邊坡作用下連拱隧道施工方案比選分析

■蘇 濤

(福建省交通建設質量安全監督局，福州 350001)

1 引言

近年來，連拱隧道多用于中、短隧道中，尤其是在多山的高速公路規劃設計中。隧道工程和邊坡密切相關，特別是連拱隧道，在確定隧道位置時就無法回避邊坡問題，包括隧道進山時洞門外的邊坡以及洞門頂部的仰坡，而且在施工過程中還可能受到偏壓地形以及潛在的滑坡、剝落、崩塌等邊坡變形破壞問題的威脅[1]。因此，在邊坡作用下確定合理的連拱隧道施工方案就顯得十分必要和迫切。

使隧道產生偏壓的原因很多，如淺埋傍山隧道的地形偏壓、巖體結構及地質構造產生的地質構造偏壓、對稱結構在由不對稱向對稱轉化過程中產生的偏壓、隧-坡耦合作用下邊坡移動造成的偏壓、施工中圍巖局部松動產生的偏壓以及襯背回填不密實不均勻產生的偏壓等。偏壓現象在滑坡地段、對隧道影響最大，特別是對于連拱隧道，由于其結構受力要在連拱整體結構中進行調整，偏壓現象導致結構任何部位的破壞和裂縫都會對結構的整體受力和防水性能造成極大影響。連拱隧道與邊坡共同作用所導致的病害非常嚴重，如元(江)磨(黑)高速公路上的小曼薩河隧道和三公箐隧道在施工過程中邊坡產生了非常嚴重的病害。周玉宏，趙燕明，程崇國(2002)等有關偏壓連拱隧道施工方案及施工過程優化進行了研究[2-3]。王建秀、朱合華等就連拱隧道的邊坡與隧道共同作用進行了較為系統的分析[4]。

2 工程概況

江西某隧道采用曲中隔墻連體隧道結構形式，洞口樁號為K85+320、K85+535，隧道全長215m，隧道縱坡為2.499%，隧道進口位于右偏緩和曲線上，其余位于R=2150m 的右偏圓曲線上。其結構斷面如圖1 所示。隧道穿越處地面標高在98～166 之間，相對高差大于65m，北側丘頂標高192.70m。山體植被發育，穿越和通視條件差。隧道兩端進、出洞口處，風化作用改變了部分原巖結構，形成8.60～29.80m 厚的全風化和強風化松散層、碎塊體，直接降低了圍巖類別，增加了深厚風化層所處的隧道施工、支護難度。

圖1 隧道斷面圖

3 連拱隧道施工動態數值模擬

3.1 模型簡化

本文選取的計算斷面樁號為K85+510，隧道埋深約13m(中心線)，采用平面應變彈塑性本構模型進行分析，屈服準則為德魯克-普拉格屈服準則。圍巖、中墻、中墻頂部回填等采用四邊形實體單元模擬；錨桿和初襯采用兩維桿單元模擬；二襯采用兩維梁單元模擬；考慮初襯與二襯之間有一定滑動，在兩者之間設接觸面單元，采用單層節理材料模擬。具體計算參數列于表1、表2。按隧道開挖影響范圍的大小，計算模型邊界范圍取：上邊界至地表自由面；下邊界至開挖洞底距離為三倍洞高；左右邊界距洞口距離分別為三倍隧道跨度。兩側邊界結點加水平方向約束，底部邊界結點加豎直方向約束[5]。

表1 實體單元計算參數表

表2 梁、桿單元計算參數表

3.2 開挖支護的動態數值模擬

由于地層應力在隧道開挖過程中受到多次擾動，隧道有些部位的最大應力、位移等并不一定出現在最終的施工步，因此有必要按照隧道施工過程進行動態數值模擬。對于本隧道，下臺階開挖采用跳馬口槽開挖，由于施工順序緊密銜接，在數值模擬中認為下臺階開挖一次完成。

先開挖左洞的動態數值模擬∶

先開挖左洞的開挖方案分為14 個施工步，具體施工步為：(a)中導洞開挖；(b)中導洞錨噴支護；(c)施作中墻；(d)中墻頂部回填與橫撐加固；(e)左洞上臺階開挖；(f)左洞上臺階錨噴支護；(g)左洞下臺階開挖；(h)左洞下臺階錨噴支護；(i)左洞施作內襯；(j)右洞上臺階開挖；(k)右洞上臺階錨噴支護；(l)右洞下臺階開挖；(m)右洞下臺階錨噴支護；(n)右洞施作內襯。主要施工步網格圖如圖3：

圖3 先開挖左洞施工過程模擬

3.3 上下臺階法開挖支護的動態數值模擬

上下臺階法開挖隧道分為13 個施工步，具體為：(1)中導洞開挖；(2)中導洞錨噴支護；(3)施作中墻(包括中墻頂部回填)；(4)左洞上臺階開挖；(5)左洞上臺階錨噴支護；(6)右洞上臺階開挖；(7)右洞上臺階錨噴支護；(8)左洞下臺階開挖；(9)左洞下臺階錨噴支護；(10)左洞施作內襯；(11)右洞下臺階開挖；(12)右洞下臺階錨噴支護；(13)右洞施作內襯。

4 計算結果與分析

4.1 中墻應力分析

中墻在連拱隧道受力體系中是一個關鍵，它不僅承受中墻上部圍巖傳來的壓力，還要承受兩側耳墻傳來的壓力；另外，由于兩側傳來的壓力大小不一致，有較明顯的偏壓作用，受力狀態較復雜。

從圖4、圖5 可以看出，先偏壓情形下，先開挖左洞與先開挖右洞有很大不同，表現在：

(a)先開挖右洞給中墻帶來的偏壓影響小(表現在整個施工過程中)，左右側豎向應力最大偏壓2153kPa(施工步9)，而先開挖左洞左右側的最大偏壓為5144kPa(施工步9)；

(b) 先開挖右洞最大豎向壓力絕對值小，為3426kPa(施工步12)，而先開挖左洞為6026 kPa(施工步12)。

圖4 先挖左洞施工方法左右側中墻應力隨施工步變化圖

圖5 先挖右洞施工方法左右側中墻應力隨施工步變化圖

4.2 拱頂沉降

拱頂沉降是評價圍巖位移大小及穩定性的一個重要指標，圖6，7 為左右洞拱頂沉降在采用三導洞法、上下臺階法時隨施工步增長的情況。

圖6 先挖左洞施工方法拱頂沉降隨施工步變化圖

圖7 先挖右洞施工方法拱頂沉降隨施工步變化圖

從圖6 可以看出，左洞施工完成后，左洞的拱頂沉降為19.7mm，右洞的拱頂沉降為2.14mm；右洞施工完成后，即最終施工步，左洞的拱頂沉降為24mm，右洞的拱頂沉降為16.4mm。采用先開挖左洞后開挖右洞的施工方法時，右洞施工對左洞的最終拱頂沉降的影響為(24～19.7)/24=18%。

從圖7 可以看出，右洞施工完成后，右洞的拱頂沉降為11.5mm，左洞的拱頂沉降為3.18mm；左洞施工完成后，即最終施工步，右洞的拱頂沉降為13.3mm，左洞的拱頂沉降為21.8mm。采用先開挖右洞后開挖左洞的施工方法時，左洞施工對右洞的最終拱頂沉降的影響為(13.3～15.5)/13.3=13.5%。

可以認為先開挖右洞更易于控制變形，同時后開挖隧道對先開挖隧道的影響也較小。

4.3 屈服區

從圖8，9 可以看出，先開挖右洞方案對控制施工期的圍巖穩定是有利的(圖8a、圖9a)，最終步的屈服區大小基本一致，但是兩者仍有較小的差別，表現在：先開挖右洞施工方案引起的左洞屈服面相對較小、而右洞屈服面相對較大。

圖8 先開挖左洞方案屈服區云圖

圖9 先開挖右洞方案屈服區云圖

5 結論

一般情況下連拱隧道屬淺埋的短隧道，由于連拱隧道寬度較寬，所以在洞口段常會出現偏壓地形偏壓或地質構造偏壓，而對于這種情況下的施工主要應注意確定內、外側哪一個主洞先開挖，國內目前關于這個問題的討論或爭議較大，通過實地處理的一些淺埋偏壓連拱隧道的經驗和一些計算分析結果，認為應先開挖外側的隧道，當外側隧道的二次襯砌完成后，才能進行內側隧道的開挖和施工，主要理由為：

(1)如果先施工內側的隧道，則在外側主洞的開挖時，由于隧道所受向外的偏壓很大，容易引起內側已建隧道的變形和開裂。同時外側主洞埋深更小，如施工時發生坍塌，則會使得內側已完成的隧道處于非常不利的偏壓情況，一般情況下隧道失穩也是在所難免的。

(2)在淺埋偏壓條件下通常外側主洞的圍巖條件相對較差，成洞困難，如果能夠將成洞困難的外側主洞先施工完畢，則對于條件相對較好的內側主洞的施工進度更能夠保證。內側隧道開挖時，外側已完成的隧道所受偏壓有限，隧道的穩定易于保證。

(3)從共同作用角度，中墻應力、拱頂沉降以及屈服區等角度都說明先開挖外側隧道對隧道穩定更有利。

需要指出的一點是，隧道所處的地質條件有其特殊性，對具體問題需要具體分析，以達到安全與經濟利益的平衡。

[1]朱合華，李新星，蔡永昌，丁文其.隧道施工中洞口邊仰坡穩定性三維有限元分析[J].公路交通科技，2005.6，22(6)：119-122.

[2]周玉宏，趙燕明，程崇國.偏壓連拱隧道施工過程的優化研究[J].巖石力學與工程學報,2002，21(5)：679-683.

[3]周玉宏，趙燕明，程崇國.偏壓連拱隧道合理開挖方案分析[J].2002，21(5)：1-6.

[4]王建秀.連拱隧道建設中幾個關鍵問題研究.上海:同濟大學博士后出站報告,2004.

[5]朱合華，丁文其，李曉軍.同濟曙光巖土及地下工程設計與施工分析軟件用戶手冊GeoFBA2DV4.0[J].同濟大學地下建筑與工程系，2005.