隧道扩建设计方案研究

赵虎生

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

0 引言

我国作为山地较多的国家，同时也是目前公路隧道修建最多的地方。随着我国经济的迅速发展和解决城乡贫富差距，目前国家急需提高公路的运输能力，尤其是低等级的国省干道和县乡公路，因此就需要对国省干道和县乡公路进行大量的改扩建，来提高公路等级和公路的服务水平，以达到更好服务社会功能[1]。但是由于地形、地质条件的限制，以及公路线性标准的提高，不免对现有隧道存在改建或扩建的需要，改建隧道按照新修考虑，本论文主要针对隧道扩建的支护衬砌和开挖工序进行研究，结合山西省长治至省界的省道河路线(S324)三级路改建二级路工程的大条山隧道为依托，从合理拱轴线的角度出发，确定隧道扩建的合理断面形式，再根据现有隧道的不同拱跨和拱高来确定隧道的支护衬砌和合理的扩挖施工步序，通过结合有限元分析，证明是一种可行的办法。它适用于类似山西省太行山地区坚硬岩石地质的隧道扩建，为今后隧道的改扩建施工设计提供了依据。

1 隧道设计主要标准

1.1 设计交通量及行车方式

2011年设计交通量为14 778辆/日，高峰小时交通量采用日交通量的10%，双向双车道。

1.2 设计行车速度

隧道几何线形与净空设计采用行车速度80 km/h。

1.3 隧道建筑限界

二车道（1.0+9.0+1.0）m，净宽 11.0 m，净高 5 m。

1.4 设计荷载

公路Ⅰ级。

1.5 卫生标准

阻滞段的平均CO设计浓度取250 ppm；烟雾设计浓度0.007 0 m-1。

1.6 地震基本烈度

Ⅶ度。

2 现有隧道工程介绍

2.1 隧道部分

该项目中现有隧道一座，始建于20世纪80年代，局限于当时的技术条件、经济条件以及施工水平等因素限制，隧道净宽仅为7.0 m，限高4.0 m，且没有其他附属设施建设，服务水平较低，已经远远不能满足现在二级公路服务水平和通行能力。因此项目改建时，对该隧道进行了扩建，扩建后隧道净宽为11.0 m，限高5.0 m，衬砌为复合式衬砌。扩建前后内轮廓见图1。

2.2 地质部分

隧址区位于太岳山脉基岩低山区之太行山大峡谷区内，隧道洞体处在河谷内河曲部位，左侧为峪口河河谷，右侧为基岩山脊、基岩中陡坡，隧道洞身山体陡峻，基岩出露较好，进出口地形较陡。

洞体埋深0～45 m，顶板全部为基岩，洞室围岩奥陶系中风化石灰岩，围岩坚硬为主，岩体节理裂隙发育，呈块碎石状结构为主，围岩主要指标Rc灰岩=20～40 MPa，地下水不发育。根据原隧道开挖的边仰坡和原隧道支护情况，结合隧道规范进行划分，初判定围岩为Ⅲ级。

图1 现有隧道与扩建隧道内轮廓和建筑限界对比图

3 隧道扩建结构设计施工方案

3.1 设计方案

洞身段衬砌均按新奥法原理设计[2]，推荐采用柔性支护体系结构的复合式衬砌。根据地层、地质条件顶部采用加长系统锚杆对扩建后的掌子面采取预加固措施，随后以喷、锚、网、格栅钢架等构成初期支护，二次衬砌采用钢筋混凝土或素混凝土。衬砌后空隙部分，除隧道顶部其余均应用同级混凝土泵送回填密实。各类围岩隧道复合式衬砌支护参数见表1，结构设计图见图2。

表1 各级围岩隧道复合式衬砌支护参数

图2 扩建隧道衬砌结构设计图

3.2 施工方案

首先对现有隧道采用砧木支护20 m范围的拱顶进行锚杆注浆，然后对原隧道的拱角进行开挖，紧跟施做护拱，最后按正常隧道施工。该隧道为改扩建隧道，开挖时如有较大范围的坍塌[3]，应提前做好原洞体的支撑。

施工时一定要做好隧道的监控量测[4]，随时调整支护参数，并防止隧道变形塌方。

施工工序：先施工护拱，待护拱稳定后，再施工其他部分。开挖导坑上半断面，上导坑拱部初期支护，开挖导坑下半断面，下导坑边墙初期支护，下导坑仰拱部初期支护。完成隧道开挖及初期支护后，立即进行仰拱二次衬砌混凝土浇注。

4 隧道扩建结构计算

4.1 计算软件

因岩土分析更加注重施工阶段和材料的不确定性，由此计算当中决定岩土的物理状态格外的重要。在岩土分析中应尽量使用实体单元真实模拟围岩的状态、尽量地接近模拟岩土的非线性特点以及地基应力状态(自应力和构造应力)、并且尽量真实地模拟施工阶段开挖过程，这样才会得到比较真实的结果，这些特点较一般的结构分析存有差异。

本次大条山隧道扩建有限元数据模拟采用能真实地模拟现场条件和施工过程，并提供更多的材料模型和边界条件，让在做岩土分析时有更多选择的MIDAS软件。

4.2 计算方案

根据隧道原位扩建方案，就单侧扩建方案进行有限元计算，分析拱肩以下周边扩建、原隧道拱顶部位回填条件下扩建隧道周边收敛、拱顶下沉及底鼓情况，从而为大条山隧道既定的扩建形式提供依据。

4.3 计算模型

为大条山隧道既定的扩建形式的有限元网格划分，采用平面应变单元进行计算。大条山隧道扩建划分有限元网格情况见图3，扩建隧道围岩物理力学参数见表2。

图3 二位有限元网格图

4.4 计算过程控制

通过分施工步进行计算数值模拟，将整个隧道的施工过程进行计算，具体过程如下。

a）第一步 模拟原隧道通车运营多年后位移状态。

b）第二步 模拟扩建后隧道开挖、支护且拱顶回填时位移状态。

c）第三步 模拟扩建后隧道支护硬化后位移状态。

?

d）第四步 模拟扩建后隧道施工结束后最终位移状态。

4.5 计算结果分析

隧道自开挖至扩建完成后，既定扩建形式的隧道围岩位移（包括周边收敛和拱顶下沉）对比分析结果如图4～图5所示。

图4 原隧道通车运营多年后周边收敛及拱顶下沉

图5 施工结束后最终周边收敛及拱顶下沉

经对隧道不同施工阶段进行模拟，记录了不同过程中隧道的拱顶、仰拱底及两侧拱腰的标志点位移变化情况,计算得出不同施工阶段周边收敛及拱顶下沉值见表3，洞周最终的相对收敛变形量为:η水平=12/11 000=0.109%;η垂直=17/9 350=0.183%。根据《公路隧道设计规范》的相关规定，水平方向及垂直方向的相对收敛变形量均在规范允许范围内，同时小于文献中预留变形量的规定值，因此隧道扩建方案安全可行。

表3 不同施工阶段周边收敛及拱顶下沉值

5 施工过程中的测量数据处理及分析

通过现场大量数据采集，根据大条山隧道一断面周边收敛的量测结果做回归拟合，图6为该断面周边收敛测点布置图，图7为实测曲线。

图6 横断面周边收敛观测点布置图

图7 周边收敛实测数据整理

从拟合结果可知，该断面周边收敛值没有异常波动或拐点，施做二衬时的初衬周边收敛已经达到预计总变形量的95%以上，其变化已经稳定。

6 结论

a）改扩建隧道与新建隧道的主要不同在于既有隧道支护的拆除与利用。旧结构的拆除对围岩产生新的扰动，因此需要制定严格拆除工序，尽量减少施工工程中对围岩的干扰，保证安全。但同时也可以通过采取合理的措施，利用既有隧道支护来减少对围岩大面积的扰动，控制围岩塑性区的发展空间。

b）该项目隧道改扩建工程通过有限元分析，得出开挖隧道时松动圈变化为：横向变形与新建隧道影响基本一致，竖向变形比新建隧道影响小。

c）通过对监控量测实测数据采集分析，进一步验证有限元模拟分析的精确性。总结出现行有限元分析来指导设计施工的必要性，为今后类似的工程积累了宝贵的经验。