杭金衢高速公路新岭隧道改扩建设计

郑军华 丁海洋

(浙江数智交院科技股份有限公司(浙江省交通规划设计研究院)，浙江 杭州 310031)

随着我国公路交通量快速增长，许多运营时间较长的高速公路已不能满足现有交通量需求，急需修建复线或改扩建既有道路以提升道路通行能力及服务水平。改扩建过程中不可避免地会遇到既有隧道工程。隧道往往决定着整条线路的工期，因此，隧道的改扩建是整个工程的核心工程。本文以浙江杭金衢高速新岭隧道改扩建工程为依托，详细介绍隧道车道数的确定、改扩建方式及与既有隧道合理净距确定、新建隧道与开挖工法设计，以及控制爆破措施与既有隧道监控等较新且难的问题。

隧道改扩建主要分为原址扩建方案以及新建隧道方案。其中，原位扩挖方案对既有交通影响较大、施工工序复杂、施工风险大、对隧道结构需进行具体分析[1,2]，一般隧道扩建在可行的情况下宜采用分离增建的形式加宽，具体工程中均需根据实际情况具体比选分析[3-5]。且隧道原位改扩建过程中易发生渗漏水现象，近年来，对该类方案的研究较多[6-9]。改扩建技术、扩挖工法对隧道改扩建也有较大的影响[10-13]。对于隧道改扩建过程中的详细设计，如加宽方式、合理净距的确定等的研究并不多见。

1 工程概况

杭金衢高速公路位于浙江，是沪昆高速的重要组成部分。新岭隧道位于杭金衢高速公路浙江诸暨直埠镇，在次坞出口以南3.6 km处，是杭金衢高速杭州至金华段的重点工程。改扩建前属于交通拥堵最严重的路段，逢年过节堵车屡见不鲜，曾号称浙江高速的“堵王”，且交通事故频发。因此，新岭隧道的改扩建方案是该项目成功与否的关键。

既有新岭隧道为分离式双向四车道隧道，隧道长度为1 423 m，属于长隧道。设计行车时速120 km/h，隧道限界净宽10.75 m、净高5.0 m；隧道左、右轴线间距为41.3 m，隧道平面处于直线段上，纵坡采用人字坡；内轮廓采用单心圆断面，采用锚喷支护复合模注混凝土衬砌；隧道共2处人通和1处车通，于2003年建成通车。

隧道进出洞口段位于丘陵地形，为含黏性土碎石、强～中风化岩体、节理裂隙发育，呈镶嵌碎裂结构，稳定性差，围岩等级评定为Ⅴ级。进洞口处于冲沟下部缓坡，地表水易汇集；右洞分布采空区，为当地村民自发采煤所致，逐煤开采，有露天方式和巷道方式，无规划、无支护措施和管理措施，对隧道围岩有较大的影响，弱化了隧道地基的承载力，极易产生较大的围岩位移。

2 既有隧道病害概况

隧道施工过程中曾发生多次小塌方和围岩变更，塌方范围、方量较小，塌方区采用浆砌片石或混凝土回填。新岭隧道建成通车至今，发生了衬砌开裂、洞内渗水等不同程度的病害。

2011年9月，对新岭隧道进行了病害调查、衬砌质量检测，主要检测结果如下：1)隧道主要的病害为衬砌裂缝，裂缝的分布范围广、较密集。隧道左线裂缝以环向和纵向裂缝为主，隧道右线裂缝以纵向为主，环向和斜向裂缝次之。裂缝宽度普遍为0.2 mm～3 mm，裂缝深度一般在20 cm以上。2)现场调查已处理过的旧裂缝未出现二次开裂现象。按裂缝宽度分类，裂缝属于微张开裂缝。深度相对较深，判断隧道二衬结构破损等级为B级。3)部分隧道段二衬存在不密实的现象；断面轮廓无侵限现象；混凝土强度满足要求。4)部分隧道段二衬实际厚度小于设计厚度。

3 隧道改扩建设计

3.1 隧道车道数确定

杭金衢高速公路全线改扩建采用双向八车道标准，但由于新岭隧道出口与直埠枢纽较近，将产生较大的转向交通量，考虑今后大小型车分道管理，从可能的实际交通模式出发，需要对新岭隧道至直埠枢纽互通交通负荷能力作重点分析，以确定增建隧道的车道数需求。计算采用FHWA的HCM2000模型，采用交织构型A型的计算模型，构型简化图见图1，左侧为杭州方向，右侧为金华方向。

根据分析结果，如采用原隧道保留、两侧增建隧道的方案，因隧道出口距前方直埠枢纽较近，按常规路段增建2个车道无法满足转向交通量通行需求，也不利于大小型车提前分道管理及通行安全，因此需各增建3个车道才能满足通行需求。此外，采用单个四车道隧道也能满足正常的通行需求。

3.2 隧道改扩建加宽方式

隧道改扩建加宽方式，可根据隧道轴线地形、地质条件，采用单侧分离增建、双侧分离增建和原位扩挖等多种形式。由于原位扩挖隧道对既有交通影响较大、施工工序复杂、施工风险大，隧道路段宜采用分离增建的形式加宽。此外，因单洞四车道隧道造价高、施工风险大，故分离增建的隧道不宜采用单洞四车道方案。

工可阶段对双侧增建隧道方案、单侧增建隧道方案和一侧增建另一侧原位扩挖隧道等方案进行了综合比选，结合分离增建隧道的车道数需求分析及隧道特点，初步设计阶段提出以下2个方案做进一步比选。方案一：在隧道两侧分别增建一个三车道隧道；方案二：在隧道右侧增建一个单洞四车道隧道。改扩建方案平面示意图如图2所示。

2个方案的比选结果如表1所示。

表1 方案比选表

鉴于新岭隧道段地质情况较差，尽管方案二造价比方案一低，方案二左幅2个二车道隧道并不能满足车流量需求。且四车道隧道属于大断面隧道，施工难度大、施工风险高且工期长，对隧道旁一村落的影响也最大；方案一的行车通行能力能够满足远期车流量需求，因此推荐采用方案一。

3.3 新老隧道合理净距确定

浙江是土地资源极为稀缺的省份之一，为使有限的土地得到最大程度的利用，隧道拓宽工程需在保证既有隧道结构安全的前提下尽量节约用地，因此，新老隧道间净距的选择无疑是一个非常重要的影响因素。为确保新隧道不会对老隧道的安全运营造成明显影响，有必要探明新隧道动、静力开挖作用下对老隧道造成的影响，以确定新建隧道的合理开挖工法、开挖进尺及新老隧道净距等关键性指标。

采用大型通用有限元程序ANSYS，结合新岭隧道的实际断面形式建立计算模型，研究动、静力状态下新建隧道施工对既有隧道的力学行为影响特征。以30 m净距情况为例，有限元计算模型如图3所示。结合新岭隧道的实际情况，分别选取Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级不同围岩三处典型断面进行计算分析。每种围岩断面均按照新老隧道净距分别为10 m，20 m以及30 m三种情况进行计算。另外考虑到既有隧道病害严重，针对不同围岩段的衬砌背后空洞、裂缝等病害情况，研究其在爆破影响下的振动速度，并和二衬完好时的工况进行比较，进一步探讨新隧道施工对老病害隧道造成的影响。

通过新建隧道爆破及静力作用下对既有隧道的影响及施工工法的分析，可得到如下几个结论：

1)如图4所示，静力开挖作用下，随着净距的增加，新隧道施工对老隧道的影响逐渐减弱。当开挖净距控制在30 m时，各级围岩施工时的振动速度均满足相关规范要求。2)拱顶裂缝和空洞同时出现时计算模型如图5所示，监测点编号示意图如图6所示，各病害工况下监测点振动速度峰值曲线图如图7所示。当二衬背后出现空洞时，由于空洞的放大效应，新建隧道爆破振动将引起空洞部位振动速度及位移等量值的增大。当既有隧道二衬出现裂缝时，在裂缝周边区域会产生应力集中现象，此时相比于正常工况，振动速度和位移反而会减小；当裂缝和空洞同时出现时，由于空洞的放大作用，结构的附加应力进一步增大，此为最不利情况，此时同样应当以振动速度和应力共同作为安全控制基准。3)鉴于新岭脚村右侧拆迁问题，在前期线位方案的拟定过程中对隧道洞口间距和拆迁问题进行了深入研究后发现，隧道洞口采用20 m净距较30 m净距拆迁减少约700 m2，征地减少0.7 hm2，两者相差不明显。综上所述，根据对项目工期、施工安全性、工程造价和对既有隧道运营影响等因素综合比较后，确定新建隧道与既有隧道间合理净距按30 m控制。

3.4 隧道主体设计

3.4.1 既有隧道利用

新岭隧道拓宽后，既有隧道通过采取病害维修加固、路面翻修、机电设施改造等措施后，维持原有通行方向进行利用。

根据既有隧道全面的病害检测资料和新建隧道施工完成后的实际病害情况，采用工程类比法对既有隧道衬砌背后空洞注浆回填、裂缝修补与衬砌加固、渗漏水整治等方面进行全面的处治维修，同时对路面、机电附属设施等进行改造升级。整治加固完成后，要求在进行正常养护的同时，还应建立长期观察、观测机制。

3.4.2 新建隧道设置

根据2.2节中所选的拓宽方案一，在既有隧道两侧分别增建一个三车道隧道，隧道平均长度1 414.5 m。新建隧道设计标准如表2所示。

3.4.3 隧道洞内横通道及防灾救援设计

1)洞内车行横通道。

车行横通道用于应急情况下的车辆疏散，同时也兼行人疏散通道。新隧道与老隧道之间，左右洞各设一个车通。车通中线与隧道中线呈60°夹角。最大转弯半径为15 m。原有隧道之间的车通保留。

2)洞内人行横通道。

综合考虑隧道长度等情况来设置人通、车通。新老隧道间各新增2个人通，原有隧道之间的人通保留。

3)隧道运营防灾救援应急预案。

当隧道内发生火灾、严重交通事故时，应立即阻断隧道外流入的车辆；当事故发生在新建隧道时，洞内事故分区内的人员、车辆通过新建人通、车通向既有隧道疏散，消防灭火作业首先由隧道管理人员现场组织疏散和救援，隧道洞内每隔50 m单侧设消火栓及灭火器。当事故发生在既有隧道时，洞内事故分区内的人员通过人通、车通向两侧隧道疏散，车辆通过既有车通向另一个既有隧道疏散。疏散路线示意图如图8所示。

3.4.4 隧道施工工艺、监控量测及控制爆破措施

既有隧道在新隧道施工时依旧在营运，由于既有隧道与新建隧道净距较小，新建隧道施工的爆破振动会在很大程度上影响既有隧道的行车舒适度、围岩稳定性以及结构安全。

因此，综合了新岭隧道的实际情况、地质概况等因素，根据爆破振动对老隧道围岩稳定及结构安全的影响性分析结果确定了施工方法、爆破控制指标等。

1)施工方法。

Ⅴ级围岩进出洞口段采用双侧壁导坑法，每循环进尺不大于0.6 m；其余Ⅴ级围岩段采用预留核心土法，每循环进尺不大于0.8 m。Ⅳ级围岩段采用上下台阶法，每循环进尺不大于1.2 m。Ⅲ级围岩段采用全断面法，每循环进尺不大于1.5 m。

2)既有隧道监控量测。

隧道施工过程中应对新、老隧道进行全程实时监控，动态评估新隧道施工对老隧道造成的影响，从而调整爆破等相关设计，主要监控量测项目包括：

a.既有隧道洞内观察。

新隧道施工前应对老隧道进行全面的观测、记录，标记出所有的衬砌裂缝，重点观测可能新增的裂缝。每次爆破施工后，应立刻对起爆点对应的老隧道里程处前后50 m范围内进行全面的检查，重点针对裂缝的发展、悬挂设备、隧道外观等进行观测，应尽量采用自动化采集设备，以缩短检查时间，并用相机等手段进行详细记录。一旦发现异常情况，应立刻封闭交通，确保运营安全。

b.既有隧道重点裂缝监测。

为进一步了解新隧道施工对老隧道造成的影响，对每次爆破掌子面前后30 m范围内的重点裂缝进行连续观测。

c.既有隧道爆破振动速度监测。

每次隧道施工爆破时，需对既有隧道对应里程的监测点进行振速及频率的记录，评估对既有隧道的影响，从而动态调整施工。

在靠近新建隧道侧的既有隧道边墙上每断面布置2个～3个测点，每个测点均设置垂直与水平速度传感器各1个；Ⅳ级、Ⅴ级围岩段每隔10 m设置1个断面，Ⅲ级围岩段每隔20 m设置1个断面。每次爆破时，记录爆破掌子面对应既有隧道里程前后5个断面相应数据。由于既有隧道存在二衬裂缝、衬背空洞等病害情况，爆破振动速度监测时，监测点应尽可能选择在上述不利位置进行，依据既有隧道的实际情况选择具有代表性的位置设置振动测点进行测试。

3)控制爆破措施。

a.爆破振动速度要求。

既有隧道爆破振动速度一般不大于10 cm/s，当衬砌存在裂缝时，标准可控制为3 cm/s～5 cm/s。为防止两次爆破的结果叠加，起爆间隔应根据测试确定，或者也可按经验值取不小于200 ms。

b.爆破减震措施。

恰当的掏槽位置以及掏槽形式的选择能有效降低爆破时的振动。

爆破时按恰当的顺序分别起爆，微差爆破。

炮孔封闭加强，从而有效提高爆破的能量利用率。

合理布置空孔。在靠近既有隧道的一侧开挖区合理布置空孔，从而减小爆破产生的振动，减小对老隧道造成的破坏。

4 结语

1)综合考虑交通量通行需求、施工难度、施工风险、工期以及工程造价因素，本项目最终采用两侧三车道扩建方案。

2)根据对项目工期、施工安全性、工程造价和对既有隧道运营影响等因素综合比较后，确定新建隧道与既有隧道间合理净距按30 m控制。

3)新岭隧道具体施工方案应为：先施工新建隧道以及进出洞口两端引线、联络通道，现有车辆依旧从既有隧道通行；待新隧道施工完成后，封闭既有隧道，车辆通过新建隧道通行；既有隧道进行病害整治和路面等设施改造。洞内横通道从新建隧道侧开始施工，至接近既有隧道时先暂停施工，待新建隧道主洞施工完成、既有隧道车辆引至新建隧道后，再从既有隧道侧施工。