严重偏压隧道的改扩建方案研究

付彦峰

(石家庄交通勘察设计院 石家庄市 050000)

受地形限制，公路建设中会经常修建一些偏压隧道。偏压隧道由于左右侧地形变化较大，使得隧道结构上的荷载是不对称的，特别是在水平方向存在较大的不平衡力。这些偏压隧道在后期的改扩建中，会比普通隧道存在更大的难度。在偏压与开挖同时作用下，围岩应力得到释放，若设计、施工不当，会很容易出现山体失稳状况。以既有偏压隧道为例，分析研究了其改扩建方案及注意事项。

1 工程概况

1.1 隧道现状

平涉线井陉隧道建设于70年代，起终点桩号为K82+583～K83+088，全长505m。隧道位于山区傍河路段，平面位于缓和曲线、圆曲线、直线上。由于近些年交通量的增加，本段公路要进行三级升二级改扩建。

隧道左临甘陶河，山体陡峭，右侧为高山，呈偏压状态。左侧岩石厚度较薄，对部分桩号左侧岩石厚度进行测量，详见表1。

表1 隧道左侧(外侧)岩层厚度测量结果

隧道内仅作喷锚支护，无二衬。内轮廓断面不规则，平均宽8m，拱顶平均高4.5m，不满足建筑限界净宽11.5m、净高5.0m的改扩建标准。其中K81+127处顶部有大坑，坑顶距路面高度达9.6m。隧道内左侧有11处照明用横洞。详见图1～图4。

图1 隧道洞门

图2 照明横洞

图3 喷锚支护

图4 内轮廓实测断面

经过对隧道现状的调查、评估，隧道支护未出现严重开裂、漏水等病害，结构基本处于稳定状态。

1.2 工程地质

井陉隧道位于太行山低山地带，地貌类型为侵蚀构造低山区，高程大约430.00～550.00m。隧道区所在大地构造一级单元为中朝准地台，二级单元为山西断隆，三级单元为太行拱断束，穿过的四级单元为赞皇穹断束。这些构造在近期并无明显活动迹象，在近代历史上该区未发生过源发性地震，区域地壳基本稳定。

在路线K82+583～K82+625(42m)、K83+068～K83+088(20m)段落，隧道埋深12.30～19.20m。围岩主要为寒武系石灰岩，中晶质结构，中～厚层状，属较坚硬岩，裂隙、节理发育，岩层间结合较差，偏压较严重。石灰岩Rc=37.2MPa，C=0.3MPa，ψ=25.7，软化系数0.70；围岩波速1200～2070m/s，完整性系数0.35～0.55，岩体破碎～较破碎。岩体稳定性差，隧道出水形式以潮湿及滴水为主，雨季可能出现淋流。渗透系数40m/d，[BQ]=241.3，围岩级别Ⅴ级。

在路线K82+625～K83+068(443m)段落，隧道埋深19.20～45.50m。围岩主要为寒武系石灰岩，中晶质结构，中～厚层状，属较坚硬岩。裂隙、节理较发育，岩层间结合较差，偏压较严重。石灰岩Rc=49.5MPa，C=0.5MPa，ψ=35.0，软化系数0.70；围岩波速1520～3080m/s，完整性系数0.45～0.75，岩体较破碎～较完整。岩体稳定性较差，隧道出水形式以潮湿及滴水为主，雨季可能出现淋流。渗透系数35m/d，[BQ]=328.5，围岩级别IⅤ级。

通过对隧道区域地理位置、地质及环境综合分析，该隧道改建不会对地表环境产生不利影响。

2 隧道改扩建方案的确定

对于隧道改扩建，一般有新建方案、原道路中线两侧改扩建方案、原道路中线周围改扩建方案、单侧改扩建方案等。见图5～图7。

图5 原道路中线两侧改扩建方案

图6 原道路中线周围改扩建方案

图7 单侧改扩建方案

新建方案的优点是设计、施工相对容易，施工安全性也相对较高。但是对于本项目而言，新建方案路线偏离旧路太远，并且新建隧道长度将大大长于现有隧道，新增占地较多，投资巨大，此方案不具有实施的可能性。

原道路中线两侧改扩建方案(图5)、原道路中线周围改扩建方案(图6)是以原隧道中线为基准向周围进行的改扩建方案，其对原隧道周围岩体扰动都较大。由于本项目隧道偏压严重，临河一侧岩层较薄，若采用这两种改扩建方案，则将进一步削弱临河侧壁岩体厚度，影响山体的稳定性，故中线两侧、周围改扩建方案也不适宜。

单侧改扩建方案(图7)相对来说对非扩挖侧岩体扰动较小，其产生的拱顶位移及围岩应力也相对较小。但是对于本项目，单纯的单侧改扩建方案也存在削弱临河侧拱肩岩体厚度的问题。

根据隧址的地形、地质条件，经过分析论证，决定采用偏移中线后的单侧改扩建方案，即以原隧道中心线向山体方向偏4m为改扩建方案路线设计中线，向山体侧进行单侧扩挖。采用中心偏移后的单侧改扩建方案，相较于单纯的单侧改扩建方案，避免了扩大断面后拱肩外山体厚度被削薄，增加了侧墙外岩体厚度，更有利于岩体的稳定与安全。

对于原隧道断面位于改扩建后断面以外部分，采用泵送C30无收缩混凝土进行填塞加固岩体。新浇注混凝土与岩体界面设置Φ22锚杆进行连接，锚杆长2.5m，间距1.0m×1.0m，锚杆伸入围岩1.5m。设Φ22钢筋网，间距0.2m×0.2m。采取以上预加固措施后，再按加强的支护措施对隧道进行扩建施工。对于照明用横洞及洞顶空洞，也采用同样的方法进行填塞加固处理。

图8 偏移中线后单侧改扩建方案示意图

3 隧道衬砌结构

对于Ⅴ级围岩，采用Φ42mm小导管进行超前支护。拱部及右边墙初期支护采用长4.0m的Φ25mm中空注浆锚杆，左侧边墙由于岩体较薄，采用Φ25mm预应力对拉锚杆对围岩加固。初支喷射混凝土厚度为28cm，挂间距20cm×20cm的Φ8mm双层钢筋网，采用I22b钢拱架，纵向间距60cm。二衬采用55cm厚的C30钢筋混凝土。

对于Ⅳ级围岩，采用Φ25mm中空注浆锚杆进行超前支护。拱部及右边墙初期支护采用长3.5m的Φ25mm中空注浆锚杆，左侧边墙采用Φ25mm预应力对拉锚杆对围岩加固。初支喷射混凝土厚度为24cm，挂间距20cm×20cm的Φ8mm钢筋网，采用I18钢拱架，纵向间距80cm。二衬采用45cm厚的钢筋混凝土。

导坑钢拱架均采用I16工字钢，纵向间距与主洞钢拱架相同。

4 施工方案

作为严重偏压隧道，改扩建施工中的关键是要保证左侧临河围岩的稳定性，避免对其扰动过大，施工中围岩应力释放过大，造成失稳。因此必须采取更加严格的、加强的施工步骤。根据隧道结构及围岩状况，利用既有隧道作为导洞，采用单侧壁导坑法进行施工。具体施工流程如下：

(1)清除松散浮土、碎块，安装锚杆、挂钢筋网，泵送C30无收缩混凝土浇注左侧新隧道断面以外部分。

(2)待第一步浇注的混凝土达到设计强度后，扩挖隧道左侧上部。

(3)隧道左侧上部进行初期支护施工。

(4)扩挖隧道左侧下半断面。

(5)隧道左侧下部进行初期支护施工。

(6)隧道右侧上台阶扩挖。

(7)隧道右侧上部进行初期支护施工。

(8)隧道右侧中台阶扩挖。

(9)隧道右侧中部进行初期支护施工。

(10)隧道右侧下半断面扩挖。

(11)隧道右侧下半断面进行初期支护施工。

(12)浇注隧道仰拱。

(13)敷设防水板，全断面浇注隧道二衬。

图9 严重偏压隧道施工方案示意图

5 施工注意事项

(1)对于左侧填塞加固部分的混凝土，必须浇注密实，混凝土中需掺入适量微膨胀剂。新浇注混凝土与原有隧道的内轮廓面凿毛成麻面台阶状，确保新浇注混凝土与旧岩面紧密贴合，起到共同受力作用。必须等新浇注混凝土达到设计强度后，再进行下一步施工作业。

(2)严格控制进尺。严重偏压隧道的改扩建施工进尺应小于普通新开挖隧道施工进尺，确保临空侧岩体的稳定。Ⅳ级围岩按1.0～1.5m控制，Ⅴ级围岩按0.5～1.0m控制。

(3)施工中应尽量减少对围岩的扰动破坏程度，充分发挥围岩的自承能力，尽快形成“承载环”。严格控制爆破装药数量、范围。

(4)加强施工监测，特别是对于左侧临河岩体的监测，以判断围岩的稳定状况。在拱顶、拱肩、侧墙、拱脚等部位设置监测点。监测内容包括：地质及支护状态观察、周边位移、拱顶下沉、地质超前预报、地表下沉测量、围岩内部位移、围岩压力、锚杆轴力、钢支撑内力及外力项目。若出现异常，应立即停止施工，查明原因。

(5)施工预应力锚杆时，应先钻孔测量好临空侧岩体厚度，据此确定锚杆长度。混凝土基座处应清除松散破碎的山体。施加预应力不得小于100kN，锚杆杆体拉断荷载不小于180kN。注浆必须饱满，注浆压力在1.0～2.0MPa。

6 结语

对于严重偏压隧道的改扩建，提出了偏移设计中线的单侧扩挖、对临空岩体加固、加强施工措施等方法，以达到保证围岩稳定，避免施工中岩体应力释放过大，达到安全改扩建的目的。