目前,国内外有不少在已有隧道周边增减隧道或原址扩建隧道的成功案例,拓宽改造的形式多种多样。例如,福州象山隧道为原四连拱隧道的外侧隧道原位扩建改造而成;重庆渝州隧道由净宽10m扩建为17.5m;沈海高速公路泉州—厦门段高速公路原大帽山隧道原为双洞分离式4车道隧道,改建方案为在原两隧道中间新建一个4车道大断面隧道,然后将右洞扩挖为4车道隧道;位于沈大高速公路大连市金州区区段内的韩家岭隧道,原位扩建开挖宽度为21.6m,开挖高度15.55m;位于福州市二环路东北段的金鸡山隧道由单洞两车道拓宽为单洞4车道,扩建隧道的跨度达19.3m,断面开挖面积201m²。

　　 相对于新建隧道而言,改扩建隧道施工面临的地应力场等边界条件存在显著差别,实际设计、施工过程中对其施工工法的选择尤为重要。通过前述相关工程案例的调查统计发现,在既有隧道原位扩建工程中,Ⅲ级围岩一般采用上下台阶法开挖,Ⅳ级围岩多采用CD法或CRD法开挖,Ⅴ级围岩主要采用CRD法或双侧壁导坑法开挖。相对而言,采用侧壁导坑法施工,在导坑和隧道之间会产生应力集中,不利于围岩稳定。而CD法和CRD法不仅工期长,而且成本高,不利于环保。可见,对于隧道改扩建工程的施工,施工工法的选择与合理设计上仍存在较大的优化空间与值得研究之处。

　　 本文依托重庆宋家沟1号隧道扩容改造工程(改造后命名为新宋家沟1号隧道),针对Ⅴ级围岩地段隧道的改扩建施工工法开展具体优化研究与实践,以加快施工进度,并进一步丰富类似工程的实践经验。

　　 新宋家沟1号隧道左线为既有隧道扩建工程,由原来的两车道扩建为4车道。进口桩号为ZK1+636.0,设计标高为327.516m,出口桩号为ZK1+795.5,设计标高为332.226m,全长159.5m,最大埋深33m,进口10m明洞,出口2.5m明洞。宋家沟1号隧道左线位于观音峡背斜西翼,为单斜构造,岩层产状275°∠74°。根据设计资料,该段地层大部分为泥岩与灰岩、泥岩与砂岩的夹层体。整体岩体力学性质较差,层间结合较好,裂隙不发育,岩体较完整,稳定性较好;隧道开挖时,可能产生掉块,岩层弱含水,坑道中有滴水现象,总体围岩评定为Ⅴ级围岩,采用CD法施工,支护结构及扩建前后横断面如图1与表1所示。

　　 如前文所述,依托工程采用CD法施工,其存在工期长、成本高等不足。为此,项目开工之初,针对该问题组织优化论证,设计基于超前小导管支护下的三台阶开挖工法(为保证安全,隧道进口和出口仍为超前管棚支护)。为进一步分析所拟定优化方案的安全性与合理性,选取典型断面,采用有限元法对其进行计算分析,并与原设计方案进行对比。

　　 根据优化后的三台阶法和原设计CD法的关键施工步序(见图2),数值分析模拟过程如下。

　　 1)CD法(见图2a)

　　 S1:开挖土体(1),进行隧道右侧上半部分喷锚支护,施作上半部分中隔墙。

　　 S2:开挖土体(2),进行隧道右侧下半部分喷锚支护,施作下半部分中隔墙。

　　 S3:开挖土体(3),进行隧道左侧上半部分喷锚支护。

　　 S4:开挖土体(4),进行隧道左侧下半部分喷锚支护,拆除中隔墙,施作仰拱。

　　 2)三台阶法(见图2b)

　　 S1:开挖土体(1),台阶高度为3.4m,施作隧道上部分喷锚支护。

　　 S2:开挖土体(2),台阶高度为4.93m,施作隧道中间部分喷锚支护。

　　 S3:开挖土体(3),施作隧道下部分喷锚支护。

　　 进而,可建立有限元模型,模型长140m、高85.9m,隧道埋深32.5m。初期支护为C25喷射混凝土+22砂浆锚杆。地层条件分别为素填土、泥岩、砂岩,计算参数详见设计文件。相关计算结果如表2及图2～3所示。从中分析可知:工序S1,S2中CD法的初支及围岩变形相对较小,而三台阶法在工序S1中即产生了较大沉降,因此,相较于三台阶法,CD法在施工过程中更有利于控制围岩及初支结构的变形和保障施工安全。但是,在施工完成后,两种工法产生的围岩及初支变形基本一致。考虑到三台阶法具有工序简单、施工速度快、造价低等优点,因此,在本工程实际中,采用三台阶法施工更具优势(见图4)。

　　 施工中涉及原有衬砌结构的拆除,拆除时,先对既有隧道内进行填筑,填筑高度初步定为4m,现场实际施工时,可进行适当调整。作为拆除既有结构的工作平台,拆除采用控制爆破及机械破除,每次拆除长度控制在1.5m以内,先拆拱圈上部,再对称拆除两侧结构。拆除过程中设专人指挥机械,避免发生人员及机械伤害,拆除的钢筋及混凝土分类堆码整齐并分期运输。

　　 采用管棚及小导管2种超前支护方式。

　　 1)长管棚钢花管采用外径108mm、壁厚6mm热轧无缝钢管,钢管前端呈尖锥状,尾端焊有加筋箍,管壁四周钻14压浆孔,节长6m。长管棚钢花管环向间距40cm,倾角控制在3.0°,方向与路线中线平行。隧道同一断面内的接头数≤50%,相邻钢管的接头至少错开1m,长管棚布设范围120°。

　　 2)超前小导管采用现场加工小钢管,外径42mm、壁厚4mm的热轧无缝钢管,长5m,前端加工成尖锥状,尾部焊10加劲箍,管壁四周按15cm间距梅花形钻设6压浆孔。小导管环向间距40cm,外插角10°～15°,纵向间距3.6m施作1环,搭接≥1.0m,梅花形布置,小导管布设范围120°,注浆自拱脚顺序向上。

　　 施工中采用三台阶法开挖,采取微振控制爆破,机械配合开挖施工,将爆破振速控制在2.0cm/s,每循环进尺1.5m,上台阶分左、右两部分进行开挖,左、右侧以5m长一段交替开挖前进,上台阶长度为5m,中台阶及下台阶长度均为10m;待断面整体掘进25m后施作仰拱及二衬,根据围岩量测确定合理的衬砌时间,衬砌后根据施工进度需施作水沟电缆槽。具体施工工序如图5所示。

　　 1)第1步开挖(1)部,高度为3.4m,并施作“一”的初期支护,架立I20临时钢支撑,临时钢支撑上设置3根22砂浆锁脚锚杆,间距1m。

　　 2)第2步(1)部掘进5m后,进行(2)部开挖,并施作“二”初期支护,拆除相应的临时钢支撑及锁脚锚杆。

　　 3)第3步上台阶前进约5m后,进行中台阶开挖,高度为4.93m,首先进行(3)部开挖,施作“三”初期支护。

　　 4)第4步进行(4)部开挖,拆除既有结构,并切除多余外露部分的锚杆,施作“四”初期支护。

　　 5)第5步中台阶长度控制在10m,然后开挖(5)部,高度为3.7m,进行“五”初期支护。

　　 6)第6步开挖(6)部,进行“六”初期支护。

　　 7)第7步下台阶长度控制在10m,然后开挖(7)部,进行“七”初期支护。

　　 通过前述优化及现场实施控制,新宋家沟1号隧道整个施工过程开展顺利,监控量测结果表明,各断面变形均未超过规范允许值,如图6所示,结构整体处于稳定状态,并取得了良好的应用效果,产生了显著的经济效益,相关工法经济效益对比如表3所示。

　　 1)通过本工程的实际运用和检验,长管棚支护下三台阶法在Ⅴ级围岩原位扩建隧道施工中可行,相对于双侧壁导坑法、CRD法和CD法等,具有成本低、施工速度快等优点。

　　 2)原位扩建隧道施工中首先要做好原隧道施工情况调查,有无冒顶、塌方、涌水等情况。针对原隧道冒顶、塌方和涌水区域,在施工时加强预加固措施,并提高初期支护刚度和强度,做好监控量测,尽早封闭成环。