山区公路既有隧道扩建设计探讨

唐明亮

(广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)



山区公路既有隧道扩建设计探讨

唐明亮

(广西交通科学研究院，广西南宁530007)

唐明亮(1982—)，工程师，硕士研究生，主要从事公路桥梁、隧道设计工作。

摘要：山区公路隧道在改善公路线型、缩短里程、保护生态环境等方面起着重要作用。文章结合内龙隧道扩建设计实例，分析了新建隧道设计和扩建隧道设计的差异，探讨了既有隧道扩建设计中需考虑的重点因素与隧道洞口、结构、防排水设计及岩溶处理方法，为今后类似隧道扩建设计提供参考。

关键词：山区公路；隧道扩建；结构设计；防排水；岩溶处理

0引言

近年来，随着山区国民经济的迅速发展，原有隧道已不能适应交通量日益增长的需求，山区公路既有隧道扩建显得尤为迫切。然而隧道工程界一直以来较注重新建工程[3]，对既有隧道维修、扩建设计关注较少。相比于新建隧道，如何考虑利用既有隧道空间及衬砌，减少对开挖面的扰动，节省初期支护，从而降低隧道工程造价是扩建隧道设计需重点考虑的问题。

1工程概况

内龙隧道为扩建隧道，隧道进出口段路基均设置有挡墙，洞门处岩体陡峭，偶有落石；出口端左侧有一天然溶洞，现被利用为石料加工厂，由于本路限制大车通过，洞内有堆砌物堵道，仅限小型车辆通行。既有隧道进口段衬砌为11 m，出口段衬砌4 m，上部拱圈为混凝土衬砌，厚约60 cm，两侧直墙为浆砌块石墙身，厚约80 cm。洞门净宽约为7.8 m，直墙高约4.1 m，上部拱圈矢高约为2 m。

由于原有隧道等级较低，净空较少，设计中考虑扩建为单洞双车道隧道，隧道全长234 m，属短隧道。隧道平面进出口段位于缓和曲线和圆曲线上，为施工方便，隧道全线按最大加宽断面设计，断面采用单心圆曲墙式断面，半径为R=5.6 m，隧道建筑限界净宽为10.0 m，净高为5.0 m，见图1。

图1　隧道内轮廓图(尺寸：cm)

2隧道扩建设计重点

隧道的布设根据路线走向和隧道埋深确定，同时考虑施工条件、工期、防火救灾及运营管理等因素。根据公路隧道设计新理念，隧道洞口位置和洞口方案的确定本着“安全、环保、和谐”的原则，尽量避免破坏山体植被，保持原生态和原有植被环境，并通过回填及防护等措施消除工程开挖所造成的不良地质隐患，使工程与自然融为一体。本隧道为扩建隧道，设计过程中需重点考虑以下因素：

(1)详细调查、测量现有隧道控制点、轮廓和衬砌厚度，结合现有地形，选线过程中充分考虑利用现有隧道良好地质地段进行选线，减少不良地质对隧道的影响和隧道开挖工程量。

(2)根据隧道通风、排水、施工方案和两端接线的要求，隧道纵坡设置不宜过大。

(3)在基本了解主要地质情况的基础上，对隧道所在的地质情况应进行认真的研究，制定合理的衬砌防护方案。

(4)既有隧道仅在两端洞口段有15 m衬砌(合计)，洞身段为裸洞，渗水比较严重，设计中须加强对防排水的处理。

(5)综合考虑路线线形指标及隧道进出口工程地质水文地质条件、营运管理及弃碴等因素。

3隧道洞口设计

我国公路隧道设计规范[1]中对洞口的设计范围没有明确的规定，设计中常把洞门与洞口视为一体。隧道洞口根据进出口地形、地貌、地质、开挖边坡稳定性、防排水需要、洞口采光以及环保景观等因素综合考虑。隧道宜“早进晚出”，洞口贴坡进洞，或设置一段明洞，尽可能采用零开挖洞口，尽量减少洞口边坡和仰坡的开挖，保证山体稳定。洞门型式的选择力求结构简洁，洞口形式主要采用端墙式、削竹式等。

(1)进口端洞口：进口端洞口地处山坡中下部，山体自然坡度较陡，坡面植被较少，基岩出露，山体右侧较陡，上部岩石较破碎，旧路上偶有落石，山体稳定性较差。隧道轴线走向与洞口处等高线基本垂直；岩层走向与隧道走向基本垂直，隧道前侧地面线非常陡峭，坡角>80°，但岩石完整性较好，洞口仰坡坡体较为稳定。山体地层主要为中风化石灰岩，隧道洞口开挖后形成的边坡高度较高，稳定性较差。隧道洞口围岩为Ⅳ级，成洞条件一般，隧道开挖后，洞顶易剥落、掉块。右侧边坡坡度较陡且岩层破碎，施工中容易出现落石及崩塌，建议边坡及仰坡开挖最大高度<20 m，边坡坡比取1∶0.2、仰坡坡比取1∶0.05，坡面清除破碎岩体后用锚喷混凝土进行防护。左侧为直立式挡土墙，考虑到洞门基础不能悬空，扩建隧道洞门直接与既有隧道暗洞相连，洞门型式采用偏压端墙式洞门，外露面采用镶面处理。

(2)出口端洞口：出口端洞口处左侧有一天然溶洞，被利用为石材厂，溶洞发育，基岩出露，目前山体处于稳定状态，既有隧道洞口大半位于溶洞中。隧道轴线走向与洞口处等高线基本垂直；岩层走向与隧道走向基本垂直，隧道围岩较为稳定；第四系覆盖层薄，隧道洞口开挖后形成的边坡高度较大，左高右低，岩体稳定性较好；考虑地下水修正后，隧道出口段围岩定为Ⅳ级，成洞条件较好，边、仰坡坡比均取1∶0.05，坡面清除破碎岩体后用锚喷混凝土进行防护。由于既有隧道洞口左侧上方悬有岩石，从安全考虑新建明洞延长原有洞口，洞门型式采用偏压端墙式洞门，外露面采用镶面处理。

4隧道结构设计

本隧道是在既有隧道基础上进行扩挖，由于原有隧道衬砌的作用，扩挖施工时可以避免对围岩的大面积扰动。隧道结构设计考虑充分利用原有衬砌和围岩的自承能力，运用新奥法原理进行设计和指导施工，隧道施工时主要采用光面爆破和预裂爆破技术，严格按照隧道内轮廓进行控制，避免超挖和欠挖。

隧道结构采用由初期支护、防水层及二次衬砌组合成的复合式衬砌，初期支护由锚杆、喷射混凝土、挂钢筋网和钢拱架组成，二次衬砌为模注钢筋混凝土或素混凝土，二者共同组成永久性承载结构。复合式衬砌采用工程类比法并通过结构理论分析和现场监控量测来确定初期支护和二次衬砌的支护参数，必要时采用辅助施工手段(超前管棚、超前锚杆和超前小导管等)加固围岩，既加固了岩体，又充分发挥了围岩和衬砌自身的承载能力，从而达到安全、经济、有效的目的。各级围岩复合式衬砌支护参数如表1所示。

表1　复合式衬砌支护参数表

此外，由于旧路改扩建对本段路线进行了优化，使隧道部分路段既有隧道与扩建后的隧道中线不一致，导致扩建后的隧道衬砌左侧留下较大空洞，如图2所示，空洞的存在对隧道影响较大，设计考虑采用C15片石混凝土按下列顺序回填：

图2　衬砌断面及空洞回填示意图

(1)首先沿后方已支护的钢拱架的环向边缘，向前方围岩内插入多根锚杆，以后方型钢拱架为支撑点，用锚杆在后方拱架及前方围岩间形成一个拱形超前简支结构。

(2)在所述简支结构中部预先固定至少2根钢管作为回填混凝土泵送管。

(3)然后再以简支结构为骨架，通过泵送管向空洞部分泵送回填混凝土直至填满空洞。

5防排水设计

隧道防、排水设计遵循“以排为主，防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则，保证隧道结构物和营运设备的正常使用和行车安全[1]。隧道防排水设计的主要目的是结合隧址区工程地质和水文地质等情况妥善处理地表水和地下水，使洞内外形成完整、畅通、便于维修的防排水系统，避免衬砌滴水、路面渗水、围岩冻胀和洞内结冰等病害，保证隧道建成运营后洞内基本干燥，结构和设备可以正常使用以及行车安全。

5.1　洞外防排水设计

根据地形情况，在洞口上方边坡、仰坡坡顶≥5 m处设置与地形等高线相适应的洞顶排水沟，向路线一侧或两侧引入适当的地点排走，避免流水对洞口段山体进行冲刷。此外，洞顶排水沟应在洞口刷坡前预先用浆砌片石砌筑，并用水泥砂浆抹面成“三面光”。当纵坡过陡时，应在必要位置设置跌水或急流槽等设施，施工时尽量恢复洞口地形原貌，减少人工修饰的痕迹。

5.2　洞内防排水设计

为提高隧道防排水能力，本项目在初期支护与二次衬砌间设置由EVA复合防水板、无纺布组成的防水层，并要求对施工缝和沉降缝作专门的防水处理，同时衬砌背后每间隔10 m设置一道环向盲管(φ50mm单壁打孔波纹管)，盲管与由φ100mm双壁打孔波纹管组成的纵向排水管相连通，通过横向排水管(采用φ100mm双壁打孔波纹管)流入隧道两侧排水沟；洞内环向及横向排水管可根据洞内渗水情况适当增加。隧道施工缝、沉降缝不应设置在有集中水流的地段，且在施工缝和变形缝处均采用背贴式止水带和中埋式橡胶止水带。

6岩溶处理

本隧道隧址区位于岩溶区，存在较多溶洞，出口端左侧的溶洞较大，现被利用为石料厂。岩溶对隧道影响较大，对于溶洞原则上采用片石混凝土进行回填，但对已经稳定的大型溶洞可以不作处理，只需做好防排

水措施。隧道建设期间应根据已有隧道出露的围岩情况，提前做好应急预案，确保隧道安全，必要时应根据开挖后的实际地质情况，对隧道围岩级别作适当的调整(比如将对应围岩级别降一级的原则处理)。对于局部可能会遇见的溶蚀裂隙、小型溶洞、溶沟(槽)等，一般规模不会很大，可采取埋填、跨越等措施处理。

由于隧道进、出洞口位于陡峭的斜坡下，考虑到表层块石呈散体状、岩石较破碎，溶隙较发育，施工时若大爆破，极易引起隧道岩石崩塌、掉块等情况，危及施工人员的人身安全，要求施工时应及时清除洞口危石，加强安全工作以及采用正确的施工方法和有效的边坡防护措施。

7结语

本文结合内龙隧道扩建设计实例，对既有隧道扩建设计中需考虑的重点因素及隧道洞口、结构、防排水设计及岩溶处理方法进行了探讨，得出了以下结论：

(1)隧道扩建设计前应详细调查、测量现有隧道的控制点、轮廓及衬砌厚度，选线过程充分考虑利用现有隧道进行选线。

(2)要根据既有隧道地形、地质情况及隧道现状合理进行隧道洞口、结构设计。

(3)防排水设计是一项系统工程，在勘测、设计选材、施工等任何环节都必须给予足够的重视。

(4)要根据现场实际状况，采用多种方法灵活处理溶洞等特殊地质问题。

参考文献

[1]JTG D70-2004,公路隧道设计规范[S].

[2]JTG/T D70-2010,公路隧道设计细则[S].

[3]杨小礼，王作伟，陈杰.既有隧道扩建工程及衬砌稳定性研究[J].交通科学与工程，2010(1)：49-52，58.

Discussions on Expansion Design of Existing Tunnel in Mountain Highway

TANG Ming-liang

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：The mountain highway tunnel plays an important role in improving the highway liner type，shortening the mileage，and protecting the ecological environment and so on.Combined with the Neilong Tunnel expan-sion design practices，this article analyzed the differences between new tunnel design and tunnel expansion design，and discussed the key considerations in expansion design of existing tunnel as well as the tunnel entrance，structure，waterproofing and drainage design and karst processing method，thereby providing the reference for the expansion construction design of future similar tunnels.

Keywords：Mountain highway； Tunnel expansion； Structural design； Waterproofing and drainage； Karst treatment

收稿日期：2015-04-02

文章编号：1673-4874(2015)05-0054-03

中图分类号：U457+6

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.015

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