第 1 章 绪论
1.1 研究的背景及意义
1.1.1 研究的背景
随着我国经济的迅速发展，乡村人口不断往城市流动，城市与乡村间的交通量呈显著增长，城市化问题日趋严重，城市内部以及城市与城市间的交通量呈现出飞跃式增长。如何解决迅速增长的交通量带来的拥堵问题，已成为当今社会发展亟需解决的一项难题。高速公路道路网的修建在一定程度上减少了交通量增长带来的压力。我国地形地势情况复杂，山脉水道纵横交错，山地面积占比大，约为国土面积的 75％，高速公路网的修建势必伴随着公路隧道的开挖。截至 2017年末，全国公路总里程达 477.35 万 km，比 2016 年增加 7.82 万 km；高速公路里程达 13.65 万 km，比 2016 年增加 0.65 万 km，其中高速公路为 10.23 万 km，增加 0.39 万 km；全国公路隧道共计 16229 处、1528.51 万 m，比 2016 年增加 1048处、124.54 万 m，其中特长隧道(长度＞3km)902 处、401.32 万 m，长隧道(1km≤长度≤3 km) 3841 处、659.93 万 m[1]。
在一些交通量大的城市，既有高速公路已不能满足交通高峰期时的交通需求，而对既有高速公路进行拓宽改造可以有效解决这个问题。“统筹研究和规划早期建成的高速公路的改造扩容问题[2]”是交通部早在 2004 年就提出的工作内容，对既有高速公路的拓宽改造已经成为必然的趋势。在对既有高速公路的拓宽改造中，对既有公路隧道扩挖改造是一项重要的内容，并且已经获得了大量专家学者的高度重视[3]。
早期修建的公路隧道，由于公路等级较低、设计施工技术不成熟以及短期投入较大的原因，公路隧道的长度及宽度都相对较小，多以双向四车道甚至双向两车道为主。在经济发展较快的城市，既有双向两车道及双向四车道公路隧道已经远远满足不了交通量的需求。因此，将既有两车道及既有四车道扩挖改造成双向六车道作为一项重要方案，被越来越多专家学者采纳运用。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 隧道改扩建研究
国外专家学者针对既有隧道断面不足的问题已经做了许多研究，且取得了大量成果。此类隧道的扩挖工程不仅需要详细了解旧隧道的衬砌种类以及衬砌的强度和状态，还需要清楚衬砌与基底岩面的粘结状况。主要的施工步骤包括扩大其拱墙部分或仰拱部分，及施作新的拱墙衬砌或底板。
国外比较著名的原位扩建隧道主要有日本名神高速公路天王山隧道扩挖工程[5]，日本大藏隧道扩挖工程[6]。其中天王山隧道属于典型的老旧隧道扩挖工程，该隧道处于粘土、沙层、断层带等不良地质条件下，衬砌混凝土的厚度有 1~1.2m，最厚的地方达到了 3m，施工时采用了由地表打入的抗滑桩、长距离钢管以及高强混凝土等辅助工法减少扩挖对周围岩层造成的扰动。大藏隧道是比较典型的单侧扩挖方案，施工过程中采用了钢制防护板对隧道结构进行防护，并对侧壁围岩进行了锚杆补强。
日本的塔之峰隧道[7]，针对既有隧道断面不足的问题成功完成了扩建，实现扩建的步骤为首先扩挖隧道的拱墙或者仰拱部位，然后再施作新的衬砌。
孙亮亮[8]在研究隧道改扩建问题时，采用了将模型试验与有限元软件相结合的办法，指出改扩建隧道的围岩稳定性更差，尤其是在竖直方向上，应采取比新建隧道工程更为安全的支护措施。此外，改扩建隧道的拱顶围岩稳定性最差，改扩建隧道的支护体系比新建隧道的支护体系承受更大的荷载。
彭念[9]研究分析了原位扩挖隧道的力学机理，将现场试验与数值分析相结合，对原位扩挖隧道工程的施工控制进行了探讨，原位扩挖隧道工程在采用台阶法进行施工时，扩挖隧道的应力会小于采用层层剥皮法施工的应力。原位隧道扩挖工程应力最大值一般出现在既有隧道拱脚位置。当采用不同的施工方法对既有隧道进行扩挖时，扩挖隧道拱顶下沉变化明显，拱底隆起变化不大。
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第 2 章 隧道扩挖工程稳定性数值分析
2.1 工程简介
依托工程位于福州市区下院至上坂之间，为整体式衬砌结构，由两座机动车隧道组成。该隧道建成于 1987 年，为单洞两车道、双向 4 车道，两洞成分离式布置，北洞长 740.2 米，南洞长 740 米，既有隧道横断面图如图 2-1。
本次隧道改造主要是对隧道进行原位拓宽，把原单洞 2 车道分别拓宽为单洞3 车道+1 个非机动车道+1 个人行道，改造后断面由双向 4 车道扩宽为双向 6 车道+2 个非机动车道+2 个人行道。拓宽隧道北洞桩号 NK8+068.8～NK8+809，拓宽隧道南洞桩号 SK8+073～YK8+813。对洞中既有的车行横洞及人行横洞进行原位改造，隧道扩挖剖面图如图 2-2。
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2.2 工程概况
2.2.1 地形地貌
拟建场地地形波状起伏，隧道所处场地最高点标高约为 160m，最低点标高约为 15m。地貌单元属剥蚀残丘地貌。因为拟建工程为既有隧道拓宽改造，进出口已进行衬砌支护。隧道沿线山体植被较发育，自然斜坡稳定，未见有滑坡、泥石流等不良地质作用。
2.2.2 地质构造
扩挖隧道位于闽东火山断坳带中段的福州断陷盆地东南侧边缘和北东向长乐-南澳深断裂之间，鼓岭隆升区南侧边缘的魁岐岩体之中，出露的岩性为燕山晚期晶洞花岗岩。受不同时期构造应力场的作用，岩石中存在不同方位的次生裂隙及原生节理，节理裂隙较为发育。
2.2.3 地下水文条件
隧道所在区域内未见有明显地表水，主要为降水时临时性地表汇流，往低处排泄。进口段为山间沟谷，多数情况下为干涸状况。局部分布排水沟。
冲沟本身沿着辉绿岩脉方向发育，见常年性流水，流量约 2~4 升/秒。自隧道中线沿着冲沟北东约 100~150m 左右为一小型水库。由于人工建筑等原因，穿过两个隧道之间路面的排泄沟约 1.0×1.3m2 大小，在特大暴雨的情况下，存在洪水倒灌隧道的可能性。因此在隧道扩挖施工中，有必要加宽排泄沟。
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第 3 章 扩挖隧道围岩稳定性能量耗散突变模型研究................................55
3.2 突变理论...............................55
第 4 章 既有双洞扩挖隧道动力稳定性分析......................................80
4.1 引言.................................80
4.2 时程分析法的基本原理................................80
第 5 章 结论与展望......................................92
5.1 主要研究结论..............................92
5.2 不足之处及展望................................93
第 4 章 既有双洞扩挖隧道动力稳定性分析
4.1 引言
对隧道扩挖施工静力学稳定性进行分析，可以为隧道扩挖施工提供优化指导，但随着近年来地震灾害的频频发生，地震灾害的预防治理成为了人们讨论的热门话题，因此本章对扩挖隧道的地震响应进行研究，探讨隧道扩挖工程的动力学稳定性。
本文以时程分析法为基础，利用 MIDAS/GTS NX 有限元软件，结合实际工程情况，研究扩挖隧道衬砌结构在地震作用下的位移与应力，对比分析扩挖与未扩挖隧道的抗震性能，为实际工程的抗震设计提供参考[69]。
时程分析法是一种利用逐步积分求解的方式，对结构体系的动力方程进行求解的方法。在对扩挖隧道进行抗震分析时，主要是对扩挖隧道衬砌结构的动力方程进行求解，并最终利用扩挖隧道衬砌结构的弹性或非弹性性能，得到隧道结构从静止到开始震动，直至震动结束状态整个过程的地震响应[70]。
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第 5 章 结论与展望
5.1 主要研究结论
本文依托实际隧道扩挖工程，利用 MIDAS /GTS 有限元软件对隧道扩挖施工进行数值模拟，同时结合能量耗散突变理论，对扩挖隧道支护结构的受力及变形情况进行了分析，对比了不同施工方法对隧道扩挖施工的影响，分析了隧道扩挖施工引起的地表沉降规律，建立了隧道变形失稳时的能量耗散突变判据，并结合数值模拟结果分析了隧道扩挖工程的安全性。研究了扩挖隧道在地震荷载作用下的地震响应，对扩挖隧道衬砌结构在地震荷载作用下的位移和内力变化规律进行了分析总结，对比分析了隧道扩挖前后地震响应的差异。主要的研究工作及结果如下：
（1）既有隧道围岩初始竖向上的位移在拱顶及拱底处达到峰值，南北既有隧道拱顶出现 2.4mm 的最大沉降，拱底出现 2.9mm 的隆起。既有隧道围岩初始应力场分布规律大致相同，既有南北隧道拱脚底部围岩在隧道扩挖施工前均已发生塑性变形，建议在扩挖施工前对隧道拱脚位置进行适当的注浆加固。
（2）扩挖隧道围岩的竖向位移以南北扩挖两洞的对称线为中心左右近似对称，但受相邻隧道影响，拱顶及拱底处竖向位移在靠近相邻隧道一侧会大于另一侧。单侧拓宽上台阶弧形分步开挖法施工时，最大竖向位移为 7.5mm；CD 工法施工时，最大竖向位移为 7.4mm，南北扩挖隧道未出现较大竖向位移。
（3）隧道扩挖施工时地表沉降曲线呈单漏斗和 W 形，隧道顶部偏相邻隧道一侧地表沉降最大，单侧拓宽上台阶弧形分步开挖法施工引起的地表沉降最大值为 5.7mm；CD 工法施工引起的地表沉降最大值为 5.5mm。沿着隧道两侧向外地表沉降逐渐减小，南洞隧道扩挖会增加北洞扩挖隧道的地表沉降。当一侧隧道进行扩挖施工时，应对相邻隧道顶部采取适当的加强措施。
（4）隧道扩挖施工中轴力最大值（单侧拓宽上台阶弧形分步开挖法：658.68kN，CD 工法：492.67kN）主要分布在扩挖隧道的拱顶及拱底；剪力最大值（单侧拓宽上台阶弧形分步开挖法：109.46kN，CD 工法：97.83kN）主要分布在拱顶和拱脚；弯矩最大值（单侧拓宽上台阶弧形分步开挖法：48.83kN·m，CD工法：15.84kN·m）主要分布在拱腰和拱脚。受相邻隧道的影响，靠近相邻隧道一侧初支结构的轴力、剪力和弯矩会大于另一侧，扩挖施工时应注意加强拱顶、拱脚和拱腰，并适当增加配筋。
参考文献（略）