黄土隧道改建设计方案研究

张勃蓬

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

山西晋西北位于黄土高原地区，该地区的地质地形特点是沟壑纵横，黄土峁梁、冲沟随处可见，地表覆盖厚层黄土。该区国省干线公路隧道数量较多，且多为20世纪七八十年代修建，特点是宽度窄（多为6～7.5 m）、高度低（限界高多为4～4.5 m），隧道边墙基本为直墙式，建筑材料多为砖石圬工，一般均未设人行道、防排水及机电设施，并且此类旧隧大多存在着不同程度的各类病害。因此，此类老旧黄土隧道改扩建工程将会越来越多。

黄土隧道改建一般有原隧加固、原址扩挖及另选新址重建等方案，但各方案的设计、施工难易度、造价、占地等存在较大差别。目前国内外老旧黄土隧道改建的研究很少，其设计理论和施工技术均处于探索、积累阶段。本文结合该隧道改建工程方案比选对老旧黄土隧道改建方案的研究进行阐述。

1 工程概况

1.1 背景及现状

下嵋芝隧道是S248线上的一座老旧黄土隧道，全长248 m，位于柳林县境内，隧道两端连接公路曾于2008年进行了改建，采用二级公路技术标准设计，速度40 km/h，路基宽度为10 m，改建时仅对隧道拱部进行了混凝土加固处理。隧道建于20世纪八十年代，采用矿山法修建，隧道宽7.5 m，净高6.9 m，隧道边墙为直墙式，边墙采用浆砌块石，拱部为素混凝土衬砌，路面面层为沥青混凝土，无人行道、防排水及机电设施，建筑限界仅满足现行《公路工程技术标准》不设人行道的双车道4级公路隧道标准,设计速度30 km/h，低于两端接线设计技术标准，是典型的宽路窄隧；目前已成为该路段交通瓶颈。

图1 旧隧断面图（单位：cm）

根据下嵋芝隧道检测报告，该隧道总体技术状况类别被评定为5类，应及时关闭隧道，实施病害处治或改建[1]。

图2 旧隧洞口

图3 衬砌鼓出

1.2 地形地貌及工程地质情况

a）地形地貌 隧址区地处吕梁山构造山地，地貌单元属黄土覆盖构造剥蚀丘陵区，微地貌为黄土塬、峁等；小冲沟、黄土坎等地貌单元发育。海拔高度介于1 004.5～1 080.0 m之间。

b）工程地质 隧址区地层岩性结构简单，范围内出露地层由新到老为第四系上更新统马兰组、中更新统离石组。

2 改建技术标准

根据交通量预测及隧道前后路段线型、路基宽度及公路技术等级等因素，确定改建隧道设计标准：设计速度40 km/h，建筑限界10×5 m，双侧人行道2×1.0 m的两车道公路隧道。根据建筑限界的要求，考虑衬砌结构受力特性、装饰厚度及富余空间等因素拟定隧道内轮廓采用三心圆断面，拱半径5.20 m，曲墙半径7.64 m，仰拱半径15.00 m。

图4 隧道建筑限界及内轮廓图（单位：cm）

3 改建方案综述及比选

3.1 方案一 原址扩挖方案

考虑隧道施工风险及洞口地形限制，仅对隧道进行扩挖，洞口接线维持不变，隧道长度不变，该方案的起终点即为现状隧道的起终点，路线平纵线型与原路相同。

本方案工程造价2 565万元。优点为隧道限界满足要求，无新增占地，工期稍短，缺点及难点在于黄土旧隧施工风险大，合理确定支护参数及施工步序为重中之重。

由于旧隧道已发生病害并被鉴定为危隧，因此在原衬砌拆除时必须进行必要的安全防护[2]，以确保施工安全。临时支护方案为沿旧洞衬砌表面架设钢拱架支护。且在施工中必须注意旧洞围岩及地表变形情况，以随时修正支护方案。

原址扩挖方案施工步序：

a）施作既有隧道临时钢拱架，再施作超前支护。

b）拆除临时钢拱架及拱部旧隧衬砌和开挖拱部围岩（与拱架间距相同）。

表1 复合式衬砌支护设计参数表

c）施作拱部初期支护，施工左右侧钢架锁脚锚管。

d）拆除既有隧道左侧边墙（与拱架间距相同）。

e）开挖左侧边墙围岩。

f）施作左侧边墙初期支护，施工左侧钢架锁脚锚管。

g）拆除既有隧道右侧边墙（与拱架间距相同）。

h）开挖右侧边墙围岩。

i）施作右侧边墙初期支护，施工右侧钢架锁脚锚管。

j）仰拱落底开挖。

k）施作仰拱。

l）铺设防水板，整体施作拱墙二次衬砌。

图5 原址扩挖隧道施工步序

3.2 方案二 新建隧道方案

路线布设于原隧道东侧，距原隧道净距约30 m，改线总长度为982.956 m，隧道长430 m，新建隧道方案采用双车道2级公路技术标准，设计速度40 km/h，路基宽度10.0 m，隧道净宽10.0 m，净高5.0 m。本方案路线布设原则在满足规范的前提下，尽量选择工程量小且新建隧道与原隧道无干扰的地段。

本方案工程造价4 884万元。优点在于重新布线公路线形指标较高，新建隧道较于原址扩挖施工难度较小；缺点为工程量大且新增占地多，工期长。

3.3 方案三 现状隧道加固方案

本方案拟对现状下嵋芝隧道进行加固，对暗洞衬砌进行加固，路线平纵面线形及隧道长度均不变，净宽仍为7.5 m，仅对原隧道衬砌进行加固。隧道等级仍维持现状。

本方案造价为1 011万元。优点在于造价低、工期短、能尽快通车且无占地。缺点是加固后隧道建筑限界未变，仍低于两端接线标准。由于是危隧，加固前也需要临时支护，因此施工风险与难度与方案一相当。

本方案施工顺序：

a）沿隧道衬砌表面架设Ⅰ18拱架进行临时加固。

b）采用跳槽施工凿除边墙块石，嵌入I20b钢拱架，拱架间距0.8～1.0 m，浇筑边墙混凝土（跳槽施工槽宽1.0～2.0 m，间隔3.0～5.0 m），拱部采用喷射混凝土填充。

c）拆除临时支护。d）重新施作路面。

通过对以上方案进行综合比选，原址扩挖方案设计标准与两端接线相匹配，无占地、造价适中、工期合理、且施工风险可控，因此将方案一作为推荐方案。

4 施工期间的保通

为了保证施工期间隧道两端群众的正常出行及周边企业的货物运输，根据公路管理段要求，在现状省道附近，利用现有乡间道路，设置保通车道，从而解决群众出行和企业的交通运输问题，同时兼做施工便道。保通车道全长1.055 km，路基宽度为6.5 m，采用20 cm厚级配砂砾路面。保通车道起终点均与省道顺接，路线走向最大限度地利用省道两侧的现有道路，以减少工程规模。

5 结语

在黄土旧隧改建方案比选中，因原路线布设时，已占用了隧道最佳布设位置，即隧道长度最短，路线最顺畅的穿越位置；所以选址新建方案，隧道长度肯定比原隧长，另外隧道两侧需要重新接线，并且需要新增占地，因此造价会远高于原址扩挖方案；而加固方案因其建筑限界不变，不能提高其通行能力而被排除。原址扩挖方案，优点在于隧道设计标准满足要求，平纵面线形维持不变，且不需要新增占地，同时造价合理，通过增加临时支护等措施，施工安全也可保证。因此，黄土隧道改建工程中，优选原址扩挖方案。