太舊高速北茹隧道改擴(kuò)建方案比選研究

鄧皇根

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

山西省高速公路建設(shè)和運(yùn)營已經(jīng)走過二十多年，伴隨著高速公路改擴(kuò)建工程在全國各地的興起和發(fā)展，山西省高速公路改擴(kuò)建邁開了自己的建設(shè)步伐，其中包含已經(jīng)建設(shè)完成的長邯高速改擴(kuò)建和正在建設(shè)的晉陽高速改擴(kuò)建。

太舊高速是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“四縱十五橫三十三聯(lián)”第七橫的重要組成部分，是山西省第一條高速公路。近年來隨著太舊高速沿線社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和周邊路網(wǎng)的不斷完善，主線交通流量增長很快，雖然以北的京昆高速太陽段分流緩解了太舊高速的壓力，但從交通量預(yù)測(cè)結(jié)果來看，未來仍將保持較高的增長速度。太舊高速服務(wù)水平逐年降低，服務(wù)水平已降至三級(jí)服務(wù)水平下限，通行能力差，事故頻發(fā)，安全性差。目前的道路標(biāo)準(zhǔn)難以滿足交通量、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、道路服務(wù)水平、交通安全等方面的需求，實(shí)施改擴(kuò)建工程刻不容緩。

既有太舊高速原設(shè)計(jì)速度60 km∕h，雙向四車道，改擴(kuò)建采用設(shè)計(jì)速度80 km∕h，雙向八車道。北茹隧道是既有太舊高速上唯一一座隧道，北茹隧道改擴(kuò)建屬于整個(gè)改擴(kuò)建項(xiàng)目的重點(diǎn)亦是難點(diǎn)，遵循“利用與改擴(kuò)建充分結(jié)合、建設(shè)與運(yùn)營相互協(xié)調(diào)”的原則，本文綜合考慮北茹隧道的現(xiàn)狀、洞外接線條件、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、改擴(kuò)建難易程度、交通量及組成、施工交通組織及運(yùn)營安全等因素，進(jìn)行隧道分離增建、原位擴(kuò)挖及其組合等多方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選。

1 北茹隧道概況

北茹隧道按山嶺地區(qū)高速公路分離式雙洞隧道設(shè)計(jì)，采用的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)行車速度60 km∕h；隧道建筑限界凈寬9.5 m，凈高5.0 m。右線樁號(hào)范圍SYK90+995—SYK92+060，長度1 065 m，左線樁號(hào)范圍SZK90+935—SZK92+000，長度1 065 m，左右線凈距約40 m。圖1 為北茹隧道現(xiàn)狀平面圖，圖中南側(cè)北茹1 號(hào)隧道為G307 改擴(kuò)建項(xiàng)目已建雙向四車道隧道，間距約100 m。

圖1 北茹隧道現(xiàn)狀平面圖

如圖2所示，北茹隧道共設(shè)置車行橫洞1 處，人行橫洞2 處，在左、右洞中部各設(shè)緊急停車帶1 處，其有效長度為30 m，兩端過渡段長度各20 m，緊急停車帶設(shè)于車輛前進(jìn)方向的右側(cè)，寬2.5 m。

圖2 車行、人行橫洞平面布置示意圖（單位：m）

隧址區(qū)出露地層和隧道圍巖主要由二疊系上統(tǒng)上石盒子組（P2s）砂泥巖組成，屬于較軟巖，全風(fēng)化-中風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎-較完整，圍巖級(jí)別為Ⅴ～Ⅳ級(jí)，隧道洞體進(jìn)出口自然坡度40°左右，巖層產(chǎn)狀165°∠9°，路線走向約280°～290°，強(qiáng)風(fēng)化巖層易發(fā)生崩塌掉塊現(xiàn)象，隧道口邊坡穩(wěn)定性稍差，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。隧址區(qū)內(nèi)地下水為碎屑巖類裂隙水，賦水量較少。

北茹隧道1994年開工建設(shè)，1996年建成通車，通車運(yùn)營二十多年以來，2017年進(jìn)行了一次大的維修改造，土建部分對(duì)隧道襯砌裂縫和滲漏水、襯砌背后空腔、洞口結(jié)冰等進(jìn)行了病害處治；機(jī)電部分對(duì)監(jiān)控、通風(fēng)、消防、照明和供配電系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造。受山西交通控股集團(tuán)有限公司太舊高速公路分公司委托，山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心（有限公司）于2019年7月對(duì)太舊高速公路北茹隧道進(jìn)行了土建結(jié)構(gòu)定期檢查，評(píng)定結(jié)果為2 類。

2 北茹隧道改擴(kuò)建方案綜合比選

北茹隧道作為既有雙洞四車道分離式隧道，擴(kuò)建為八車道隧道時(shí)，可采用利用既有雙洞再增建雙洞四車道隧道或單洞四車道隧道方案或原位擴(kuò)建方案。

北茹隧道原設(shè)計(jì)速度60 km∕h，該項(xiàng)目改擴(kuò)建設(shè)計(jì)速度采用80 km∕h，當(dāng)設(shè)計(jì)速度提升時(shí)，對(duì)利用的既有隧道應(yīng)重新確定建筑限界。經(jīng)分析，既有北茹隧道內(nèi)輪廓不能滿足設(shè)計(jì)速度提升后的標(biāo)準(zhǔn)兩車道（3.75 m×2）隧道建筑限界基本寬度要求，但能夠滿足僅限小客車通行的兩車道（3.75 m×2）隧道建筑限界基本寬度要求。

在上述分析的前提下，結(jié)合路線總體設(shè)計(jì)，對(duì)北茹隧道改擴(kuò)建進(jìn)行了5 個(gè)方案的定性和定量的比選研究。

2.1 原位擴(kuò)建方案

如圖3所示，方案一即在滿足改擴(kuò)建設(shè)計(jì)速度80 km∕h 的前提下，由上下行分離式雙洞四車道隧道擴(kuò)建成上下行小凈距雙洞八車道隧道。

圖3 原位擴(kuò)建方案示意圖

經(jīng)路線總體研究，該方案主要存在以下問題：

a）該方案對(duì)北茹隧道雙洞分別進(jìn)行拓寬改造，結(jié)合項(xiàng)目總體建設(shè)思路，建設(shè)期間不中斷太舊高速交通，因此在項(xiàng)目建設(shè)期可利用單洞單向保通，另需修建一條保通便道，但該路段受地形高差大、藥林寺冠山省級(jí)自然保護(hù)區(qū)等因素限制，保通困難，需中斷交通，社會(huì)影響性極差。

b）在DK50+000—DK51+000 段，推薦方案位于既有太舊高速北側(cè)山坡布線，該路段地形較高，路線范圍內(nèi)山頂至隧道洞口高差為56 m，均位于藥林寺冠山省級(jí)自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)，該路段長500 m，需大面積開挖山體，對(duì)保護(hù)區(qū)影響較大。

c）隧道出口侵占了桃河支流治導(dǎo)線范圍，該路段溝谷狹長，河道改流困難，不具備改移條件。

d）路線方案穿越了華陽二礦龍門風(fēng)機(jī)房廠區(qū)范圍，溝通拆遷難度大，項(xiàng)目實(shí)施社會(huì)影響較差。

e）既有北茹隧道原位擴(kuò)建，左右洞凈距約40 m，屬于小凈距隧道，而且是長隧道，對(duì)于雙洞八車道隧道來說，施工風(fēng)險(xiǎn)較大。

綜合上述問題，路線總體上不采用該方案。

2.2 原隧道改建+分離增建

如圖4所示，方案二維持原設(shè)計(jì)速度60 km∕h 的前提下，原標(biāo)準(zhǔn)利用原隧道改建成舊關(guān)至太原方向同向分離雙洞四車道隧道，另分離增建太原至舊關(guān)方向同向分離雙洞四車道隧道。

圖4 原隧道改建+分離增建方案示意圖

該方案工程規(guī)模較小，主要是原下行洞的行車方向右側(cè)增設(shè)一處緊急停車帶，如圖5所示，采用局部擴(kuò)挖的方式，另外，由于行車方向的改變，需要對(duì)原下行洞的通風(fēng)進(jìn)行改造。

圖5 原下行洞新增緊急停車帶示意圖（單位：m）

2.3 原位擴(kuò)建+分離增建

如圖6所示，方案三即在滿足改擴(kuò)建設(shè)計(jì)速度80 km∕h的前提下，依據(jù)現(xiàn)行隧道規(guī)范[1-2]將原上下行分離式雙洞四車道隧道擴(kuò)建成舊關(guān)至太原方向同向分離雙洞四車道隧道，另分離增建太原至舊關(guān)方向同向分離雙洞四車道隧道。

圖6 原位擴(kuò)建+分離增建方案示意圖

圖7 為新舊隧道內(nèi)輪廓對(duì)比圖，擴(kuò)挖最寬處僅83.5 cm，原位擴(kuò)建隧道擴(kuò)挖面積較小，且需將原有襯砌全部拆除并重新施作，采用機(jī)械鑿除的方法對(duì)斷面進(jìn)行開挖，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

圖7 新舊隧道內(nèi)輪廓對(duì)比圖（單位：cm）

由于既有緊急停車帶的有效長度和右側(cè)加寬寬度不滿足現(xiàn)有隧道規(guī)范的相關(guān)要求，原上行洞緊急停車帶需要進(jìn)行擴(kuò)建，原下行洞需要在行車方向右側(cè)增設(shè)一處緊急停車帶。

2.4 單洞擴(kuò)建+單洞救援通道+分離增建

如圖8所示，方案四即在滿足改擴(kuò)建設(shè)計(jì)速度80 km∕h 的前提下，利用原隧道下行洞單洞擴(kuò)建成舊關(guān)至太原方向單洞四車道隧道，上行洞不再作為通車使用，而是作為應(yīng)急疏散救援通道，亦可兼作運(yùn)營備用通道，并利用既有隧道橫通道連接擴(kuò)建后的四車道隧道和應(yīng)急疏散救援通道，另分離增建太原至舊關(guān)方向同向分離雙洞四車道隧道。

圖8 單洞擴(kuò)建+單洞救援通道+分離增建方案示意圖

利用原上行洞作為救援通道，應(yīng)在下階段對(duì)既有北茹隧道進(jìn)行專項(xiàng)檢查，根據(jù)新的專項(xiàng)檢查報(bào)告，加固利用原上行洞[3]。

利用原下行洞單側(cè)擴(kuò)挖成四車道隧道，Ⅲ級(jí)圍巖宜采用臺(tái)階法，Ⅳ級(jí)圍巖宜采用臺(tái)階法或中隔壁法，Ⅴ級(jí)圍巖宜采用中隔壁法或交叉中隔壁法。

2.5 單洞改建+單洞原位擴(kuò)建+分離增建

如圖9所示，方案五即在滿足改擴(kuò)建設(shè)計(jì)速度80 km∕h 的前提下，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范將原下行洞改建成僅限小客車通行的兩車道隧道，將原上行洞擴(kuò)建成滿足大車通行的標(biāo)準(zhǔn)兩車道隧道，另分離增建太原至舊關(guān)方向同向分離雙洞四車道隧道。

圖9 單洞改建+單洞原位擴(kuò)建+分離增建方案示意圖

原下行洞的改建主要工程規(guī)模包括：為滿足洞口3 s 平、縱線形一致要求，舊關(guān)端平面線位進(jìn)行了局部調(diào)整，調(diào)整段落需要進(jìn)行拆除新建；原洞內(nèi)由于錨噴加固處治、襯砌變形等原因造成的實(shí)際內(nèi)輪廓不滿足調(diào)整后的隧道建筑限界要求的局部段落，需要拆除新建；行車方向右側(cè)增設(shè)一處緊急停車帶，采用局部擴(kuò)挖的方式；原洞內(nèi)路面為雙向坡，調(diào)整后為單向坡，洞內(nèi)路面需重鋪；兩側(cè)檢修道拆除新建；由于行車方向的改變，需要對(duì)原下行洞的通風(fēng)進(jìn)行改造。

隧道改建拆除鋼筋混凝土襯砌時(shí)，遵循“地質(zhì)條件由好向差、承載由強(qiáng)到弱、分割多個(gè)單元拆除”的原則；拆除混凝土襯砌時(shí)，遵循“弱預(yù)裂、早支護(hù)、分割多單元拆除”的原則。改建施工宜成環(huán)進(jìn)行，可采用間隔分段施工。

原上行洞的擴(kuò)建同方案三，擴(kuò)挖面積較小，需將原有襯砌全部拆除并重新施作，采用機(jī)械鑿除的方法對(duì)斷面進(jìn)行開挖，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

2.6 綜合比選

從路線總體方面考慮，方案一已不具備比選意義，方案二～方案五這4 個(gè)方案舊關(guān)至太原方向改擴(kuò)建方式有所不同，而太原至舊關(guān)方向改擴(kuò)建方式一致，即增建同向分離雙洞四車隧道，因此，主要圍繞舊關(guān)至太原方向的改擴(kuò)建進(jìn)行該4 個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比選，見表1。

表1 改擴(kuò)建方案綜合比選

由表1 綜合比選得出：建議方案五作為北茹隧道改擴(kuò)建推薦方案，該方案滿足80 km∕h 設(shè)計(jì)速度改擴(kuò)建標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，對(duì)既有隧道的利用率高，節(jié)省造價(jià)。主要不足是客貨分流，但可充分利用智慧交通相關(guān)技術(shù)通過設(shè)置機(jī)電交安設(shè)施彌補(bǔ)不足。

3 結(jié)語

在工程可行性研究階段，經(jīng)過多方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，確定“單洞改建+單洞原位擴(kuò)建+分離增建”作為既有太舊高速北茹隧道改擴(kuò)建推薦方案，該方案技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理，可供同類工程參考。