既有隧道改扩建方案研究

雷 栋 李 昕

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

既有隧道改扩建方案研究

雷 栋 李 昕

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

结合安徽试刀山隧道现状及工程地质条件，从通行能力、施工难度及运营风险等方面入手，拟定多个隧道改扩建方案并进行了比选，以提出合理的建设规模和方案，可以为今后类似的隧道设计施工提供参考。

隧道，改扩建，水库，高铁

0 引言

近年来随着我国交通运输的飞速发展，原有公路服务水平已不能适应交通运输的需要，公路需要改扩建才能达到相应的服务水平，在经济发达地区这些问题已日趋突出，如沈大高速公路、沪杭高速公路的改扩建。现阶段关于地下空间扩建的研究不多，合理的扩建方案关系着工程的安全、投资规模等。所以，对既有隧道改扩建的方案研究是很有必要的。

1 工程概况

试刀山隧道在安徽省的重要干线公路芜合高速上，于1995年建成通车。其平面呈分离双洞布置，双洞间净距约为38 m，按单洞双车道设计，设计车速100 km/h。隧址区地层岩性主要为粉砂质泥岩、泥质砂岩、灰岩、泥灰岩及页岩，洞口主要为第四系坡残积层。隧道所穿部分地段还存在膨胀土、断层破碎带、岩溶、岩溶破碎体等不良地质。整个隧道地质条件复杂多变，在原试刀山隧道施工期间曾多次出现塌方、冒顶等施工事故，洞身还穿越多处溶洞。隧道经多年运营，隧道内设施老化，病害、水害严重，曾于2006年—2007年进行一次大规模整治。隧道内事故多发，目前隧道单洞仅维持单车道运行，并限速60 km/h。

2 改扩建方案的控制因素及原则

试刀山隧道扩建方案的拟定，前提是考虑在改扩建过程中，原有高速公路应保持运行不能中断。除此之外，应考虑周边地形地物、地质条件及工程的施工和运营安全。

因此，在方案的拟定过程中，拟按以下原则进行：

1)尽量利用既有隧道结构；2)方案的施工组织应尽量避免对原有公路运营的影响；3)应满足通行能力和服务水平要求；4)工程方案安全、经济、合理；5)充分考虑当地地方需求。

2.1 主要影响因素点

对于试刀山隧道的扩建方案拟定，周边主要的影响因素有大力禅寺、力寺库及在建的京福高铁等。

1)大力禅寺见图1。原试刀山隧道芜湖端洞口西南侧为大力禅寺，禅寺与芜合高速公路距离约46 m。

由于大力寺为巢湖市宗教活动场所，本工程的建设受其一定制约，巢湖市宗教局为此发文建议工程尽量不往西拓展，如因建设需要必须向其一侧拓展时，应切实做好隔音设计。

2)在建京福高铁。在建京福高铁试刀山隧道与芜合高速公路距离约240 m。

3)力寺水库见图2。原试刀山隧道芜湖端洞口南侧有力寺水库1座，属巢湖市重点小(二)型水库。

现状力寺水库坝脚与芜合高速公路距离约32 m，水库泄洪道紧靠高速公路设置，主河槽距离高速公路20 m。

2.2 主要地质控制因素

对隧道扩建方案较有控制性的因素有：

1)既有隧道芜湖端洞口东北侧(隧道右洞侧)曾发生较大规模滑坡，且该段发育有区域性断裂F2(走向与G5011基本平行)，新建路线及隧道应尽量避开F2断层(见图3)。

2)鉴于既有隧道施工期间，曾多次发生较大规模塌方，且穿过的岩溶填充物成分复杂，在发生过塌方及岩溶发育地段，既有隧道不宜进行原址扩挖，新建隧道应尽量远离既有隧道。

3)既有隧道施工过程中，塌方主要发生在合肥端泥质砂岩、泥质页岩、粉砂质泥岩地层，该地层节理裂隙发育，岩石抗压强度低，该段新建隧道应尽量远离既有隧道，不宜采用小净距隧道形式。

综合试刀山隧道路段现状，以及地质情况，无论从施工安全或工程造价出发，并不宜进行单洞四车道的大断面隧道施工；考虑地质原因及施工期间高速公路保通的要求，隧道也不宜进行原址扩建。

3 改扩建方案

1)方案一。在既有隧道外侧各新增一座三车道隧道，既有隧道经升级改造后，按单车道运行的方案。本方案通行能力及服务水平高；内侧仅运行一个车道，断面净空富裕量大，作为快车道，行车舒适度高，交通事故处理方便；外侧新建隧道为三车道隧道，舒适性高。为提高行车安全性，断面按现行规范要求的120 km/h车速进行设计，实际运行速度采用100 km/h(见图4)。

2)方案二。既有隧道经改造后，按行车速度100 km/h设计，恢复双车道运行，既有隧道外侧各增加一座双车道隧道。既有隧道作为内侧车道，在运营过程中考虑仅限事故率低的小客车通行；外侧新建隧道作为大型车专用车道，为提高行车安全性，断面按现行规范要求的120 km/h车速进行设计，实际运行采用100 km/h(见图5)。

3)方案三。利用既有隧道作为下行线，新增两座隧道作为上行线。既有隧道设计车速按100 km/h、新建隧道设计车速按120 km/h考虑(见图6)。

4)方案四。考虑力寺水库溢洪道及大力禅寺的影响，在既有隧道中间新建一座隧道，在既有隧道右洞侧新建一座隧道(见图7)。

由于既有隧道上下行线间距为50 m，中间岩柱厚度约38 m。若在既有隧道之间新建隧道，则新建隧道距离既有隧道分别为约10 m(三车道方案)和约12 m(两车道方案)，净距均小于一倍洞径，属于小净距隧道，设计中必须考虑洞室的相互扰动。根据隧址区的地质情况及既有隧道施工情况，新建隧道对既有隧道围岩相互影响和扰动较大，尤其在既有隧道曾发生塌方地段及洞身断层破碎带Ⅵ级围岩地段，建设风险极高。

另外，在既有隧道之间新建隧道，其爆破、出渣等施工过程势必对既有隧道运营造成重大影响，包括施工场地布置也存在较大问题。因此，不推荐在既有隧道之间增加新隧道。

4 新旧隧道合理间距分析

参考《公路隧道设计规范》《公路隧道设计细则》《高速公路改扩建规范》(在编)的相关要求，计算采用30 m间距进行测算。

计算模型选取老隧道建设过程中塌方最为严重的40 m路段，为使数值计算具有典型性，选择此段作为动态施工场地。隧道埋深为10 m～12 m，建模时按照平均深度11 m考虑，隧道围岩主要为泥质砂岩，易风化，强度较低，没有自稳能力，围岩级别定为Ⅴ级(见图8)。围岩与衬砌结构物理力学参数见表1。

表1 围岩与衬砌结构物理力学参数

计算采用基于FLAC有限元软件模拟采用CRD法施工的新建加宽两车道隧道的计算模型，拱顶埋深均采用均值，为11 m，模型纵向长度40 m，隧道横向(x轴)取110 m，计算范围满足土体开挖影响2D～4D。初期支护最大主应力分布云图及最终应力列表如图9，表2所示。竖向变形云图与塑性区分布图见图10，图11。

表2 初期支护最终应力列表 kPa

通过对计算结果的分析，在本地质及计算条件下，可以得出以下结论：

隧道结构的变形及受力基本在可控范围。最大主应力最大为8 113 kPa，出现在边墙，最小主应力最大为11 756.3 kPa，出现在临时支撑上，应力小于型钢支护的屈服应力；拱顶最大沉降为18.4 mm，水平收敛基本可忽略不计，变形均在可控范围内。

5 方案比选

方案一：交通组织较好，行车舒适性高。另外，本方案还保留将隧道段扩充成双向十车道的可能，能够充分利用通道资源，体现可持续发展的思路。但本方案工程投资规模较大，外侧新建隧道开挖跨度将达17 m以上，在此复杂的地形地质条件下，建设难度和风险均较高，工期较长。由于距离大力禅寺、力寺水库较近，对周边环境影响最大。

方案二：本方案在行车舒适性和总体通行能力上较方案一差，但新增隧道开挖跨度为13.5 m左右，较方案一断面大大减小，在此复杂多变的地质条件下更利于施工及运营安全，在工程投资规模和施工风险上要明显小于方案一。由于隧道修建需要考虑到对大力禅寺的噪声影响，故采用加长明洞通过大力禅寺附近区域，同时也能减小对线形的限制条件。

方案三：本方案的提出主要考虑到大力禅寺、力寺水库的影响，既有隧道西南侧建设用地使用有一定难度。本方案在通行能力和舒适性上芜湖方向较低，合肥方向较高，并且本方案实际上存在较多问题，其中：

1)老隧道净空断面限制，运营安全差，老隧道在新线中作为大型车专用道，难以保证运营安全性。

2)新增隧道在原路线东北侧布置，隧道巢湖端洞口及洞外接线受F2断层及洞口附近的滑坡影响大，且洞外接线将出现100 m左右的高边坡(最大坡度超过40 m)。

综合比较：方案二为优选方案。

6 结语

本研究针对试刀山隧道路段现状，从通行能力、施工难度及运营风险等方面入手，对试刀山隧道改扩建方案进行研究，以提出合理的建设规模和方案，体现安全、经济、可持续发展的设计原则。同时本研究也能为国内类似隧道改扩建工程方案决策提供参考。

[1] 孙 均.地下工程设计理论与实践[M].上海：上海科学技术出版社，1996.

[2] JTG D70—2004，公路隧道设计规范[S].

[3] JTG/T D70—2010，公路隧道设计细则[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 栋(1985- )，男，助理工程师； 李 昕(1979- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)10-0159-03

U452.2

A