我國公路隧道改擴建技術發展現狀及研究展望

張在晨， 林從謀， 李家盛， 董 藝， 沈雅雯

(1. 中國建筑第四工程局有限公司， 廣東 廣州 510665； 2. 華僑大學 福建省隧道與城市地下空間工程技術研究中心， 福建 廈門 361021)

0 引言

近年來，沿著粵港澳大灣區、城市群及都市圈一體化、西部大開發等國家發展戰略的新脈絡，城郊、城際間互聯互通的需求快速增長。作為交通運輸行業的重要承載主體，截至2020年末，全國公路總里程519.91萬km，較2019年末增加18.56萬km[1]，其建設規模也逐步朝著雙向10車道甚至12車道邁進[2]。21世紀以來，國內各地積極推進著既有公路的改擴建建設，如沈大高速公路、連霍高速公路、濟青高速公路等[3]。作為公路的重要控制性工程，既有的以雙向4車道為主的公路隧道已嚴重制約其發展。受既有道路線型及地形地質條件的限制，且在統籌考慮造價、工期等因素后，對公路沿線的既有隧道進行改擴建越來越受到國內外工程界的青睞。近些年不斷涌現出一大批重大引領性公路隧道工程，如大帽山隧道、樓山隧道、后祠隧道等。

隧道改擴建工程如火如荼展開的同時，與之密切關聯的設計理念、施工方法、裝備技術的研究工作也取得了較大的突破[4-5]。較之于新建隧道，改擴建隧道既要顧及既有襯砌的影響，統籌考慮增建、擴建區域土方挖除及支護施作等復雜施工工序，又要兼顧線路的正常運營通車等苛刻需求，確保施工過程中圍巖的穩定及安全控制的難度極大，給工程界提出了新的難題。

然而，目前關于隧道改擴建工程的研究仍集中于單一隧道實踐，缺乏全面性、系統性的總結和規律分析，且尚未見針對性、指導性的規范或標準。鑒于此，本文先對近20年來國內隧道改擴建的典型工程案例進行梳理和總結，而后結合隧道改擴建的代表性工程實踐，對隧道改擴建型式、施工工法、施工力學響應、支護參數設計與優化、施工過程安全控制等研究熱點進行細致的分析，以期對今后改擴建隧道選型、支護結構優化設計等方面提供一定的借鑒和參考。

1 發展歷程

20世紀80年代，國外已開展了諸多隧道改擴建實踐，如日本東名線隧道[6]、天王山隧道[7]和大藏隧道[8]，韓國Sapaesan隧道[9]，美國White Haven隧道和Rockport隧道[10]，意大利Nazzano隧道[11]和Montedomini隧道[12]等，多為將既有2車道擴建為3車道隧道，而尚未有擴建為4車道隧道的相關報道。國內的隧道改擴建工程起步于20世紀90年代末，代表性工程為關村壩鐵路隧道擴建喇叭口段[13-14]，采用控制爆破技術保證了施工安全及列車的不間斷運營。21世紀以來，公路改擴建工程增速迅猛，更新建設的隧道呈現出大跨度、大斷面、低扁平率等特點。2002年，沈大高速改擴建工程韓家嶺隧道[15]是當時亞洲最大跨度的公路隧道，也是國內超大斷面公路隧道建設的里程碑。2008年，泉廈高速大帽山隧道[16-17]由2車道原位擴建為4車道隧道，并在擴建隧道左側新建1座4車道隧道，最終形成3洞10車道小凈距隧道群。2017年，溫嶺樓山隧道[18]開始施工，其斷面擴挖面積達229 m2，是國內首例雙向4車道沿四周擴建為8車道隧道。2019年，國內首條山區單洞2擴4中長隧道——后祠隧道[19]全線貫通，也標志著國內隧道改擴建技術已日趨成熟。

隧道改擴建的主要型式可分為增建(新建)隧道、原位擴建隧道(可細分為單側、兩側、四周擴建等模式)、組合擴建隧道(主要為增建+原位擴建的組合模式)、改建隧道(可細分為局部補強、翻修、加固，拓寬行車道等模式)4種。近20年來，國內改擴建隧道的典型案例匯總如表1所示。

表1 我國改擴建隧道典型案例

由表1可知，隧道改擴建工程有如下特點及發展趨勢。

1) 公路隧道改擴建的目的主要是滿足通行需求(增加行車道以解決交通擁堵)、消除老舊隧道病害或安全隱患、提高公路服務品質及通行效率。

2) 高等級公路隧道一般采用增建或原位擴建方案。以泉廈高速公路大帽山隧道改擴建工程作為時間分割點： 向前，以雙向6車道隧道為主要探索方向；往后，隨著工程施工技術的逐步成熟，雙向8車道隧道逐步成為主流。可見，伴隨著交通量需求的增長、公路行車道的不斷拓寬，未來定將涌現出開挖面積及建設規模更大的隧道工程。

低等級公路隧道一般采用改、擴建結合的方案。由于早期建設的隧道線形和斷面凈空標準較現行技術規范要求低，且為更好滿足不斷增大的通車量需求，往往都需在既有隧道基礎上進行少量的擴挖。目前多在原址處改建為單洞雙向2車道隧道，且改建后的建設標準較原隧道有顯著提高。

3) 當隧道改擴建工程采用原位擴建方案時，由于單側擴建型式洞口具有接線占地少、新增工程少、在條件允許時可利用既有襯砌作為施工中的臨時支護等優點，已成為目前工程中的首選。隨著工程施工技術的逐步成熟，可以預見到應用這一方式的工程數量將持續增長。

4) 當隧道改擴建工程采用增建方案時，與常規新建大斷面隧道的最大差異點在于： 增建后往往形成隧道群，且增建隧道與既有隧道凈距往往較小，施工中需盡量減少對既有隧道產生的不利影響。由于增建隧道與新建隧道的整體流程基本一致，后續分析不再贅述。

2 技術發展現狀

2.1 隧道改擴建型式研究

2.1.1 隧道改擴建方案選型研究

選擇適合于具體某一隧道工程的改擴建型式，是改擴建工程決策及設計階段必須解決的核心問題。張雷等[39]對安徽某雙向4車道連拱隧道提出了10種可行的擴建方案，并基于定性及定量指標對方案進行比選，論證了連拱隧道原位擴建方案的合理性。張海忠等[40]討論了杭金衢高速新嶺隧道及王市嶺隧道的多種拓寬方案，認為從工期、造價及施工難度等方面考慮可優先使用并行擴建型式，而受地質條件、場地限制時則可選擇組合擴建型式。李賢達[41]對黃土地區下嵋芝隧道原址擴建、新建、加固等3種方案進行對比，并對原址擴建方案的力學特性及處置效果進行了評價。鄔曉光等[42]基于海明距離-TOPSIS法，從影響隧道改擴建方案的主要因素出發確定了綜合評價指標，同時引入專家權重對廈蓉高速仙嶺隧道等13座隧道的改擴建方案選型進行打分，論證了該方法在改擴建方案選型中的作用。白國權等[43]對銀川—昆明改擴建工程沿線11座隧道的防災救援通道設置進行了具體分析，對適用于不同長度隧道的救援通道方案進行論證。根據既有工程實例總結隧道的擴建型式，如表2所示。

表2 隧道常見改擴建型式

對于表2：

1) 原位擴建僅列舉目前最為常見的單側擴建；實際工程中也可能是兩側擴建或四周擴建，或者多種情況的組合。如鼓山1號隧道[44]由于線路設計的原因，導致單洞隧道同時存在單側、雙側、四周擴建的特殊情況。

2) 限于篇幅，表中未完全列出所有可能情況。如泉廈高速公路大帽山隧道在原兩洞之間新建1座4車道隧道，并將右洞單側擴建為4車道隧道(隧道洞室關系見圖1)，即為表2中組合擴建方案的另一種型式相同、擴建方向不同的“排列組合”。

圖1 大帽山隧道洞室位置關系示意圖(單位： cm)

目前，關于隧道改擴建型式的研究成果仍存在以下不足：

1) 方案選型以定性的判別為主，定量指標不明確，且給出的最終建議方案存在明顯差異。

2) 研究成果局限于某一具體工程，且相關成果存在一定程度離散，缺乏明確、統一的標準，不利于推廣應用。規范[45]給出了隧道改擴建方案設計的建議： 雙洞4車道擴建為6車道時，宜采用原位擴建；雙洞4車道擴建為8車道時，可采用原位擴建或利用原隧道再增建。

鑒于此，整理相關研究中涉及改擴建隧道方案選型的主要考量指標見表3。對于表3需額外說明的是： 由于目前在長隧道、特長隧道改擴建工程中多采用增建方案，原位擴建方案僅有后祠隧道(1 002 m)一例，可參照對象有限，故對工期、造價等的影響主要針對于短隧道、中隧道； 此外，表中造價主要考慮常規情況下的隧道洞內施工造價，不包含可能產生的隧道進出口的改建道路、橋梁等情況。例如： 在采用增建(新建)型式時，受限于工程條件，隧道進出口的改建道路、橋梁等費用較原位擴建時相對較高，總體工程費用極有可能較原位擴建方案高。

表3 不同改擴建方案選型控制指標分級

由表3可知，不同型式的隧道改擴建方案各有優缺點，選擇時不能一概而論。

1) 對于高等級公路： ①當既有道路線型可變化幅度大、地質條件差、可利用場地寬闊、工期及造價有較大限制時，首選增建型式； ②當既有道路線型可變化幅度小、可利用場地狹窄時，首選原位擴建型式； ③當需統籌考慮的控制指標較多、較全時，可選擇組合擴建型式； ④當對于施工過程中的車輛通行及正常運營后的應急救援有較高要求時，可選擇增建或組合擴建型式。

2) 對于低等級公路： 由于整體建設標準相對較低、通行量較少，一般可設置雙向通行，且施工過程中往往可進行臨時封閉，故多選擇改建型式，必要時進行局部新建或擴建，可更好控制投入產出比。

值得注意的是，在任意一種擴建型式中，隧道擴建方案的選擇也受到其他多種因素的制約。目前尚未有向導式的選擇標準，實際工程采用時應結合具體情況進行綜合比選。

2.1.2 隧道改擴建斷面型式研究

隧道斷面型式主要受凈空尺寸、斷面形狀、扁平率等指標的影響。在歷經單心圓、三心圓、五心圓等發展階段后，五心圓斷面形狀成為了國內軟弱圍巖下修建大跨度公路隧道的首選[46-47]。隧道改擴建成為超大斷面隧道工程也借鑒了這一經驗。由此，在滿足行車道凈空尺寸的要求后，扁平率的選擇至關重要。現有隧道扁平率的研究主要借助于數值計算、縮尺試驗[48-51]。圖2列舉了6個改擴建隧道的扁平率(含仰拱)參數。由圖可見： 改擴建隧道的扁平率在[0.626，0.695]區間范圍內波動，與Tomei-Meishin公路的建設經驗[52]基本一致。但是，由于隧道扁平率的選擇受到建筑限界、圍巖穩定性等多因素的影響，不同工程實踐、研究成果得出的最優扁平率值仍存在一定程度的離散。

圖2 原位擴建隧道扁平率

綜上所述，鑒于隧道改擴建工程往往需要兼顧既有隧道斷面位置對于改擴建隧道空間布局的影響，初步可以五心圓斷面為出發點，著力點則在于最優扁平率的合理取值。類似工程實踐過程中，在設計要求和現場條件允許的前提下，可將上述分析的扁平率分布區間作為初始參考值，并借助于數值分析計算得到的不同斷面型式下的位移及受力特性進行優化。由于項目積累仍較為有限，對于隧道改擴建這一特殊情況下的最優扁平率的研究，仍需探索更為合適的研究方法及通用的評價標準。

2.2 隧道改擴建施工工法研究

2.2.1 原位擴建隧道的施工工法

由于既有隧道襯砌的存在，原位擴建隧道難以直接使用某一工法。鑒于目前并無明確的設計標準，設計時往往選擇偏于保守的工法。諸多學者也展開了針對性的研究。吳晨[53]分析了既有雙洞原位2擴3隧道施工工法的適宜性，認為綜合考慮變形、受力、成本及工期后，類似的長隧道可采用上臺階弧形分步開挖法，短隧道則可采用CD法。周磊生等[54]基于濱萊高速改擴建隧道項目，借助數值計算分析了不同圍巖級別CD法、CRD法及不同鋼拱架對隧道變形及塑性區的影響規律，認為宜優先選用CRD法施工。張正雨等[55]對新宋家溝一號隧道Ⅴ級圍巖三臺階法施工導致的圍巖及初期支護的變形進行計算，并對施工技術的應用細節進行闡述。匯總的原位擴建隧道施工工法具體如表4所示。

表4 原位擴建隧道施工工法

由此可見： 對于2擴3隧道，由于擴挖斷面有限，在施工條件允許的情況下往往采用臺階法等便于施工的工法。對于2擴4隧道，Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖段以CD法、CRD法的改進工法為主。典型的原位擴建CD工法隧道開挖工序如圖3所示。其施工工序可分解為： ①原隧道填土至拱腰； ②開挖左導坑上臺階(包括拆除原洞二次襯砌)； ③施工左導坑上臺階初期支護、臨時支護和鎖腳錨桿； ④開挖左導坑下臺階(包括拆除原洞路面及二次襯砌)； ⑤施工左導坑下臺階初期支護、臨時支護和鎖腳錨桿； ⑥開挖右導坑上臺階； ⑦施工右導坑上臺階的初期支護、臨時仰供、鎖腳錨桿； ⑧開挖右導坑下臺階； ⑨施工右導坑下臺階的初期支護、鎖腳錨桿； ⑩施工仰拱第2層初期支護、二次襯砌仰拱及仰拱回填；拆除臨時支護(單次拆除縱向長度<1 m)；施工拱墻部第2層初期支護；鋪設環向盲溝及防水板，整體澆筑拱墻部二次襯砌。

相較于新建隧道，其差異點主要集中在工序①—④，主要是為拆除既有襯砌影響而進行的工序。其中，工序①反壓回填雖目前已在多個工程中得到應用，但其工序較為繁瑣，宜進一步研究相關的可替代措施。

綜合現有研究成果來看： CD、CRD改進工法的優點在于變形控制好，缺點在于工序繁多、作業空間受限、施工難度大、工期長、成本高。現場施工時宜結合實際情況進行局部調整或優化，其主要立足點有2個：一是高效施工、節約工期、節省造價；二是基于現場施工條件及圍巖、結構受力特點的變化，在確保施工過程安全性的前提下優化方案。例如： 大帽山2擴4隧道(右洞)原設計時采用了CRD工法，但實際施工中則采用了改進的CD工法(見圖3—4)，現場施工取得了良好的效果； 金雞山隧道、鼓山隧道等采用了類似的開挖工序，也凸顯出擴建工法強大的適用性。

圖3 大帽山2擴4隧道開挖工序圖

(a) 上導坑施工(b) 下導坑施工

2.2.2 改建隧道的施工工法

對隧道進行改建，目前主要集中在低等級公路隧道。楊遠翔等[35]針對浙江金華地區既有公路隧道現狀，著重分析了低等級既有公路隧道少量擴挖擾動下的圍巖穩定性，探討了單層襯砌支護的技術難點。宋永威[36]對黑峪隧道(見圖5)灰巖的靜態及動態力學特征進行試驗研究，并分析了爆破引起隧道結構的累積損傷規律。匯總的改建隧道施工工法見表5。

(a) 改建前(b) 改建后

表5 改建隧道施工工法

由表5可知，與高等級公路隧道形成鮮明對比的是，原有隧道跨度小、斷面小、支護簡單甚至不支護，在長期運營后暴露出了諸多危及行車安全的問題，較為典型的有：

1) 低等級老舊隧道建筑限界不滿足現行規范及行車量的要求，進行局部斷面拓寬。

2) 黃土等特殊土、地下水滲漏等原因導致隧道嚴重病害。

結合目前的研究成果[32-38]可知，低等級公路隧道改擴建的施工工法選擇表現出如下特點：

1) 若采用新建隧道或原位擴建模式，經濟性差，故目前以改建結合局部新建或擴建為主選方案。

2) 改建隧道的施工一般考慮利用既有隧道結構，以全斷面法、臺階法等簡單工法為主，方案的選擇與原隧道的病害程度、圍巖級別等密切相關。

綜上所述，在隧道改擴建工法選擇時，對于公路等級高、擴挖面積大、圍巖穩定性差、對周邊環境影響大的工程，宜以CD、CRD等成熟工法為藍本，并結合現場施工條件進行動態調整和改進。反之，則可采用全斷面法、臺階法等便于施工的工法。

2.3 隧道改擴建施工力學響應研究

2.3.1 圍巖壓力計算研究

隧道分步開挖過程中圍巖壓力始終處于動態變化，現有的經典理論公式，如普氏理論、太沙基理論的圍巖壓力計算公式[56]，對改擴建隧道，尤其是改擴建為4車道及以上的超大斷面公路隧道的適用程度低。一是由于既有隧道襯砌的存在，改擴建隧道的荷載極不對稱； 二是由于經典計算理論并未考慮當前隧道建設大斷面、大跨度、低扁平率的特點，多個分步施工存在頻繁的加、卸載共同作用[57]，無法直接應用既有公式進行準確計算。

目前，對于改擴建隧道的圍巖壓力計算仍處于探索階段。設計規范[45]提出，當既有隧道施工時對圍巖擾動不大，施工期間未發生大變形、塌方等，且經過一定時間運營后，圍巖無明顯變異的段落，可參照新建隧道計算圍巖壓力。然而，諸多學者提出了不同觀點或新的計算公式。唐穎[58]基于大帽山擴建隧道有限元計算中的洞周位移比值，認為近既有隧道一側邊墻水平壓力可取遠離隧道一側的2倍。柏謙等[59]基于數值計算所得的地表沉降曲線，確定了改擴建隧道圍巖破壞的滑裂面位置，從應力傳遞角度出發，提出改進的改擴建隧道圍巖壓力計算公式。李永山等[60]認為單側擴建與常規大斷面隧道的施工力學特性顯著不同，擴挖側遠大于另一側，呈明顯偏壓現象。可見，對于隧道改擴建的圍巖壓力計算仍存在較大爭議。采用規范算法可有效保證設計及施工的可靠性，但與其真實圍巖壓力值存在一定差異。因此，結合大量實測數據進行規律分析，提出更加準確的計算公式是需要重點研究的內容。

2.3.2 施工力學響應研究

改擴建隧道斷面大、扁平率低、施工工序繁多、圍巖壓力分布復雜，諸多學者對其施工過程中支護結構受力及圍巖穩定性展開研究，主要借助解析求解、現場監測、模型試驗和數值分析等方法。

1)在解析求解方面，吳張中等[61]通過等代圓法(見圖6)將擴建隧道斷面簡化為既有隧道和擴挖區域的2個相切圓，結合復變函數理論及Schwarz交替法求解圍巖應力及位移的復變函數表達式，并將解析解應用于深圳橫龍山隧道，得出了一次性擴挖的最合適尺寸。彭念[62]、楊賓等[63]將這一方法應用于類似擴建隧道，得出不同條件下隧道特征點的應力及變形計算值，并結合數值計算復核了解析解的正確性。

圖6 等代圓法計算簡圖

2)在現場監測方面，鐘元慶[64]基于圍巖應力、松動圈及既有隧道爆破振動的測試結果，對后祠隧道三臺階法施工對既有隧道的影響進行了分析。黃永忠等[65]、張國華等[66]、林從謀等[16]分別結合大帽山新建4車道、擴建4車道隧道圍巖變形、壓力和錨桿應力監測成果，分析了位移及應力的變化規律，論證了支護參數和施工工藝的合理性。

3)在模型試驗方面，陳新棟[28]對荊婭隧道由原隧道作為中導洞擴建為雙連拱隧道的方案設計了室內模型試驗，借此研究施工過程地表沉降、圍巖應力、中隔墻和襯砌應力應變特性。來弘鵬等[29]、孫亮亮[67]依托海中洲隧道建立自制模型箱，對比了無病害、襯砌背后空洞、仰拱底部回填不密實、拱腰及仰拱部位襯砌強度不足等試驗工況，對新、舊襯砌施工過程中的襯砌應力及圍巖壓力變化進行了分析。黃倫海等[68]進行了原位擴建隧道不同開挖順序的2組對比試驗，對原位擴建隧道圍巖變形、應力變化規律進行分析，認為先進行既有隧道拆除再進行擴挖施工的方案更優。

4)在數值計算方面，李煜川[31]以盤龍山隧道為例，對洞口加寬段及洞身段分別建立二維及三維數值模型，分析既有隧道受偏壓影響下的圍巖應力場和位移場，認為設計的支護措施及支護參數是合理的，并建議采用增大錨桿長度這一方式來控制圍巖塑性區分布范圍。林鎮洪[69]采用BP神經網絡反演出橫龍山北隧道右線喇叭口擴幫段洞周彈性力學參數，并建立三維彈塑性有限元模型，分析不同工序下擴挖施工對隧道拱頂、拱腳和豎墻腳等處圍巖應力的影響。張俊儒等[70]提出了福州馬尾隧道塌方段原位擴建隧道的加固及土方開挖方案，結合數值計算的變形及應力結果，對方案的可靠性及安全性進行驗證。雖然關于數值計算的相關研究較多，但都集中在計算結果驗證、開挖方案對比、圍巖及襯砌施工力學分析層面，且所建立的數值分析模型大多基于加載巖體力學理論及方法，對隧道改擴建這類復雜加、卸載共同作用下的施工精細化模擬則有待進一步研究。

由已有研究成果可知：

1)解析求解、現場監測、模型試驗和數值計算(荷載結構法、地層結構法)的結果可相互印證。當前工程應用中，由于地層與結構相互作用模擬的復雜性，在支護結構設計時往往以工程類比法或荷載結構法為依據，而施工中則以現場監測為控制手段。當工程較為復雜時，建議輔以地層結構法或模型試驗，或至少使用其中2種方法作為技術支撐，以地層及結構的變形、內力、應力等為評價指標，確保實施方案的可靠性及圍巖的穩定性。

2)對于隧道改擴建工程(除增建型式外)，舊隧道襯砌拆除和圍巖擴挖是造成圍巖應力釋放的主要原因。改擴建施工過程中各部位圍巖壓力隨舊襯砌拆除及圍巖擴挖不斷減小，又隨著新襯砌施作而逐步增大。當整體施工完成后，新襯砌的整體受力大于擴建前的舊襯砌受力。綜合既有案例可知，施工過程中可利用舊襯砌作為有效、臨時的支護，而新襯砌的及時施作及封閉成環可更好地限制圍巖松動圈范圍。

3)對于隧道擴挖斷面面積較大的情況[61-63]，一般存在單次最優擴挖寬度。當單次擴挖寬度小于最優寬度時，拉、壓應力變化幅度不大；當單次擴挖寬度大于最優寬度時，隨著擴挖寬度的增加，環向、徑向應力由壓應力轉化為拉應力。同時，擴挖次數的增加會導致洞周壓應力范圍逐步擴大，拉應力分布范圍減小。在采用合理的施工工法基礎上，隧道斷面只有局部位置會產生拉應力，且拉應力值在規范限值內，其應力最大值出現在原隧道及擴建段的拱腳處[60-65]。

4)對于改擴建隧道襯砌后存在空洞、局部襯砌強度不足等病害，或在塌方段進行改擴建施工的情況[29, 70]，上臺階開挖是整個施工過程的關鍵。圍巖壓力作用下出現病害一側壓應力增大、其余位置壓應力減小的現象。

因此，隧道改擴建力學響應的研究仍處于發展階段，對于高等級公路既有隧道改擴建的圍巖穩定性判別方式仍未有統一認識，而對于低等級公路既有隧道改擴建的圍巖穩定性研究較少，評價標準還未制定。二者均需開展一系列的研究工作，以此形成完善的評價體系。

2.4 隧道改擴建支護參數設計與優化

目前公路隧道設計理論主要適用于2、3車道隧道[45]，對于公路隧道改擴建工程常見的新建4車道隧道及原位擴建隧道均有使用上的局限。林從謀等[16]結合2擴4隧道數值計算成果，認為錨桿長度可根據受力情況進行局部優化，在保證圍巖穩定的同時可起到節約造價的目的。黃志波[71]基于遺傳支持向量機對圍巖參數進行反演，并以安全為限制條件，以經濟性為關鍵指標研究2擴4隧道最優支護方案，并對優化方案的結構可靠度進行驗算，在確保了結構安全可靠的同時節約了造價。

整理典型隧道改擴建案例的支護參數見表6，表中的增建(新建)隧道為對照組。

表6 改擴建隧道支護參數

由表6可見:

1) 同一隧道不同圍巖級別的支護參數不同，支護剛度、強度排序為Ⅴ級>Ⅳ級>Ⅲ級。不同隧道同一圍巖級別的支護參數不同。以改擴建為4車道大斷面隧道為例，根據統計指標，初期支護形式最常見為：Ⅴ級圍巖以單層30 cm厚C25掛網噴射混凝土結合φ25 mm長5 m的錨桿；Ⅳ級圍巖以單層26 cm厚C25掛網噴射混凝土結合φ25 mm長4.5 m的錨桿。而錨桿間距、鋼拱架布置及二次襯砌厚度等參數的離散程度較大，初步選型時建議取表6中的中位數。

2) 原位擴建隧道的支護參數存在較大的優化空間，對施工過程中既有襯砌結構的合理利用及對新建襯砌結構的參數優化等關鍵問題仍需結合圍巖力學特性深入研究。

2.5 隧道改擴建施工過程安全控制

2.5.1 爆破振動控制

公路隧道改擴建工程多采用鉆爆法施工[72-77]，由于需要考慮既有襯砌結構拆除(見圖7)及擴挖全過程，相較于新建隧道，爆破方案的制定難度更大。

(a) 布置炮眼(b) 襯砌剝離拆除

隨著改擴建工程增加，對于改擴建隧道掘進爆破設計及專項安全控制方案的研究也日益受到重視。既有隧道改擴建案例的爆破振動速度的擬合經驗公式如表7所示，即采用薩道夫斯基公式：

(1)

式中：v為爆破時質點振動峰值速度，cm/s；K為場地系數；Q為最大段裝藥量，kg；R為測點至起爆中心的水平距離，m；α為爆破振動衰減指數。

表7 爆破質點振動速度擬合經驗公式

根據不同隧道現場爆破振動測試數據的回歸公式，其α值與K值均小于規范[78]的建議范圍。究其原因，主要是既有隧道的存在增加了臨空面，可顯著減小爆破振動效應，有利于爆破掘進施工。

當前，一般以質點峰值振動速度作為衡量爆破振動強度及對既有隧道影響大小的標準。不同研究成果對既有運營隧道襯砌振速控制值的標準不同，但均介于規范[78]規定的交通隧道類允許安全振速之間。一般情況下，Ⅲ級圍巖可取為8 ～20 cm/s，Ⅳ級圍巖為5～15 cm/s，Ⅴ級圍巖則不超過10 cm/s。實際增建隧道工程需根據隧道具體條件綜合試驗確定。基于確定的圍巖級別及爆破安全振動速度的限值，可結合既有隧道襯砌距爆源的距離對最大單段藥量、爆破段數等主要爆破參數進行優化。另外，爆破過程的動力時程分析成果，對預測爆破開挖對既有隧道的影響及圍巖累積損傷效應的分析也具有積極意義。

2.5.2 施工變形控制

隧道改擴建過程中的變形控制主要依據現場監測的地表沉降、拱頂下沉及周邊收斂值。典型的原位擴建CD工法(以金雞山隧道為例，由于左下導坑施工主要為既有結構拆除，整體作用效應弱，未單獨作圖)變形監測數據如圖8所示。

(a) 左上導洞開挖

由圖8可知：

1) 隧道拱頂下沉的控制關鍵在于上導洞的施工，隧道周邊收斂的控制關鍵在于擴建導洞的施工，水平測線(圖中CD)在擴挖導洞時存在由“收縮”向“伸長”的轉變。

2) 既有隧道襯砌拆除及大面積導洞為施工關鍵控制步。襯砌拆除不當、開挖支護不及時都會對圍巖穩定性產生重大影響，故需對此進行設計深化。

隧道改擴建施工過程變形控制是一項綜合性的工作，目前主要采用的手段為強支護(如CD、CRD法)、超前小導管和管棚支護、臨時支撐、注漿加固及反壓回填等。隧道變形控制的關鍵點往往在進、出洞口處，故變形預測對施工過程有重要參考價值。目前，隧道開挖引起的地表沉降預測仍以Peck經驗公式為主[79-80]。韓煊等[81]搜集了國內8個地區30多組隧道實測地表沉降數據，對Peck公式在國內隧道地表橫向沉降曲線預測的適用性進行了驗證。Peck公式為軸對稱函數，而改擴建隧道地表沉降一般是不均勻發展的。考慮隧道改擴建最終地表沉降槽曲線特點，韓煊等提出可將既有隧道和擴挖區域簡化為2個等代圓后，采用式(2)作為地表沉降的預測公式。

(2)

式中：S(x)為地表任意一點沉降計算值，mm；Vl1、Vl2分別為大面積導洞擴挖、既有襯砌拆除及局部擴挖的地層損失率，%；A1、A2為對應的開挖面積，m2；i1、i2為對應的沉降槽寬度，m；D1、D2為隧道擴挖后、擴挖前的中心線與原隧道中心線的距離，m；η為修正系數，根據原隧道襯砌剛度、施工擾動大小取1.0～1.6[82]。

式(2)的適用性在大帽山原位擴建隧道進、出口淺埋段地表沉降預測中得到了驗證[83]。由于山嶺隧道進出口端地質條件復雜，常見淺埋、偏壓、軟弱帶等情況，式(2)中的修正系數值變化幅度較大，在無經驗情況下可不考慮修正，即取1.0。另外，由于改擴建隧道實測數據有限，地層損失率、沉降槽寬度參數及修正系數的取值依賴于實測數據反饋，故仍應進一步結合更多的工程案例進行驗證。

2.5.3 安全風險控制

隧道改擴建施工過程存在諸多的潛在安全風險，對安全風險源的辨識及合理評估可為施工過程提供重要的參考依據。目前的研究主要從施工過程中的風險防控出發： 王春河等[84]根據依托的隧道改擴建工程案例，辨識施工過程的重大風險源并進行專項風險評估，提出對應的安全保障措施。邱禮球[85]基于文獻調研及專家意見建立了改擴建隧道施工安全風險評估指標體系，并利用物元可拓評估模型確定后祠隧道施工安全風險評估等級。王猛[86]運用DEMATEL-ISM法將辨識出的26個隧道原位擴建塌方風險因素進行耦合分析，得出原位擴建隧道塌方風險評估模型，認為擴建施工擾動、支護不及時、超前支護不足為塌方的直接原因。另外，從隧道結構自身的安全控制角度出發，利用有限元強度折減法對隧道改擴建工程進行穩定性分析[87-88]，考慮不同施工階段圍巖承載能力的安全儲備，一定程度上可減少圍巖失穩和隧道襯砌結構開裂與破壞現象的發生，利于安全風險的控制。

綜上，對于隧道改擴建的施工安全控制，在施工前采用模型試驗或數值計算等輔助方法得到定性結論，并注意在施工中利用監控量測及超前地質預報等措施得到定量數據，從減輕爆破振動、優化隧道支護設計、局部軟弱圍巖加固等方面著手控制隧道塌方及支護結構損毀等風險事故的發生，可實現隧道改擴建工程的安全施工。

3 進一步研究內容及前景展望

3.1 研究中存在的不足

近年來，隧道改擴建工程如雨后春筍般涌現，改擴建技術得到了長足發展。隧道改擴建是近年來新興的研究方向，現有的針對隧道改擴建工程的研究主要集中在改擴建型式、施工工法、支護參數及施工力學響應、施工過程安全控制等方面，雖取得了一定成果，但仍有諸多方面需進一步深入研究：

1) 在改擴建型式研究方面，方案選型仍以定性的指標判別為主，不同工程的選型方案缺乏定量指標，得出的結論存在明顯差異，不利于經驗推廣應用。

2) 在施工工法研究方面，由于工程經驗有限，當為Ⅳ、Ⅴ級圍巖時，目前的改擴建設計方案往往以CD法、CRD法的改進工法為主。既有襯砌的拆除及大范圍的圍巖開挖往往導致隧道產生較大的變形。如何在加強對既有結構利用的同時，盡量減少對既有隧道或其他建(構)筑物的不利影響，有待進一步加強研究。

3) 在支護參數及施工力學響應研究方面，由于隧道改擴建是一個極為復雜的動態加、卸載力學過程，目前設計規范的應用也存在局限，改擴建工程實際應用中的支護參數差異較大，既有相關的監測、數值計算的研究成果存在一定程度離散，需要更多的工程實踐來總結出更具體、更有操作性的結論。另外，對于隧道改擴建施工力學響應的解析求解，僅對單側擴挖型式有較好的適用性，對于其他隧道改擴建型式仍需進一步探索。

4) 在施工過程安全控制研究方面，爆破開挖、支護優化、圍巖加固及施工輔助措施確保圍巖穩定的研究尚不成體系，對隧道改擴建過程圍巖變形及地表沉降的預測方法研究較少，不利于預判分析。此外，需要制定關于隧道改擴建的風險源辨識及安全性定量評價指南或標準。

3.2 研究展望

21世紀以來，隧道工程領域的新材料、新技術、新工法層出不窮，國內首創的雙向10車道4連拱觀音巖隧道也即將通車，隧道建設已邁入新的發展階段。綜合以上國內改擴建隧道的修建情況及研究熱點梳理，對今后的隧道改擴建工程研究有如下幾點展望：

1)制定分級、細分的改擴建標準。結合工程實踐及理論研究，在對圍巖穩定性進行細分評價的基礎上，對不同等級公路分別制定有針對性的技術經濟安全評估指南，為后續類似改擴建工程的選型提供統一的標準。

2)隧道全生命周期的系統管理。近百年來我國新建了萬余座隧道，既有隧道長期運營過程暴露出襯砌開裂、滲漏水、行車道過窄等一系列問題。對于隧道全生命周期進行信息化管理，可為未來改擴建工程的決策、設計、施工及運營過程提供重要的數據支撐。

3)隧道綠色施工、快速建造技術。隧道改擴建施工往往需要保證原有隧道通車需求，也需要兼顧周邊環境的保護，尤其是中長隧道改擴建工程，往往需要投入大量的人力物力，對于周邊環境的影響也不容小覷。在當前“碳達峰、碳中和”的大背景下，隧道改擴建的綠色施工技術已受到廣泛的重視。加之，近年來隧道新型施工機械、施工工藝層出不窮，隧道改擴建工程的綠色施工、快速建造技術是一個非常具有前景的發展方向。