施工階段隧道半明半暗結構穩定性關鍵因素分析

吳文琦 嚴盛強

1 引言

隨著山區高速公路建設的不斷深入，公路建設中將遇到各種復雜地形，如偏壓，溝谷等地形。當這些復雜地形位于隧道洞口或洞身淺埋段時，如仍采用傳統隧道結構形式，往往會導致洞口或洞身淺埋段高邊坡、大開挖的問題，不利于隧道洞口邊仰坡的穩定，也與目前國家提倡的綠色、生態公路理念相違背。而如果在這些復雜地形條件下采用半明半暗的隧道結構形式，往往能有效的減少開挖，從而極大的降低邊仰坡開挖高度，盡可能的保持洞口或洞身淺埋段原有自然環境，將更多的土地還給大自然，實現綠色生態，美麗公路的理念。

本文依托浙江某在建高速公路隧道工程實例，通過數值模擬分析，對施工階段不同地形條件下隧道半明半暗結構的穩定性進行研究，得到影響隧道半明半暗結構穩定性的關鍵因素，為隧道在不同地形條件下半明半暗的結構設計提供理論依據。

2 理論分析

隧道半明半暗結構的主要施工步驟為：①明挖部分邊坡開挖及防護；②明挖部分混凝土護拱澆筑；③暗挖部分隧道洞內開挖；④暗挖部分隧道隧道支護。施工階段結構受力最不利時刻應發生在隧道暗洞開挖后，隧道支護還未來得及施做時的階段，也就是第三步完成后的這一階段。因此本研究重點分析這一階段的結構受力特點。

本研究應用數值仿真技術，通過ABAQUS軟件，對不同地形條件下隧道半明半暗結構的穩定性進行數值仿真分析。

2.1 原地面位于隧道拱肩處（靠近拱頂）

2.1.1 計算模型

本文數值模擬針對明挖部分混凝土護拱和暗挖部分山體采用線彈性模型[1]，但賦予兩種不同的材料參數，其中混凝土護拱模型E=19×109Pa，v=0.2，山體模型E=200×106Pa，v=0.3。荷載主要考慮混凝土結構和山體的自重荷載以及施工階段施工人員的人行荷載。

圖1是幾何模型的網格劃分圖，尺寸為50m×60m（高×寬），隧道開挖斷面寬13.2m，高10.5m。圖中可以看出原地面位于隧道拱肩（靠近拱頂）位置，原地面以上拱頂部分為混凝土護拱，下部為暗挖部分山體。該模型即為完成護拱澆筑及暗洞開挖后的結構模型。

圖1 原地面位于隧道拱肩處模型網格劃分圖

2.1.2 計算結果分析

圖2反映了原地面位于靠近隧道拱頂處，隧道半明半暗結構在暗洞開挖后的總體受力情況，圖中不難發現在混凝土護工兩側拱腳處有應力集中現象，最大主應力達到1.65×105Pa。另外，與護拱接觸部分山體并一直向下延伸至兩側邊墻范圍，有較明顯的受力情況，最大主應力約為4.15×104Pa，位于拱腰位置。考慮到巖土材料相對混凝土材料具有高度的非連續性、非均勻性和各向異性等鮮明的地質特征[2]，拱腰附近山體的穩定性更應受到重視。

圖2 原地面位于隧道拱肩處應力分布圖

2.2 原地面位于隧道拱腰處（靠近拱腳）

2.2.1 計算模型

圖3是幾何模型的網格劃分圖，混凝土和山體的材料特性及荷載工況均與2.1.1模型相同。模型尺寸為50m×60m（高×寬），隧道開挖斷面寬13.2m，高10.5m。圖中可以看出原地面位于隧道拱腰（靠近拱腳）位置，原地面以上拱頂部分為混凝土護拱，下部為暗挖部分山體。該模型即為完成護拱澆筑及暗洞開挖后的結構模型。

圖3 原地面位于隧道拱腰處模型網格劃分圖

2.2.2 計算結果分析

圖4反映了原地面位于隧道拱腰處，隧道半明半暗結構在暗洞開挖后的總體受力情況，圖中不難發現在混凝土護工兩側拱腳處有應力集中現象，最大主應力達到9.14×104Pa。另外，與護拱接觸部分山體并一直向下延伸至兩側邊墻范圍，有較明顯的受力情況，最大主應力約為3.06×104Pa，位于拱腳位置。考慮到巖土材料相對混凝土材料具有高度的非連續性、非均勻性和各向異性等鮮明的地質特征，拱腳附近山體的穩定性更應受到重視。

2.3 原地面一側位于拱肩一側位于拱腰處（偏壓）

2.3.1 計算模型

圖4原地面位于隧道拱腰處應力分布圖

圖5 是幾何模型的網格劃分圖，混凝土和山體的材料特性及荷載工況均與2.1.1模型相同。模型尺寸為50m×60m（高×寬），隧道開挖斷面寬13.2m，高10.5m。圖中可以看出原地面為偏壓地形，左側位于隧道拱腰位置，右側位于隧道拱肩位置。原地面以上拱頂部分為混凝土護拱，下部為暗挖部分山體。該模型即為完成護拱澆筑及暗洞開挖后的結構模型。

圖5 原地面偏壓模型網格劃分圖

2.3.2 計算結果分析

圖6反映了原地面為偏壓地形時，隧道半明半暗結構在暗洞開挖后的總體受力情況，圖中不難發現在混凝土護工在原地面位于隧道拱肩一側有應力集中現象，最大主應力達到1.67×105Pa。另外，原地面位于隧道拱肩一側山體并一直向下延伸至拱腳范圍，有較明顯的受力情況，最大主應力約為4.18×104Pa，最大主應力出現在拱腰位置。考慮到巖土材料相對混凝土材料具有高度的非連續性、非均勻性和各向異性等鮮明的地質特征，原地面位于隧道拱肩一側山體的穩定性更應受到重視。

圖6 原地面偏壓應力分布圖

3 工程實例

本文以浙江某在建高速公路隧道項目為工程依托，該隧道全長2965m，隧道按規定的遠期交通量設計，均采用雙洞單向行車雙車道型式（上下行分離），設計速度100km/h。隧道在靠近進口的洞身段穿越一處淺埋溝谷地形，已知地表最低處傾入隧道開挖輪廓內約1.5m。

該淺埋段地表為低丘斜坡及溝谷地貌，正交隧道溝谷內溪溝發育，斜坡表部分布含黏性土碎石，厚度約1m，溝底中風化基巖直接出露，基巖巖性為凝灰質砂巖，紫灰色，中厚層狀，巖質較堅硬，巖體完整性一般，呈碎裂狀。順溝節理158°∠42°發育。

設計根據現場實際地形及地質情況，最終采用半明半暗襯砌結構，即在隧道露頭段先設置護拱，再隧道內暗洞正常開挖并支護的方法進行施工，設計圖紙如圖7。根據本文第2部分的研究結論，設計針對該半明半暗結構的薄弱部位，對護拱拱腳通過擴大基礎的方法進行了加固，對與護拱拱腳接觸的山體，通過鎖腳錨桿進行加固，并加強護拱與山體間的連接。

圖7 隧道半明半暗結構設計圖

目前該淺埋段已完成隧道明挖段護拱混凝土的澆筑，洞內開挖及支護，隧道施工已順利通過該淺埋露頭段，如圖8。

圖8 隧道半明半暗結構現場照片

4 結論

（1）隧道半明半暗段結構，既要考慮明挖部分護拱結構的穩定性，也要考慮到暗挖部分山體的穩定性，并將兩者作為一個整體研究其穩定性。

（2）明挖部分混凝土護拱的拱腳位置在荷載作用下易產生應力集中，設計中可考慮加大護拱拱腳，采用擴大基礎的方法加強拱腳位置的穩定性。

（3）與護拱接觸的山體并一直向下延伸一定范圍，有較明顯的受力情況。考慮到巖土材料相對混凝土材料具有高度的非連續性、非均勻性和各向異性等鮮明的地質特征，護拱拱腳下部山體的穩定性更應受到重視。該部位山體可通過護拱拱腳的鎖腳錨桿進行加固。

（4）當原地面為一側位于拱肩，一側位于拱腰處，即為偏壓地形時，原地面位于隧道拱肩一側山體在荷載作用下的應力更大，該位置的穩定性更應受到重視。

（5）對比相同荷載作用下，原地面分別位于拱肩和拱腰處，兩種半明半暗結構的應力大小不難發現，原地面位于拱肩處時，隧道半明半暗結構的穩定性要更差。這是因為當原地面位于拱肩處是，護拱拱腳處山體再受到壓應力的同時還受到一定的剪應力（該理論需在下階段研究中進一步論證）。而巖體能承受的最大剪應力遠小于最大壓應力[3]，因此，當原地面位于隧道拱肩（靠近拱頂）處時，隧道半明半暗結構的穩定性更應引起重視。

[1]DS系統SIMULIA大中華區Abaqus中國區技術團隊.Abaqus經典例題集[M].機械工業出版社，2016.

[2]李洋洋.恩施地區志留系砂巖基于分形理論的巖體質量評價研究[D].中國地質大學（武漢），2010.

[3]陽生權.巖體力學[M].機械工業出版社，2012.