高速公路隧道扩建力学分析及方案研究

李佳冬

摘 要：随着我国经济的高速发展，人们对高速公路运输能力的要求越来越高。目前国内的高速公路很多路段都是四车道，为了满足人们的需求，需要扩建为六车道或者八车道。在高速公路扩建施工过程中，较为复杂的部分就是隧道扩建部分。本文通过介绍高速公路的研究现状、高速公路隧道扩建形式以及结合具体的工程施工例子进行分析和方案的探究，可以给以后此类工程的施工提供一定的借鉴。

关键词：高速公路 运输能力 隧道扩建

引言：大约从七、八十年前西方的一些较为发达的国家为了满足人们对交通运输的要求就开始研究并修建高速公路，经过了几十年的高速发展，高速公路现在已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分，也是国家生产力的具体体现之一。高速公路运输效率高、负载容量大，由于人们对生活质量的高要求，各国对高速公路的需求日趋上涨，越来越多的高速公路盘桓在国家版图上。我国第一条高速公路是1988年建成的沪嘉高速公路，近几十年来，我国高速公路的发展突飞猛进，为我国建设做出了巨大的贡献。但是随着生活水平的提高，人们不再满足于“有”，而是追求高质量的交通运输，这样对高速公路扩建的研究就显得及其必要了。

1 高速公路隧道扩建形式及其研究现状

一般来说高速公路隧道扩建工程一般包括新建小间距隧道形成隧道群和扩挖工法，扩挖工法一般又主要包括超前导洞扩挖法和新建隧道等方法。

1.1 小间距隧道的研究

就目前来说四车道高速公路隧道一般都是以上下行分離式的形式来修建的。《公路隧道设计规范》中明确规定了高速公路隧道必须设计成双洞形式。如表1.1所示是规定的双洞最小净距。

由于自然环境因素是影响高速公路隧道扩建的一个重要因素，比如高速公路所处的天气环节较为恶劣、高速公路线路曲折，所以需要建立一个新的隧道，这个隧道的地理位置可以是处于原有隧道之间或者离原有隧道较近的地方，使这个新的隧道与原有隧道的净距小到相互影响的范围之内，这样就形成了小间距隧道群。

国外很早就对小间距隧道群有所研究，其中日本是在这方面走在前列的国家，1996年日本铁道综合技术研究所就得出了图1.1的划分标准。日本利用小间距隧道群设计的最有名的公路工程是名古屋神户高速公路工程，综合了多项内容如施工、管理、检测、安全等进行研究。

综合国内外对小间距隧道的研究方向，大概可以分成以下几个方面：1.研究两隧道之间互相影响的范围。2.在确定互相影响的范围之后，研究其合理间距。3.研究施工过程中可能会出现的地表沉降规律。4.研究加固措施。5.研究中间岩柱的稳定性。

1.2 原位扩建和扩挖工法的研究

以原有隧道为扩建基础，摧毁原有隧道的结构，在原有隧道附近进行扩挖的扩建方法就是隧道的原位扩建。这种方法能够增大隧道的空间范围，以满足增加车道的目的。原位扩建一般分为三种方法：单侧扩建、双侧扩建以及周围扩建。如图1.2所示，单侧扩建是指在破坏原有结构后，只是在原隧道的一方扩挖，另一方几乎不进行施工，一般应用于需要保证原隧道一方岩石的完整性的工程项目中。双侧扩建是指破坏原有结构后双向扩挖，双侧扩建的优点是扩建完成后道路的中心线保持不变，一般应用于需要保证原路线的工程项目，缺点是工程施工较为复杂、花销较大。周围扩建在实际应用中并不常见，需要打破隧道周围的原始情况，工程施工复杂、难度大，对周围岩石破坏大。

就世界范围来说，最著名的原位扩建工程项目之一是如本名神高速公里天王山隧道工程。天王山隧道地质环境恶劣，导致该工程施工难度较大，需要多种设备进行配合施工才能将影响降到最低。

2 高速公路隧道扩建实例

2.1 工程实例简介

大帽山隧道位于沈海高速公路，建于1997年。大帽山隧道的改建需要在原隧道之间新建一个四车道大断面隧道，然后将右洞扩挖为四车道隧道。由于新建隧道的净距均属于小间距隧道的范围内，这种工程在全国来说是没有过的，所以大帽山隧道改建工程的意义十分重大，能够为以后类似的工程提供借鉴。如图2.1是该工程的扩建方案。

该扩建工程主要特点如下：

1）小间距进阶施工。

2）软弱围岩大跨度扁平隧道。

3）由于该工程方案对右洞进行施工导致结构体不对称，受力情况较为复杂。除此之外，右洞施工属于小间距原位扩挖施工，隧道之间的相互作用不太明确。

4）地质情况复杂，包含多种多样的岩石群，对施工造成了很大的障碍。

2.2 扩建方案分析

四车道高速公路在我国高速公路隧道占有很大一部分的比例，所以在以往的隧道扩建工程中四车道的改建占很大一部分。在将四车道改建为六车道甚至八车道的工程中，如果要在同一个隧道中建造同向车道，就很可能出现三车道、四车道的大断面隧道，这就大大增加了施工难度。接下来讨论几种利用普通分离式口将四车道改建为八车道的方案。

因为普通分离式隧道的特点之一就是隧道间距离比较大，可以利

用隧道之间的间距，结合当地的实际地质情况和空间范围，重新设计建设新的隧道。图2.2介绍了几种普遍的普通分离式扩建工程方案。

如上图所示，方案1和方案2主要是新增两个双车道，方案1是在两个隧道之间新建一个，再在外侧建造一个双车道隧道，方案2相比于方案1来说建造的双车道隧道都处于隧道外侧。方案1和方案2的优点主要是施工过程简单，使用设备不复杂，施工时间较短，既可以进行施工，同时又可以保证交通的运输，这样施工效率较高，施工费用较小。除此之外，这两种方案可以保证多隧道同时工作，这样就能够降低出现风险事故的几率，避免了因为事故造成的交通堵塞等情况。但是方案1和方案2也有不足之处，首先这两种方案需要较为广阔的空间，一边修建隧道群，这样不适合狭小地区隧道扩建的应用。另外由于隧道被分成两个洞室，这样就会降低车辆通行的连贯性，可能会导致行车缓慢。

方案3采用的是新建双车道隧道，对其中一个既有隧道扩建，扩大为四车道隧道。这个方案最大的好处就是隧道利用率高，达到100%，同时能够保证车辆行驶的速率，同时因为隧道跨度小，施工难度较小，耗时较短，花费较小，施工的管控也较为容易，在出现事故之后，方案3也能够保证隧道的正常通行。

虽然方案4和方案3都是采用的新建加扩挖的扩建方案，但是不同的是方案4的轨道利用率并没有达到100%，施工过程大致为先在隧道中间修建四车道大断面隧道，然后再进行扩挖改建。工程投入使用后两个四车道隧道进行交通运输，原有的双车道隧道则作为应急车道。但是方案3和方案4相比于方案1和方案2来说施工周期较长，耗费较大，施工复杂，中建隧道的施工和外侧隧道的施工需要分布进行。

方案5是一种双洞扩挖方案，主要就是对原有的分离式隧道进行扩挖，增加空间以形成八车道隧道。这种方案的好处是能够最大限度地保证原有隧道的线路，而且占用空间不大，很适合空间较为狭窄的隧道扩建。但是这种方案的不足之处也很明显，在施工过程中，需要在两侧进行扩挖，施工难度较大，同时在施工过程中隧道占用较大，可真正实行通车的空间就较为狭小，这样就会大大降低高速公路的通行效率。

总结语：本文介绍了高速公路的一些扩建方案的研究现状，研究了高速公路几种普通分离式扩建方案的优缺点，介绍了大帽山隧道扩建工程实例的具体情况。但是由于研究时间、条件和个人能力的原因，本文还存在很多不足之处，比如除了普通分离式扩建方案，目前还有其他的扩建方案也在大规模使用，对大帽山工程项目的施工过程也没有完整进行介绍等，还需要后续进行大量的研究。

参考文献：

[1]陈陆军. 典型高速公路隧道扩建方案及施工力学行为研究[D].西南交通大学，2013.

[2]黄晓明，杨忠华.高速公路隧道扩建力学分析及方案研究[J].交通建设与管理，2014（08）：45-48.