我国公路隧道改扩建技术发展现状及研究展望

张在晨， 林从谋， 李家盛， 董 艺， 沈雅雯

(1. 中国建筑第四工程局有限公司， 广东 广州 510665； 2. 华侨大学 福建省隧道与城市地下空间工程技术研究中心， 福建 厦门 361021)

0 引言

近年来，沿着粤港澳大湾区、城市群及都市圈一体化、西部大开发等国家发展战略的新脉络，城郊、城际间互联互通的需求快速增长。作为交通运输行业的重要承载主体，截至2020年末，全国公路总里程519.91万km，较2019年末增加18.56万km[1]，其建设规模也逐步朝着双向10车道甚至12车道迈进[2]。21世纪以来，国内各地积极推进着既有公路的改扩建建设，如沈大高速公路、连霍高速公路、济青高速公路等[3]。作为公路的重要控制性工程，既有的以双向4车道为主的公路隧道已严重制约其发展。受既有道路线型及地形地质条件的限制，且在统筹考虑造价、工期等因素后，对公路沿线的既有隧道进行改扩建越来越受到国内外工程界的青睐。近些年不断涌现出一大批重大引领性公路隧道工程，如大帽山隧道、楼山隧道、后祠隧道等。

隧道改扩建工程如火如荼展开的同时，与之密切关联的设计理念、施工方法、装备技术的研究工作也取得了较大的突破[4-5]。较之于新建隧道，改扩建隧道既要顾及既有衬砌的影响，统筹考虑增建、扩建区域土方挖除及支护施作等复杂施工工序，又要兼顾线路的正常运营通车等苛刻需求，确保施工过程中围岩的稳定及安全控制的难度极大，给工程界提出了新的难题。

然而，目前关于隧道改扩建工程的研究仍集中于单一隧道实践，缺乏全面性、系统性的总结和规律分析，且尚未见针对性、指导性的规范或标准。鉴于此，本文先对近20年来国内隧道改扩建的典型工程案例进行梳理和总结，而后结合隧道改扩建的代表性工程实践，对隧道改扩建型式、施工工法、施工力学响应、支护参数设计与优化、施工过程安全控制等研究热点进行细致的分析，以期对今后改扩建隧道选型、支护结构优化设计等方面提供一定的借鉴和参考。

1 发展历程

20世纪80年代，国外已开展了诸多隧道改扩建实践，如日本东名线隧道[6]、天王山隧道[7]和大藏隧道[8]，韩国Sapaesan隧道[9]，美国White Haven隧道和Rockport隧道[10]，意大利Nazzano隧道[11]和Montedomini隧道[12]等，多为将既有2车道扩建为3车道隧道，而尚未有扩建为4车道隧道的相关报道。国内的隧道改扩建工程起步于20世纪90年代末，代表性工程为关村坝铁路隧道扩建喇叭口段[13-14]，采用控制爆破技术保证了施工安全及列车的不间断运营。21世纪以来，公路改扩建工程增速迅猛，更新建设的隧道呈现出大跨度、大断面、低扁平率等特点。2002年，沈大高速改扩建工程韩家岭隧道[15]是当时亚洲最大跨度的公路隧道，也是国内超大断面公路隧道建设的里程碑。2008年，泉厦高速大帽山隧道[16-17]由2车道原位扩建为4车道隧道，并在扩建隧道左侧新建1座4车道隧道，最终形成3洞10车道小净距隧道群。2017年，温岭楼山隧道[18]开始施工，其断面扩挖面积达229 m2，是国内首例双向4车道沿四周扩建为8车道隧道。2019年，国内首条山区单洞2扩4中长隧道——后祠隧道[19]全线贯通，也标志着国内隧道改扩建技术已日趋成熟。

隧道改扩建的主要型式可分为增建(新建)隧道、原位扩建隧道(可细分为单侧、两侧、四周扩建等模式)、组合扩建隧道(主要为增建+原位扩建的组合模式)、改建隧道(可细分为局部补强、翻修、加固，拓宽行车道等模式)4种。近20年来，国内改扩建隧道的典型案例汇总如表1所示。

表1 我国改扩建隧道典型案例

由表1可知，隧道改扩建工程有如下特点及发展趋势。

1) 公路隧道改扩建的目的主要是满足通行需求(增加行车道以解决交通拥堵)、消除老旧隧道病害或安全隐患、提高公路服务品质及通行效率。

2) 高等级公路隧道一般采用增建或原位扩建方案。以泉厦高速公路大帽山隧道改扩建工程作为时间分割点： 向前，以双向6车道隧道为主要探索方向；往后，随着工程施工技术的逐步成熟，双向8车道隧道逐步成为主流。可见，伴随着交通量需求的增长、公路行车道的不断拓宽，未来定将涌现出开挖面积及建设规模更大的隧道工程。

低等级公路隧道一般采用改、扩建结合的方案。由于早期建设的隧道线形和断面净空标准较现行技术规范要求低，且为更好满足不断增大的通车量需求，往往都需在既有隧道基础上进行少量的扩挖。目前多在原址处改建为单洞双向2车道隧道，且改建后的建设标准较原隧道有显著提高。

3) 当隧道改扩建工程采用原位扩建方案时，由于单侧扩建型式洞口具有接线占地少、新增工程少、在条件允许时可利用既有衬砌作为施工中的临时支护等优点，已成为目前工程中的首选。随着工程施工技术的逐步成熟，可以预见到应用这一方式的工程数量将持续增长。

4) 当隧道改扩建工程采用增建方案时，与常规新建大断面隧道的最大差异点在于： 增建后往往形成隧道群，且增建隧道与既有隧道净距往往较小，施工中需尽量减少对既有隧道产生的不利影响。由于增建隧道与新建隧道的整体流程基本一致，后续分析不再赘述。

2 技术发展现状

2.1 隧道改扩建型式研究

2.1.1 隧道改扩建方案选型研究

选择适合于具体某一隧道工程的改扩建型式，是改扩建工程决策及设计阶段必须解决的核心问题。张雷等[39]对安徽某双向4车道连拱隧道提出了10种可行的扩建方案，并基于定性及定量指标对方案进行比选，论证了连拱隧道原位扩建方案的合理性。张海忠等[40]讨论了杭金衢高速新岭隧道及王市岭隧道的多种拓宽方案，认为从工期、造价及施工难度等方面考虑可优先使用并行扩建型式，而受地质条件、场地限制时则可选择组合扩建型式。李贤达[41]对黄土地区下嵋芝隧道原址扩建、新建、加固等3种方案进行对比，并对原址扩建方案的力学特性及处置效果进行了评价。邬晓光等[42]基于海明距离-TOPSIS法，从影响隧道改扩建方案的主要因素出发确定了综合评价指标，同时引入专家权重对厦蓉高速仙岭隧道等13座隧道的改扩建方案选型进行打分，论证了该方法在改扩建方案选型中的作用。白国权等[43]对银川—昆明改扩建工程沿线11座隧道的防灾救援通道设置进行了具体分析，对适用于不同长度隧道的救援通道方案进行论证。根据既有工程实例总结隧道的扩建型式，如表2所示。

表2 隧道常见改扩建型式

对于表2：

1) 原位扩建仅列举目前最为常见的单侧扩建；实际工程中也可能是两侧扩建或四周扩建，或者多种情况的组合。如鼓山1号隧道[44]由于线路设计的原因，导致单洞隧道同时存在单侧、双侧、四周扩建的特殊情况。

2) 限于篇幅，表中未完全列出所有可能情况。如泉厦高速公路大帽山隧道在原两洞之间新建1座4车道隧道，并将右洞单侧扩建为4车道隧道(隧道洞室关系见图1)，即为表2中组合扩建方案的另一种型式相同、扩建方向不同的“排列组合”。

图1 大帽山隧道洞室位置关系示意图(单位： cm)

目前，关于隧道改扩建型式的研究成果仍存在以下不足：

1) 方案选型以定性的判别为主，定量指标不明确，且给出的最终建议方案存在明显差异。

2) 研究成果局限于某一具体工程，且相关成果存在一定程度离散，缺乏明确、统一的标准，不利于推广应用。规范[45]给出了隧道改扩建方案设计的建议： 双洞4车道扩建为6车道时，宜采用原位扩建；双洞4车道扩建为8车道时，可采用原位扩建或利用原隧道再增建。

鉴于此，整理相关研究中涉及改扩建隧道方案选型的主要考量指标见表3。对于表3需额外说明的是： 由于目前在长隧道、特长隧道改扩建工程中多采用增建方案，原位扩建方案仅有后祠隧道(1 002 m)一例，可参照对象有限，故对工期、造价等的影响主要针对于短隧道、中隧道； 此外，表中造价主要考虑常规情况下的隧道洞内施工造价，不包含可能产生的隧道进出口的改建道路、桥梁等情况。例如： 在采用增建(新建)型式时，受限于工程条件，隧道进出口的改建道路、桥梁等费用较原位扩建时相对较高，总体工程费用极有可能较原位扩建方案高。

表3 不同改扩建方案选型控制指标分级

由表3可知，不同型式的隧道改扩建方案各有优缺点，选择时不能一概而论。

1) 对于高等级公路： ①当既有道路线型可变化幅度大、地质条件差、可利用场地宽阔、工期及造价有较大限制时，首选增建型式； ②当既有道路线型可变化幅度小、可利用场地狭窄时，首选原位扩建型式； ③当需统筹考虑的控制指标较多、较全时，可选择组合扩建型式； ④当对于施工过程中的车辆通行及正常运营后的应急救援有较高要求时，可选择增建或组合扩建型式。

2) 对于低等级公路： 由于整体建设标准相对较低、通行量较少，一般可设置双向通行，且施工过程中往往可进行临时封闭，故多选择改建型式，必要时进行局部新建或扩建，可更好控制投入产出比。

值得注意的是，在任意一种扩建型式中，隧道扩建方案的选择也受到其他多种因素的制约。目前尚未有向导式的选择标准，实际工程采用时应结合具体情况进行综合比选。

2.1.2 隧道改扩建断面型式研究

隧道断面型式主要受净空尺寸、断面形状、扁平率等指标的影响。在历经单心圆、三心圆、五心圆等发展阶段后，五心圆断面形状成为了国内软弱围岩下修建大跨度公路隧道的首选[46-47]。隧道改扩建成为超大断面隧道工程也借鉴了这一经验。由此，在满足行车道净空尺寸的要求后，扁平率的选择至关重要。现有隧道扁平率的研究主要借助于数值计算、缩尺试验[48-51]。图2列举了6个改扩建隧道的扁平率(含仰拱)参数。由图可见： 改扩建隧道的扁平率在[0.626，0.695]区间范围内波动，与Tomei-Meishin公路的建设经验[52]基本一致。但是，由于隧道扁平率的选择受到建筑限界、围岩稳定性等多因素的影响，不同工程实践、研究成果得出的最优扁平率值仍存在一定程度的离散。

图2 原位扩建隧道扁平率

综上所述，鉴于隧道改扩建工程往往需要兼顾既有隧道断面位置对于改扩建隧道空间布局的影响，初步可以五心圆断面为出发点，着力点则在于最优扁平率的合理取值。类似工程实践过程中，在设计要求和现场条件允许的前提下，可将上述分析的扁平率分布区间作为初始参考值，并借助于数值分析计算得到的不同断面型式下的位移及受力特性进行优化。由于项目积累仍较为有限，对于隧道改扩建这一特殊情况下的最优扁平率的研究，仍需探索更为合适的研究方法及通用的评价标准。

2.2 隧道改扩建施工工法研究

2.2.1 原位扩建隧道的施工工法

由于既有隧道衬砌的存在，原位扩建隧道难以直接使用某一工法。鉴于目前并无明确的设计标准，设计时往往选择偏于保守的工法。诸多学者也展开了针对性的研究。吴晨[53]分析了既有双洞原位2扩3隧道施工工法的适宜性，认为综合考虑变形、受力、成本及工期后，类似的长隧道可采用上台阶弧形分步开挖法，短隧道则可采用CD法。周磊生等[54]基于滨莱高速改扩建隧道项目，借助数值计算分析了不同围岩级别CD法、CRD法及不同钢拱架对隧道变形及塑性区的影响规律，认为宜优先选用CRD法施工。张正雨等[55]对新宋家沟一号隧道Ⅴ级围岩三台阶法施工导致的围岩及初期支护的变形进行计算，并对施工技术的应用细节进行阐述。汇总的原位扩建隧道施工工法具体如表4所示。

表4 原位扩建隧道施工工法

由此可见： 对于2扩3隧道，由于扩挖断面有限，在施工条件允许的情况下往往采用台阶法等便于施工的工法。对于2扩4隧道，Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩段以CD法、CRD法的改进工法为主。典型的原位扩建CD工法隧道开挖工序如图3所示。其施工工序可分解为： ①原隧道填土至拱腰； ②开挖左导坑上台阶(包括拆除原洞二次衬砌)； ③施工左导坑上台阶初期支护、临时支护和锁脚锚杆； ④开挖左导坑下台阶(包括拆除原洞路面及二次衬砌)； ⑤施工左导坑下台阶初期支护、临时支护和锁脚锚杆； ⑥开挖右导坑上台阶； ⑦施工右导坑上台阶的初期支护、临时仰供、锁脚锚杆； ⑧开挖右导坑下台阶； ⑨施工右导坑下台阶的初期支护、锁脚锚杆； ⑩施工仰拱第2层初期支护、二次衬砌仰拱及仰拱回填；拆除临时支护(单次拆除纵向长度<1 m)；施工拱墙部第2层初期支护；铺设环向盲沟及防水板，整体浇筑拱墙部二次衬砌。

相较于新建隧道，其差异点主要集中在工序①—④，主要是为拆除既有衬砌影响而进行的工序。其中，工序①反压回填虽目前已在多个工程中得到应用，但其工序较为繁琐，宜进一步研究相关的可替代措施。

综合现有研究成果来看： CD、CRD改进工法的优点在于变形控制好，缺点在于工序繁多、作业空间受限、施工难度大、工期长、成本高。现场施工时宜结合实际情况进行局部调整或优化，其主要立足点有2个：一是高效施工、节约工期、节省造价；二是基于现场施工条件及围岩、结构受力特点的变化，在确保施工过程安全性的前提下优化方案。例如： 大帽山2扩4隧道(右洞)原设计时采用了CRD工法，但实际施工中则采用了改进的CD工法(见图3—4)，现场施工取得了良好的效果； 金鸡山隧道、鼓山隧道等采用了类似的开挖工序，也凸显出扩建工法强大的适用性。

图3 大帽山2扩4隧道开挖工序图

(a) 上导坑施工(b) 下导坑施工

2.2.2 改建隧道的施工工法

对隧道进行改建，目前主要集中在低等级公路隧道。杨远翔等[35]针对浙江金华地区既有公路隧道现状，着重分析了低等级既有公路隧道少量扩挖扰动下的围岩稳定性，探讨了单层衬砌支护的技术难点。宋永威[36]对黑峪隧道(见图5)灰岩的静态及动态力学特征进行试验研究，并分析了爆破引起隧道结构的累积损伤规律。汇总的改建隧道施工工法见表5。

(a) 改建前(b) 改建后

表5 改建隧道施工工法

由表5可知，与高等级公路隧道形成鲜明对比的是，原有隧道跨度小、断面小、支护简单甚至不支护，在长期运营后暴露出了诸多危及行车安全的问题，较为典型的有：

1) 低等级老旧隧道建筑限界不满足现行规范及行车量的要求，进行局部断面拓宽。

2) 黄土等特殊土、地下水渗漏等原因导致隧道严重病害。

结合目前的研究成果[32-38]可知，低等级公路隧道改扩建的施工工法选择表现出如下特点：

1) 若采用新建隧道或原位扩建模式，经济性差，故目前以改建结合局部新建或扩建为主选方案。

2) 改建隧道的施工一般考虑利用既有隧道结构，以全断面法、台阶法等简单工法为主，方案的选择与原隧道的病害程度、围岩级别等密切相关。

综上所述，在隧道改扩建工法选择时，对于公路等级高、扩挖面积大、围岩稳定性差、对周边环境影响大的工程，宜以CD、CRD等成熟工法为蓝本，并结合现场施工条件进行动态调整和改进。反之，则可采用全断面法、台阶法等便于施工的工法。

2.3 隧道改扩建施工力学响应研究

2.3.1 围岩压力计算研究

隧道分步开挖过程中围岩压力始终处于动态变化，现有的经典理论公式，如普氏理论、太沙基理论的围岩压力计算公式[56]，对改扩建隧道，尤其是改扩建为4车道及以上的超大断面公路隧道的适用程度低。一是由于既有隧道衬砌的存在，改扩建隧道的荷载极不对称； 二是由于经典计算理论并未考虑当前隧道建设大断面、大跨度、低扁平率的特点，多个分步施工存在频繁的加、卸载共同作用[57]，无法直接应用既有公式进行准确计算。

目前，对于改扩建隧道的围岩压力计算仍处于探索阶段。设计规范[45]提出，当既有隧道施工时对围岩扰动不大，施工期间未发生大变形、塌方等，且经过一定时间运营后，围岩无明显变异的段落，可参照新建隧道计算围岩压力。然而，诸多学者提出了不同观点或新的计算公式。唐颖[58]基于大帽山扩建隧道有限元计算中的洞周位移比值，认为近既有隧道一侧边墙水平压力可取远离隧道一侧的2倍。柏谦等[59]基于数值计算所得的地表沉降曲线，确定了改扩建隧道围岩破坏的滑裂面位置，从应力传递角度出发，提出改进的改扩建隧道围岩压力计算公式。李永山等[60]认为单侧扩建与常规大断面隧道的施工力学特性显著不同，扩挖侧远大于另一侧，呈明显偏压现象。可见，对于隧道改扩建的围岩压力计算仍存在较大争议。采用规范算法可有效保证设计及施工的可靠性，但与其真实围岩压力值存在一定差异。因此，结合大量实测数据进行规律分析，提出更加准确的计算公式是需要重点研究的内容。

2.3.2 施工力学响应研究

改扩建隧道断面大、扁平率低、施工工序繁多、围岩压力分布复杂，诸多学者对其施工过程中支护结构受力及围岩稳定性展开研究，主要借助解析求解、现场监测、模型试验和数值分析等方法。

1)在解析求解方面，吴张中等[61]通过等代圆法(见图6)将扩建隧道断面简化为既有隧道和扩挖区域的2个相切圆，结合复变函数理论及Schwarz交替法求解围岩应力及位移的复变函数表达式，并将解析解应用于深圳横龙山隧道，得出了一次性扩挖的最合适尺寸。彭念[62]、杨宾等[63]将这一方法应用于类似扩建隧道，得出不同条件下隧道特征点的应力及变形计算值，并结合数值计算复核了解析解的正确性。

图6 等代圆法计算简图

2)在现场监测方面，钟元庆[64]基于围岩应力、松动圈及既有隧道爆破振动的测试结果，对后祠隧道三台阶法施工对既有隧道的影响进行了分析。黄永忠等[65]、张国华等[66]、林从谋等[16]分别结合大帽山新建4车道、扩建4车道隧道围岩变形、压力和锚杆应力监测成果，分析了位移及应力的变化规律，论证了支护参数和施工工艺的合理性。

3)在模型试验方面，陈新栋[28]对荆娅隧道由原隧道作为中导洞扩建为双连拱隧道的方案设计了室内模型试验，借此研究施工过程地表沉降、围岩应力、中隔墙和衬砌应力应变特性。来弘鹏等[29]、孙亮亮[67]依托海中洲隧道建立自制模型箱，对比了无病害、衬砌背后空洞、仰拱底部回填不密实、拱腰及仰拱部位衬砌强度不足等试验工况，对新、旧衬砌施工过程中的衬砌应力及围岩压力变化进行了分析。黄伦海等[68]进行了原位扩建隧道不同开挖顺序的2组对比试验，对原位扩建隧道围岩变形、应力变化规律进行分析，认为先进行既有隧道拆除再进行扩挖施工的方案更优。

4)在数值计算方面，李煜川[31]以盘龙山隧道为例，对洞口加宽段及洞身段分别建立二维及三维数值模型，分析既有隧道受偏压影响下的围岩应力场和位移场，认为设计的支护措施及支护参数是合理的，并建议采用增大锚杆长度这一方式来控制围岩塑性区分布范围。林镇洪[69]采用BP神经网络反演出横龙山北隧道右线喇叭口扩帮段洞周弹性力学参数，并建立三维弹塑性有限元模型，分析不同工序下扩挖施工对隧道拱顶、拱脚和竖墙脚等处围岩应力的影响。张俊儒等[70]提出了福州马尾隧道塌方段原位扩建隧道的加固及土方开挖方案，结合数值计算的变形及应力结果，对方案的可靠性及安全性进行验证。虽然关于数值计算的相关研究较多，但都集中在计算结果验证、开挖方案对比、围岩及衬砌施工力学分析层面，且所建立的数值分析模型大多基于加载岩体力学理论及方法，对隧道改扩建这类复杂加、卸载共同作用下的施工精细化模拟则有待进一步研究。

由已有研究成果可知：

1)解析求解、现场监测、模型试验和数值计算(荷载结构法、地层结构法)的结果可相互印证。当前工程应用中，由于地层与结构相互作用模拟的复杂性，在支护结构设计时往往以工程类比法或荷载结构法为依据，而施工中则以现场监测为控制手段。当工程较为复杂时，建议辅以地层结构法或模型试验，或至少使用其中2种方法作为技术支撑，以地层及结构的变形、内力、应力等为评价指标，确保实施方案的可靠性及围岩的稳定性。

2)对于隧道改扩建工程(除增建型式外)，旧隧道衬砌拆除和围岩扩挖是造成围岩应力释放的主要原因。改扩建施工过程中各部位围岩压力随旧衬砌拆除及围岩扩挖不断减小，又随着新衬砌施作而逐步增大。当整体施工完成后，新衬砌的整体受力大于扩建前的旧衬砌受力。综合既有案例可知，施工过程中可利用旧衬砌作为有效、临时的支护，而新衬砌的及时施作及封闭成环可更好地限制围岩松动圈范围。

3)对于隧道扩挖断面面积较大的情况[61-63]，一般存在单次最优扩挖宽度。当单次扩挖宽度小于最优宽度时，拉、压应力变化幅度不大；当单次扩挖宽度大于最优宽度时，随着扩挖宽度的增加，环向、径向应力由压应力转化为拉应力。同时，扩挖次数的增加会导致洞周压应力范围逐步扩大，拉应力分布范围减小。在采用合理的施工工法基础上，隧道断面只有局部位置会产生拉应力，且拉应力值在规范限值内，其应力最大值出现在原隧道及扩建段的拱脚处[60-65]。

4)对于改扩建隧道衬砌后存在空洞、局部衬砌强度不足等病害，或在塌方段进行改扩建施工的情况[29, 70]，上台阶开挖是整个施工过程的关键。围岩压力作用下出现病害一侧压应力增大、其余位置压应力减小的现象。

因此，隧道改扩建力学响应的研究仍处于发展阶段，对于高等级公路既有隧道改扩建的围岩稳定性判别方式仍未有统一认识，而对于低等级公路既有隧道改扩建的围岩稳定性研究较少，评价标准还未制定。二者均需开展一系列的研究工作，以此形成完善的评价体系。

2.4 隧道改扩建支护参数设计与优化

目前公路隧道设计理论主要适用于2、3车道隧道[45]，对于公路隧道改扩建工程常见的新建4车道隧道及原位扩建隧道均有使用上的局限。林从谋等[16]结合2扩4隧道数值计算成果，认为锚杆长度可根据受力情况进行局部优化，在保证围岩稳定的同时可起到节约造价的目的。黄志波[71]基于遗传支持向量机对围岩参数进行反演，并以安全为限制条件，以经济性为关键指标研究2扩4隧道最优支护方案，并对优化方案的结构可靠度进行验算，在确保了结构安全可靠的同时节约了造价。

整理典型隧道改扩建案例的支护参数见表6，表中的增建(新建)隧道为对照组。

表6 改扩建隧道支护参数

由表6可见:

1) 同一隧道不同围岩级别的支护参数不同，支护刚度、强度排序为Ⅴ级>Ⅳ级>Ⅲ级。不同隧道同一围岩级别的支护参数不同。以改扩建为4车道大断面隧道为例，根据统计指标，初期支护形式最常见为：Ⅴ级围岩以单层30 cm厚C25挂网喷射混凝土结合φ25 mm长5 m的锚杆；Ⅳ级围岩以单层26 cm厚C25挂网喷射混凝土结合φ25 mm长4.5 m的锚杆。而锚杆间距、钢拱架布置及二次衬砌厚度等参数的离散程度较大，初步选型时建议取表6中的中位数。

2) 原位扩建隧道的支护参数存在较大的优化空间，对施工过程中既有衬砌结构的合理利用及对新建衬砌结构的参数优化等关键问题仍需结合围岩力学特性深入研究。

2.5 隧道改扩建施工过程安全控制

2.5.1 爆破振动控制

公路隧道改扩建工程多采用钻爆法施工[72-77]，由于需要考虑既有衬砌结构拆除(见图7)及扩挖全过程，相较于新建隧道，爆破方案的制定难度更大。

(a) 布置炮眼(b) 衬砌剥离拆除

随着改扩建工程增加，对于改扩建隧道掘进爆破设计及专项安全控制方案的研究也日益受到重视。既有隧道改扩建案例的爆破振动速度的拟合经验公式如表7所示，即采用萨道夫斯基公式：

(1)

式中：v为爆破时质点振动峰值速度，cm/s；K为场地系数；Q为最大段装药量，kg；R为测点至起爆中心的水平距离，m；α为爆破振动衰减指数。

表7 爆破质点振动速度拟合经验公式

根据不同隧道现场爆破振动测试数据的回归公式，其α值与K值均小于规范[78]的建议范围。究其原因，主要是既有隧道的存在增加了临空面，可显著减小爆破振动效应，有利于爆破掘进施工。

当前，一般以质点峰值振动速度作为衡量爆破振动强度及对既有隧道影响大小的标准。不同研究成果对既有运营隧道衬砌振速控制值的标准不同，但均介于规范[78]规定的交通隧道类允许安全振速之间。一般情况下，Ⅲ级围岩可取为8 ～20 cm/s，Ⅳ级围岩为5～15 cm/s，Ⅴ级围岩则不超过10 cm/s。实际增建隧道工程需根据隧道具体条件综合试验确定。基于确定的围岩级别及爆破安全振动速度的限值，可结合既有隧道衬砌距爆源的距离对最大单段药量、爆破段数等主要爆破参数进行优化。另外，爆破过程的动力时程分析成果，对预测爆破开挖对既有隧道的影响及围岩累积损伤效应的分析也具有积极意义。

2.5.2 施工变形控制

隧道改扩建过程中的变形控制主要依据现场监测的地表沉降、拱顶下沉及周边收敛值。典型的原位扩建CD工法(以金鸡山隧道为例，由于左下导坑施工主要为既有结构拆除，整体作用效应弱，未单独作图)变形监测数据如图8所示。

(a) 左上导洞开挖

由图8可知：

1) 隧道拱顶下沉的控制关键在于上导洞的施工，隧道周边收敛的控制关键在于扩建导洞的施工，水平测线(图中CD)在扩挖导洞时存在由“收缩”向“伸长”的转变。

2) 既有隧道衬砌拆除及大面积导洞为施工关键控制步。衬砌拆除不当、开挖支护不及时都会对围岩稳定性产生重大影响，故需对此进行设计深化。

隧道改扩建施工过程变形控制是一项综合性的工作，目前主要采用的手段为强支护(如CD、CRD法)、超前小导管和管棚支护、临时支撑、注浆加固及反压回填等。隧道变形控制的关键点往往在进、出洞口处，故变形预测对施工过程有重要参考价值。目前，隧道开挖引起的地表沉降预测仍以Peck经验公式为主[79-80]。韩煊等[81]搜集了国内8个地区30多组隧道实测地表沉降数据，对Peck公式在国内隧道地表横向沉降曲线预测的适用性进行了验证。Peck公式为轴对称函数，而改扩建隧道地表沉降一般是不均匀发展的。考虑隧道改扩建最终地表沉降槽曲线特点，韩煊等提出可将既有隧道和扩挖区域简化为2个等代圆后，采用式(2)作为地表沉降的预测公式。

(2)

式中：S(x)为地表任意一点沉降计算值，mm；Vl1、Vl2分别为大面积导洞扩挖、既有衬砌拆除及局部扩挖的地层损失率，%；A1、A2为对应的开挖面积，m2；i1、i2为对应的沉降槽宽度，m；D1、D2为隧道扩挖后、扩挖前的中心线与原隧道中心线的距离，m；η为修正系数，根据原隧道衬砌刚度、施工扰动大小取1.0～1.6[82]。

式(2)的适用性在大帽山原位扩建隧道进、出口浅埋段地表沉降预测中得到了验证[83]。由于山岭隧道进出口端地质条件复杂，常见浅埋、偏压、软弱带等情况，式(2)中的修正系数值变化幅度较大，在无经验情况下可不考虑修正，即取1.0。另外，由于改扩建隧道实测数据有限，地层损失率、沉降槽宽度参数及修正系数的取值依赖于实测数据反馈，故仍应进一步结合更多的工程案例进行验证。

2.5.3 安全风险控制

隧道改扩建施工过程存在诸多的潜在安全风险，对安全风险源的辨识及合理评估可为施工过程提供重要的参考依据。目前的研究主要从施工过程中的风险防控出发： 王春河等[84]根据依托的隧道改扩建工程案例，辨识施工过程的重大风险源并进行专项风险评估，提出对应的安全保障措施。邱礼球[85]基于文献调研及专家意见建立了改扩建隧道施工安全风险评估指标体系，并利用物元可拓评估模型确定后祠隧道施工安全风险评估等级。王猛[86]运用DEMATEL-ISM法将辨识出的26个隧道原位扩建塌方风险因素进行耦合分析，得出原位扩建隧道塌方风险评估模型，认为扩建施工扰动、支护不及时、超前支护不足为塌方的直接原因。另外，从隧道结构自身的安全控制角度出发，利用有限元强度折减法对隧道改扩建工程进行稳定性分析[87-88]，考虑不同施工阶段围岩承载能力的安全储备，一定程度上可减少围岩失稳和隧道衬砌结构开裂与破坏现象的发生，利于安全风险的控制。

综上，对于隧道改扩建的施工安全控制，在施工前采用模型试验或数值计算等辅助方法得到定性结论，并注意在施工中利用监控量测及超前地质预报等措施得到定量数据，从减轻爆破振动、优化隧道支护设计、局部软弱围岩加固等方面着手控制隧道塌方及支护结构损毁等风险事故的发生，可实现隧道改扩建工程的安全施工。

3 进一步研究内容及前景展望

3.1 研究中存在的不足

近年来，隧道改扩建工程如雨后春笋般涌现，改扩建技术得到了长足发展。隧道改扩建是近年来新兴的研究方向，现有的针对隧道改扩建工程的研究主要集中在改扩建型式、施工工法、支护参数及施工力学响应、施工过程安全控制等方面，虽取得了一定成果，但仍有诸多方面需进一步深入研究：

1) 在改扩建型式研究方面，方案选型仍以定性的指标判别为主，不同工程的选型方案缺乏定量指标，得出的结论存在明显差异，不利于经验推广应用。

2) 在施工工法研究方面，由于工程经验有限，当为Ⅳ、Ⅴ级围岩时，目前的改扩建设计方案往往以CD法、CRD法的改进工法为主。既有衬砌的拆除及大范围的围岩开挖往往导致隧道产生较大的变形。如何在加强对既有结构利用的同时，尽量减少对既有隧道或其他建(构)筑物的不利影响，有待进一步加强研究。

3) 在支护参数及施工力学响应研究方面，由于隧道改扩建是一个极为复杂的动态加、卸载力学过程，目前设计规范的应用也存在局限，改扩建工程实际应用中的支护参数差异较大，既有相关的监测、数值计算的研究成果存在一定程度离散，需要更多的工程实践来总结出更具体、更有操作性的结论。另外，对于隧道改扩建施工力学响应的解析求解，仅对单侧扩挖型式有较好的适用性，对于其他隧道改扩建型式仍需进一步探索。

4) 在施工过程安全控制研究方面，爆破开挖、支护优化、围岩加固及施工辅助措施确保围岩稳定的研究尚不成体系，对隧道改扩建过程围岩变形及地表沉降的预测方法研究较少，不利于预判分析。此外，需要制定关于隧道改扩建的风险源辨识及安全性定量评价指南或标准。

3.2 研究展望

21世纪以来，隧道工程领域的新材料、新技术、新工法层出不穷，国内首创的双向10车道4连拱观音岩隧道也即将通车，隧道建设已迈入新的发展阶段。综合以上国内改扩建隧道的修建情况及研究热点梳理，对今后的隧道改扩建工程研究有如下几点展望：

1)制定分级、细分的改扩建标准。结合工程实践及理论研究，在对围岩稳定性进行细分评价的基础上，对不同等级公路分别制定有针对性的技术经济安全评估指南，为后续类似改扩建工程的选型提供统一的标准。

2)隧道全生命周期的系统管理。近百年来我国新建了万余座隧道，既有隧道长期运营过程暴露出衬砌开裂、渗漏水、行车道过窄等一系列问题。对于隧道全生命周期进行信息化管理，可为未来改扩建工程的决策、设计、施工及运营过程提供重要的数据支撑。

3)隧道绿色施工、快速建造技术。隧道改扩建施工往往需要保证原有隧道通车需求，也需要兼顾周边环境的保护，尤其是中长隧道改扩建工程，往往需要投入大量的人力物力，对于周边环境的影响也不容小觑。在当前“碳达峰、碳中和”的大背景下，隧道改扩建的绿色施工技术已受到广泛的重视。加之，近年来隧道新型施工机械、施工工艺层出不穷，隧道改扩建工程的绿色施工、快速建造技术是一个非常具有前景的发展方向。