撑连接，形成共同受力，再对塌腔体复喷混凝土，初期支护外表面浇筑护拱;由于隧道跨度大，为减少初期支护早期的受力，在初期支护未封闭成环前，设置临时工字钢支撑。

3)隧道改建将东洞口的曲线半径由35m调整为110m，新、老隧道之间在横断面上是交叉关系，两者存在空腔，在塌腔体加固完成后，对新老隧道之间空腔进行回填。

4)由于塌腔体顶地表覆盖层薄，地面建筑物密集，同时考虑运营过程中隧道的耐久性和结构安全等因素，在初期支护仰拱封闭后分多次对塌腔体进行回填，保证塌腔体回填密实。

4.3 开挖方案设计

海中洲隧道跨度大、条件复杂，且新老隧道横断面在部分位置存在交叉，开挖方案设计难度较大。在设计开挖方案时，充分考虑了老隧道拱部为混凝土衬砌的实际情况，开挖施工时将其作为护拱，对施工作业人员可起到防护作用。具体开挖方案为:新隧道开挖利用已有隧道作为导洞，分3个台阶进行开挖及支护，先采用人工风镐作业，短进尺拆除上台阶老隧道衬砌;再进行上台阶扩挖部分开挖及支护，S5+、S4、S3型开挖进尺分别不超过 0.5，1，1.25 m。施工中应保持初期支护紧跟，初期支护与老隧道衬砌之间的距离控制在50 cm左右(万一发生塌方，可减少塌渣落入隧道内)，以提高施工作业安全性。上台阶开挖及支护长度达到3～5 m时，进行中台阶开挖及支护，同样方法完成下台阶开挖及支护，最终形成新隧道支护体系。

设计中，按照与实际隧道1∶30的比例制作了模型，模型容重、内摩擦角、泊松比及应变相似比为1，弹性模量、黏聚力、应力及强度相似比为30。模拟试验选取了新建(工况1)、中间扩挖(工况2)及外侧扩挖(工况3)3个工况，每个工况的施工步骤分为3个循环，每个循环均采用三台阶法进行开挖支护。工况2试验模型及模拟情况见图6。

通过模拟试验及现场检测，可得出如下结论:

1)围岩应力。隧道施工中，拱顶的围岩应力变化最大。如工况1在上台阶开挖前后拱顶压应力由15.1 kPa下降到2.3 kPa，而扩挖隧道由于多了旧衬砌拆除步骤，应力下降趋势更为平缓;扩挖隧道由于土体开挖，掌子面后方围岩出现较大临空面，围岩整体对掌子面纵向产生一定的荷载作用;工况3旧衬砌越靠近新衬砌，旧衬砌拆除对围岩应力变化影响越大。

图6 中间扩挖隧道试验模型及模拟情况Fig.6 Model of tunnel cross-section enlarging

2)支护结构应力。随着施工的进行，支护结构应力从拱顶向拱肩及拱腰传递，并呈增大趋势，直至衬砌封闭成环。如工况1拱肩位置衬砌最大应力为255 kPa，拱腰位置最大应力为300 kPa;旧衬砌能起到一定的支护作用，能在一定程度上抑制围岩变形，减轻掌子面纵向的围岩压力，故扩挖隧道衬砌受到的压应力比工况1小。

3)围岩变形。扩建隧道施工过程中，拱顶、两侧拱肩及两侧边墙围岩变形较大。如工况2在下台阶开挖后拱顶沉降量为1.8×10－5m。

针对模拟试验得出的结论及海中洲隧道的复杂条件，且考虑到隧道开挖断面大，初期支护封闭成环时间间隔长，设计要求在分台阶开挖及支护后设置临时工字钢支撑(见图7)。临时支撑应确保落地，以实现初期支护尽快闭合成环，进一步提高初期支护早期承载能力，抑制围岩的过度变形。

图7 临时工字钢支撑设计示意图Fig.7 Temporary bracing by I-shaped steel

4.4 监控量测

海中洲隧道周边环境复杂，建筑物密集，埋深浅，除选用常规的监控量测项目外，设计中有针对性地增加了建筑物沉降、建筑物倾斜及岩体爆破地面质点振动速度3个监测项目。监测方案见表5。桩基础建筑物沉降允许值要求不大于10 mm，天然地基建筑物沉降允许值要求不大于30 mm［8－9］;砌体承重结构基础的局部倾斜要求不大于2 mm，多层和高层建筑物基础的倾斜要求不大于 4 mm［8］;爆破振动速度不大于1 cm/s［10］。

表5 海中洲隧道施工监测方案Table 5 Monitoring program of Haizhongzhou tunnel

5 实施效果

针对海中洲隧道所处的复杂条件，改建设计阶段采取了相应的技术措施，并在施工阶段强化动态设计，隧道施工进展顺利。通过现场监测，各项指标均能达到设计要求，如天然地基建筑物的最大沉降量为18.3 mm，多层和高层建筑物基础的最大倾斜为3.4 mm，最大爆破振动速度为0.92 cm/s。

经过近10个月的施工，隧道于2007年9月1日建成通车，既实现了隧道施工质量、安全无事故，又未对周边建筑物结构安全造成影响。2011年9月，隧道顺利通过竣工验收，各项指标均符合要求。

6 结论及讨论

1)海中洲隧道改建方案设计需综合考虑使用功能、交通安全、施工安全、施工难度、工程投资、工期和对环境影响等因素。经过2种方案的详细比较，扩洞方案更具优势，可作为实施方案。

2)海中洲隧道采用了较为强大的衬砌支护参数，对抑制围岩的过度变形和地表的异常沉降作用明显，通过有限元软件验证表明衬砌参数满足要求，可以保证施工及周边建筑物的安全，但支护参数的科学性及经济性还有待于通过更多类似工程来验证。

3)根据现场实际情况，海中洲隧道原塌方地段处理采用先地表加固后塌腔体加固、塌腔体支护和永久支护共同受力的方式，加固完成后分多次进行塌腔体回填，仅用25 d就顺利完成，处理方案安全、适用。

4)通过模拟试验及现场检测，海中洲隧道开挖方案采用老隧道作为导洞，充分利用旧衬砌的支护作用，开挖及支护施工在旧衬砌掩护下分三台阶进行，保持初期支护紧跟，并设置临时支撑，可保证施工安全，对扩洞开挖及支护施工有较好的适用性。

5)海中洲隧道周边环境复杂，建筑物密集，改建设计对爆破振动速度、建筑物沉降及建筑物倾斜等指标提出了明确的要求，施工单位应按照设计要求的指标制定实施性施工组织设计。

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