土质浅埋隧道扩建技术研究

梁文辉

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

1 工程背景

1.1 工程简介

我国早期修建的公路隧道由于受到当时经济和技术水平的制约以及施工材料、施工质量的影响，隧道技术指标低、通行能力小、隧道病害多、运行安全缺乏保障，极大地制约了经济的发展[1]。在这种条件下，当受到路网及走廊带限制时，对原有隧道扩建就成为改善路网条件、提高通行能力的有利选择。

S218是兴县南北方向一条重要的运输动脉，是神木县和岚县的主要通道，本路段的大货车多、比例大。S218利民隧道建成于1999年10月，随着交通量的增大，S218已无法满足通行能力要求，2009年隧道两端接线进行了升级改造。目前隧道两端接线设计标准为60 km/h，路基宽度10.0 m。利民隧道设计标准为30 km/h，建筑限界净宽8.5 m，已成为该路段的交通瓶颈，无法满足通行能力要求。

因此，为了进一步改善区域交通，服务地方经济，对利民隧道的改扩建已成当务之急。利民隧道扩建后设计标准将达到60 km/h，与接线段一致，隧道净宽12.0 m，前后接线段经截弯取直，满足隧道3 s要求，保障区域交通顺畅安全。

1.2 利民隧道现状

利民隧道采用标准低，隧道长260 m，平纵指标较差，隧道洞口两边旧路半径小、纵坡大。通过对利民隧道进行病害调查，依据《公路隧道养护技术规范》[2]以及《公路隧道提质升级行动技术指南》[3]隧道技术状况评定等级要求，隧道评定等级为5类。利民隧道“处于危险状态，应及时关闭隧道，实施病害处治，特殊情况需进行局部重建或改建”。隧道主要病害：

1.2.1 洞口、洞门

隧道进口端洞口挡墙破损，边坡土体坍塌，植物侵入。出口端洞口挡墙勾缝砂浆脱落，边坡植物侵入。进出口排水沟破损堵塞。

隧道两端洞门均为端墙式洞门，进口端洞门墙渗水泛白，竖向开裂明显。出口端洞门墙勾缝脱落破损，主拱圈混凝土剥落，斜向开裂。

1.2.2 衬砌

隧道衬砌整体渗水严重，沿隧道整体分布，尤其是两侧边墙湿渗严重。

1.2.3 路面

隧道路面坑槽明显，横纵向开裂严重，多处网状裂缝。

通过上述隧道定期检查病害统计主要结果，结合检修道、排水设施、吊顶、预埋件及内装饰等分项结果，依据隧道土建结构技术状况评分公式：

式中：wi为分项权重；JGCIi为分项状况值，值域0～4，分项状况值取各分项检查段落状况值的最大值。

经计算，隧道土建结构技术状况评分值为38.95，土建结构评定等级为5类。

2 利民隧道工程地质条件

2.1 地形地貌

隧址区地貌单元为黄土剥蚀丘陵区，表现为黄土塬峁状，小冲沟发育，海拔高程1 004.5～1 080.0 m，相对高差75.5 m，隧道洞顶上覆土层最大厚度45 m。

2.2 工程地质

隧址区为第四纪黏土巨厚层，属非均质土层组成的粉土、粉质黏土，垂直节理裂隙发育，进出口为第四系全新统早期冲洪积层（Q41al+pl），粉土、粉质黏土，结构较松散，孔隙发育，土质较均匀，地表植被一般，有明显落水洞；隧道中部为第四系上更新统冲洪积物（Q3al+pl）或第四系中更新统洪积物（Q2pl），粉质黏土，黄灰色或褐红色，垂直节理发育，土质较均匀，物理力学性能较好。全隧围岩级别为Ⅴ级，属Ⅴ级浅埋隧道。

3 隧道设计

3.1 隧道建筑限界设计

S218利民隧道原设计速度为30 km/h，隧道建筑限界为：

净宽：3.25×2+0.25+0.25+0.75+0.75=8.5 m；净高：4.5 m。

扩建后设计速度采用60 km/h，考虑后期路网进一步升级改造，同时参照《公路隧道设计细则》5.1.7条“长度小于500 m的独立短隧道，横断面宜设计与路基同宽”，隧道建筑限界采用：

净宽：3.75×2+1.25+1.25+1.0+1.0=12 m；净高：5.0 m。

图1 利民隧道建筑界限（单位：cm）

3.2 衬砌设计

参考国内外成功案例，依据利民隧道地质状况、施工安全等因素，综合考虑采用单侧扩挖方案。单侧扩挖方案相较于两侧扩挖和周边扩挖具有围岩位移量小、受力更合理的特点。

既有隧道为浅埋土质隧道，洞内渗漏水严重，隧道地表面有3处落水洞，形成贯通坑洞。为防止施工期间洞内渗漏水，对隧道稳定造成极大隐患，首先对隧道地表进行封水处理，对既有落水洞进行回填，采用30 cm厚的3∶7灰土进行封水压实，防止施工及以后运营过程中地表水下渗。考虑到隧道顶与周边山体环境协调统一，在隧道顶覆50 cm厚的种植土，完善边仰坡刷坡排水绿化措施。

隧道洞身长期受渗漏水影响，土体结构极不稳定，采取扩挖，岩土体受到二次扰动，应力重分布，在施工过程中形成塌方的风险极大，为保证施工期间的安全性，开挖初期，选用袋装土将隧道全部回填，极大降低施工期间塌方风险。

综合比选其他扩挖施工方案，参考成功案例，保证新洞支护的安全性，支护设计参数如下：

明洞采用60 cm厚C30钢筋混凝土结构，整环闭合，仰拱回填采用C15混凝土。

暗洞初期采用2.5 mφ25全螺纹早强水泥砂浆锚杆，水灰比为0.8∶1，纵横向间距为0.5×1.5 m；采用φ8钢筋网片，间距为20×20 cm（双层）布设；采用Ⅰ22b型钢拱架，间距50 cm；喷射混凝土采用C25早强混凝土，厚度29 cm。在型钢安装过程中，在拱腰及拱脚处分别设置2根φ42锁脚锚杆，对型钢进行固定。同时隧道进出口暗洞段采用超前大管棚和双层超前小导管相结合支护形式。二次衬砌采用60 cm厚C30钢筋混凝土结构形式。

图2 隧道衬砌设计图

3.3 施工方案

本项目为浅埋土质隧道扩挖工程，既有隧道已完工20余年，隧道围岩体早已完成应力重分布，目前处于稳定状态。随着隧道扩建工程的实施，隧道围岩体受力将受到极大影响，为保证在开挖过程中隧道围岩体的稳定性，本项目隧道采用单侧壁开挖法施工。

本项目隧道以矿井法原理为指导，隧道施工工序为：

图3 隧道施工工序图

a）将既有隧道用袋装砂土回填，施作超前支护，拆除左侧即有隧道。

b）开挖左侧拱顶部分围岩，施作左侧边墙、拱顶局部初期支护，施作单侧壁上部临时支撑。

c）开挖左侧仰拱部分围岩，施作左侧仰拱局部初期支护，施作单侧壁下部临时支撑。

d）采用上下台阶法，开挖右侧拱顶、边墙部分围岩，施作右侧边墙，施作单侧壁上部临时支撑。

e）开挖右侧边墙、仰拱剩余部分围岩，施作右侧边墙、仰拱，隧道初期支护闭合成环。

f）拆除临时支撑，施作防排水设施，浇筑仰拱及矮边墙。

4 结语

a）既有隧道扩挖优先采用单侧扩挖方案，单侧扩挖的围岩位移分布及围岩屈服范围均优于两侧扩挖和周围扩挖[4]。

b）针对浅埋土质围岩隧道进行扩挖改建，由于其受力情况的复杂性，应采用矿山法进行设计施工，初期支护及二衬需及早闭合成环。

c）大管棚与小导管相结合，能有效地防止隧道岩土体的塌落，保证施工和支护的安全。

d）本项目在开挖之前，采用袋装砂土回填，有效降低了施工的风险。施工组织过程中，应采用灵活多样的支护加固措施，减小施工风险，保障施工安全。