隧道改扩建设计要点探讨

周 敏 曹海明

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

近年来随着我国交通运输的飞速发展，原有公路特别是20世纪末～21世纪初修建的公路，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。而隧道作为公路的一部分，隧道改扩建类似案例也越来越多。

目前国内大部分公路隧道改扩建集中分为两大类，即新建、扩建。扩建，即在原有隧道的基础上扩大隧道断面、增加行车道的主要形式；新建，即在利用原隧道外侧再新建隧道的形式。

1 国内典型的公路隧道改扩建工程案例

1)福建泉州至厦门段高速公路改扩建工程，原为双向四车道高速公路，扩建为双向八车道高速公路。全路段共设大坪山隧道、苏厝隧道、山头隧道、大帽山隧道4座，该工程根据不同的地形地质条件，采用相应的改扩建方案，目前已建设完成。

其中大帽山隧道长600 m，隧道洞身围岩主要为强～微风化花岗岩及凝灰熔岩，场区地质构造稳定，除洞口段外，节理裂隙均不发育，岩体完整。且由于隧道路段周边受用地限制，最终采用改扩建方案为：在原有隧道之间新建一座单洞四车道隧道，将原有右线隧道原位扩建为单洞四车道隧道，断面布置如图1所示。

苏厝隧道(338 m)、山头隧道(376 m)均为短隧道，围岩主要为全～弱风化花岗岩，改扩建方案为：新建两座单洞双车道隧道，同时利用原有老隧道，形成双向八车道，如图2所示。

2)陕西212省道千阳岭隧道为黄土隧道，全长845 m，原修建时采用矿山法施工，1997年开工修建，1998年交付运营，运营期间出现衬砌开裂、渗漏水、路面起拱等病害，隧道管理部分多次组织病害处治均未达到根本治理效果。尤其在2008年汶川大地震后，隧道路面拱起程度和范围急剧增大，隧道衬砌渗漏水更为严重。

该隧道于2009年开始进行改扩建工程，采用分段跳跃式全断面开挖方法，在原隧道3个断面处凿除原衬砌，全隧道形成6个工作面，改造施工首先开槽安装临时钢拱架支撑，在临时支撑保护下，拆除原衬砌，拆除后扩挖、出渣，出完渣后即挂钢筋网、架设钢拱架，按新奥法原理，重新进行衬砌。该隧道改扩建工程进展顺利，已于2010年2月改造完成。

2 隧道改扩建方案的原则和比较

隧道改扩建应充分利用收集到的现有隧道技术条件，并根据运输情况和要求、隧道现状，并结合地形、地质、线路条件等既有情况，通过技术经济比较后来制定合理的土建工程改扩建方案。

扩建方案能充分利用原有工程，最大节约用地。但考虑到其围岩已经扰动，受力状态复杂，扩建会使其跨径更大，技术难度比新建隧道要大，同时建设期内需封闭交通。因此对于扩建成六车道的情况可采用双洞六车道或在两隧道一侧或中间设一单洞双车道隧道，对于扩建成八车道的情况，可根据新选隧道轴线地质、地形条件采用四洞八车道。

3 新建方案路线控制

一般来说，由于原隧道位置已固定，考虑左右线合理间距的要求，新增的隧道走廊带也可相对固定。平纵面线位及进出洞口位置相对明确，需在此基础上进行优化设计，主要在左右线间距和纵坡方面考虑。

3.1 间距控制

新建隧道与既有隧道间距一般应满足表1的要求，以尽量减轻新建隧道在施工中对已建隧道的影响。

表1 分离式独立双洞间的最小净距[1]

当新建隧道与已建隧道间距小于表1中规定数值时，应详细调查既有隧道的现状，根据需要对既有线衬砌结构以及既有线隧道与增建隧道之间的岩体进行加固。

3.2 纵坡控制

左右线相互高差应结合地形地质、洞门设置、横向联络通道等因素，控制在合理范围内。

以福建省安溪县东二环路石狮岩隧道为例，该隧道已建右线平面处于直线上；隧道为人字坡，坡度为2.1%/813.9,-2%/1 380,-2.8%/360。进口桩号K7+540，设计标高82.141，出口桩号K9+480，设计标高57.480。

从图3可以看出，原右线隧道洞口浅埋段较长。一般来说，洞口段长距离的浅埋段，塌方风险和造价水平相对而言较高。在设计新建左线纵坡和高程时，可通过适当抬高洞口标高，以减少新建左线洞口浅埋段的长度，来达到改善隧道修建条件的目的，同时也能减少部分工程造价。

经线路优化后，左线隧道采用了人字坡，坡度为2.8%/692.333,-2%/1 500,-2.8%/360。进口桩号ZK7+610，设计标高86.331，出口桩号ZK9+510，设计标高56.535。较大程度上减少了洞口段浅埋段长度，改善隧道修建条件，如图4所示。

4 新建隧道施工对原隧道运营安全的保障

由于隧道为隐蔽管状通道，给车辆安全运营带来较大的影响。再加上新线建设同时既有隧道已运营通车，应从以下几个方面保证原隧道运营期间的交通和结构安全：

1)合理确定洞口位置及洞门型式，保证主体结构的强度和耐久性；2)根据隧道长度、道路等级和交通量大小等设置相应的机电设施，对隧道进行实时监控和相关设施的控制；3)合理设置洞口标志标线及其他防护设施，保证进出口和洞内行车安全；4)洞口附近区域进行必要的交通引导，做好路段限速及隔离措施，夜间要配合电光标志及施工警示等，保障已通行隧道行车安全。

5 新建隧道施工爆破对原隧道影响分析

如果需要保持通行，则在新建隧道施工开挖爆破过程中，必须对原隧道加以保护。

1)具体保护措施有：

隧道修建过程中，必须对原有隧道内进行爆破震速监控，密切监视新建隧道开挖时原隧道内的震速、破坏等情况[2]。施工应与高速公路管理部门建立联动机制，如有必要，可要求爆破期间原隧道临时封闭。

2)左右线间距与施工爆破的相互影响分析：

以福建省平和县西蝉至龙厦铁路南靖货运集散中心公路扩建工程的西蝉隧道为例。该隧道左线为已建隧道，位于平和县，起迄桩号为：K2+080～K3+234,长1 154 m，属长隧道，为单洞两车道隧道。新建右线隧道位于原隧道右侧，起讫桩号为：YK2+060～YK3+243,长1 183 m，属长隧道。新建隧道与既有隧道间距较近，洞身段大部分中夹岩厚度为24 m，出口段中夹岩厚度仅为11 m。

按GB 6722—2011爆破安全规程中萨道夫斯基经验公式R=(K/V)1/α×Q1/3计算爆破振动安全允许距离。

西蝉隧道围岩以Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级围岩为主，取爆破振动影响最大的Ⅴ级围岩段计算。

取以下两种工况进行计算：

1)较硬围岩，隧道间距23 m(洞身段)。

K取200，α取1.6，参考相关文献资料，对于单段最大起爆药量Q，考虑到分部开挖中的最大断面施工，可取一次爆破总药量中最大掏槽段药量，为15 kg，R=23 m。

原隧道结构上最大爆破振动速度：

V=200(151/3/23)1.6=5.6 cm/s。

2)软质围岩，隧道间距11 m(洞口小净距段)。

K取300，α取1.9，参考相关文献资料，对于单段最大起爆药量Q，考虑到分部开挖中的最大断面施工，可取一次爆破总药量中最大掏槽段药量，为10 kg，R=11 m。

原隧道结构上最大爆破振动速度：

V=300(101/3/11)1.9=13.55 cm/s。

由以上计算可看出，对于洞身新建隧道距离与原有隧道大于23 m的地段，隧道爆破对原有隧道影响较小，满足《爆破安全规程》要求；洞口小净距段爆破速度接近《爆破安全规程》允许的范围，必须通过减小装药或采用机械/人工开挖的方式，减少爆破对原有隧道的影响。

6 结语

1)改建项目应结合既有线(既有隧道)工程的工程地质条件和运营现状，综合分析改建难易程度、改建施工对附近环境的影响、改建施工对运营的干扰等因素，合理拟定改扩建标准和路线平纵走向。

2)改扩建施工中对正常运营有影响的，应做好施工期间交通组织设计，维持运营不受中断。选择施工方案时应以保证运营和施工安全为前提，尽量减少对运营的干扰。

3)原隧道结构在改扩建施工中，原结构中的应力分布和作用方向都有可能随着新建隧道的爆破施工而改变，在这个过程当中，应当注重爆破震速监控，根据监测结果及时优化施工组织方案或者对原隧道的结构进行加固。

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].