山区普通公路隧道拓宽改造设计方案研究

■张祖荣

（福建弘沁工程勘察设计有限公司，南平 353000）

0 前言

自改革开放以来，我国交通建设事业发展迅速，以福建省为例，截至2017年底全省公里通车总里程突破10万km，其中高速公路通车里程达到5020km，实现所有县城二级以上公路连接，基本上形成了以高速公路为主骨架，国省干线等普通公路多路放射的综合交通运输网。

随着国家对乡村振兴战略的实施，县、乡公路必将成为新一轮公路建设的重点。一些修建年代久远的公路，由于设计标准较低，通行能力不能满足日益增长的交通需求，从而影响了经济的快速发展，需要改扩建才能达到相应的服务水平。在不具备新建公路的条件下对原有公路进行拓宽改造将不失为一种有效方式，因此对于公路既有隧道路段的改扩建将成为重点控制性内容。相比重建一条的新的隧道来说，隧道改扩建是在原有隧道的基础上进行的，具有开挖量少，可参考初建时的工程地质、水质地质等资料，或者直接在隧道出现严重病害的位置进行补充调查，能节省大量的勘察工作。隧道不同于地面结构，因此对于已建隧道的改扩建方案应结合工程的具体条件综合论证，寻求最合理的改扩建方式。

1 工程概况

黄茵岭隧道是某县县道X858徐建线官元至小湖二级公路建设工程的主要控制点，隧道桩号K2+433～K2+658，全长225m，建于20世纪70年代，浆砌块石端墙式洞口、洞身为浆砌块石边墙，渗水严重，洞顶部分衬砌出现剥落、掉块，存在较大安全隐患，改造迫在眉睫。

黄茵岭隧道最大埋深约86.16m，深部围岩为中风化变粒岩，为较软岩-较硬岩，岩体呈柱状，围岩级别主要为Ⅳ、Ⅴ级。据当地区域地质资料分析，本区为低地应力区。隧道区地下水主要为风化基岩中的裂隙-孔隙水，赋存于风化基岩裂隙中，受季节和气候影响较大，水量较贫乏，隧道路段工程地质情况如图1所示。

图1 隧道路段工程地质纵断面图（单位：m）

2 隧道病害成因分析

隧道病害是指由于设计、施工、地质、自然灾害等各方面因素导致隧道衬砌产生开裂、渗漏水、冻害、基底翻浆冒泥等病害。隧道改扩建设计前必须调查既有隧道病害，分析病害成因。

2.1 隧道病害调查

黄茵岭隧道病害调查内容具体如图2所示。

图2 隧道病害调查内容

黄茵岭隧道位于直线上，端墙式洞口，内为+0.32%单向坡，建设初期因资金原因，隧道狭小，且修建年代久远，工艺简单，运营过程中未进行相应的养护，主要的病害有：（1）隧道拱顶衬砌剥落、掉块。（2）隧道无防排水系统，洞内渗水，两侧无顺畅的排水沟将洞内水排至洞外，致使洞内积水。（3）隧道内无照明系统，存在行车安全隐患。

2.2 隧道病害成因分析

隧道病害的产生原因是多方面的，主要可分为外因和内因两大方面，黄茵岭隧道病害主要原因如图3所示。

图3 黄茵岭隧道病害主要原因

3 隧道加固前稳定性判断

准确掌握既有隧道的现状是安全顺利地实施隧道扩宽改造的前提条件。一般来说，既有隧道的设计文件和竣工文件可作为隧道扩宽改造设计和施工的基础资料，但是，其内容往往不够完整且与现实情况不尽相同。为此，必须采用现场踏勘和测量以及无损检测技术等调查手段收集既有隧道的现场资料，判定现状隧道的稳定性。

既有隧道已运营30年以上，隧道存在衬砌厚度不足、衬砌混凝土存在裂缝、背后存在空洞、断面轮廓不满足现行标准、隧道防、排水系统缺陷、无照明设备的问题。检测结果表明，现状隧道总体质量未达到公路工程质量评定标准要求。

隧址区及其附近未发现构造破碎带，未发现新构造运动迹象，未见影响场地稳定的活动性断裂；未见滑坡、泥石流和岩溶塌陷等不良地质作用；但隧道出口处附近地表为杂填土层，施工时注意采取相应措施；隧址区现状整体较稳定，可建隧道。

4 隧道拓宽改造方案确定及施工要点

4.1 扩宽改造方案的主要影响因素

（1）隧道与洞外道路的路面宽度不匹配，应结合隧道及其洞外道路交通现状进行隧道扩宽改造，形成隧道与洞外道路交通的畅通衔接。

（2）应减少占用周边土地，减少征迁，尽量在现有道路红线范围内进行隧道的扩宽改造。

（3）在隧道扩宽改造施工过程中，需确保既有隧道结构及交通运营的安全。

4.2 拓宽改造形式分析

公路隧道改扩建可分为增建隧道、大开挖道路和原位扩宽。结合黄茵岭隧道实际情况确定改扩建形式。

（1）增建隧道：在既有隧道两侧增建隧道，实现隧道的扩宽。该方案占地面积大，拆迁范围广，实施难度大。

（2）大开挖道路：采用大开挖方式，明挖道路上方山体，以路堑代替隧道。该方案对景观环境破坏极大；征迁困难；需要对高边坡进行专项设计。

（3）原位扩宽：对既有隧道进行原位扩宽改造。该方案对景观影响小，施工有风险，但采取措施后，可保证安全；暗挖施工，仅两端洞口施工对周边影响略大，开挖量少。

综合以上三种改造形式分析，考虑征迁及实施难度，认为原位扩宽改造方案比较贴合工程实际，最终确定采用原位扩宽的形式对黄茵岭隧道进行改造。

4.3 扩宽改造方案的设计思路

（1）在既有隧道已经扰动过的围岩中施工，围岩压力会较原隧道施工时增大，因此对于在已建隧道内进行改建，首先应该对原隧道有一个详细准确的评价。

（2）合理确定隧道围岩压力与支护参数，应体现“强支护”的理念。

（3）制定出完善的超前探测、预加固以及临时安全防护措施。

4.4 隧道拓宽改造设计

（1）主要设计要求

隧道内净空除满足行车限界要求外，还考虑了通风、照明、监控、通讯、营运管理等附属设施所需空间，并结合衬砌结构受力要求而拟定。因此黄茵岭隧道采用曲墙三心圆拱的内轮廓净空，如图4所示。

黄茵岭隧道为典型的越岭隧道，洞内、洞口坡度坡长应满足设计规范要求。既有隧道高、宽度与设计要求的净空高度和限界相差较多，考虑降低路线纵坡，采用落底方案，使工程不会扰动衬砌顶部而比较安全、简易。

图4 黄茵岭隧道拓宽内轮廓断面方案（单位：cm）

（2）洞口设计

洞口位置的确定一般遵循早进洞晚出洞的原则，尽量减少洞口边仰坡开挖高度，同时兼顾洞口地形、地质条件，以及洞口的协调美观等综合因素，选用经济、美观、和谐自然并有利于行车视线诱导的洞门型式。

成洞面位置的确定一般遵循洞顶覆盖厚度1.5～3.0m的原则，同时兼顾洞口地形，尽量减少洞口仰坡开挖高度。本隧道进出口端均采用端墙式洞门结构。隧道进出口仰坡和边坡均进行绿化防护，绿化防护的形式根据边坡坡率和圬工防护形式确定。进出口仰坡外露部分采用镀锌网植草防护。成洞面及明洞临时边坡采用挂网锚喷的支护方式来保证明洞回填前的临时稳定。

（3）洞身结构设计

隧道结构按新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌，以锚杆、湿喷混凝土（钢筋挂网）、钢拱架等为初期支护，大管棚、超前注浆小导管、超前锚杆等为施工辅助措施，充分发挥围岩的自承能力，在监控量测信息的指导下施作初期支护和二次模筑衬砌，如表1和表2所示。

表1 隧道复合支护参数表

表2 隧道复合支护适用条件表

4.5 拓宽改造施工要点

施工应根据隧道洞口、洞身不同的段落和不同的围岩级别和围岩状况采用合理开挖方法。针对黄茵岭隧道为对既有隧道进行原位拓宽的实际情况，V级洞口加强段采用上下台阶分布开挖，并架立临时中隔壁法，V级石质围岩深埋及IV级围岩有仰拱段采用台阶法开挖，如图5和图6所示。

图5 V级围岩洞口段、浅埋段施工工序图

图6 Ⅳ级围岩、V级石质深埋段施工工序图

V级围岩洞口段、浅埋段开挖顺序：1.开挖既有隧道拱部及拱肩部分→Ⅱ.上台阶拱部初期支护（包括中隔壁临时支护、拱墙初期支护及临时仰拱）→3.开挖左侧导坑上台阶→Ⅳ.左侧导坑上台阶初期支护（包括侧壁临时支护、拱墙初期支护及临时仰拱），施工锁脚锚杆→5.开挖左侧导坑下台阶（包括临时仰拱）→Ⅵ.左侧导坑下台阶初期支护（包括拱墙、仰拱初期支护）→7.开挖右侧导坑上台阶→Ⅷ.右侧导坑上台阶初期支护（包括侧壁临时支护、拱墙初期支护及临时仰拱），施工锁脚锚杆→9.开挖右侧导坑下台阶（包括临时仰拱）→Ⅹ.右侧导坑下台阶初期支护（包括拱墙、仰拱初期支护）→11.拆除中隔壁临时支护→Ⅻ.灌注二次衬砌仰拱混凝土→XIII.铺设洞身环向盲沟及防水板，整体灌注二次模筑混凝土衬砌。

Ⅳ级围岩、V级石质深埋段开挖顺序：1.开挖既有隧道拱部及拱肩部分→Ⅱ.上台阶拱部初期支护→3.跳挖上台阶左右侧部分→Ⅳ.施工上台阶剩余初期支护→5开挖下台阶→Ⅵ.下台阶初期支护（Ⅳ级围岩无此步骤），必要时边墙脚设置锁脚锚杆→Ⅶ.灌注二次衬砌仰拱混凝土→Ⅷ.铺设洞身环向盲沟及防水板，整体灌注二次模筑混凝土衬砌。

以上施工顺序应在施工辅助措施完成并达到强度后方可进行。

5 隧道改建后稳定性计算

衬砌结构稳定性对隧道改建后稳定性情况至关重要。衬砌结构计算采用荷载—结构法，荷载结构法原理认为，隧道开挖后地层的主要作用是对衬砌结构产生荷载，衬砌应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。本次稳定性计算采用荷载—结构模型，计算程序采用MIDAS NX。在程序中，用二维梁单元模拟衬砌，用二维杆单元模拟围岩对衬砌的约束效果。以下以V级围岩及对应支护的计算结果为例，过程及结果如图7～图10所示。从图中可以看出，V级围岩段采用45cm厚衬砌，配置22mm@25cm钢筋满足规范要求。

图7 计算简图

图8 弯矩图

图9 剪力图

图10 变形图

6 结语

随着我国交通事业的快速发展，越来越多运营时间长、等级较低的道路隧道需要拓宽改造。本文针对某县道X858徐建线官元至小湖二级公路建设工程黄茵岭隧道拓宽改造工程，通过对既有隧道结构现状、隧道进出口附近既有支挡结构等现场调查核对，结合拆迁等实际情况，制定了原位拓宽隧道改建方案，并详细介绍了该方案的设计思路和施工要点，最后通过改造后的隧道稳定性计算，表明该改造方案可满足隧道稳定性和安全运营要求，对类似隧道工程的改扩建提供参考依据。