既有隧道改擴建方案研究

雷 棟 李 昕

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

既有隧道改擴建方案研究

雷 棟 李 昕

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

結(jié)合安徽試刀山隧道現(xiàn)狀及工程地質(zhì)條件，從通行能力、施工難度及運營風(fēng)險等方面入手，擬定多個隧道改擴建方案并進行了比選，以提出合理的建設(shè)規(guī)模和方案，可以為今后類似的隧道設(shè)計施工提供參考。

隧道，改擴建，水庫，高鐵

0 引言

近年來隨著我國交通運輸?shù)娘w速發(fā)展，原有公路服務(wù)水平已不能適應(yīng)交通運輸?shù)男枰?，公路需要改擴建才能達到相應(yīng)的服務(wù)水平，在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)這些問題已日趨突出，如沈大高速公路、滬杭高速公路的改擴建?，F(xiàn)階段關(guān)于地下空間擴建的研究不多，合理的擴建方案關(guān)系著工程的安全、投資規(guī)模等。所以，對既有隧道改擴建的方案研究是很有必要的。

1 工程概況

試刀山隧道在安徽省的重要干線公路蕪合高速上，于1995年建成通車。其平面呈分離雙洞布置，雙洞間凈距約為38 m，按單洞雙車道設(shè)計，設(shè)計車速100 km/h。隧址區(qū)地層巖性主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r及頁巖，洞口主要為第四系坡殘積層。隧道所穿部分地段還存在膨脹土、斷層破碎帶、巖溶、巖溶破碎體等不良地質(zhì)。整個隧道地質(zhì)條件復(fù)雜多變，在原試刀山隧道施工期間曾多次出現(xiàn)塌方、冒頂?shù)仁┕な鹿?，洞身還穿越多處溶洞。隧道經(jīng)多年運營，隧道內(nèi)設(shè)施老化，病害、水害嚴重，曾于2006年—2007年進行一次大規(guī)模整治。隧道內(nèi)事故多發(fā)，目前隧道單洞僅維持單車道運行，并限速60 km/h。

2 改擴建方案的控制因素及原則

試刀山隧道擴建方案的擬定，前提是考慮在改擴建過程中，原有高速公路應(yīng)保持運行不能中斷。除此之外，應(yīng)考慮周邊地形地物、地質(zhì)條件及工程的施工和運營安全。

因此，在方案的擬定過程中，擬按以下原則進行：

1)盡量利用既有隧道結(jié)構(gòu)；2)方案的施工組織應(yīng)盡量避免對原有公路運營的影響；3)應(yīng)滿足通行能力和服務(wù)水平要求；4)工程方案安全、經(jīng)濟、合理；5)充分考慮當?shù)氐胤叫枨蟆?/p>

2.1 主要影響因素點

對于試刀山隧道的擴建方案擬定，周邊主要的影響因素有大力禪寺、力寺庫及在建的京福高鐵等。

1)大力禪寺見圖1。原試刀山隧道蕪湖端洞口西南側(cè)為大力禪寺，禪寺與蕪合高速公路距離約46 m。

由于大力寺為巢湖市宗教活動場所，本工程的建設(shè)受其一定制約，巢湖市宗教局為此發(fā)文建議工程盡量不往西拓展，如因建設(shè)需要必須向其一側(cè)拓展時，應(yīng)切實做好隔音設(shè)計。

2)在建京福高鐵。在建京福高鐵試刀山隧道與蕪合高速公路距離約240 m。

3)力寺水庫見圖2。原試刀山隧道蕪湖端洞口南側(cè)有力寺水庫1座，屬巢湖市重點小(二)型水庫。

現(xiàn)狀力寺水庫壩腳與蕪合高速公路距離約32 m，水庫泄洪道緊靠高速公路設(shè)置，主河槽距離高速公路20 m。

2.2 主要地質(zhì)控制因素

對隧道擴建方案較有控制性的因素有：

1)既有隧道蕪湖端洞口東北側(cè)(隧道右洞側(cè))曾發(fā)生較大規(guī)?；?，且該段發(fā)育有區(qū)域性斷裂F2(走向與G5011基本平行)，新建路線及隧道應(yīng)盡量避開F2斷層(見圖3)。

2)鑒于既有隧道施工期間，曾多次發(fā)生較大規(guī)模塌方，且穿過的巖溶填充物成分復(fù)雜，在發(fā)生過塌方及巖溶發(fā)育地段，既有隧道不宜進行原址擴挖，新建隧道應(yīng)盡量遠離既有隧道。

3)既有隧道施工過程中，塌方主要發(fā)生在合肥端泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)泥巖地層，該地層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石抗壓強度低，該段新建隧道應(yīng)盡量遠離既有隧道，不宜采用小凈距隧道形式。

綜合試刀山隧道路段現(xiàn)狀，以及地質(zhì)情況，無論從施工安全或工程造價出發(fā)，并不宜進行單洞四車道的大斷面隧道施工；考慮地質(zhì)原因及施工期間高速公路保通的要求，隧道也不宜進行原址擴建。

3 改擴建方案

1)方案一。在既有隧道外側(cè)各新增一座三車道隧道，既有隧道經(jīng)升級改造后，按單車道運行的方案。本方案通行能力及服務(wù)水平高；內(nèi)側(cè)僅運行一個車道，斷面凈空富裕量大，作為快車道，行車舒適度高，交通事故處理方便；外側(cè)新建隧道為三車道隧道，舒適性高。為提高行車安全性，斷面按現(xiàn)行規(guī)范要求的120 km/h車速進行設(shè)計，實際運行速度采用100 km/h(見圖4)。

2)方案二。既有隧道經(jīng)改造后，按行車速度100 km/h設(shè)計，恢復(fù)雙車道運行，既有隧道外側(cè)各增加一座雙車道隧道。既有隧道作為內(nèi)側(cè)車道，在運營過程中考慮僅限事故率低的小客車通行；外側(cè)新建隧道作為大型車專用車道，為提高行車安全性，斷面按現(xiàn)行規(guī)范要求的120 km/h車速進行設(shè)計，實際運行采用100 km/h(見圖5)。

3)方案三。利用既有隧道作為下行線，新增兩座隧道作為上行線。既有隧道設(shè)計車速按100 km/h、新建隧道設(shè)計車速按120 km/h考慮(見圖6)。

4)方案四?？紤]力寺水庫溢洪道及大力禪寺的影響，在既有隧道中間新建一座隧道，在既有隧道右洞側(cè)新建一座隧道(見圖7)。

由于既有隧道上下行線間距為50 m，中間巖柱厚度約38 m。若在既有隧道之間新建隧道，則新建隧道距離既有隧道分別為約10 m(三車道方案)和約12 m(兩車道方案)，凈距均小于一倍洞徑，屬于小凈距隧道，設(shè)計中必須考慮洞室的相互擾動。根據(jù)隧址區(qū)的地質(zhì)情況及既有隧道施工情況，新建隧道對既有隧道圍巖相互影響和擾動較大，尤其在既有隧道曾發(fā)生塌方地段及洞身斷層破碎帶Ⅵ級圍巖地段，建設(shè)風(fēng)險極高。

另外，在既有隧道之間新建隧道，其爆破、出渣等施工過程勢必對既有隧道運營造成重大影響，包括施工場地布置也存在較大問題。因此，不推薦在既有隧道之間增加新隧道。

4 新舊隧道合理間距分析

參考《公路隧道設(shè)計規(guī)范》《公路隧道設(shè)計細則》《高速公路改擴建規(guī)范》(在編)的相關(guān)要求，計算采用30 m間距進行測算。

計算模型選取老隧道建設(shè)過程中塌方最為嚴重的40 m路段，為使數(shù)值計算具有典型性，選擇此段作為動態(tài)施工場地。隧道埋深為10 m～12 m，建模時按照平均深度11 m考慮，隧道圍巖主要為泥質(zhì)砂巖，易風(fēng)化，強度較低，沒有自穩(wěn)能力，圍巖級別定為Ⅴ級(見圖8)。圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

計算采用基于FLAC有限元軟件模擬采用CRD法施工的新建加寬兩車道隧道的計算模型，拱頂埋深均采用均值，為11 m，模型縱向長度40 m，隧道橫向(x軸)取110 m，計算范圍滿足土體開挖影響2D～4D。初期支護最大主應(yīng)力分布云圖及最終應(yīng)力列表如圖9，表2所示。豎向變形云圖與塑性區(qū)分布圖見圖10，圖11。

表2 初期支護最終應(yīng)力列表 kPa

通過對計算結(jié)果的分析，在本地質(zhì)及計算條件下，可以得出以下結(jié)論：

隧道結(jié)構(gòu)的變形及受力基本在可控范圍。最大主應(yīng)力最大為8 113 kPa，出現(xiàn)在邊墻，最小主應(yīng)力最大為11 756.3 kPa，出現(xiàn)在臨時支撐上，應(yīng)力小于型鋼支護的屈服應(yīng)力；拱頂最大沉降為18.4 mm，水平收斂基本可忽略不計，變形均在可控范圍內(nèi)。

5 方案比選

方案一：交通組織較好，行車舒適性高。另外，本方案還保留將隧道段擴充成雙向十車道的可能，能夠充分利用通道資源，體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的思路。但本方案工程投資規(guī)模較大，外側(cè)新建隧道開挖跨度將達17 m以上，在此復(fù)雜的地形地質(zhì)條件下，建設(shè)難度和風(fēng)險均較高，工期較長。由于距離大力禪寺、力寺水庫較近，對周邊環(huán)境影響最大。

方案二：本方案在行車舒適性和總體通行能力上較方案一差，但新增隧道開挖跨度為13.5 m左右，較方案一斷面大大減小，在此復(fù)雜多變的地質(zhì)條件下更利于施工及運營安全，在工程投資規(guī)模和施工風(fēng)險上要明顯小于方案一。由于隧道修建需要考慮到對大力禪寺的噪聲影響，故采用加長明洞通過大力禪寺附近區(qū)域，同時也能減小對線形的限制條件。

方案三：本方案的提出主要考慮到大力禪寺、力寺水庫的影響，既有隧道西南側(cè)建設(shè)用地使用有一定難度。本方案在通行能力和舒適性上蕪湖方向較低，合肥方向較高，并且本方案實際上存在較多問題，其中：

1)老隧道凈空斷面限制，運營安全差，老隧道在新線中作為大型車專用道，難以保證運營安全性。

2)新增隧道在原路線東北側(cè)布置，隧道巢湖端洞口及洞外接線受F2斷層及洞口附近的滑坡影響大，且洞外接線將出現(xiàn)100 m左右的高邊坡(最大坡度超過40 m)。

綜合比較：方案二為優(yōu)選方案。

6 結(jié)語

本研究針對試刀山隧道路段現(xiàn)狀，從通行能力、施工難度及運營風(fēng)險等方面入手，對試刀山隧道改擴建方案進行研究，以提出合理的建設(shè)規(guī)模和方案，體現(xiàn)安全、經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計原則。同時本研究也能為國內(nèi)類似隧道改擴建工程方案決策提供參考。

[1] 孫 均.地下工程設(shè)計理論與實踐[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1996.

[2] JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[3] JTG/T D70—2010，公路隧道設(shè)計細則[S].

Research on existing tunnel reconstruction scheme

Lei Dong Li Xin

(CCCCSecondHighwaySurveyandDesignInstituteLimitedCompany,Wuhan430056,China)

Combining with the Anhui Shidaoshan tunnel status quo and engineering geological conditions, from the traffic capacity, construction difficulty and operating risks and other aspects, prepared a plurality of tunnel reconstruction scheme and made comparison and selection, to propose reasonable construction scale and plan, could provide reference for future similar tunnel design and construction.

tunnel, reconstruction, reservoir, high-speed rail

2015-01-27

雷 棟(1985- )，男，助理工程師； 李 昕(1979- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)10-0159-03

U452.2

A