象山隧道拓寬改造工程方案研究

臧萬軍，王釗

(1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118； 2. 地下工程福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350118)

象山隧道拓寬改造工程方案研究

臧萬軍1,2，王釗1,2

(1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118； 2. 地下工程福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350118)

對(duì)象山隧道拓寬改造工程方案進(jìn)行研究。對(duì)比增建隧道、大開挖道路、原位拓寬3種擴(kuò)建形式，綜合分析象山隧道工程現(xiàn)狀、拓寬改造基本原則和影響因素，提出原位拓寬形式的合理性。分析原隧道兩側(cè)小洞各拓寬成3車道、保留中間兩個(gè)大洞和原隧道兩側(cè)大洞連通小洞各改建為一個(gè)大洞兩種原位拓寬改造方案，從結(jié)構(gòu)受力、營運(yùn)能力、施工難度、交通影響和經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行比選，確定可行性方案。對(duì)連拱隧道拓寬改造施工提出建議，為今后類似的隧道拓寬改造工程提供參考。

連拱隧道； 拓寬改造； 方案比選

我國現(xiàn)有公路隧道一般為雙向四車道分離式隧道，既有隧道拓寬改造的形式一般有增建隧道、原位拓寬以及兩者組合。目前已有一些學(xué)者對(duì)既有隧道拓寬改造方案進(jìn)行了探索，采用增建隧道形式的有上海打浦路隧道[1]、日本塔之峰隧道[2]等；采用原位擴(kuò)建形式的有重慶鵝嶺隧道[3]、關(guān)村壩隧道[4]、日本天王山隧道[5]等；采用組合擴(kuò)建方式的有福建大帽山隧道[6-8]等。

象山隧道是少見的四連拱結(jié)構(gòu)隧道，力學(xué)狀態(tài)較分離式隧道更為復(fù)雜，拓寬改造的施工難度及風(fēng)險(xiǎn)更顯著，對(duì)四連拱隧道進(jìn)行拓寬改造，目前還沒有工程先例[9]。本文結(jié)合定性分析和定量分析等方法對(duì)象山隧道拓寬改造工程方案進(jìn)行研究，為類似連拱隧道拓寬改造工程提供參考。

1 工程概況[10]

1.1 工程地質(zhì)條件

象山隧道整體埋深較淺，最大埋深小于23 m，主要穿越象山殘積剝蝕山丘，地表植被茂密。隧道通過區(qū)域，上部是第四系殘積、坡積砂紙粘土及表層部分人工雜填土，分布不均；下部主要是由燕山晚期第二次侵入形成的花崗巖基底及第四次侵入的大型花崗斑巖巖脈組成，局部地段遇到輝綠玢巖穿插。地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體自穩(wěn)能力很差，圍巖級(jí)別主要為Ⅳ、Ⅴ級(jí)。

1.2 隧道原設(shè)計(jì)

象山隧道建于1994年，全長230 m，基本位于直線上,內(nèi)為-0.532%的單面坡。設(shè)計(jì)為4洞連拱隧道，中間兩洞通行機(jī)動(dòng)車，雙向4車道；外側(cè)洞設(shè)計(jì)為人非混行車道(見圖1)。近年來為緩解交通壓力，兩側(cè)洞開放給小型機(jī)動(dòng)車通行。

圖1 象山隧道斷面(單位：m)Fig.1 Cross-sectional drawing of Xiangshan tunnel(unit:m)

隧道采用復(fù)合式襯砌，其中III級(jí)圍巖地段隧道采用底板形式，Ⅳ級(jí)及以上圍巖地段均采用仰拱形式。進(jìn)出口兩端采用明洞。中間隧道路面以上凈空58.7 m2，側(cè)洞路面以上凈空26.9 m2。

1.3 隧道病害整治情況

1997年，象山隧道進(jìn)行病害整治施工，整治內(nèi)容：恢復(fù)地表排水系統(tǒng)；采用無機(jī)材料漿液填充和加固襯砌背后空洞與圍巖松散體；對(duì)裂縫和有危害的施工縫進(jìn)行補(bǔ)漏處理，并形成隧道防排水系統(tǒng)；兩邊洞加一層鋼筋混凝土襯砌穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

1.4 隧道健康檢測(cè)情況

2011年，對(duì)象山隧道襯砌質(zhì)量和病害情況進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)研，表明襯砌強(qiáng)度總體符合設(shè)計(jì)要求，但由于運(yùn)營時(shí)間長，且受外界環(huán)境影響存在差異，導(dǎo)致襯砌混凝土強(qiáng)度離散性較大，局部范圍略低于設(shè)計(jì)要求。隧道無重大施工缺陷，襯砌背后無大空洞，局部襯砌厚度略小于設(shè)計(jì)值及不密實(shí)。

2 制定拓寬改造方案的基本原則及影響因素

2.1 拓寬改造方案的基本原則

1)符合福州市城市總體規(guī)劃，滿足交通功能需要，方便運(yùn)營管理、維修，減少拆遷，并與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)一致。

2)有利于環(huán)境保護(hù)和水土保持，節(jié)約能源和土地，保護(hù)文物，保護(hù)原有植被。

3)采用技術(shù)成熟、施工難度低、施工進(jìn)度快的方案，合理組織施工及施工期間的交通組織。

4)既要經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠，又要適合本工程的建設(shè)特點(diǎn)。

2.2 隧道拓寬改造方案的主要影響因素

象山隧道位于福州市二環(huán)路，西依象山、后縣山，東臨西湖，周邊建筑林立。如圖2所示。

圖2 象山隧道周邊環(huán)境Fig.2 Surroundings of Xiangshan tunnel

對(duì)于象山隧道拓寬改造方案的擬定，周邊主要影響因素有：

1)工程靠象山，臨西湖，隧道頂部植被茂密，環(huán)境及景觀保護(hù)難度大。

2)伊斯蘭教墓地群位于隧道北口西側(cè)，面積2 300 m2，部分位于隧道洞頂，墓區(qū)搬遷困難。

3)隧道東側(cè)，從北到南依次是西湖別墅、九龍山莊及職業(yè)病防治院。其中西湖別墅及九龍山莊建筑距離隧道邊線18 m，九龍山莊停車場(chǎng)緊鄰隧道邊線，施工風(fēng)險(xiǎn)極大。

3 隧道拓寬改造方案研究

3.1 拓寬改造形式分析

3.1.1 增建隧道

在既有隧道兩側(cè)增建隧道，實(shí)現(xiàn)隧道的拓寬。該方案占地面積大，拆遷范圍廣，涉及穆斯林墓區(qū)的搬遷，方案實(shí)施難度大。

3.1.2 大開挖道路

采用大開挖方式，明挖道路上方山體，以路塹代替隧道。該方案對(duì)景觀破壞極大；涉及穆斯林墓區(qū)，遷改困難；垂直開挖30多m，基坑臨近西湖別墅和九龍山莊住宅，施工風(fēng)險(xiǎn)高；山體敞開明挖，開挖量大，施工噪音及運(yùn)輸對(duì)周邊影響大。

3.1.3 原位拓寬

對(duì)既有四連拱隧道進(jìn)行原位拓寬改造。該方案對(duì)景觀影響小，不侵占墓區(qū)，但爆破作業(yè)可能引起糾紛；施工有風(fēng)險(xiǎn)，但采取措施后，可保證安全；暗挖施工，僅兩端洞口施工對(duì)周邊影響略大，對(duì)山頂居民影響??；開挖方量小。

3.2 拓寬改造方案擬定

通過對(duì)上述3種拓寬改造形式的分析，增建隧道及大開挖方案對(duì)周邊環(huán)境影響大，實(shí)施難度大，原位拓寬改造形式最為合理。因此，對(duì)原位拓寬改造形式進(jìn)一步分析，并提出A、B兩個(gè)方案進(jìn)行比選。

3.2.1 方案A

原隧道兩側(cè)小洞各拓寬成3車道，中間兩個(gè)大洞加固處理。最終形成雙向8個(gè)機(jī)動(dòng)車道+兩個(gè)人非混行車道的新四連拱隧道形式(如圖3)。

圖3 方案A拓寬后隧道斷面圖Fig.3 Cross-sectional schematic of scheme A

3.2.2 方案B

原隧道整體改建，以中隔墻為基準(zhǔn)，兩側(cè)大洞與小洞連通，各改建為一個(gè)大洞，形成一座雙連拱隧道，最終也是雙向8個(gè)機(jī)動(dòng)車道+兩個(gè)人非混行車道規(guī)模(如圖4)。

圖4 方案B拓寬后隧道斷面圖Fig.4 Cross-sectional schematic of scheme B

4 結(jié)構(gòu)受力分析

4.1 計(jì)算模型

采用ANSYS程序進(jìn)行計(jì)算，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(2015年版)》(GB 50010-2010)[11]計(jì)算配筋，并驗(yàn)算結(jié)構(gòu)裂縫寬度。

采用復(fù)合式襯砌,設(shè)計(jì)參數(shù)參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2004)[12]取值。根據(jù)新奧法的基本理論和復(fù)合式襯砌的設(shè)計(jì)原理，初期支護(hù)為主要承載結(jié)構(gòu)，二次襯砌在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)作為承載結(jié)構(gòu)，對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖地段，二次襯砌分擔(dān)荷載比例為30%，對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖地段，二次襯砌分擔(dān)荷載比例為60%。

計(jì)算采用荷載-結(jié)構(gòu)模式，二襯采用二維梁?jiǎn)卧M，梁?jiǎn)卧獙挾葹閱挝粚挾龋焊邽閷?shí)際襯砌厚度。結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表1所示。圍巖抗力采用彈簧單元模擬，彈簧施加范圍及數(shù)量根據(jù)試算中結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，僅當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生指向圍巖方向的位移時(shí)添加彈簧單元，圍巖彈性抗力系數(shù)按實(shí)測(cè)圍巖的側(cè)向基床系數(shù)和垂向基床系數(shù)選值。

表1 計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameter of mechanical forces

4.2 方案A(V級(jí)圍巖地段最不利斷面)

V級(jí)圍巖拱部φ180 mm管棚聯(lián)合φ50 mm小導(dǎo)管超前支護(hù)，初期支護(hù)掛網(wǎng)錨噴，噴30 cm厚C25纖維混凝土，內(nèi)設(shè)格柵鋼架；二襯采用65 cm厚C40鋼筋混凝土。

計(jì)算斷面隧道洞身位于中風(fēng)化輝綠玢巖中，V級(jí)圍巖，埋深16.5 m，隧道頂部砂質(zhì)粘土層6.7 m，強(qiáng)風(fēng)化輝綠玢巖5.6 m，中風(fēng)化輝綠玢巖4.2 m。根據(jù)連拱隧道深淺埋計(jì)算公式，屬于超淺埋隧道。隧道拱頂垂直壓力：qy=γH=394.2 kPa

計(jì)算側(cè)壓力系數(shù):

λ=0.08；

彈性抗力系數(shù)取300MPa/m；排水型結(jié)構(gòu)，不計(jì)水壓力。

按概率極限狀態(tài)法，根據(jù)承載力極限狀態(tài)(圖5～7)和正常使用極限狀態(tài)(圖8～10)的要求，分別進(jìn)行承載能力及穩(wěn)定性計(jì)算，變形及裂縫寬度驗(yàn)算。從表2、3可看出，通過合理配筋，方案A的結(jié)構(gòu)能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形要求。

圖5 承載力極限狀態(tài)彎矩圖(單位：N·m)Fig.5 Bending moment diagram at limit state of bearing capacity(unit:N·m)

圖6 承載力極限狀態(tài)軸力圖(單位：N)Fig.6 Axial force diagram at limit state of bearing capacity(unit:N)

圖7 承載力極限狀態(tài)剪力圖(單位：N)Fig.7 Shearing force diagram at limit state of bearing capacity(unit:N)

表2 承載力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Computed result at limit state of bearing capacity

圖8 正常使用極限狀態(tài)彎矩圖(單位：N·m) Fig.8 Bending moment diagram at serviceabi-lity limit state(unit:N·m)

圖9 正常使用極限狀態(tài)軸力圖(單位：N) Fig.9 Axial force diagram at serviceabilitylimit state(unit:N)

圖10 正常使用極限狀態(tài)剪力圖(單位：N)Fig.10 Shearing force diagram at serviceability limit state(unit:N)

表3 正常使用極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果Tab.3 Computed result at serviceability limit state

4.3 方案B(V級(jí)圍巖地段最不利斷面)

V級(jí)圍巖拱部φ300 mm管棚聯(lián)合φ50 mm小導(dǎo)管超前支護(hù)，初期支護(hù)掛網(wǎng)錨噴，噴35 cm厚C25纖維混凝土，內(nèi)設(shè)格柵鋼架；二襯采用95 cm厚C40鋼筋混凝土。

計(jì)算斷面隧道洞身位于中風(fēng)化輝綠玢巖中，V級(jí)圍巖，埋深14.5 m，隧道頂部砂質(zhì)粘土層6.7 m，強(qiáng)風(fēng)化輝綠玢巖5.6 m，中風(fēng)化輝綠玢巖2.2 m。隧道寬度50 m，按小凈距超淺埋隧道計(jì)算。

隧道拱頂垂直壓力qy=γH=302.5 kPa;計(jì)算側(cè)壓力系數(shù)λ=0.08；圍巖彈性抗力系數(shù)取300 MPa/m;中隔壁處隧道彈性抗力系數(shù)取1 000 MPa/m;排水型結(jié)構(gòu)，不計(jì)水壓力。

按概率極限狀態(tài)法，根據(jù)承載力極限狀態(tài)(圖11～13)和正常使用極限狀態(tài)(圖14～16)的要求，分別進(jìn)行承載能力及穩(wěn)定性計(jì)算，變形及裂縫寬度驗(yàn)算。從表4、5可以看出，通過合理配筋，方案B的結(jié)構(gòu)能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形要求。

圖11 承載力極限狀態(tài)彎矩圖(單位：N·m)Fig.11 Bending moment diagram at limit state of bearing capacity(unit:N·m)

圖12 承載力極限狀態(tài)軸力圖(單位：N)Fig.12 Axial force diagram at limit state ofbearing capacity(unit:N)

圖13 承載力極限狀態(tài)剪力圖(單位：N)Fig.13 Shearing force diagram at limit state ofbearing capacity

圖14 正常使用極限狀態(tài)彎矩圖(單位：N·m)Fig.14 Bending moment diagram at service-ability limit state(unit:N·m)

表4 承載力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果Tab.4 Computed result at limit state of bearing capacity

圖15 正常使用極限狀態(tài)軸力圖(單位：N)Fig.15 Axial force diagram at serviceability limit state(unit:N)

圖16 正常使用極限狀態(tài)剪力圖(單位：N)Fig.16 Shearing force diagram at serviceability limit state(unit:N)

表5 正常使用極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果Tab.5 Computed result at serviceability limit state

5 方案比選

中隔墻是連拱隧道中連接兩側(cè)隧道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)，必須充分利用中隔墻的支撐作用進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)受力的有效轉(zhuǎn)換。計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案A結(jié)構(gòu)中隔墻位置處的受力遠(yuǎn)小于方案B，因此，在確保隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡和變形穩(wěn)定方面，方案A要優(yōu)于方案B。方案A與方案B其他方面比選分析見表6。

表6 象山隧道拓寬改造方案比選Tab.6 Excavation schemes comparison

從表6可看出，方案A和B通行能力相當(dāng)，但方案A道路分4幅，隧道內(nèi)行車互相干擾較?。环桨窤施工難度及風(fēng)險(xiǎn)均比方案B??；按方案A拓寬改造隧道對(duì)既有交通的影響較小，按方案B改造期間則需要將二環(huán)路該段交通全部封閉，影響很大；方案A工程規(guī)模較方案B小，投資也較低。綜上，象山隧道拓寬改造的方案A更具有可行性。

6 結(jié)論及建議

1)象山隧道拓寬改造采用原位拓寬形式最為合理，原隧道兩側(cè)小洞各拓寬成3車道，保留中間兩個(gè)大洞的方案具有可行性。

2)連拱隧道原位拓寬改造的技術(shù)要求比較高。中隔墻是連拱隧道中連接兩側(cè)隧道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)。連拱隧道的結(jié)構(gòu)拆除時(shí)必須將中隔墻結(jié)構(gòu)作為重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象，必須充分利用中隔墻的支撐作用進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)受力的有效轉(zhuǎn)換，以確保隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡和變形穩(wěn)定。

3)根據(jù)象山隧道的檢測(cè)情況，象山隧道襯砌混凝土強(qiáng)度總體符合設(shè)計(jì)要求，但由于運(yùn)營時(shí)間長，受外界環(huán)境影響存在差異，考慮到本次施工對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的再次擾動(dòng)，因此本方案改造側(cè)洞的同時(shí)，須進(jìn)行中間兩個(gè)洞加固。側(cè)洞改造完成后，須對(duì)中間兩個(gè)洞進(jìn)行混凝土質(zhì)量及背后空洞檢測(cè)，并對(duì)襯砌背后空洞進(jìn)行注漿加強(qiáng)，對(duì)局部強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的混凝土進(jìn)行鑿除重新模筑，對(duì)全隧應(yīng)采用芳綸復(fù)合材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

[1]邵理中,徐一峰,潘國慶,等.上海打浦路隧道復(fù)線工程建設(shè)方案研究[C]//2003上海國際隧道工程研討會(huì)論文集.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2003:138-145.

[2]先明其.從單線改建成復(fù)線的運(yùn)營隧道——箱根登山鐵道 塔之峰隧道[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),1996(4):75-80.

[3]高干,劉元雪,周結(jié)中,等.地下空間擴(kuò)建型式研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010,47(6):1-9.

[4]李元福.關(guān)村壩隧道改擴(kuò)建施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),1996(4):22-26.

[5]先明其.日本老高速公路隧道的改擴(kuò)建——名神高速公路 天王山隧道[J].隧道及地下工程,1998，19(4):47-48.

[6]武建強(qiáng).公路隧道擴(kuò)建開挖方案比選及施工力學(xué)研究[D].重慶：重慶大學(xué),2009.

[7]胡居義,陳禮彪,黃倫海.2車道隧道擴(kuò)建成4車道隧道擴(kuò)建形式研究[J].公路交通技術(shù),2010(5):93-97.

[8]陳陸軍.典型高速公路隧道擴(kuò)建方案及施工力學(xué)行為研究[D].成都：西南交通大學(xué),2013.

[9]陳七林.四連拱隧道拓寬改造關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中外公路,2014,34(1):248-253.

[10]周江天.四連拱大跨度淺埋隧道的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),1999(1):10-15.

[11]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB50010-2010 [S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016．

[12]中華人民共和國交通部．公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范： JTG D70-2004[S]．北京：人民交通出版社，2004．

(責(zé)任編輯： 陳雯)

Study on excavation schemes of Xiangshan tunnel extension

Zang Wanjun1,2, Wang Zhao1,2

(1.College of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China；2. Fujian Provincial University Key Laboratory of Underground Engineering, Fuzhou 350118, China)

The excavation schemes of Xiangshan tunnel extension project were researched. The in-situ extension was found to be more reasonable than constructing new tunnels and cutting excavation by comprehensive analysis of the geographical condition, the basic principle and the influential factors of tunnel extension. Two excavation schemes were compared in mechanics characteristic, operation (traffic) capacity, construction difficulty and risk, traffic influence and economy. Several suggestions on the construction of multi-arch tunnel extension projects were proposed, which can provide reference for similar projects in the future.

multi-arch tunnel; tunnel extension; scheme comparison

2016-10-28

福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2016J01205)

臧萬軍(1975- )，男，吉林農(nóng)安人，博士，副教授，高級(jí)工程師，研究方向： 隧道抗震減震、 隧道施工、 地下工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

10.3969/j.issn.1672-4348.2016.06.003

U452.2+5

A

1672-4348(2016)06-0526-06