下嵋芝隧道扩建设计思路分析

陈红文

（山西运城路桥有限责任公司，山西 运城 044000）

1 工程概况

下嵋芝隧道位于吕梁柳林县下嵋芝村西南侧，省道三大线K71+040—K71+288 处。下嵋芝隧道原建于20 世纪90年代，2008年S248 改建时利用了该隧道，后对隧道拱部进行了素混凝土加固。自2016年雨季以来，隧道衬砌出现了不同程度的病害，主要表现为衬砌裂缝及变形、鼓出，原因是隧道右上方旧隧积水及隧址区落水洞发育充分，地表水沿落水洞及土体裂缝下渗所致。经调查衬砌变形段落为K71+136—K71+186，该隧道总体技术状况类别被评定为5 类，现该隧道已关闭。原隧道标准老旧，净宽仅为7.5 m，未设置防排水设施、检修道及照明、监控设施，应实施病害处治或进行重建或者改建。

2 地形地貌、工程地质及水文地质条件

2.1 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。

2.2 地层岩性

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、中更新统离石组组成；上更新统马兰组（Q3m）分布于隧道局部路段洞顶处，以粉土为主，呈黄褐色，结构松散，表层富含植物根系，虫孔较发育，具有Ⅱ级自重湿陷性，但由于分布于隧道洞顶局部路段，因此对隧道基本无影响。中更新统离石（Q2l）为黄褐色硬塑状粉土，巨厚层分布，结构较松散，干强度低，黏性较低，韧性差，在隧道进出口段形成陡坎，为本隧道围岩的主要组成体。

2.3 隧址区区域稳定性及地震活动性分析

根据《山西省地震动峰值加速度区划图》中国地震动参数区划图（GB 18360—2001），项目区内的峰值加速度为0.05g，相应的基本地震烈度为Ⅵ度，抗震设防烈度值7 度。隧址区属于自重应力为主的应力场，且隧道埋深较浅，地应力对隧道围岩稳定性影响较小。

2.4 水文地质条件

隧址处水文地质类型为第四系松散岩类孔隙水，主要分布于第四系上更新统马兰组黄土及中更新统离石组黄土中，含量十分有限，补给源来自于大气降水，由于隧址区降雨量较小而蒸发量较大，因此水量很小，对隧道施工不造成大的影响。

2.5 隧道围岩特征与围岩分级

根据《公路隧道设计规范》隧道围岩分级综合评判方法，隧道围岩分级采用围岩的坚硬程度及岩体的完整程度两个基本因素的定性特征、基本质量指标BQ 及弹性波纵波波速，同时考虑到地下水影响、软弱结构面产状影响、初始应力状态影响，进行综合评判来确定围岩的级别，隧道围岩级别分段评价如下。

2.5.1 K71+040—K71+084 段

围岩以第四系上更系统粉土为主，洞口段结构松软；最大埋深40.0 m，水文地质类型为松散岩类孔隙水，围岩级别为V2 级；易产生塌方冒顶；施工时应随时跟进二次衬砌。洞口地基承载力160～180 kPa。

2.5.2 K71+084—K71+249 段

围岩以第四系中更新统中密粉土为主。最大埋深72.19 m，水文地质类型为松散岩类孔隙水，围岩结构较松软。级别为Ⅴ1 级，易产生塌方冒顶，施工时应随时跟进二次衬砌。

2.5.3 K71+249—K71+288 段

围岩以第四系上更系统粉土为主，洞口段结构松软；最大埋深40.0 m，水文地质类型为松散岩类孔隙水，围岩级别为Ⅴ2 级，易产生塌方冒顶，施工时应随时跟进二次衬砌。洞口地基承载力160～180 kPa。

2.6 进出口工程地质评价

进出洞口为第四系上更新统马兰组黄土，结构疏松，黏性低，韧性差，干强度低，而且地形落差大，因此稳定性一般，施工过程应避免人为过度开挖洞口坡脚；洞口地基承载力160～180 kPa；愈靠近洞口外部承载力愈低，由于组成物较松散，容易产生不均匀沉降。同时应避免雨季施工，防止地表水对洞口地基土的冲刷、浸泡。

3 隧道主体工程

3.1 隧道内轮廓设计

隧道横断面按技术标准和规范要求进行设计,隧道采用三心圆（曲墙半圆拱形）断面，组成为：（1.00+0.5+3.5×2+0.5+1.00）m[1]。图1 隧道内轮廓图。

图1 隧道内轮廓图

3.2 衬砌结构设计

3.2.1 明洞衬砌

隧道洞口段结合地形、地质等情况设置明洞，明洞衬砌采用C30 普通钢筋混凝土明洞结构。图2 为明洞衬砌结构图。

图2 明洞衬砌结构图

3.2.2 洞身段衬砌

该隧道以新奥法原理进行支护结构的设计，并经过有限元分析，进行结构计算校核，最后综合考虑各种影响因素确定各级别围岩复合衬砌的支护参数。初期支护为喷锚支护，二次支护为模注混凝土衬砌。在初期支护与二次衬砌之间设置防水板及土工布。预留变形量可参照如下选用：Ⅴ级浅埋围岩及旧隧病害段15 cm，Ⅴ级深埋围岩段12 cm；并应根据现场监控量测结果进行调整。结合考虑旧洞开挖安全和新洞支护安全性，支护设计如下：Ⅴ级浅埋围岩及旧隧病害初期支护为全拱墙锚杆+全拱墙钢筋网+型钢成环支撑+喷射混凝土，同时配合30 mФ108超前大管棚支护（隧道进口进暗洞段）和超前小钢管支护；二次衬砌为C30 带仰拱的钢筋混凝土结构。仰拱填充为C15 片石混凝土。

图3 Ⅴ级浅埋围岩及原洞病害段衬砌结构设计图

Ⅴ级深埋围岩初期支护为全拱墙锚杆+全拱墙钢筋网+型钢成环支撑+喷射混凝土，同时配合超前小钢管支护；二次衬砌为C30 带仰拱的钢筋混凝土结构。仰拱填充为C15 片石混凝土，图3 为Ⅴ级浅埋围岩及原洞病害段衬砌结构设计图。

3.2.3 辅助施工

下嵋芝隧道为单洞双向公路隧道，隧道采用的辅助施工措施主要有：超前长管棚和超前小钢管。

a）超前长管棚 设置于隧道洞口，管棚入土深度是结合地形、地质情况确定。管棚钢管均采用Φ108×6 mm 热轧无缝钢管。图4 隧道洞口管棚设计图。

图4 隧道洞口管棚设计图

b）超前小钢管 设置在隧道洞内无长管棚支护的Ⅴ级围岩地段，采用外径50 mm，壁厚5 mm 的热轧无缝钢管。图5 超前小导管设计图。

图5 超前小导管设计图

3.2.4 防排水工程设计

隧道防排水遵循“以排为主，防排结合，因地制宜，综合治理”的原则进行设计，中心排水沟上回填碎石须压实，使得水泥混凝土板下方不落空，保证水泥混凝土板强度。中心排水沟检查井周围配有加强钢筋，浇筑混凝土板时要提前架设；检查井、沉沙井必须低于排水管30 cm 以上，以便清淤疏通。

根据路线纵坡情况，在下嵋芝隧道石楼端洞内设置泄水井（边沟沉砂池），以拦截洞外路面水。本隧道进出口路基开挖应按路基设计要求进行，洞口处路基边坡应进行防护，其截水沟应与仰坡截水沟综合考虑设置，形成完善的排水系统。

3.2.5 防冻设计

隧址区的最冷月平均气温-5.7 ℃，冻土深度最厚达120 cm。考虑冻胀对结构的破坏影响，排水边沟采用开口形式；隧道中心排水管采用5 cm 聚氨酯保温材料包裹，出口进行保温出水口设计，确保在冬季二次衬砌背后不冻结，排水系统的通畅。

3.2.6 路面设计

隧道内路面选型采用复合式路面设计。隧道内路面结构：4 cm 细粒式密级配AC-13 型沥青混凝土+6cm中粒式密级配AC-20型沥青混凝土+24 cm 水泥混凝土板+15 cm 贫混凝土基层，表面层改性沥青中掺加5%～8%改性沥青重量的阻燃剂。隧道内浇筑混凝土时要注意接缝、中心排水沟检查井等处钢筋的架设。

3.2.7 人行道设计

为便于对洞内设施的维修养护及方便人行，隧道内设置双侧人行道，人行道的高度考虑人员步行及下跨时的安全，满足电缆槽空间尺寸的要求，设计人行道高度为30 cm，人行道宽度左、右侧均为100 cm。

4 结语

本文根据改扩建下嵋芝隧道的工程地质、水文地质及病害程度，对下嵋芝隧道的内轮廓、衬砌结构设计、辅助施工措施、防排水工程及路面设计参数的选取进行了详细介绍，对以后类似围岩的隧道工程改扩建设计能够起到一定的借鉴作用。