鄭軍華 丁海洋

(浙江數(shù)智交院科技股份有限公司(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)，浙江 杭州 310031)

隨著我國(guó)公路交通量快速增長(zhǎng)，許多運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)的高速公路已不能滿足現(xiàn)有交通量需求，急需修建復(fù)線或改擴(kuò)建既有道路以提升道路通行能力及服務(wù)水平。改擴(kuò)建過程中不可避免地會(huì)遇到既有隧道工程。隧道往往決定著整條線路的工期，因此，隧道的改擴(kuò)建是整個(gè)工程的核心工程。本文以浙江杭金衢高速新嶺隧道改擴(kuò)建工程為依托，詳細(xì)介紹隧道車道數(shù)的確定、改擴(kuò)建方式及與既有隧道合理凈距確定、新建隧道與開挖工法設(shè)計(jì)，以及控制爆破措施與既有隧道監(jiān)控等較新且難的問題。

隧道改擴(kuò)建主要分為原址擴(kuò)建方案以及新建隧道方案。其中，原位擴(kuò)挖方案對(duì)既有交通影響較大、施工工序復(fù)雜、施工風(fēng)險(xiǎn)大、對(duì)隧道結(jié)構(gòu)需進(jìn)行具體分析[1,2]，一般隧道擴(kuò)建在可行的情況下宜采用分離增建的形式加寬，具體工程中均需根據(jù)實(shí)際情況具體比選分析[3-5]。且隧道原位改擴(kuò)建過程中易發(fā)生滲漏水現(xiàn)象，近年來，對(duì)該類方案的研究較多[6-9]。改擴(kuò)建技術(shù)、擴(kuò)挖工法對(duì)隧道改擴(kuò)建也有較大的影響[10-13]。對(duì)于隧道改擴(kuò)建過程中的詳細(xì)設(shè)計(jì)，如加寬方式、合理凈距的確定等的研究并不多見。

1 工程概況

杭金衢高速公路位于浙江，是滬昆高速的重要組成部分。新嶺隧道位于杭金衢高速公路浙江諸暨直埠鎮(zhèn)，在次塢出口以南3.6 km處，是杭金衢高速杭州至金華段的重點(diǎn)工程。改擴(kuò)建前屬于交通擁堵最嚴(yán)重的路段，逢年過節(jié)堵車屢見不鮮，曾號(hào)稱浙江高速的“堵王”，且交通事故頻發(fā)。因此，新嶺隧道的改擴(kuò)建方案是該項(xiàng)目成功與否的關(guān)鍵。

既有新嶺隧道為分離式雙向四車道隧道，隧道長(zhǎng)度為1 423 m，屬于長(zhǎng)隧道。設(shè)計(jì)行車時(shí)速120 km/h，隧道限界凈寬10.75 m、凈高5.0 m；隧道左、右軸線間距為41.3 m，隧道平面處于直線段上，縱坡采用人字坡；內(nèi)輪廓采用單心圓斷面，采用錨噴支護(hù)復(fù)合模注混凝土襯砌；隧道共2處人通和1處車通，于2003年建成通車。

隧道進(jìn)出洞口段位于丘陵地形，為含黏性土碎石、強(qiáng)～中風(fēng)化巖體、節(jié)理裂隙發(fā)育，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差，圍巖等級(jí)評(píng)定為Ⅴ級(jí)。進(jìn)洞口處于沖溝下部緩坡，地表水易匯集；右洞分布采空區(qū)，為當(dāng)?shù)卮迕褡园l(fā)采煤所致，逐煤開采，有露天方式和巷道方式，無規(guī)劃、無支護(hù)措施和管理措施，對(duì)隧道圍巖有較大的影響，弱化了隧道地基的承載力，極易產(chǎn)生較大的圍巖位移。

2 既有隧道病害概況

隧道施工過程中曾發(fā)生多次小塌方和圍巖變更，塌方范圍、方量較小，塌方區(qū)采用漿砌片石或混凝土回填。新嶺隧道建成通車至今，發(fā)生了襯砌開裂、洞內(nèi)滲水等不同程度的病害。

2011年9月，對(duì)新嶺隧道進(jìn)行了病害調(diào)查、襯砌質(zhì)量檢測(cè)，主要檢測(cè)結(jié)果如下：1)隧道主要的病害為襯砌裂縫，裂縫的分布范圍廣、較密集。隧道左線裂縫以環(huán)向和縱向裂縫為主，隧道右線裂縫以縱向?yàn)橹?，環(huán)向和斜向裂縫次之。裂縫寬度普遍為0.2 mm～3 mm，裂縫深度一般在20 cm以上。2)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查已處理過的舊裂縫未出現(xiàn)二次開裂現(xiàn)象。按裂縫寬度分類，裂縫屬于微張開裂縫。深度相對(duì)較深，判斷隧道二襯結(jié)構(gòu)破損等級(jí)為B級(jí)。3)部分隧道段二襯存在不密實(shí)的現(xiàn)象；斷面輪廓無侵限現(xiàn)象；混凝土強(qiáng)度滿足要求。4)部分隧道段二襯實(shí)際厚度小于設(shè)計(jì)厚度。

3 隧道改擴(kuò)建設(shè)計(jì)

3.1 隧道車道數(shù)確定

杭金衢高速公路全線改擴(kuò)建采用雙向八車道標(biāo)準(zhǔn)，但由于新嶺隧道出口與直埠樞紐較近，將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)向交通量，考慮今后大小型車分道管理，從可能的實(shí)際交通模式出發(fā)，需要對(duì)新嶺隧道至直埠樞紐互通交通負(fù)荷能力作重點(diǎn)分析，以確定增建隧道的車道數(shù)需求。計(jì)算采用FHWA的HCM2000模型，采用交織構(gòu)型A型的計(jì)算模型，構(gòu)型簡(jiǎn)化圖見圖1，左側(cè)為杭州方向，右側(cè)為金華方向。

根據(jù)分析結(jié)果，如采用原隧道保留、兩側(cè)增建隧道的方案，因隧道出口距前方直埠樞紐較近，按常規(guī)路段增建2個(gè)車道無法滿足轉(zhuǎn)向交通量通行需求，也不利于大小型車提前分道管理及通行安全，因此需各增建3個(gè)車道才能滿足通行需求。此外，采用單個(gè)四車道隧道也能滿足正常的通行需求。

3.2 隧道改擴(kuò)建加寬方式

隧道改擴(kuò)建加寬方式，可根據(jù)隧道軸線地形、地質(zhì)條件，采用單側(cè)分離增建、雙側(cè)分離增建和原位擴(kuò)挖等多種形式。由于原位擴(kuò)挖隧道對(duì)既有交通影響較大、施工工序復(fù)雜、施工風(fēng)險(xiǎn)大，隧道路段宜采用分離增建的形式加寬。此外，因單洞四車道隧道造價(jià)高、施工風(fēng)險(xiǎn)大，故分離增建的隧道不宜采用單洞四車道方案。

工可階段對(duì)雙側(cè)增建隧道方案、單側(cè)增建隧道方案和一側(cè)增建另一側(cè)原位擴(kuò)挖隧道等方案進(jìn)行了綜合比選，結(jié)合分離增建隧道的車道數(shù)需求分析及隧道特點(diǎn)，初步設(shè)計(jì)階段提出以下2個(gè)方案做進(jìn)一步比選。方案一：在隧道兩側(cè)分別增建一個(gè)三車道隧道；方案二：在隧道右側(cè)增建一個(gè)單洞四車道隧道。改擴(kuò)建方案平面示意圖如圖2所示。

2個(gè)方案的比選結(jié)果如表1所示。

表1 方案比選表

鑒于新嶺隧道段地質(zhì)情況較差，盡管方案二造價(jià)比方案一低，方案二左幅2個(gè)二車道隧道并不能滿足車流量需求。且四車道隧道屬于大斷面隧道，施工難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)高且工期長(zhǎng)，對(duì)隧道旁一村落的影響也最大；方案一的行車通行能力能夠滿足遠(yuǎn)期車流量需求，因此推薦采用方案一。

3.3 新老隧道合理凈距確定

浙江是土地資源極為稀缺的省份之一，為使有限的土地得到最大程度的利用，隧道拓寬工程需在保證既有隧道結(jié)構(gòu)安全的前提下盡量節(jié)約用地，因此，新老隧道間凈距的選擇無疑是一個(gè)非常重要的影響因素。為確保新隧道不會(huì)對(duì)老隧道的安全運(yùn)營(yíng)造成明顯影響，有必要探明新隧道動(dòng)、靜力開挖作用下對(duì)老隧道造成的影響，以確定新建隧道的合理開挖工法、開挖進(jìn)尺及新老隧道凈距等關(guān)鍵性指標(biāo)。

采用大型通用有限元程序ANSYS，結(jié)合新嶺隧道的實(shí)際斷面形式建立計(jì)算模型，研究動(dòng)、靜力狀態(tài)下新建隧道施工對(duì)既有隧道的力學(xué)行為影響特征。以30 m凈距情況為例，有限元計(jì)算模型如圖3所示。結(jié)合新嶺隧道的實(shí)際情況，分別選?、蠹?jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)不同圍巖三處典型斷面進(jìn)行計(jì)算分析。每種圍巖斷面均按照新老隧道凈距分別為10 m，20 m以及30 m三種情況進(jìn)行計(jì)算。另外考慮到既有隧道病害嚴(yán)重，針對(duì)不同圍巖段的襯砌背后空洞、裂縫等病害情況，研究其在爆破影響下的振動(dòng)速度，并和二襯完好時(shí)的工況進(jìn)行比較，進(jìn)一步探討新隧道施工對(duì)老病害隧道造成的影響。

通過新建隧道爆破及靜力作用下對(duì)既有隧道的影響及施工工法的分析，可得到如下幾個(gè)結(jié)論：

1)如圖4所示，靜力開挖作用下，隨著凈距的增加，新隧道施工對(duì)老隧道的影響逐漸減弱。當(dāng)開挖凈距控制在30 m時(shí)，各級(jí)圍巖施工時(shí)的振動(dòng)速度均滿足相關(guān)規(guī)范要求。2)拱頂裂縫和空洞同時(shí)出現(xiàn)時(shí)計(jì)算模型如圖5所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)示意圖如圖6所示，各病害工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值曲線圖如圖7所示。當(dāng)二襯背后出現(xiàn)空洞時(shí)，由于空洞的放大效應(yīng)，新建隧道爆破振動(dòng)將引起空洞部位振動(dòng)速度及位移等量值的增大。當(dāng)既有隧道二襯出現(xiàn)裂縫時(shí)，在裂縫周邊區(qū)域會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時(shí)相比于正常工況，振動(dòng)速度和位移反而會(huì)減?。划?dāng)裂縫和空洞同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，由于空洞的放大作用，結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力進(jìn)一步增大，此為最不利情況，此時(shí)同樣應(yīng)當(dāng)以振動(dòng)速度和應(yīng)力共同作為安全控制基準(zhǔn)。3)鑒于新嶺腳村右側(cè)拆遷問題，在前期線位方案的擬定過程中對(duì)隧道洞口間距和拆遷問題進(jìn)行了深入研究后發(fā)現(xiàn)，隧道洞口采用20 m凈距較30 m凈距拆遷減少約700 m2，征地減少0.7 hm2，兩者相差不明顯。綜上所述，根據(jù)對(duì)項(xiàng)目工期、施工安全性、工程造價(jià)和對(duì)既有隧道運(yùn)營(yíng)影響等因素綜合比較后，確定新建隧道與既有隧道間合理凈距按30 m控制。

3.4 隧道主體設(shè)計(jì)

3.4.1 既有隧道利用

新嶺隧道拓寬后，既有隧道通過采取病害維修加固、路面翻修、機(jī)電設(shè)施改造等措施后，維持原有通行方向進(jìn)行利用。

根據(jù)既有隧道全面的病害檢測(cè)資料和新建隧道施工完成后的實(shí)際病害情況，采用工程類比法對(duì)既有隧道襯砌背后空洞注漿回填、裂縫修補(bǔ)與襯砌加固、滲漏水整治等方面進(jìn)行全面的處治維修，同時(shí)對(duì)路面、機(jī)電附屬設(shè)施等進(jìn)行改造升級(jí)。整治加固完成后，要求在進(jìn)行正常養(yǎng)護(hù)的同時(shí)，還應(yīng)建立長(zhǎng)期觀察、觀測(cè)機(jī)制。

3.4.2 新建隧道設(shè)置

根據(jù)2.2節(jié)中所選的拓寬方案一，在既有隧道兩側(cè)分別增建一個(gè)三車道隧道，隧道平均長(zhǎng)度1 414.5 m。新建隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

3.4.3 隧道洞內(nèi)橫通道及防災(zāi)救援設(shè)計(jì)

1)洞內(nèi)車行橫通道。

車行橫通道用于應(yīng)急情況下的車輛疏散，同時(shí)也兼行人疏散通道。新隧道與老隧道之間，左右洞各設(shè)一個(gè)車通。車通中線與隧道中線呈60°夾角。最大轉(zhuǎn)彎半徑為15 m。原有隧道之間的車通保留。

2)洞內(nèi)人行橫通道。

綜合考慮隧道長(zhǎng)度等情況來設(shè)置人通、車通。新老隧道間各新增2個(gè)人通，原有隧道之間的人通保留。

3)隧道運(yùn)營(yíng)防災(zāi)救援應(yīng)急預(yù)案。

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、嚴(yán)重交通事故時(shí)，應(yīng)立即阻斷隧道外流入的車輛；當(dāng)事故發(fā)生在新建隧道時(shí)，洞內(nèi)事故分區(qū)內(nèi)的人員、車輛通過新建人通、車通向既有隧道疏散，消防滅火作業(yè)首先由隧道管理人員現(xiàn)場(chǎng)組織疏散和救援，隧道洞內(nèi)每隔50 m單側(cè)設(shè)消火栓及滅火器。當(dāng)事故發(fā)生在既有隧道時(shí)，洞內(nèi)事故分區(qū)內(nèi)的人員通過人通、車通向兩側(cè)隧道疏散，車輛通過既有車通向另一個(gè)既有隧道疏散。疏散路線示意圖如圖8所示。

3.4.4 隧道施工工藝、監(jiān)控量測(cè)及控制爆破措施

既有隧道在新隧道施工時(shí)依舊在營(yíng)運(yùn)，由于既有隧道與新建隧道凈距較小，新建隧道施工的爆破振動(dòng)會(huì)在很大程度上影響既有隧道的行車舒適度、圍巖穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)安全。

因此，綜合了新嶺隧道的實(shí)際情況、地質(zhì)概況等因素，根據(jù)爆破振動(dòng)對(duì)老隧道圍巖穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)安全的影響性分析結(jié)果確定了施工方法、爆破控制指標(biāo)等。

1)施工方法。

Ⅴ級(jí)圍巖進(jìn)出洞口段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，每循環(huán)進(jìn)尺不大于0.6 m；其余Ⅴ級(jí)圍巖段采用預(yù)留核心土法，每循環(huán)進(jìn)尺不大于0.8 m。Ⅳ級(jí)圍巖段采用上下臺(tái)階法，每循環(huán)進(jìn)尺不大于1.2 m。Ⅲ級(jí)圍巖段采用全斷面法，每循環(huán)進(jìn)尺不大于1.5 m。

2)既有隧道監(jiān)控量測(cè)。

隧道施工過程中應(yīng)對(duì)新、老隧道進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，動(dòng)態(tài)評(píng)估新隧道施工對(duì)老隧道造成的影響，從而調(diào)整爆破等相關(guān)設(shè)計(jì)，主要監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目包括：

a.既有隧道洞內(nèi)觀察。

新隧道施工前應(yīng)對(duì)老隧道進(jìn)行全面的觀測(cè)、記錄，標(biāo)記出所有的襯砌裂縫，重點(diǎn)觀測(cè)可能新增的裂縫。每次爆破施工后，應(yīng)立刻對(duì)起爆點(diǎn)對(duì)應(yīng)的老隧道里程處前后50 m范圍內(nèi)進(jìn)行全面的檢查，重點(diǎn)針對(duì)裂縫的發(fā)展、懸掛設(shè)備、隧道外觀等進(jìn)行觀測(cè)，應(yīng)盡量采用自動(dòng)化采集設(shè)備，以縮短檢查時(shí)間，并用相機(jī)等手段進(jìn)行詳細(xì)記錄。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)立刻封閉交通，確保運(yùn)營(yíng)安全。

b.既有隧道重點(diǎn)裂縫監(jiān)測(cè)。

為進(jìn)一步了解新隧道施工對(duì)老隧道造成的影響，對(duì)每次爆破掌子面前后30 m范圍內(nèi)的重點(diǎn)裂縫進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。

c.既有隧道爆破振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)。

每次隧道施工爆破時(shí)，需對(duì)既有隧道對(duì)應(yīng)里程的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行振速及頻率的記錄，評(píng)估對(duì)既有隧道的影響，從而動(dòng)態(tài)調(diào)整施工。

在靠近新建隧道側(cè)的既有隧道邊墻上每斷面布置2個(gè)～3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均設(shè)置垂直與水平速度傳感器各1個(gè)；Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖段每隔10 m設(shè)置1個(gè)斷面，Ⅲ級(jí)圍巖段每隔20 m設(shè)置1個(gè)斷面。每次爆破時(shí)，記錄爆破掌子面對(duì)應(yīng)既有隧道里程前后5個(gè)斷面相應(yīng)數(shù)據(jù)。由于既有隧道存在二襯裂縫、襯背空洞等病害情況，爆破振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡可能選擇在上述不利位置進(jìn)行，依據(jù)既有隧道的實(shí)際情況選擇具有代表性的位置設(shè)置振動(dòng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

3)控制爆破措施。

a.爆破振動(dòng)速度要求。

既有隧道爆破振動(dòng)速度一般不大于10 cm/s，當(dāng)襯砌存在裂縫時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)可控制為3 cm/s～5 cm/s。為防止兩次爆破的結(jié)果疊加，起爆間隔應(yīng)根據(jù)測(cè)試確定，或者也可按經(jīng)驗(yàn)值取不小于200 ms。

b.爆破減震措施。

恰當(dāng)?shù)奶筒畚恢靡约疤筒坌问降倪x擇能有效降低爆破時(shí)的振動(dòng)。

爆破時(shí)按恰當(dāng)?shù)捻樞蚍謩e起爆，微差爆破。

炮孔封閉加強(qiáng)，從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側(cè)開挖區(qū)合理布置空孔，從而減小爆破產(chǎn)生的振動(dòng)，減小對(duì)老隧道造成的破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

1)綜合考慮交通量通行需求、施工難度、施工風(fēng)險(xiǎn)、工期以及工程造價(jià)因素，本項(xiàng)目最終采用兩側(cè)三車道擴(kuò)建方案。

2)根據(jù)對(duì)項(xiàng)目工期、施工安全性、工程造價(jià)和對(duì)既有隧道運(yùn)營(yíng)影響等因素綜合比較后，確定新建隧道與既有隧道間合理凈距按30 m控制。

3)新嶺隧道具體施工方案應(yīng)為：先施工新建隧道以及進(jìn)出洞口兩端引線、聯(lián)絡(luò)通道，現(xiàn)有車輛依舊從既有隧道通行；待新隧道施工完成后，封閉既有隧道，車輛通過新建隧道通行；既有隧道進(jìn)行病害整治和路面等設(shè)施改造。洞內(nèi)橫通道從新建隧道側(cè)開始施工，至接近既有隧道時(shí)先暫停施工，待新建隧道主洞施工完成、既有隧道車輛引至新建隧道后，再?gòu)募扔兴淼纻?cè)施工。