21世纪以来，我国公路隧道迎来规模空前的建设热潮，国内修建大量公路隧道，同时国内交通运输业的大力发展对既有道路提出新要求，国家开始着力改扩建原有国道和省道。目前我国沿海地区对硬岩隧道改扩建工程积累大量的设计与施工经验，针对黄土地区隧道改扩建还缺乏一定经验积累 ^{[1,2,3,4,5,6,7]}。

　　 下嵋芝旧隧道位于吕梁市柳林县下嵋芝村西南，省道S248三大线K71+040.000—K71+288.000处，隧道全长248m，净宽7.5m。断面为直墙式单心圆隧道，拱圈采用素水泥混凝土，两侧边墙采用浆砌块石、沥青混凝土路面，隧址区地层岩性结构简单，范围内出露地层由新到老依次为第四系上更新统马兰组、中更新统离石组组成。

　　 隧道边仰坡处为黄土地质，以坚硬性粉土为主，垂直节理发育，易受雨水侵蚀，具有湿陷性与中等压缩特性，边坡稳定性较差，隧道洞身围岩为黄土，自稳性差，临时支护与旧衬砌拆除、扩挖等工序繁多，施工进度较慢。现场考察发现，原有旧隧道洞内局部段落存在侧墙向洞内鼓出的现象，原衬砌出现较大裂缝，说明主动土压力较大，侧墙后围岩处于松散状态，需提前采取加固措施。

　　 下嵋芝隧道扩建工程按二级公路技术标准，基于新奥法进行设计，平面线形与纵断面高程均维持现状，平面为缓和曲线加直线，纵断面处于0.35%单向坡。扩建后隧道长248m，净宽10m，净高5m，隧道断面为三心圆形式，如图1所示。洞口仰坡采取挂网喷锚支护，浆砌片石截水沟，复合式衬砌，复合式路面。隧道进口明洞为12m，采用端墙式洞门。出口明洞14m，采用翼墙式洞门。

　　 本隧道地质属Ⅴ级围岩，Ⅴ级浅埋围岩147m，初期支护为全拱墙型钢支撑+全拱墙双层钢筋网+28cm厚喷射混凝土，同时配合超前小导管支护，二次衬砌为50cm厚C30钢筋混凝土(带仰拱)，仰拱填充为C15片石混凝土;Ⅴ级深埋围岩75m，初期支护为全拱墙型钢支撑+全拱墙单层钢筋网+26cm厚喷射混凝土，同时配合超前小钢管支护，二次衬砌为45cm厚C30钢筋混凝土(带仰拱)，仰拱填充为C15片石混凝土。隧道进出口进暗洞段设计30m长φ108大管棚超前支护。各围岩隧道复合式衬砌支护参数如表1所示。

　　 1)本隧道是黄土隧道扩建工程，设计为Ⅴ级围岩，土体稳定性较差，洞身两侧及底部可能存在围岩松散和隆起现象，增加施工控制难度。

　　 2)下嵋芝隧道为扩挖改建隧道，新旧隧道拱顶处外轮廓线基本一致，而在起拱线高度，隧道向两侧扩挖1.75m，施工过程中掌子面为镂空状态。

　　 3)隧道边仰坡处为黄土地质，以坚硬粉性土为主，垂直节理发育，易受雨水侵蚀，具有湿陷性与中等压缩特性，边坡稳定性较差。

　　 4)隧道洞身围岩为黄土，自稳性差，临时支护安装、拆除与旧衬砌拆除、扩挖等工序繁多，施工进度较慢。

　　 在旧隧道基础上改扩建新隧道，有别于常规新奥法隧道施工，主要增加旧隧道临时支护施工过程，施工中随着原有支护拆除，围岩自承能力有可能突发性消失，存在塌方的可能性很大。

　　 套拱及管棚施工前，在旧隧道洞内支设I18临时钢拱架进行临时支撑，拱架间距60cm，拱架间采用钢筋连成整体，增加稳定性。临时拱架支设长度不小于设计洞径的1倍，如图2所示。

　　 完成套拱及管棚施作后，首先拆除旧洞内拱部第2榀临时拱架，然后用破碎锤拆除约70cm长旧洞拱部衬砌，人工配合挖掘机进行洞顶扩挖。扩挖后根据测量放样点位架设拱部第1榀初期支护钢拱架，在拱脚两侧施作锁脚锚管固定后，施作超前小导管，施工时打入长管棚间，最后注浆，如图3所示。

　　 根据对既有隧道监控量测数据的指导，向前继续拆除拱部临时支撑拱架，开挖拱部旧隧道衬砌及围岩(1～2榀距离)至旧隧道拱脚高度。人工配合挖掘机施作拱部初期支护钢拱架及锁脚锚管，然后锚喷防护。

　　 在破碎锤作业范围内，拆除旧隧道左侧衬砌至设计隧道起拱线高度，扩挖拱腰部围岩至拱架支设位置，安装拱腰部钢拱架，拱架底部打入锁脚锚杆与拱架焊牢，初喷射混凝土，然后挂钢筋网完成系统锚杆并喷射混凝土到设计厚度，如图4所示。

　　 完成左侧初支后，拆除旧隧道右侧侧墙至起拱线高度，扩挖拱部围岩到拱架支设位置，安装拱部钢拱架，拱架底部打入锁脚锚杆与拱架焊牢，初喷混凝土，然后挂钢筋并完成系统锚杆，喷射混凝土到设计厚度，如图5所示。

　　 先拆除水平与竖向临时支撑拱架，然后拆除旧洞左侧侧墙，开挖左侧围岩至隧道墙脚高度，安装钢拱架，在拱架底部打入锁脚锚管与拱架焊牢，初喷混凝土，然后挂钢筋网完成系统锚杆，喷射混凝土到设计厚度，如图6所示。

　　 左侧初支完成后，拆除旧洞右侧侧墙并开挖左侧侧墙，开挖围岩至隧道墙脚高度，安装边墙钢拱架，拱架底部打入锁脚锚管与拱架焊牢，初喷混凝土，然后挂钢筋网完成系统锚杆，喷射混凝土到设计厚度，如图7所示。

　　 根据隧道监控量测数据，开挖隧道仰拱围岩，每次距离≤4.5m时，施作仰拱初期支护及锚喷混凝土，及时使初支封闭成环。隧道内采用锚杆钻机施工超前小钢管及砂浆锚杆;装载机配合人工架立钢支撑，湿喷法施工喷射混凝土;隧道专用侧翻装载机与自卸汽车完成装渣、运输工作。二衬混凝土采用拌合站集中拌合，搅拌运输车运输，混凝土输送泵泵送至液压衬砌台车，完成断面衬砌一次成型，如图8所示。

　　 依据设计文件及JTGF 60—2009《公路隧道施工技术规范》，对既有旧隧道及扩建后的新隧道布设拱顶与周边收敛监测断面，旧隧道共布设25个断面，新隧道共布设27个断面，断面间距5.0～10.0m，数据采用LEICA-TM50全站仪进行无接触测量，受外界干扰小，测点与测线布置如图9所示。

　　 如图9所示，旧隧道测点(A,B,C,D,E)通过膨胀螺栓布设在原旧衬砌结构表面，新隧道测点(H,G,I,J,K)通过膨胀螺栓布设在新隧道初衬支护上。旧隧道测点主要反映后方原衬砌结构拆除过程中和临时支撑拆除时，旧衬砌结构的沉降与变形，旧隧道测点处拆除衬砌，本断面监测结束;新建隧道初衬结构测点主要反映新隧道初衬结构在围岩荷载作用下，初衬结构沉降和变形情况。

　　 旧隧道及新隧道因为隧道开挖，周边围岩应力重新分布，隧道衬砌结构将发生相应变形和位移，隧道沉降累计变化量均值呈空间分布，沉降累计变化量正态分布呈特有规律，隧道累计变化量空间分布规律如图10所示。

　　 根据拱顶沉降所有测点累计变化量高斯正态分布规律，分析累计沉降量的期望值，高斯正态分布函数表示为g(x)=y₀+a×e^{-2×[(x-u)/w]2}，其中u为隧道拱顶累计沉降变化量数学期望值。累计变化量正态分布规律如图11所示。

　　 由上述分析可知，旧隧道拱顶累计沉降量最大可达-3.57mm，均值为-1.54mm，数学期望值为-1.24mm;新隧道拱顶累计沉降量最大可达-15.04mm，均值为-9.16mm，数学期望值为-8.65mm。

　　 依据新旧隧道拱顶沉降分析方法，分析新旧隧道周边收敛累计变化量空间分布规律及正态分布规律，如图12,13所示。

　　 由上述分析可知，旧隧道周边收敛累计量最大值可达-4.22mm，均值为-1.81mm，数学期望值为-1.24mm;新隧道周边收敛累计量最大值可达-23.15mm，均值为-13.31mm，数学期望值为-8.42mm。

　　 基于低等级公路黄土隧道改扩建工程，在分析工程特点难点的基础上，提出合理的施工组织方案，通过监控量测技术及时把控开挖期间风险。

　　 旧隧道原衬砌结构的拆除和临时支撑移除会引起旧隧道衬砌结构的沉降与变形，新建隧道衬砌结构沉降变形较旧隧道衬砌结构沉降变形大。旧隧道拱顶沉降最大值达-3.57mm，周边收敛最大值达-4.22mm;新建隧道初支拱顶沉降最大值达-15.04mm，周边收敛最大值达-23.15mm。

　　 监控量测数据表明，下嵋芝隧道改扩建工程采用临时支护措施及合理开挖方法，可较好控制工程风险。