_2车道隧道扩建成4车道隧道扩建形式研究
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本次计算采用 MIDAS 软件。MIDAS 软件具有 Mohr- Coulmb 模型、Drucker- Prager 模型等可供用 户选择的各种岩土体本构模型。软件还提供了面向 任务的用户界面，可以对复杂的几何模型进行可视 化的直观建模。在后处理中，它能以表格、图形、 图表形式自动输出简洁实用的计算书。MIDAS/GTS 软件以其使用方便、功能强大、运算准确快速而在 岩土隧道工程领域得到广泛应用。 3.2 计算方案
根据前述隧道原位扩建方案和大帽山隧道情
图 3 周围扩建形式
提出合理的扩建形式。
2 工程概况 福州—厦门高速公路是福建省修建的第 1 条高
速公路，其中泉州至厦门段高速公路 1994 年开工， 1997 年建成运营，大帽山隧道为泉州至厦门段高 速公路中的一座隧道。
原大帽山为双洞 4 车道分离式隧道，左右洞均 位于直线段内，长度均为 582 m。隧道纵坡均为 - 2.0%，进出口均为仰斜式洞门，洞内采用电光照 明和机械通风，隧道防水采取以排为主，防排结合 的综合措施。隧道结构按新奥法原理进行设计，采 用复合式衬砌。原隧道建筑内轮廓见图 4。
公路交通技术 2010 年 10 月 第 5 期
Technology of Highway and Transport Oct.2010 No.5
2 车道隧道扩建成 4 车道隧道扩建形式研究
胡居义 1，陈礼彪 2，黄伦海 1
（1. 招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2. 福建省高速公路建设总指挥部， 福州 350001）
4 计算结果及分析
96
公路交通技术
2010 年
4.1 位移分析 1） V 级围岩。 隧道开挖完成后，V 级围岩下 3 种扩建形式
的隧道围岩位移对比分析结果如图 7 所示。3 种形 式拱顶的竖向位移随施工步的变化过程曲线如图 8 所示。
4.2 应力分析 1） V 级围岩 隧道开挖完成后（未作 2 次衬砌）3 个方案的隧
1 隧道原位扩建形式 受改建路线的限制，根据扩建隧道与原隧道的
位置关系，单洞原位扩建可以归纳为以下 3 种形 式：一是单侧扩建（图 1），即原隧道的一侧边与扩 建隧道重合；二是两侧扩建（图 2），即原隧道在扩 建隧道的中间，但底边与原隧道重合；三是周围扩 建，即原隧道在扩建隧道的内部，边缘与扩建隧道 均不重合（图 3）。
收稿日期：2010- 06- 18 作者简介：胡居义（1979-），男，江西省高安市人，博士，工程师.
94
公路交通技术
2010 年
和设计资料，确定本次计算所采用的 IV、V 级围 岩的物理力学参数见表 1，支护结构的计算参数见 表 2。
图 1 单侧扩建形式 图 2 两侧扩建形式
3 计算方案 3.1 计算软件
从计算结果可以看出，隧道开挖完成后，3 个 方案围岩的最大主应力（σ）1 分别为：- 0.954～ 0.098、 - 1.016～ 0.087 和 - 0.575～0.118MPa；最小主应力 （σ3）分别为：- 2.639～- 0.075、- 2.251～- 0.175 和 - 1.970～- 0.147 MPa；围岩最大压剪应力（Sxy）分别 为 ： - 0.481 ～0.475、 - 0.776 ～0.516 和 - 0.779 ～ 0.331 MPa。可见，考虑围岩受拉破坏时，方案 1 好于方案 2，方案 3 好于方案 1，但方案 3 的受拉 影响范围较大，且施工复杂。因此，方案 1 优于其 它 2 个方案。
V 级围岩
1.0×106
0.4
23.0
IV 级围岩
3.0×106
0.35
23.0
50.0
20.0
400.0
35.0
20.0 150.0
2010 年 第 5 期
胡居义，等：2 车道隧道扩建成 4 车道隧道扩建形式研究
95
名称 喷射混凝土
弹性模量 E/kPa
2.8×108
锚杆 V级
2.0×108
20 b 工字钢
2） IV 级围岩。 从计算结果可以看出，IV 级围岩下隧道开挖 完成后，3 个方案 IV 级围岩的最大主应力（σ1）分别 为：- 1.166～0.305、- 1.372～0.408 和 - 1.383～0.212 MPa；最小主应力（σ3）分别为：- 6.769～- 0.508、 - 6.225～- 0.518 和 - 6.214～- 0.517 MPa；围岩最大 剪应力（Sxy）分别为：- 2.168～2.408、- 2.570～1.522 和 - 2.549～1.494 MPa。可见，考虑围岩受拉破坏 时，σ1 显示方案 1 好于方案 2，方案 3 好于方案 1。围岩最大压剪应力（Sxy）显示方案 1 最差，但方 案 1 的受拉影响范围较小，且施工方便。因此，方 案 1 优于其它 2 个方案。 4.3 围岩屈服接近度特征
0பைடு நூலகம்3
78.5
0.26
78.5
0.2
23.0
2 300
内摩擦角 φ（/ °）
备注
-
-
长 5.0 m，直径
0.025 m，间距 0.7 m
-
55.0
长 4.0 m，直径
-
0.025 m，间距 1.0 m
-
55.0
况，本文就单侧扩建（方案 1）、两侧扩建（方案 2） 和周围扩建（方案 3）3 种形式用于大帽山隧道扩建 进行有限元计算，分析 3 种扩建形式下 IV 级和 V 级围岩条件下围岩、应力、屈服情况，从而为大帽 山隧道选取合理的扩建形式提供依据。 3.3 计算模型
在原隧道旁新增隧道和小净距隧道类似，施工 工艺相对简单，目前施工经验也相对成熟；但在原 有隧道基础上原位扩建成大断面隧道在国内外都非 常少见，可参考的资料极少。查阅国内外相关文献 资料，目前原位扩挖隧道的类似工程主要有日本天
王山隧道扩挖— ——老旧隧道扩挖、日本大藏隧道扩 挖 以 及 关 村 坝 隧 道 扩 建 喇 叭 口 工 程 [1- 2]等 。 因 此 ， 隧道原位扩建是一个新的课题，需要研究和解决的 问题很多，很有必要开展这方面的研究工作。
摘 要：我国是一个多山的国家，也是世界上公路隧道最多的国家。在一些山区高速公路中，双向 4 车道乃至双向
6 车道公路隧道已不能适应交通量日益增长的需求，在原有公路隧道基础上改建或新建成为双向 8 车道公路隧道的
建设显得尤为迫切。单洞原位扩建隧道有单侧扩建、两侧扩建和周围扩建 3 种形式。通过大帽山隧道 IV、V 级围岩
3 种原位扩建形式的数值分析，得出采用单侧原位扩建的合理性。
关键词：隧道；原位扩建；4 车道大断面隧道
文章编号：1009- 6477(2010)05- 0093- 05
中图分类号：U459.2
文献标识码：A
Research on Expansion Modes of Two-lane to Four-lane Tunnels
上述 3 种隧道原位扩建形式虽然都能达到扩大 隧道断面的目的，但不同的形式对围岩的扰动或稳 定性影响不同，其施工工序也不同，都有其优缺 点。本文以正在改扩建的福厦漳高速公路扩建工 程— ——大 帽 山 隧 道 为 例 [3-9]， 采 用 数 值 计 算 手 段 ， 分析 3 种不同扩建形式下围岩的稳定性情况，从而
HU Juyi1, CHEN Libiao2, HUANG Lunhai1 Abstr act: China is a mountains country with the most highway tunnels in the world. In some expressways in mountainous areas, bi-directional 4-lane, even 6-lane highway tunnels are no longer adaptable to daily increasing demand of traffic volume, so the reconstruction based on original highway tunnels or new construction of bi-directional 8-lane highway tunnels is particularly stringent. Single-side expansion, double-side expansion and peripheral expansion are 3 modes for single-cave tunnels at original position. Based on a numerical analysis for 3 expansion modes at original position on wall rock of grades IV and V in Damaoshan Tunnel, this paper acquires reasonability of single-side expansion at original position. Key wor ds: tunnel; expansion at original position; 4-lane large-section tunnel
2） IV 级围岩。 同样，IV 级围岩下 3 个方案拱顶的最大下沉 位移分别为 7、6 和 6 mm，最大水平位移分别为 2、2 和 2 mm，方案 1 位移最大。但从云图可以看 出，方案 1 最大位移分布范围最小。因此，IV 级 围岩下 3 种方案位移对围岩稳定性影响也基本相 同。
单位：kPa 图 9 最大主应力
2.0×108
2 次衬砌 55 cm 3.0×108
锚杆 IV 级 18 工字钢
2 次衬砌 50 cm
2.0×108 2.0×108 3.0×108
表 2 扩建隧道支护结构设计参数
泊松比 μ
重度 γ / （kN/m3）
粘聚力 c/kPa
0.2
23.0
-
0.3
78.5
-
0.26
78.5
0.2
23.0
2 300
道围岩最大主应力结果如图 9 所示。
单位：m 图 7 开挖完成后围岩竖向位移
图 8 V 级围岩拱顶下沉位移曲线
由计算结果可以看出，3 个方案拱顶的最大下 沉位移分别为 8、5 和 5 mm，最大水平位移分别 为 5、3 和 3 mm，方案 1 位移最大。但从云图可 以看出，方案 1 最大位移分布范围最小。因此，V 级围岩下 3 种方案位移对围岩稳定性影响基本相 同。
受扩建路线的影响，大帽山隧道其中一个隧道 需要原位扩建。原位扩建后隧道为 4 车道大断面隧 道，其内轮廓见图 5[5]。
扩建隧道采用复合式衬砌结构。根据地勘资料
单位：cm 图 4 原大帽山隧道内轮廓
单位：cm 图 5 扩建后隧道内轮廓
表 1 扩建隧道围岩物理力学参数
名称 弹性模量 E/kPa 泊松比 μ 重度 γ（/ kN/m3） 粘聚力 c/kPa 内摩擦角 φ（/ °） 抗拉强度 /kPa
我国是一个多山的国家，是世界上公路隧道最 多的国家。随着经济建设的迅速发展，对公路隧道 日交通量的要求也越来越高。在一些山区高速公路 中，双向 4 车道乃至双向 6 车道公路隧道已不能适 应交通量日益增长的需求，故在原有公路隧道基础 上改建或新建成为双向 8 车道公路隧道的建设显得 尤为迫切。
由双洞双向 4 车道改建为双向 8 车道隧道主要 有以下 3 种方案：1） 在原有隧道旁新建 2 个 2 车 道隧道形成 4 洞双向 8 车道隧道；2） 在原有隧道 旁新建一个 2 车道隧道，另一个隧道原位扩建成 4 车道大断面隧道，形成 3 洞双向 8 车道隧道；3） 把原有 2 车道隧道原位扩建成 2 个 4 车道隧道，形 成双洞双向 8 车道大断面隧道。
图 6 为大帽山隧道 3 种不同扩建形式的有限元
（a） 方案 1 有限元模型
（b） 方案 2 有限元模型
（c） 方案 3 有限元模型 图 6 有限元计算模型
网格划分，采用平面应变单元进行计算。 3.4 计算过程控制
数值计算模拟整个隧道的施工过程，分施工步 进行计算，具体过程如下。
1） 扩建形式 1。 施工步 1：初始应力状态模拟； 施工步 2：开挖左侧导洞（包括拆除原洞 2 次 衬砌）； 施工步 3：隧道左侧导坑初期支护、临时支护 和开挖右侧导坑上台阶； 施工步 4：右侧导坑上台阶初期支护、临时支 护、开挖右侧导坑下台阶，右侧导坑下台阶初期支 护； 施工步 5：隧道 2 次衬砌。 2） 扩建形式 2、3。 施工步 1：初始应力状态模拟； 施工步 2：开挖右侧导洞上台阶（包括拆除右侧 导洞上台阶原洞 2 次衬砌），右侧导洞上台阶初期 支护； 施工步 3：开挖右侧导洞下台阶（包括拆除右侧 导洞下台阶原洞 2 次衬砌），右侧导洞下台阶初期 支护； 施工步 4：开挖左侧导洞上台阶（包括拆除右侧 导洞上台阶原洞 2 次衬砌），左侧导洞上台阶初期 支护； 施工步 5：开挖左侧导洞下台阶（包括拆除左侧 导洞下台阶原洞 2 次衬砌），左侧导洞下台阶初期 支护； 施工步 6：隧道 2 次衬砌。
根据前述隧道原位扩建方案和大帽山隧道情
图 3 周围扩建形式
提出合理的扩建形式。
2 工程概况 福州—厦门高速公路是福建省修建的第 1 条高
速公路，其中泉州至厦门段高速公路 1994 年开工， 1997 年建成运营，大帽山隧道为泉州至厦门段高 速公路中的一座隧道。
原大帽山为双洞 4 车道分离式隧道，左右洞均 位于直线段内，长度均为 582 m。隧道纵坡均为 - 2.0%，进出口均为仰斜式洞门，洞内采用电光照 明和机械通风，隧道防水采取以排为主，防排结合 的综合措施。隧道结构按新奥法原理进行设计，采 用复合式衬砌。原隧道建筑内轮廓见图 4。
公路交通技术 2010 年 10 月 第 5 期
Technology of Highway and Transport Oct.2010 No.5
2 车道隧道扩建成 4 车道隧道扩建形式研究
胡居义 1，陈礼彪 2，黄伦海 1
（1. 招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067；2. 福建省高速公路建设总指挥部， 福州 350001）
4 计算结果及分析
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公路交通技术
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4.1 位移分析 1） V 级围岩。 隧道开挖完成后，V 级围岩下 3 种扩建形式
的隧道围岩位移对比分析结果如图 7 所示。3 种形 式拱顶的竖向位移随施工步的变化过程曲线如图 8 所示。
4.2 应力分析 1） V 级围岩 隧道开挖完成后（未作 2 次衬砌）3 个方案的隧
1 隧道原位扩建形式 受改建路线的限制，根据扩建隧道与原隧道的
位置关系，单洞原位扩建可以归纳为以下 3 种形 式：一是单侧扩建（图 1），即原隧道的一侧边与扩 建隧道重合；二是两侧扩建（图 2），即原隧道在扩 建隧道的中间，但底边与原隧道重合；三是周围扩 建，即原隧道在扩建隧道的内部，边缘与扩建隧道 均不重合（图 3）。
收稿日期：2010- 06- 18 作者简介：胡居义（1979-），男，江西省高安市人，博士，工程师.
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和设计资料，确定本次计算所采用的 IV、V 级围 岩的物理力学参数见表 1，支护结构的计算参数见 表 2。
图 1 单侧扩建形式 图 2 两侧扩建形式
3 计算方案 3.1 计算软件
从计算结果可以看出，隧道开挖完成后，3 个 方案围岩的最大主应力（σ）1 分别为：- 0.954～ 0.098、 - 1.016～ 0.087 和 - 0.575～0.118MPa；最小主应力 （σ3）分别为：- 2.639～- 0.075、- 2.251～- 0.175 和 - 1.970～- 0.147 MPa；围岩最大压剪应力（Sxy）分别 为 ： - 0.481 ～0.475、 - 0.776 ～0.516 和 - 0.779 ～ 0.331 MPa。可见，考虑围岩受拉破坏时，方案 1 好于方案 2，方案 3 好于方案 1，但方案 3 的受拉 影响范围较大，且施工复杂。因此，方案 1 优于其 它 2 个方案。
V 级围岩
1.0×106
0.4
23.0
IV 级围岩
3.0×106
0.35
23.0
50.0
20.0
400.0
35.0
20.0 150.0
2010 年 第 5 期
胡居义，等：2 车道隧道扩建成 4 车道隧道扩建形式研究
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名称 喷射混凝土
弹性模量 E/kPa
2.8×108
锚杆 V级
2.0×108
20 b 工字钢
2） IV 级围岩。 从计算结果可以看出，IV 级围岩下隧道开挖 完成后，3 个方案 IV 级围岩的最大主应力（σ1）分别 为：- 1.166～0.305、- 1.372～0.408 和 - 1.383～0.212 MPa；最小主应力（σ3）分别为：- 6.769～- 0.508、 - 6.225～- 0.518 和 - 6.214～- 0.517 MPa；围岩最大 剪应力（Sxy）分别为：- 2.168～2.408、- 2.570～1.522 和 - 2.549～1.494 MPa。可见，考虑围岩受拉破坏 时，σ1 显示方案 1 好于方案 2，方案 3 好于方案 1。围岩最大压剪应力（Sxy）显示方案 1 最差，但方 案 1 的受拉影响范围较小，且施工方便。因此，方 案 1 优于其它 2 个方案。 4.3 围岩屈服接近度特征
0பைடு நூலகம்3
78.5
0.26
78.5
0.2
23.0
2 300
内摩擦角 φ（/ °）
备注
-
-
长 5.0 m，直径
0.025 m，间距 0.7 m
-
55.0
长 4.0 m，直径
-
0.025 m，间距 1.0 m
-
55.0
况，本文就单侧扩建（方案 1）、两侧扩建（方案 2） 和周围扩建（方案 3）3 种形式用于大帽山隧道扩建 进行有限元计算，分析 3 种扩建形式下 IV 级和 V 级围岩条件下围岩、应力、屈服情况，从而为大帽 山隧道选取合理的扩建形式提供依据。 3.3 计算模型
在原隧道旁新增隧道和小净距隧道类似，施工 工艺相对简单，目前施工经验也相对成熟；但在原 有隧道基础上原位扩建成大断面隧道在国内外都非 常少见，可参考的资料极少。查阅国内外相关文献 资料，目前原位扩挖隧道的类似工程主要有日本天
王山隧道扩挖— ——老旧隧道扩挖、日本大藏隧道扩 挖 以 及 关 村 坝 隧 道 扩 建 喇 叭 口 工 程 [1- 2]等 。 因 此 ， 隧道原位扩建是一个新的课题，需要研究和解决的 问题很多，很有必要开展这方面的研究工作。
摘 要：我国是一个多山的国家，也是世界上公路隧道最多的国家。在一些山区高速公路中，双向 4 车道乃至双向
6 车道公路隧道已不能适应交通量日益增长的需求，在原有公路隧道基础上改建或新建成为双向 8 车道公路隧道的
建设显得尤为迫切。单洞原位扩建隧道有单侧扩建、两侧扩建和周围扩建 3 种形式。通过大帽山隧道 IV、V 级围岩
3 种原位扩建形式的数值分析，得出采用单侧原位扩建的合理性。
关键词：隧道；原位扩建；4 车道大断面隧道
文章编号：1009- 6477(2010)05- 0093- 05
中图分类号：U459.2
文献标识码：A
Research on Expansion Modes of Two-lane to Four-lane Tunnels
上述 3 种隧道原位扩建形式虽然都能达到扩大 隧道断面的目的，但不同的形式对围岩的扰动或稳 定性影响不同，其施工工序也不同，都有其优缺 点。本文以正在改扩建的福厦漳高速公路扩建工 程— ——大 帽 山 隧 道 为 例 [3-9]， 采 用 数 值 计 算 手 段 ， 分析 3 种不同扩建形式下围岩的稳定性情况，从而
HU Juyi1, CHEN Libiao2, HUANG Lunhai1 Abstr act: China is a mountains country with the most highway tunnels in the world. In some expressways in mountainous areas, bi-directional 4-lane, even 6-lane highway tunnels are no longer adaptable to daily increasing demand of traffic volume, so the reconstruction based on original highway tunnels or new construction of bi-directional 8-lane highway tunnels is particularly stringent. Single-side expansion, double-side expansion and peripheral expansion are 3 modes for single-cave tunnels at original position. Based on a numerical analysis for 3 expansion modes at original position on wall rock of grades IV and V in Damaoshan Tunnel, this paper acquires reasonability of single-side expansion at original position. Key wor ds: tunnel; expansion at original position; 4-lane large-section tunnel
2） IV 级围岩。 同样，IV 级围岩下 3 个方案拱顶的最大下沉 位移分别为 7、6 和 6 mm，最大水平位移分别为 2、2 和 2 mm，方案 1 位移最大。但从云图可以看 出，方案 1 最大位移分布范围最小。因此，IV 级 围岩下 3 种方案位移对围岩稳定性影响也基本相 同。
单位：kPa 图 9 最大主应力
2.0×108
2 次衬砌 55 cm 3.0×108
锚杆 IV 级 18 工字钢
2 次衬砌 50 cm
2.0×108 2.0×108 3.0×108
表 2 扩建隧道支护结构设计参数
泊松比 μ
重度 γ / （kN/m3）
粘聚力 c/kPa
0.2
23.0
-
0.3
78.5
-
0.26
78.5
0.2
23.0
2 300
道围岩最大主应力结果如图 9 所示。
单位：m 图 7 开挖完成后围岩竖向位移
图 8 V 级围岩拱顶下沉位移曲线
由计算结果可以看出，3 个方案拱顶的最大下 沉位移分别为 8、5 和 5 mm，最大水平位移分别 为 5、3 和 3 mm，方案 1 位移最大。但从云图可 以看出，方案 1 最大位移分布范围最小。因此，V 级围岩下 3 种方案位移对围岩稳定性影响基本相 同。
受扩建路线的影响，大帽山隧道其中一个隧道 需要原位扩建。原位扩建后隧道为 4 车道大断面隧 道，其内轮廓见图 5[5]。
扩建隧道采用复合式衬砌结构。根据地勘资料
单位：cm 图 4 原大帽山隧道内轮廓
单位：cm 图 5 扩建后隧道内轮廓
表 1 扩建隧道围岩物理力学参数
名称 弹性模量 E/kPa 泊松比 μ 重度 γ（/ kN/m3） 粘聚力 c/kPa 内摩擦角 φ（/ °） 抗拉强度 /kPa
我国是一个多山的国家，是世界上公路隧道最 多的国家。随着经济建设的迅速发展，对公路隧道 日交通量的要求也越来越高。在一些山区高速公路 中，双向 4 车道乃至双向 6 车道公路隧道已不能适 应交通量日益增长的需求，故在原有公路隧道基础 上改建或新建成为双向 8 车道公路隧道的建设显得 尤为迫切。
由双洞双向 4 车道改建为双向 8 车道隧道主要 有以下 3 种方案：1） 在原有隧道旁新建 2 个 2 车 道隧道形成 4 洞双向 8 车道隧道；2） 在原有隧道 旁新建一个 2 车道隧道，另一个隧道原位扩建成 4 车道大断面隧道，形成 3 洞双向 8 车道隧道；3） 把原有 2 车道隧道原位扩建成 2 个 4 车道隧道，形 成双洞双向 8 车道大断面隧道。
图 6 为大帽山隧道 3 种不同扩建形式的有限元
（a） 方案 1 有限元模型
（b） 方案 2 有限元模型
（c） 方案 3 有限元模型 图 6 有限元计算模型
网格划分，采用平面应变单元进行计算。 3.4 计算过程控制
数值计算模拟整个隧道的施工过程，分施工步 进行计算，具体过程如下。
1） 扩建形式 1。 施工步 1：初始应力状态模拟； 施工步 2：开挖左侧导洞（包括拆除原洞 2 次 衬砌）； 施工步 3：隧道左侧导坑初期支护、临时支护 和开挖右侧导坑上台阶； 施工步 4：右侧导坑上台阶初期支护、临时支 护、开挖右侧导坑下台阶，右侧导坑下台阶初期支 护； 施工步 5：隧道 2 次衬砌。 2） 扩建形式 2、3。 施工步 1：初始应力状态模拟； 施工步 2：开挖右侧导洞上台阶（包括拆除右侧 导洞上台阶原洞 2 次衬砌），右侧导洞上台阶初期 支护； 施工步 3：开挖右侧导洞下台阶（包括拆除右侧 导洞下台阶原洞 2 次衬砌），右侧导洞下台阶初期 支护； 施工步 4：开挖左侧导洞上台阶（包括拆除右侧 导洞上台阶原洞 2 次衬砌），左侧导洞上台阶初期 支护； 施工步 5：开挖左侧导洞下台阶（包括拆除左侧 导洞下台阶原洞 2 次衬砌），左侧导洞下台阶初期 支护； 施工步 6：隧道 2 次衬砌。