谈高速公路隧道改扩建设计施工要点

杨 宝 锋

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507)

0 引言

截至2018年年底，我国高速公路里程突破14万km，里程规模居世界第一。伴随着沿海经济发达地区路网交通量的不断增长，早期修建的双向四车道高速公路已不堪重负，节假日期间更是大范围堵塞，成为社会关注焦点。因此，对于这些交通量大，技术标准低的高速公路，改扩建的呼声越来越高。而隧道作为大部分高速公路中的组成部分之一，其特点为洞内行车环境相对洞外较差，洞内实际行车速度往往低于设计时速，因此往往成为交通拥堵乃至交通事故的主要原因。对于隧道工程本身的改扩建有时往往比整条高速公路的改扩建来的更加迫切。

改扩建隧道工程因存在既有隧道这一既有结构物而不同于常规新建隧道工程，设计时往往需要考虑既有隧道的利用。因此对于既有隧道的技术状况调查及可利用性研究尤为关键。对于已确定利用既有隧道的，还需结合工程的具体条件，选择最合理的改扩建方式。

1 既有隧道技术状况

隧道工程改扩建前期，首先应广泛收集既有隧道设计阶段、施工阶段、运营养护阶段的基础资料。并结合既有隧道的外观、结构安全、附属设施等方面的专项检测结果，明确既有隧道的技术状况，从而确定既有隧道在改扩建期间的利用方案。

外观专项检测主要包括内轮廓断面检测，衬砌及路面结构的裂缝、渗漏水情况，洞内侧墙装饰，洞门装饰等。

结构安全主要检测衬砌的安全可靠度，内容包括衬砌厚度检测、衬砌背后空洞检测、衬砌配筋情况检测、衬砌混凝土强度检测等。衬砌背后空洞在围岩情况较差的拱部区域最为严重[1]。因此，对拱部衬砌结构的检测应加以重视。

附属设施检测包括洞内机电设施、消防救援设施、辅助通道等情况，对于建成年代较为久远的隧道，还应调查其附属设施是否满足现行规范要求。

根据上述几项检测结果来对既有隧道的技术状况进行评定，确定既有隧道能否继续使用，并选择合适的维修、加固、改造、美化方案。

2 隧道改扩建方式

隧道工程的改扩建主要分为原址扩建、新址增建及两种方式组合。具体项目确定方案时，应结合隧道专业的特点，从施工安全、节约用地、经济效益、施工工期等方面综合比较，选择合理的改扩建方案。

2.1 原址扩建

当隧址区场地空间受限或路线受限，改扩建过程中不允许隧道位置有较大的偏移，则需考虑在原洞基础上扩挖，增加隧道断面面积，从而实现隧道扩容。

原址扩挖即在既有隧道现状断面的基础上进行扩挖，如图1～图3所示。其优点是继承现有路线的平纵线形，行车连贯性较好。与洞外两侧拼宽的路基顺接较为容易，占用额外土地资源较少，征地难度低。

其缺点是需要破除原有衬砌进行扩挖施工，对既有隧道已趋于稳定的围岩产生二次扰动。既有隧道部分段落在早期施工期间可能存在塌方、突涌水断层破碎带等地质水文灾害处置措施，扩挖时难免会对以上隐蔽工程产生破坏，安全风险极大。此外，采用扩挖方案时，需暂停一处隧洞的通行用以施工，对既有公路的通行也产生较大影响。不适用于长隧道及特长隧道的改扩建。

2.2 新址增建

当隧址区场地充裕，隧道位置受线位制约较小，则可考虑新建隧道方案。即在原有隧道的基础上，在其一侧或两侧增加一个单洞三/四车道隧道或双洞四/六车道隧道，见图4～图6。

该方案最大的优点是新建隧道施工时既有隧道可不中断交通，同时新建隧道设计及施工难度较小，工期较短。其缺点是与洞外路线分幅不一致，导致行车连贯性相对较差。由于隧道分幅较多，当行车至隧道洞口前方时，车辆需提前分流进洞，对于路况不熟的司机而言会存在选择疑虑，在车速较高的情况下，安全隐患极大。

3 隧道改扩建要点

3.1 爆破施工对既有结构物的影响

山区高速公路隧道工程开挖方法一般采用钻爆法开挖，爆破产生振动对邻近结构物的影响不容忽视。新建隧道施工往往会对既有隧道产生如下影响：

1)对既有隧道结构安全的影响。

新建隧道爆破开挖产生的瞬间冲击波会危及既有隧道衬砌结构的安全及稳定，装药量、开挖面积、围岩软硬程度都与之相关[2]。爆破作业控制不当，轻则使既有隧道产生新的衬砌裂缝，重则引起二衬开裂变形，使结构失稳。

2)对既有隧道病害的影响。

新建隧道施工爆破时，产生的振动很大程度上会加剧既有隧道裂缝、渗漏水等情况。

3)对既有隧道内机电设备的影响。

既有长隧道，特长隧道洞内的照明设施、通风设施，洞内装饰、机电设备等，运营年份长久，陈旧老化。新建隧道爆破产生的振动对既有隧道洞内瓷砖、灯具、风机、监控设备等产生不利影响，使其出现松动，严重时掉落等情况。

对于上述情况，改扩建设计及施工期间可采取如下措施应对，减少爆破施工对既有隧道的影响。

1)隧道间距确定。

新建隧道与既有隧道净距宜按两洞结构彼此不产生有害影响的原则布置，即以分离布设为主，间距可依据公路隧道设计规范里的相关要求确定。

2)洞口土质围岩段机械开挖。

一般而言，隧道洞口段围岩主要以坡残积土及全风化岩为主，土体较软，适合人工或机械开挖，开挖方式采用双侧壁导坑法分部开挖，杜绝大断面台阶式开挖，减少对围岩的扰动。同时加强超前支护措施，采用长管棚或超前小导管支护。

3)洞身岩质围岩段微震爆破。

洞身岩质围岩段采用微震爆破，爆破应控制合理的振动速度。根据GB 6722—2014爆破安全规程要求，对于既有相邻隧道的爆破振动速度应控制在10 cm/s～20 cm/s范围内。施工时应以控制爆破振动速度为原则，计算隧道洞内每次爆破装药量，以指导施工，计算公式如下：

其中，Q为每次爆破装药总量；V为保护对象所在地安全允许质点振速，由于既有隧道运营时间较长，结构老化，故从安全性考虑取5 cm/s；R为要保护物距爆源中心的距离，m；K，a为与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，应通过现场试验确定；在无试验数据的条件下，可参考表1选取。

表1 K，a取值表

4)监控量测。

施工期间加强监控量测，尤其是既有隧道结构的病害部位、机电设施等方面，根据监控量测反馈结果及时调整施工参数，必要时采取临时加固措施。

5)既有隧道车流管制。

当新建隧道开挖爆破时，建议对经过既有隧道的车辆进行限速，以免发生交通事故。爆破应选择夜间车流较小的时段进行。

3.2 机械化快速化施工

改扩建隧道工程，无论采用新建隧道方案还是扩挖隧道方案，均对既有道路的通行产生了不同程度的影响，轻则降低车速形成瓶颈段落，重则阻断交通，迫使路线改道。因此，在改扩建期间，如何安全保质地加快隧道施工进度，减轻既有道路交通压力，在施工期间需重点考虑。

目前，山岭隧道施工主要采用钻爆法施工，洞内施工环境较差，人员配备较多，施工效率较低。而机械化施工是降低劳动强度、提高作业效率、加快施工进度、保证施工质量和控制施工成本的重要手段，与人工作业相比，具有优越性和特殊性[3]。

应在隧道施工方面大力推广机械化施工，如采用铣挖机、悬臂式掘进机、三臂凿岩台车代替传统人工开挖工艺；采用混凝土湿喷作业台车，双机或多机联合作业缩短作业时间；初期支护钢拱架采用拱架安装车；土工布、防水板铺设采用自动铺挂一体机等。

3.3 超大跨度隧道设计

近年来，随着交通物流业的快速发展，汽车保有量的剧增，原有的两车道公路已不能满足日益增长的交通量需求，双向六车道乃至双向八车道高速渐渐成为主流，隧道工程规模亦逐渐向大跨度及超大跨度方向迈进。通过统计分析国内已建成的单洞四车道、分岔式等超大跨度隧道，内轮廓扁平率(不含仰拱)取值范围一般在 [0.45,0.55]区间内[4]。支护形式多以二次衬砌、三次衬砌为主。施工工法则以双侧壁导坑法、单侧壁导坑法等分部开挖支护形式为主。具体项目还应根据工程特点合理设计。

4 结语

1)隧道改扩建工程应充分研究调查既有隧道的技术状况，围绕既有隧道开展工程设计。

2)重视爆破施工对既有隧道的影响，必要时应进行数值仿真模拟，确保工程的安全性。

3)机械化施工因其优越性而在隧道工程中越来越广泛地被采用，具体工程中还需摸索其搭配方式及管理方式，进一步发挥机械化的优点。