太旧高速北茹隧道改扩建方案比选研究

邓皇根

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

山西省高速公路建设和运营已经走过二十多年，伴随着高速公路改扩建工程在全国各地的兴起和发展，山西省高速公路改扩建迈开了自己的建设步伐，其中包含已经建设完成的长邯高速改扩建和正在建设的晋阳高速改扩建。

太旧高速是山西省高速公路网规划“四纵十五横三十三联”第七横的重要组成部分，是山西省第一条高速公路。近年来随着太旧高速沿线社会经济的快速发展和周边路网的不断完善，主线交通流量增长很快，虽然以北的京昆高速太阳段分流缓解了太旧高速的压力，但从交通量预测结果来看，未来仍将保持较高的增长速度。太旧高速服务水平逐年降低，服务水平已降至三级服务水平下限，通行能力差，事故频发，安全性差。目前的道路标准难以满足交通量、社会经济发展、道路服务水平、交通安全等方面的需求，实施改扩建工程刻不容缓。

既有太旧高速原设计速度60 km∕h，双向四车道，改扩建采用设计速度80 km∕h，双向八车道。北茹隧道是既有太旧高速上唯一一座隧道，北茹隧道改扩建属于整个改扩建项目的重点亦是难点，遵循“利用与改扩建充分结合、建设与运营相互协调”的原则，本文综合考虑北茹隧道的现状、洞外接线条件、建设标准、改扩建难易程度、交通量及组成、施工交通组织及运营安全等因素，进行隧道分离增建、原位扩挖及其组合等多方案经济技术比选。

1 北茹隧道概况

北茹隧道按山岭地区高速公路分离式双洞隧道设计，采用的主要技术标准：设计行车速度60 km∕h；隧道建筑限界净宽9.5 m，净高5.0 m。右线桩号范围SYK90+995—SYK92+060，长度1 065 m，左线桩号范围SZK90+935—SZK92+000，长度1 065 m，左右线净距约40 m。图1 为北茹隧道现状平面图，图中南侧北茹1 号隧道为G307 改扩建项目已建双向四车道隧道，间距约100 m。

图1 北茹隧道现状平面图

如图2所示，北茹隧道共设置车行横洞1 处，人行横洞2 处，在左、右洞中部各设紧急停车带1 处，其有效长度为30 m，两端过渡段长度各20 m，紧急停车带设于车辆前进方向的右侧，宽2.5 m。

图2 车行、人行横洞平面布置示意图（单位：m）

隧址区出露地层和隧道围岩主要由二叠系上统上石盒子组（P2s）砂泥岩组成，属于较软岩，全风化-中风化，节理裂隙较发育，岩体较破碎-较完整，围岩级别为Ⅴ～Ⅳ级，隧道洞体进出口自然坡度40°左右，岩层产状165°∠9°，路线走向约280°～290°，强风化岩层易发生崩塌掉块现象，隧道口边坡稳定性稍差，围岩级别为Ⅴ级。隧址区内地下水为碎屑岩类裂隙水，赋水量较少。

北茹隧道1994年开工建设，1996年建成通车，通车运营二十多年以来，2017年进行了一次大的维修改造，土建部分对隧道衬砌裂缝和渗漏水、衬砌背后空腔、洞口结冰等进行了病害处治；机电部分对监控、通风、消防、照明和供配电系统进行了升级改造。受山西交通控股集团有限公司太旧高速公路分公司委托，山西省交通建设工程质量检测中心（有限公司）于2019年7月对太旧高速公路北茹隧道进行了土建结构定期检查，评定结果为2 类。

2 北茹隧道改扩建方案综合比选

北茹隧道作为既有双洞四车道分离式隧道，扩建为八车道隧道时，可采用利用既有双洞再增建双洞四车道隧道或单洞四车道隧道方案或原位扩建方案。

北茹隧道原设计速度60 km∕h，该项目改扩建设计速度采用80 km∕h，当设计速度提升时，对利用的既有隧道应重新确定建筑限界。经分析，既有北茹隧道内轮廓不能满足设计速度提升后的标准两车道（3.75 m×2）隧道建筑限界基本宽度要求，但能够满足仅限小客车通行的两车道（3.75 m×2）隧道建筑限界基本宽度要求。

在上述分析的前提下，结合路线总体设计，对北茹隧道改扩建进行了5 个方案的定性和定量的比选研究。

2.1 原位扩建方案

如图3所示，方案一即在满足改扩建设计速度80 km∕h 的前提下，由上下行分离式双洞四车道隧道扩建成上下行小净距双洞八车道隧道。

图3 原位扩建方案示意图

经路线总体研究，该方案主要存在以下问题：

a）该方案对北茹隧道双洞分别进行拓宽改造，结合项目总体建设思路，建设期间不中断太旧高速交通，因此在项目建设期可利用单洞单向保通，另需修建一条保通便道，但该路段受地形高差大、药林寺冠山省级自然保护区等因素限制，保通困难，需中断交通，社会影响性极差。

b）在DK50+000—DK51+000 段，推荐方案位于既有太旧高速北侧山坡布线，该路段地形较高，路线范围内山顶至隧道洞口高差为56 m，均位于药林寺冠山省级自然保护区实验区范围内，该路段长500 m，需大面积开挖山体，对保护区影响较大。

c）隧道出口侵占了桃河支流治导线范围，该路段沟谷狭长，河道改流困难，不具备改移条件。

d）路线方案穿越了华阳二矿龙门风机房厂区范围，沟通拆迁难度大，项目实施社会影响较差。

e）既有北茹隧道原位扩建，左右洞净距约40 m，属于小净距隧道，而且是长隧道，对于双洞八车道隧道来说，施工风险较大。

综合上述问题，路线总体上不采用该方案。

2.2 原隧道改建+分离增建

如图4所示，方案二维持原设计速度60 km∕h 的前提下，原标准利用原隧道改建成旧关至太原方向同向分离双洞四车道隧道，另分离增建太原至旧关方向同向分离双洞四车道隧道。

图4 原隧道改建+分离增建方案示意图

该方案工程规模较小，主要是原下行洞的行车方向右侧增设一处紧急停车带，如图5所示，采用局部扩挖的方式，另外，由于行车方向的改变，需要对原下行洞的通风进行改造。

图5 原下行洞新增紧急停车带示意图（单位：m）

2.3 原位扩建+分离增建

如图6所示，方案三即在满足改扩建设计速度80 km∕h的前提下，依据现行隧道规范[1-2]将原上下行分离式双洞四车道隧道扩建成旧关至太原方向同向分离双洞四车道隧道，另分离增建太原至旧关方向同向分离双洞四车道隧道。

图6 原位扩建+分离增建方案示意图

图7 为新旧隧道内轮廓对比图，扩挖最宽处仅83.5 cm，原位扩建隧道扩挖面积较小，且需将原有衬砌全部拆除并重新施作，采用机械凿除的方法对断面进行开挖，减少对围岩的扰动。

图7 新旧隧道内轮廓对比图（单位：cm）

由于既有紧急停车带的有效长度和右侧加宽宽度不满足现有隧道规范的相关要求，原上行洞紧急停车带需要进行扩建，原下行洞需要在行车方向右侧增设一处紧急停车带。

2.4 单洞扩建+单洞救援通道+分离增建

如图8所示，方案四即在满足改扩建设计速度80 km∕h 的前提下，利用原隧道下行洞单洞扩建成旧关至太原方向单洞四车道隧道，上行洞不再作为通车使用，而是作为应急疏散救援通道，亦可兼作运营备用通道，并利用既有隧道横通道连接扩建后的四车道隧道和应急疏散救援通道，另分离增建太原至旧关方向同向分离双洞四车道隧道。

图8 单洞扩建+单洞救援通道+分离增建方案示意图

利用原上行洞作为救援通道，应在下阶段对既有北茹隧道进行专项检查，根据新的专项检查报告，加固利用原上行洞[3]。

利用原下行洞单侧扩挖成四车道隧道，Ⅲ级围岩宜采用台阶法，Ⅳ级围岩宜采用台阶法或中隔壁法，Ⅴ级围岩宜采用中隔壁法或交叉中隔壁法。

2.5 单洞改建+单洞原位扩建+分离增建

如图9所示，方案五即在满足改扩建设计速度80 km∕h 的前提下，依据现行规范将原下行洞改建成仅限小客车通行的两车道隧道，将原上行洞扩建成满足大车通行的标准两车道隧道，另分离增建太原至旧关方向同向分离双洞四车道隧道。

图9 单洞改建+单洞原位扩建+分离增建方案示意图

原下行洞的改建主要工程规模包括：为满足洞口3 s 平、纵线形一致要求，旧关端平面线位进行了局部调整，调整段落需要进行拆除新建；原洞内由于锚喷加固处治、衬砌变形等原因造成的实际内轮廓不满足调整后的隧道建筑限界要求的局部段落，需要拆除新建；行车方向右侧增设一处紧急停车带，采用局部扩挖的方式；原洞内路面为双向坡，调整后为单向坡，洞内路面需重铺；两侧检修道拆除新建；由于行车方向的改变，需要对原下行洞的通风进行改造。

隧道改建拆除钢筋混凝土衬砌时，遵循“地质条件由好向差、承载由强到弱、分割多个单元拆除”的原则；拆除混凝土衬砌时，遵循“弱预裂、早支护、分割多单元拆除”的原则。改建施工宜成环进行，可采用间隔分段施工。

原上行洞的扩建同方案三，扩挖面积较小，需将原有衬砌全部拆除并重新施作，采用机械凿除的方法对断面进行开挖，减少对围岩的扰动。

2.6 综合比选

从路线总体方面考虑，方案一已不具备比选意义，方案二～方案五这4 个方案旧关至太原方向改扩建方式有所不同，而太原至旧关方向改扩建方式一致，即增建同向分离双洞四车隧道，因此，主要围绕旧关至太原方向的改扩建进行该4 个方案的经济技术综合比选，见表1。

表1 改扩建方案综合比选

由表1 综合比选得出：建议方案五作为北茹隧道改扩建推荐方案，该方案满足80 km∕h 设计速度改扩建标准的同时，对既有隧道的利用率高，节省造价。主要不足是客货分流，但可充分利用智慧交通相关技术通过设置机电交安设施弥补不足。

3 结语

在工程可行性研究阶段，经过多方案经济技术比选，确定“单洞改建+单洞原位扩建+分离增建”作为既有太旧高速北茹隧道改扩建推荐方案，该方案技术可行、经济合理，可供同类工程参考。