0 引言
随着中国高速公路隧道通行能力提升需求日益迫切，原位单侧加宽已成为兼顾节约土地与降低运营干扰的优选方案，但其施工中面临的围岩二次扰动显著、既有结构受力复杂、传统工法效率低下等困难，制约了工程安全与进度
［1-3］。因此，研发具有高刚度、快速成型特点的新型衬砌及配套技术具有重要意义。
在波纹钢板性能研究方面，国外研究始于公路涵洞，Taleb等
［4］通过现场测试与有限元分析，揭示了波纹钢板与土体协同工作的柔性结构机理；El-Sawy
［5］采用三维有限元方法深化了车辆荷载下波纹钢板的力学行为规律。中国相关研究随后跟进，杨猛等
［6］探讨了工程应用的可行性；季文玉
［7］通过系统试验与仿真，为设计提供了理论支撑。近年来，研究扩展至隧道工程，黄明利等
［8］通过足尺试验研究了波纹钢板作为初期支护接头的力学特性；Sun等
［9］则引入了机器学习方法进行性能预测，推动了该领域向智能化发展。
在隧道扩挖工艺方面，禿和英等
［10］系统总结了运营条件下隧道的原位扩挖技术；先明其
［11］详细介绍了日本天王山隧道的改扩建实例。针对具体方法，刘泉声等
［12］通过数值模拟优化了扩建方案；谭仪忠等
［13］针对单侧浅埋隧道扩建，研究了合理开挖步序以降低围岩扰动，其后续研究进一步印证了优化施工方案对变形控制的有效性
［14］。此外，梁肖等
［15］研究了洞口浅埋段大断面施工的微台阶法与掌子面加固方法；施有志等
［16］针对Ⅴ级石质特大跨度隧道，优化了双侧壁导坑法以简化支撑、加快进度；周鹏等
［17］则系统阐述了黄土隧道利用车行横通道“挑顶”进入正洞的成套施工技术与风险控制措施。
在监测技术方面，传统方法主要依赖全站仪进行人工测量
［18］。如杨松林等
［19］研发了基于全站仪的自动监测系统。近年来，光纤传感技术因其抗干扰、精度高而备受关注，已有研究人员成功将分布式光纤传感技术应用于工程实践，实现了对衬砌应变的长距离、连续监测，为评估结构安全提供了关键数据支撑。
现有研究在隧道单侧加宽工况下，缺乏将预制高刚度波纹钢板衬砌作为永久结构、并配套其快速拼装工艺与设备的系统性成果。基于此，本文以高速公路隧道原位单侧加宽为背景，通过工程应用验证，研究了装配式波纹钢衬砌的力学行为，研发了专用快速拼装工艺与顶推设备，最终形成了一套“新型衬砌‒优化工艺‒智能监测”完整技术体系，为相关工程提供了新的技术路径与实践支撑。
1 工程背景
1.1 工程概况
某高速公路隧道改扩建工程位于典型的丘陵地貌区，沿线地形起伏较大，隧道最大埋深约300 m。该工程主要对既有双车道隧道进行原位单侧加宽改造，以提升至三车道通行标准。扩建后隧道跨度增大到16 m，详见
图1。工程实施范围涵盖隧道主体结构的扩挖与新建，涉及既有衬砌的拆除及新衬砌的安装。施工区段分布在不同埋深与地貌过渡带，整体工程规模较大，技术要求较高。采用分阶段施工组织，以兼顾既有线路运营与扩建作业的安全协调。
1.2 工程地质与水文地质条件
本工程区隧道穿越围岩以Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级为主，其中Ⅴ级围岩段地质条件较差，常见残坡积层厚度大、岩体节理裂隙发育等情况。水文地质条件相对简单，地下水类型以基岩裂隙水为主，局部发育第四系松散岩类孔隙水，但受地形坡度大、径流短等因素影响，基岩风化裂隙不发育，地下水储量总体贫乏，仅雨季或构造带附近可能出现短暂渗流，对施工影响较小。整体而言，场区工程地质条件复杂程度中等，但Ⅴ级围岩段需重点关注围岩变形与控制。
1.3 工程难点
本工程面临的主要难点在于既有隧道衬砌结构存在多种病害，如裂缝、空洞等，导致其承载能力有所下降，为改扩建施工带来先天隐患；同时，扩建过程中采用单侧扩挖方式，会形成显著的不对称受力状态，极易引发围岩过度变形甚至失稳，尤其在Ⅴ级围岩段，由于残坡积层厚度大、岩体节理裂隙发育，地质条件较差，进一步增加了围岩稳定性控制的难度；此外，工程还需在尽可能缩短工期、减少对现有高速公路运营干扰的前提下进行，这就要求施工必须在保障安全的同时追求高效率，对施工组织的精细化和新技术的应用提出了极高要求。这些难点相互交织，使得本工程的实施面临严峻挑战。
2 波纹钢板衬砌快速拼装施工技术
2.1 波纹钢板衬砌结构设计
波纹钢板衬砌结构设计采用箱体式分块构造，其横断面由7块预制波纹钢板管片拼装而成，具体包括左拱脚块（A）、标准块（B）、邻接块（L1）、封顶块（F）、邻接块（L2）、标准块（C）和右拱脚块（D），见
图2。
为满足单侧加宽大跨度受力及快速拼装要求，管片采用Q345钢材冷弯成型波纹钢板结构，钢板厚度为12 mm。波纹参数设计为：波高150 mm，波距400 mm。该参数组合在保证足够环向刚度的同时，可有效提升板件抗弯稳定性与抗屈曲能力。单环宽度为1.0 m，便于施工节拍控制与流水作业组织。根据现场施工组织与设备配置条件，单环理论拼装时间控制在2.5 h以内，为快速成环、缩短围岩暴露时间创造条件。
连接设计是确保结构整体性和刚度的关键，在纵向上，管片两端分别设置三角形凹槽和凸起，当前环安装时其末端的凸起插入上一环的凹槽内，而前端的凹槽则为下一环的安装预留插槽；环向连接同样采用凹槽-凸起配合，例如L2块两端均设凹槽以便F块和C块插入。所有连接接口均采用15°的开合角度，凸起接头厚度设计为4 cm，凹槽厚度则取4.2 cm，为保证拼装精度与结构可靠性，连接节点公差通过加工误差控制与现场安装偏差分析确定。钢板冷弯加工误差控制在±1 mm范围内，结合现场吊装与顶推定位误差分析，最终确定凹槽与凸起之间的设计公差差值为0.2 cm，这种精密的公差配合不仅实现了快速、精准的导向对位，更在拼装后形成了高刚度的紧密连接，有效限制了衬砌结构的变形，为控制围岩二次扰动提供了坚实的结构基础，连接设计见
图3。
2.2 首环施工
首环施工前需进行施工准备，包括检查既有衬砌结构的完整性与稳定性，并在破除点相邻段落布设监测点。施工设计如
图4所示，在围岩较差情况下，二衬拆除后需先进行径向注浆以提高围岩稳定性，注浆压力控制为0.3~0.5 MPa，随后分区域拆除初支并扩挖：首先拆除a区初支并扩挖至设计轮廓线，再拆除b区初支并扩挖（保留c、d区初支作为临时支撑），初喷8 cm厚C25混凝土封闭岩面；接着依次拼装波纹钢板管片，顺序为左拱脚块A、标准块B、邻接块L1、封顶块F、邻接块L2，并通过管片预留孔打设系统锚杆固定，拼装阶段采用专用液压顶推设备进行安装，顶推设备额定顶推力为500 kN，可满足单块管片径向定位与嵌入要求。顶推过程中通过压力监测控制顶推速率，确保连接凸起完全嵌入凹槽内后方可停止顶进；系统锚杆采用
ϕ22 mm HRB400钢筋，长度3.0 m，环向间距1.2 m，纵向间距1.0 m，形成稳定的临时支护体系。锚杆施工完成后拆除c区初支并扩挖，拼装标准块C；再拆除d区初支并扩挖，拼装右拱脚块D。仰拱开挖完成后，根据围岩稳定性情况增设I20a型工字钢横撑，横撑布设间距为0.8 m，并在铺设钢筋网片后浇筑C30混凝土。最后通过管片注浆孔灌注C40混凝土，使波纹钢板衬砌与围岩形成协同受力整体。若围岩条件较好，可简化流程，直接拆除初支后按上述顺序拼装管片，无需分区分步支护。整个过程注重控制围岩扰动，通过分块施工与快速拼装等方法保障安全。
2.3 其他环施工
在完成首环施工后，其余各环均采用三台阶法依次推进流水作业。上台阶先行施工，依次拼装管片A、B、L1、F、L2，其中封顶块F需先提升至设计位置上方适当高度，待邻接块L2就位稳定后下落至设计位置，以确保连接可靠。随后进行中、下台阶施工，分别采用顶推设备将管片C、D沿径向顶进至设计位置，并通过检查凸凹连接部确认安装到位。各台阶之间保持1.5~2.0 m安全间距，形成连续流水作业节奏，施工同样采用额定顶推力为500 kN的液压顶推装置进行径向定位安装。顶推过程中实时监测顶推力变化，确保连接节点充分嵌合。下台阶完成后进行仰拱开挖，视围岩情况增设工字钢横撑及钢筋网片，并浇筑C30混凝土。最后通过管片注浆孔灌注C40混凝土，使衬砌与围岩形成整体。该流程关键技术在于顶推设备的精准控制、各台阶长度的合理确定及各工序间的紧密衔接，从而在保证施工效率的同时最大限度减少对围岩的二次扰动，具体施工流程图见
图5。
2.4 施工安全隐患及消除对策
为确保该技术的安全可靠实施，需在高效推进的同时，对施工中潜在的风险保持警惕并制定针对性预案。关键风险主要集中在3个方面：① 管片拼装时，封顶块与邻接块可能因对位偏差导致环向连接“不到位”；② 各台阶开挖面，特别是在地质条件较差段落，存在围岩局部掉块、滑移甚至失稳的风险；③ 采用液压顶推径向安装管片时，存在因顶推力控制不当造成连接部磕碰或嵌合不实的可能。为此，建议在施工中融入动态化的风险防控措施：通过加装导向定位装置与接触压力传感器，实现连接状态的量化验证；严格执行短进尺开挖，并在开挖后视情况采用超前锚杆或速凝混凝土对暴露围岩进行快速封闭，同时加密变形监测网络，设立预警阈值；顶推作业推行“顶推力‒位移”双控标准，通过分析过程曲线判断嵌合质量，发现异常立即退检。将上述精细化控制、实时监测与预警处置机制嵌入各工序环节，能有效管控风险，在保障施工效率的同时，全面提升工程安全性与结构可靠性。
3 施工监测
3.1 施工监测体系
本工程施工监测体系以拱顶沉降、周边收敛、围岩压力、衬砌应力应变及既有结构变形为核心监测内容，全面评估围岩稳定性、荷载分布、衬砌可靠性及二次扰动风险。测点布置遵循“关键断面优先、施工环节覆盖”原则，沿隧道纵向共布设10个主监测断面，断面间距20~30 m。其中，在洞口段（Ⅴ级围岩）、地质条件突变带（Ⅳ级转Ⅴ级）及首环拼装区等重点区域加密布设，间距为10 m。在每个监测断面上，拱顶沉降测点布设于隧道拱顶轴线，周边收敛测点布设于起拱线及边墙中部（共2条测线），围岩压力及衬砌应力应变测点则对称布设于拱腰、拱脚及边墙等关键受力部位，监测点布置图如
图6所示。在洞口、地质条件突变段等关键断面及首环拼装区、台阶开挖面、衬砌接缝等典型环节加密设置。监测主要采用Leica TS60全站仪［精度±0.5″，±（0.6 mm+1×10
-6）］进行拱顶沉降与周边收敛的非接触式自动化监测；围岩压力采用振弦式土压力盒（量程0~2.5 MPa，精度0.1% F.S.）量测；衬砌应力应变采用振弦式混凝土应变计（量程±1 500×10
-6，精度0.5% F.S.）与钢板应变计（量程±1 500×10
-6，精度0.5% F.S.）采集。
监测频率根据施工阶段动态调整，活跃期高频监测，数据稳定后转为低频监测。该体系实现了对施工全过程的动态监控，既能实时预警安全风险，又能为工法优化提供数据支撑，有效保障了波纹钢板衬砌技术的安全应用，监测频率见
表1。
3.2 监测结果
为验证波纹钢板衬砌快速拼装技术的有效性，在隧道单侧加宽施工过程中对拱顶沉降、周边收敛及衬砌应力等关键参数进行了系统监测，结果如
图7所示。
（1） 围岩变形控制效果显著，拱顶沉降与周边收敛随时间变化呈典型的“快速增长‒缓慢增长‒趋于稳定”三阶段特征［
图7（a）、
图7（b）］。快速增长阶段主要发生在上台阶开挖与衬砌拼装初期（0~7 d），此阶段变形占总变形量的60%~70%，原因在于开挖卸荷后围岩应力重分布最为剧烈，尤其在Ⅴ级围岩段，由于岩体破碎、自稳能力差，变形速率更高；缓慢增长阶段（8~15 d）对应于中、下台阶开挖及仰拱施工，变形增量占总量的20%~30%；稳定阶段（15 d以后）发生在衬砌后注浆完成且结构形成整体后，变形速率降至0.1 mm/d以下，表明围岩与衬砌已形成新的稳定平衡。拱顶最大沉降量为28.5 mm（小于规范限值50 mm），周边收敛最大值为18.6 mm，仅为传统CRD工法的60%，且变形在拼装后3 d内快速稳定；值得强调的是，在Ⅲ级围岩段，变形在拼装后第8天即基本稳定，而在Ⅴ级围岩段则需15 d左右，这直接反映了地质条件对变形稳定时间的影响。
（2） 衬砌结构受力安全，波纹钢板应力发展同样呈现阶段性：在拼装完成后1~3 d内，应力快速增加，这对应于围岩主动荷载向衬砌的快速转移过程；随后增长趋缓，并在注浆完成后（7~10 d）达到稳定值。监测数据表明，不同围岩等级下衬砌应力与锚杆轴力呈现规律性变化：地质条件越差（Ⅴ级围岩），衬砌压应力（125 MPa）与锚杆轴力（78 kN）越大，且达到稳定所需时间越长；而在Ⅲ级围岩中，相应值更低，稳定更快。这印证了围岩自稳能力越差，施加于支护体系的“主动荷载”越大且时效性越明显。同时，各等级下“衬砌应力‒锚杆轴力”的强相关性始终成立，验证了“围岩→衬砌（凹槽‒凸起连接传递）→锚杆”这一荷载协同传递路径的普适性与可靠性，说明该体系在不同地质条件下均具备充分安全储备与稳定承载能力。
3.3 技术优势及推广价值
本研究提出的波纹钢板衬砌快速拼装技术，在单侧加宽隧道工程中展现出显著的综合性优势。相较于传统台阶法、CD法及CRD法，该技术在控制围岩变形、提升施工效率及降低施工扰动方面表现更为突出。传统工法（如CD/CRD法）虽有利于变形控制，但存在工序繁杂、效率低、对围岩多次扰动等问题；而台阶法则存在开挖面暴露时间长、变形控制能力相对不足等问题。该技术通过高刚度预制衬砌与机械化快速拼装相结合，实现了“开挖‒支护”一体化，在保证变形控制效果（拱顶沉降较CRD法减少约35%）的同时，显著简化了工序、缩短了工期，并最大限度地减少了对围岩的二次扰动，具有更高的施工安全性与经济性。标准化、装配化的特点，使其在类似地质条件的隧道改扩建工程中具有广阔的推广前景。然而，波纹钢板衬砌的长期耐久性，特别是环向拼装接缝的长期防水可靠性，仍需通过长期监测与进一步研究予以验证，这也是该技术走向大规模成熟应用需解决的关键问题之一。
4 结语
本文针对高速公路隧道单侧加宽改扩建的工程难题，通过理论分析、数值模拟与现场验证相结合的方法，系统研究了波纹钢板衬砌快速拼装技术。研究构建了涵盖结构设计、施工工艺和监测控制的全套技术体系，优化了箱体式分块结构与凹槽-凸起连接设计，制定了基于“超前预加固+分块开挖”的标准化施工流程，并通过监测数据验证了该技术能有效控制围岩变形、提高施工效率。研究成果为类似工程提供了可直接应用的技术方案，尤其通过取消回填工序、优化施工组织，显著缩短了工期，并降低了对运营的干扰。然而，当前研究在复杂地质条件下的适用性验证尚不充分，对衬砌长期性能的研究也有待深入。应进一步拓展该技术在多种地质场景中的应用，研发智能化施工设备与监测系统，并加强全生命周期性能评估，以推动该技术的完善与推广。
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