公路隧道改擴建方案比選及施工工法數值模擬

摘要： 為了分析公路隧道改擴建方案的可行性以及公路隧道不同改擴建施工工法時圍巖擾動后的力學特性，以濟南繞城高速港溝立交至殷家林樞紐段改擴建工程某公路隧道為研究對象，比選3種公路隧道改擴建方案； 建立三維數值模型，對比最佳方案不同施工工法時的圍巖力學特性； 利用有限差分軟件FLAC 3D內置的FISH語言對圍巖塑性區體積求和計算，探討左線公路隧道改擴建過程對右線公路隧道的影響。結果表明： 綜合考慮改擴建施工難度、 運營安全性、 后期提速、 管養難度、 工程造價等因素，確定公路隧道改擴建為雙八車道隧道為公路隧道改擴建最佳方案； 圍巖位移隨著公路隧道開挖深度的增加而增大，并且在開挖斷面處增大最快； 圍巖的壓應力集中區為公路隧道的拱腳處，而拱頂和拱底壓應力較小并向拉應力轉變； 圍巖塑性區破壞方式以剪切破壞為主，可及時施作支護結構控制圍巖變形； 綜合考慮公路隧道改擴建施工的可行性、 安全性和經濟性，確定中隔壁法為公路隧道改擴建最優施工工法。

關鍵詞： 隧道工程； 改擴建； 公路隧道； 數值模擬； 施工工法； 圍巖穩定性

中圖分類號： U45

文獻標志碼： A

開放科學識別碼（OSID碼）：

Schemes Comparison and Construction Methods Numerical Simulation

of Highway Tunnel Reconstruction and Expansion

LIU Tianqi， FENG Xianda， HE Jiazhi

（School of Civil Engineering and Architecture， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China）

Abstract： To analyze feasibility of highway tunnel reconstruction and expansion schemes and mechanical characteristics of surrounding rocksafterdisturbancewithdifferentreconstructionandexpansionconstructionmethodsofhighwaytunnels，takingahighwaytunnelinthereconstructionandexpansionprojectofGanggouInterchangetoYinjialinHubsection ofJinanRingExpresswayastheresearchobject，threehighwaytunnel reconstruction and expansion schemes were compared.Athree-dimensionalnumericalmodelwasestablishedtocomparemechanicalcharacteristicsofsurrounding rocks with different construction methods of the best scheme. Plasticzonevolumesofsurroundingrocksweresummedupbyusing built-in FISH language of finite difference software FLAC 3D to explore impacts of reconstruction and expansion processes of left-line highway tunnels on right-line highway tunnels. The results show that comprehensively considering factors such as construction difficulty of reconstruction and expansion， operational safety， speed increase in later period， management difficulty， and project cost， it is determined that reconstruction and expansion of highway tunnels into double eight-lane tunnels is the best scheme for highway tunnel reconstruction and expansion. The surrounding rock displacement increases with the increase of highway tunnel excavation depth， and increases fastest at excavation sections. The compressive stress concentration area of surrounding rocks is at arch foot of the highway tunnel， while the compressive stress at vault and arch bottom is smaller and changes to tensile stress. The plastic zone failure mode of surroundingrocksismainlyshearfailure， and the supporting structure can be implemented in time to controlsurroundingrockdeformation.Comprehensively consideringfeasibility，safety，andeconomyofthehighwaytunnel reconstruction and expansion construction， center diaphragm is determined as the optimal construction method for highway tunnel reconstruction and expansion.

Keywords： tunneling;reconstructionandexpansion;highwaytunnel;numericalsimulation;construction method; stability of surrounding rock

公路運輸作為迅速發展的交通運輸行業的重要主體，已逐漸無法滿足日益增大的交通運輸量需求。截至2022年底，我國公路總里程達到5.35×106 km，較2021年底增加了7.41×104 km^［1］。早期修建的雙向四車道公路隧道因設計標準和建設水平的限制而出現襯砌開裂、 變形、 滲漏水等多種問題，已嚴重制約交通運輸行業的發展。作為公路的控制性工程，公路隧道改擴建是解決交通運輸能力不足的有效途徑之一。隧道改擴建是指對于無法滿足交通運輸量的既有隧道，拆除原有支護結構后擴建和改造，以實現隧道斷面的增大^［2］。隧道改擴建會打破原有隧道的受力平衡狀態，引起圍巖的二次擾動，增加圍巖的損傷和變形，從而增加隧道改擴建的難度。國內外隧道改擴建目前處于發展初期，同時施工過程中圍巖的力學特性復雜，因此尚缺乏足夠的理論和工程經驗^［3］。Jia等^［4］通過模型試驗和數值模擬分析單管隧道中導坑擴建為雙連拱隧道的力學特性，得出后行隧道引起的地表沉降較大的結論。李秀地等^［5］從爆破角度分析爆破產生的應力波對公路隧道圍巖和運營公路隧道襯砌的影響，得出泉廈高速公路大帽山隧道原位改擴建爆破的控制藥量為最大段裝藥量不超過12 kg等效三硝基甲苯。宋戰平等^［6］通過統計分析典型公路隧道改擴建文獻及案例，綜述了改擴建公路隧道圍巖壓力計算方面的研究動態與不足，闡述了人工智能等新技術在公路隧道改擴建中的應用前景。葉連超等^［7］以國內近30 a的隧道改擴建數據為基礎，提出了基于三角模糊數的灰狼優化算法隧道優選模型，結果表明，該模型在結合三角模糊數后，具有較強的小樣本處理能力和較高的優選精度。Sweeney^［8］與Chehade等^［9］通過分析隧道改擴建的不同施工工法，得出施工工法對土體沉降及圍巖內力有重大影響的結論。柏謙等^［10］考慮隧道破壞的傾斜滑動面的摩阻力，通過簡化隧道拱頂上方滑裂面曲線并基于太沙基理論，提出更符合實際測量值的改進圍巖壓力計算方法。雖然上述學者從隧道圍巖施工擾動、 爆破炸藥用量以及數值模型方面深入研究了隧道改擴建，但是關于公路隧道改擴建方案比選和施工工法數值模擬方面的研究相對不足^［11］。

本文中以濟南繞城高速港溝立交至殷家林樞紐段改擴建工程某公路隧道（后文中在不至于引起歧義的情況下簡稱隧道）為研究對象，從施工難度、 運營安全性、 后期提速、 管養難度、 工程造價等角度比選3種隧道改擴建方案，得出最佳方案，并建立三維數值模型，對比最佳方案不同施工工法時的圍巖力學特性，得出最優施工工法。

1 工程概況

濟南繞城高速港溝立交至殷家林樞紐段改擴建工程某隧道位于濟南市繞城高速公路南線十六里河鎮壙村與港溝鎮黑龍峪村之間， 為分離式雙向四車道隧道。 隧道全長為1 189 m， 左、 右洞間距為18.8～33.0 m， 根據地質勘測結果， 隧道洞身范圍內的巖體多為強風化-中風化石灰巖， 巖體較破碎， 穩定性一般， 隧道圍巖等級主要為Ⅳ、 Ⅴ級； 隧道洞口位于山坡坡麓， 地形較緩， 山坡基巖裸露， 植被不發育。 該隧道于2002年投入使用， 在內、 外因素的影響下， 隧道結構逐漸劣化， 隧道出現洞門開裂且滲漏水、 襯砌開裂、 襯砌表面滲漏水、 混凝土破裂、 隧道開裂且破損等病害， 如圖1所示。 近年來濟南市經濟水平不斷發展， 公路運輸需求日益增大， 雙洞四車道已滿足不了交通運輸的要求， 因此該隧道迫切須要擴建換砌以解決高速公路通行能力不足的問題。

2 隧道改擴建方案比選

充分考慮既有隧道地質、 地貌、 地形以及勘探資料等，并結合濟南隧道建筑限界與結構技術狀況，以及濟南市繞城高速公路隧道改擴建形式和規劃建設要求，提出3種隧道改擴建方案： 1）方案1，既有隧道改擴建為雙八車道隧道； 2）方案2，增建單洞四車道隧道； 3）方案3，增建分離式雙洞四車道隧道。表1所示為3種隧道改擴建方案的比選分析結果。由表可知： 方案2、 3雖然最大限度地利用了既有隧道，施工工藝成熟且風險小，但是所利用的既有隧道技術標準較低， 影響行車舒適性和安全性， 并且路面寬度僅為8.5 m， 不滿足現行規范中時速為80 km/h的要求， 無法提速。 同時， 隧道的洞室數量增加， 造成交通事故率上升及管養成本增加。 相比之下， 方案1重建了隧道支護結構與防排水系統， 能有效解決隧道運營以來持續存在的襯砌滲漏水、 開裂等問題， 以及襯砌脫空、 襯砌厚度不足、 空間狹窄而易刮擦等安全隱患， 有利于運營期交通組織、 交通安全以及后期提速， 優勢顯著， 因此方案1為最佳方案。

3 隧道改擴建圍巖力學特性分析

既有隧道圍巖處于穩定狀態，改擴建為雙八車道隧道時須先拆除隧道原支護結構，然后兩側擴建并重新建立防排水系統。在該過程中，隧道圍巖經歷復雜的變化，而不同的改擴建施工工法對圍巖產生不同程度的擾動，因此通過合理而準確地模擬不同施工工法的圍巖力學特性，可以為隧道的安全施工提供指導。本文中采用數值模擬方法研究分析全斷面法、 中隔壁法和交叉中隔壁法3種施工工法時的圍巖力學特性^［12］。

3.1 隧道改擴建施工工法

隧道改擴建的成功與否在很大程度上取決于所選擇的施工工法、 開挖工序與隧道所處的圍巖情況是否相適應，并且選擇合理的施工工法對隧道改擴建的施工安全具有重要意義^［13］。3種隧道改擴建施工工法開挖工序示意圖如圖2所示。

3.2 三維數值模型建立

采用有限差分軟件FLAC 3D，對既有隧道里程樁樁號為K32+400至K32+450的Ⅳ級圍巖區路段建立三維數值模型。該模型長度、 寬度、 高度分別為220、 50、 120 m，拱頂埋深均值為40 m，計算范圍超過土體最小開挖影響范圍3D～5D（其中D為隧道直徑），隧道斷面取為多中心式圓拱斷面。舊隧道內輪廓采用單心圓斷面，跨度為11.14 m，左、 右線間距為19.8 m，在舊隧道的基礎上，新建隧道跨度為19.83 m，高度為12.58 m。根據不同的結構和開挖部分進行組別劃分，隧道三維數值模型如圖3所示。該模型由179 433個單元（zones）和144 108個節點（grid-points）組成； 上部地表邊界為自由邊界，不設約束，底面固定，四周約束水平位移； 采用八節點六面體實體單元模擬山體、 圍巖和隧道改擴建二次襯砌，采用四節點殼單元模擬隧道的二次襯砌以及隧道改擴建初期支護。

在隧道施工過程中，圍巖在初期支護施作之前承擔自身荷載的60%，剩余荷載作用于初期支護，施作二次襯砌作為安全儲備，假定圍巖為理想彈塑性介質，采用莫爾-庫侖屈服準則數值計算，屈服函數^［14］為

fs=σ1-σ31+sin φ1-sin φ+2c1+sin φ1-sin φ ，（1）

ft=σ3-σt ，（2）

式中： fs為圍巖的剪切破壞函數； σ1為圍巖的最大主應力； σ3為圍巖的最小主應力； φ為圍巖的內摩

擦角； c為圍巖的黏聚力； ft為圍巖的拉伸破壞函數； σt為圍巖的抗拉強度。圍巖的破壞狀態通過式（1）、 （2）中的fs、 ft判斷。

3.3 圍巖與支護參數

根據地質工程勘測報告及設計資料， 隧道里程樁樁號為K32+400至K32+450的路段的巖體以強-中風化石灰巖為主， 圍巖等級為Ⅳ級， 隧道圍巖與支護結構的物理力學參數如表2所示。

4 模擬結果與分析

通過有限差分軟件FLAC 3D，采用全斷面法、 中隔壁法和交叉中隔壁法模擬計算既有隧道施工開挖過程。 在隧道開挖深度為25 m處斷面設置4個測點，監測隧道改擴建后拱頂沉降、 拱底隆起和邊墻收斂值的大小，分析圍巖應力以及圍巖塑性區的變化規律。

4.1 位移分析

3種隧道改擴建施工工法時的右、左線隧道拱頂

累積沉降如圖4所示。 由圖4（a）可知： 隨著右線隧道開挖的推進， 當開挖深度小于25 m時， 拱頂沉降變化較小； 當開挖深度大于25 m時， 沉降增加的趨勢由緩變快， 最終趨于穩定； 3種施工工法時的拱頂沉降均較小， 分別為12.02、 11.49、 10.78 mm。 由圖4（b）可知： 在左線隧道改擴建過程中， 拱頂沉降曲線趨勢與右線的大致相同， 先開挖的右線隧道導致左線隧道改擴建前圍巖發生較小的變形， 初始位移為1.2 mm。 隨著開挖推進距離的增加， 拱頂沉降逐漸增大， 最后趨于穩定， 在初始位移的基礎上， 3種施工工法時的拱頂沉降增量分別為11.99、 11.47、 11.00 mm。可見，全斷面法、 中隔壁法、 交叉中隔壁法施工引起的拱頂沉降均較小，滿足安全施工的要求。

從右線隧道受左線隧道改擴建前、 后的拱頂沉降值變化可得，3種施工工法時右線隧道的拱頂沉降增量分別為0.71、 0.69、 0.69 mm。由此可知，左線隧道后開挖會影響已經改擴建完成的右線隧道，圍巖繼續發生小幅沉降，但二次沉降值較小，不會對二次襯砌和防排水系統造成影響。

3種隧道改擴建施工工法時的隧道拱底隆起和左、 右邊墻收斂值如表3所示。從表中可以看出： 由隧道改擴建引起的左、 右線拱底隆起大致相同， 最大值為17.75 mm， 位移較小， 滿足安全施工的要求。 全斷面法的拱底隆起均大于其他2種施工工法的。 3種施工工法時左線隧道改擴建的拱底隆起均小于右線隧道的， 原因是右線隧道改擴建過程造成左線隧道圍巖擾動， 導致最終監測值存在差異。 左、 右邊墻收斂值相對差異較小， 對隧道橫斷面變形影響較小。

4.2 圍巖應力分析

在隧道改擴建過程中，隨著舊襯砌的拆除以及圍巖的繼續改擴建， 導致圍巖應力重分布。 全斷面法時的圍巖主應力分布云圖如圖5所示。 從圖5（a）中可以看出， 隧道兩側拱腳處呈現出明顯的壓應力集中現象，而拱頂和拱底的壓應力較小。從圖5（b）中可以看出，拱頂和拱底為拉應力集中區。原因是在隧道改擴建過程中，圍巖向臨空面發生變形，拱頂位置應力逐漸向圍巖深部和隧道兩側轉移，導致拱腳處壓應力迅速增大而拱頂壓應力減小轉為拉應力，最終達到新的平衡狀態^［3］。

3種隧道改擴建施工工法時監測點處圍巖的最大、 最小主應力如表4所示。 由表可知： 3種施工工法中圍巖壓應力集中區位于拱腳處； 全斷面法時的最大主應力為-1.175 MPa； 中隔壁法時的最大主應力為-1.109 MPa， 相對于全斷面法時的減小5.6%； 交叉中隔壁法時的最大主應力為-1.079 MPa， 相對于全斷面法時的減小8.2%；相對于全斷面法，中隔壁法時的最小主應力減小3.8%， 交叉中隔壁法時的減小8.2%。

4.3 圍巖塑性區分析

圍巖塑性區的分布范圍是評價隧道穩定性的重要依據^［15］。 在隧道改擴建過程中， 既有隧道圍巖受到二次擾動， 導致圍巖發生大規模變形和開裂破壞等問題。 圍巖應力演化規律十分復雜， 因此隧道改擴建過程中的圍巖塑性區是評價施工工法優劣的重要指標。 本文中利用FLAC 3D軟件內置的FISH語言， 實現圍巖塑性區體積的求和計算。 3種隧道改擴建施工工法時的圍巖塑性區體積如表5所示。 由表可知： 在3種施工工法改擴建施工過程中， 圍巖整體的塑性破壞以剪切破壞為主，其次為拉伸破壞。 整體而言， 相對于中隔壁法、 交叉中隔壁法， 全斷面法時隧道圍巖的剪切破壞體積和拉伸破壞體積均最大， 表明相對于全斷面法， 采用中隔壁法、 交叉中隔壁法施工對圍巖的破壞程度顯著減小。

4.4 施工工法評價

基于隧道改擴建方案的可行性、 經濟性及安全性綜合考慮3種施工工法。3種施工工法的圍巖位移和應力相差較小，滿足安全施工要求。全斷面法造成的隧道位移及圍巖應力均最大，不利于穩定性控制。交叉中隔壁法能明顯減小圍巖變形，但是在實際施工過程中，工序繁雜且工期延長。綜合考慮，確定中隔壁法為最優施工工法。

5 結論

本文中通過對濟南繞城高速港溝立交至殷家林樞紐段改擴建工程某隧道的改擴建方案比選以及施工工法評價，綜合分析既有雙線隧道結構等方面的問題，利用有限差分軟件模擬分析改擴建隧道，得出如下主要結論：

1）結合舊隧道實際情況，綜合考慮施工難度、 運營安全性、 后期提速、 管養難度以及工程造價等因素，推薦采用方案1即隧道改擴建為雙八車道隧道作為最佳方案。該方案在保證運營安全性和符合規范要求的前提下，可以減小管養難度，增強通行能力，同時解決了既有隧道的結構問題。

2）隧道改擴建圍巖力學特性數值模擬結果表明，3種施工工法時的拱頂沉降、 拱底隆起以及左、 右邊墻收斂監測值均較小。在開挖深度為25 m處，沉降增加趨勢較顯著，而后趨勢變緩。左線隧道開挖造成已建好的右線隧道圍巖小幅度沉降，但是對二次襯砌和防排水系統影響較小。

3）3種施工工法時的圍巖應力分布趨勢相似，圍巖壓應力主要集中于拱腳處，拱頂和拱底的壓應力較小。圍巖塑性區體積分析表明，改擴建過程中圍巖整體的塑性破壞以剪切破壞為主，破壞范圍較大。為了避免隧道開挖過程圍巖出現大變形，應及時施作錨桿等支護措施。

4）綜合考慮隧道改擴建施工的可行性、安全性和經濟性，中隔壁法可以作為該隧道改擴建的最優施工工法，研究成果可以為類似的隧道改擴建工程提供參考。

參考文獻：

［1］ 交通運輸部. 2022年交通運輸行業發展統計公報［EB/OL］. （2023-06-16） ［2023-10-10］. https：//xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/zhghs/202306/t20230615_3847023.html.

［2］ 彭念. 原位擴建隧道圍巖力學響應機理研究［D］. 重慶： 重慶大學， 2010.

［3］ 孫興山， 董會飛， 蘇興炬， 等. 漳龍高速公路擴建隧道圍巖力學特性三維有限元分析［J］. 隧道建設， 2016， 36（1）： 52.

［4］ JIA Y L， XIA Y X， CHEN X D， et al. Force and deformation characteristics during the reconstruction and expansion of shallow single-tubetunnelsintolarge-spanmultiarchtunnels［J］.Advances in Materials Science and Engineering， 2019， 2019： 2783784.

［5］ 李秀地， 蔣樹屏， 劉元雪， 等. 大斷面小凈距隧道原位擴建爆破振動控制［J］. 爆破， 2014， 31（3）： 85.

［6］ 宋戰平， 張澤坤， 程昀， 等. 既有公路隧道改擴建技術研究動態及展望［J］. 地下空間與工程學報， 2023， 19（4）： 1216.

［7］ 葉連超， 何江陵， 李科， 等. 基于三角模糊數與GWO-ELM模型的公路隧道改擴建方案優選研究［J］. 現代隧道技術， 2023， 60（3）： 55.

［8］ SWEENEY P. A study of interaction effects due to bored tunnels in clay［D］. Cambridge： Massachusetts Institute of Technology， 2006.

［9］ CHEHADE F H， SHAHROUR I. Numerical analysis of the interaction between twin-tunnels： influence of the relative position and construction procedure［J］. Tunnelling and Underground Space Technology， 2008， 23（2）： 210.

［10］ 柏謙， 趙文， 王鑫， 等. 既有改擴建淺埋巖石隧道的圍巖壓力計算方法研究［J］. 中南大學學報（自然科學版）， 202 52（5）： 1562.

［11］ 楊靈， 韓立軍， 蔚立元. 淺埋隧道洞口段Ⅳ級圍巖開挖方案比選數值分析［J］. 現代隧道技術， 2013， 50（1）： 67.

［12］ 周紹文， 周勇狄， 賈艷領. 既有單線隧道擴建方案優化及施工力學行為分析［J］. 西部交通科技， 2022（6）： 112.

［13］ 劉泉聲， 張偉， 盧興利， 等. 斷層破碎帶大斷面巷道的安全監控與穩定性分析［J］.巖石力學與工程學報，2010，29（10）： 1954.

［14］ 劉泉聲， 孫興山， 蘇興矩， 等. 后祠改（擴）建隧道施工方案優化分析［J］. 武漢大學學報（工學版）， 2016， 49（4）： 545-546.

［15］ 朱根橋， 林志， 朱育才， 等. 隧道原位擴建對鄰近建筑物影響評估的研究［J］. 巖土力學， 2012， 33（增刊2）： 251.

（責任編輯：王 耘）