虎头山隧道改造工程方案研究

刘晓梁

(山西省交通规划勘察设计院)

1 引 言

省道304 平(平鲁)万(万家寨)线全长106 km，起点为山西省朔州市平鲁区，终点位于山西省忻州市偏关县的万家寨，是山西省北部地区一条重要的运煤公路。该公路为山岭区二级公路，多数路段路基宽度为8.5 m，局部地形较好段落进行过改建或改线，路基宽度为12 m。

从忻州保德和陕西神木往东的大型车辆为了减少运营费用，借道从平万线经过，造成平万线交通量猛增，加之平万线局部山岭地区纵坡较大，容易造成事故和堵车现象。特别是平鲁区附近的虎头山隧道，为平万线约10 km 处，1983 年建成通车，建设年限较早，隧道净宽仅为7 m，净高4.5 m，两侧无人行道和排水措施，隧道内路面损坏严重，大型运煤车辆在洞内行车和会车十分困难，极易引发交通事故，造成平万线的中断，且隧道较窄，事故救援特别困难。

2 初步方案

如果对现有虎头山隧道进行拓宽改造，(1)该隧道内轮廓断面为直墙式，不满足现有隧道规范要求，在改造过程中施工难度较大，凿除现有的衬砌结构会导致隧道围岩应力释放，容易造成坍塌、冒顶，存在安全隐患;(2)仅仅对现有隧道拓宽仍然不足以解决虎头山隧道在平万线运营过程中的瓶颈问题，而且在改造建设过程中会导致平万线的运营瘫痪。

因此综合比较多种方案，认为新建右幅隧道，维修利用现状隧道作为左幅，形成上下行双向分离行车局面，虽然其投资较高，但在施工期间能够保证平万线的基本通行能力，并且在改造完成后采用车辆分离行驶的方式，大大提高了车辆通过虎头山的能力，提高车辆的运营效率和安全性。

建设完成后，平鲁到万家寨方向走右幅隧道，万家寨到平鲁方向走改造后的左幅隧道。该项目的实施将大大改善平万线技术指标低，交通事故频发的现象。

3 工程概况

3.1 地形地貌

虎头山隧道位于山西省西北部，自然地理属于吕梁山脉北段的管涔山中段。因受构造活动影响和水流侵蚀，地形切割剧烈，地形破碎，沟壑遍地。海拔标高2 000 m 左右，相对高差400～600 m，总的地势为东高西低，微地貌为基岩山脊、梁、悬崖、峭壁、陡坎、冲沟，较大冲沟以北东向为主。隧址区天然植被较为稀少，天然植物仅在荒滩及农田边缘少量分布，以草本植物和灌木为主。

3.2 地层岩性

新建虎头山隧道出露地层由老至新为古生界寒武系中统徐庄组(∈2x)、中统张夏组(∈2z)、上统崮山组(∈3g)、新生界第四系中更新统(Q2pl)。隧道洞身范围内主要为中统徐庄组、中统张夏组、上统崮山组。第四系中更新统分布于进出口段山梁上，披盖于洞顶之上，为一套河流相的土状堆积，岩性为棕黄色亚砂土(少数为亚粘土)，夹碎石。

3.3 地质构造

隧址区所处区域地质构造属于吕梁太行断块西北部之次级构造单元偏关神池块坪。该块坪南北向长100 km，呈北宽南窄的三角形。出露地层以寒武系、奥陶系为主，局部残留石炭系。构造形迹零散而微弱，多以褶皱形式出现。隧址区本身为一向北东倾斜的单斜构造，岩层产状65°∠10°。

3.4 水文地质条件

隧址区穿越管涔山中部，区内最高海拔与最低海拔间的相对高差约330 m，地形起伏，沟谷切割很深，受地形条件的制约，隧址区大气降水中的绝大部分汇入附近河谷之中，因此大气降水的入渗总量十分有限。根据地质调查和钻孔资料，隧址区无明显的岩溶发育，周围沟谷内未见地表水流或泉水出露，钻孔中亦未测到稳定的地下水位。隧址区内地下水类型为岩溶裂隙水。

综合分析，隧道洞身均处于地下水潜水位之上，隧道围岩以潮湿或点滴状出水为主，局部低洼平缓地带或裂隙发育处雨季可能形成淋雨状。地下水对隧道围岩的影响总体较小。

4 方案研究

4.1 路线方案比选

在线型方面，A 线、B 线方案的平纵面指标均满足《公路路线设计规范》的要求，A 线、B 线的平纵面指标相当。

表1 各方案平面技术指标表

从行车安全、通行能力、服务水平的分析:A 线、B 线方案地形条件相当，行车安全性相当。

从公路用地、拆迁量方面分析:B 线用地比A 线用地略少，拆迁量相当。

从与原有公路的干扰情况分析:B 线以隧道方式下穿平万线路基段，设计标高位于原平万线下约30 m，且B 线施工对原平万线的运营有严重干扰，A 线与平万线无交叉，施工无干扰。

从社会、经济、安全效益、环境保护方面分析:A 线、B 线条件相当。

从工程数量方面分析:B 线路线较A 线路线长度长9 m;隧道短34 m。B 线土石方数量比A 线大44 104.3 m3。

表2 各方案纵断面技术指标表

4.1 隧道方案比选

A 线方案隧道长度为999 m，B 线方案隧道长度为965 m，A 线比B 线隧道长度增加了34 m。A 线方案造价为7 087.5 万元，B 线方案造价为7 395 万元。

(1)隧道支护方案和防排水方案。

A 线与B 线采取的隧道支护方案和防排水方案一样。

明洞采用钢筋混凝土结构，洞身段衬砌均按新奥法原理设计，采用柔性支护体系结构的复合式衬砌，即以喷、锚、网、格栅钢架等为初期支护，二次衬砌采用钢筋混凝土或素混凝土，并视地层、地质条件增加管棚、超前锚杆等预加固措施。

防排水设计原则是以引、排水为主，防排结合，综合处治。采用防、截、堵、排相结合，形成完整的防排水体系，使隧道防水可靠，排水畅通，运营期隧道内不渗不漏基本干燥。

明洞采用立体防水板及顶面回填粘土隔水层防水。洞身段采用立体防水板防水，环向软式透水管引水经由纵向排水管、横向排水管将水排至中央排水沟中，路面水流入两侧排水沟中。

(2)B 线方案弱点。

B 线方案，隧道进口处洞顶为一人工堆积体，平面上呈梯形分布，长120 m，宽25～45 m，厚3.5～15.0 m，体积约20 000 m3;且隧道进口左侧为原有左线路基碎石自然坡积，所以进口处为不良地质。造成隧道施工中存在施工困难，容易坍塌，留有安全隐患。

B 线隧道于BK0 +930～BK1 +050 段120m 内下穿原有左线路基，于BK1 +050～BK1 +065 段15m 内下穿原左线虎头山隧道，新建隧道设计标高与原左线路面标高平均相差30 m。由于平万线交通繁忙，地方政府要求在隧道施工中保持原有左线畅通，故在隧道开挖过程中，洞顶路面大型运煤车辆的行驶，会使新建隧道发生坍塌与衬砌开裂，造成施工困难与安全隐患。

5 结 论

通过综合比较及论证，在虎头山隧道改造过程中，首先确立了新建右幅隧道的方案，使原虎头山隧道形成上下行双向分离行车格局;然后选定2 个方案进行比选，其中A 线方案的实施不会干扰原平万线的正常运营，其隧道进出口不存在不良地质问题，并且A 线方案的造价低于B 线方案，所以虎头山隧道改造工程采用A 线方案较为优越。

［1］中交第二公路勘察设计研究院有限公司.《公路隧道设计细则》(JTG/T D70－2010)［S］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］重庆交通科研设计院《公路隧道设计规范》(JTG/T D70－2004).北京:人民交通出版社，2004.

［3］关宝树《隧道工程设计要点集》.北京:人民交通出版社，2003.

［4］交通部公路司《公路工程技术标准》(JTG B01－2003).北京:人民交通出版社，2004.