連體隧道半明半暗進洞工法研究

王文星，田 偉，馮 勁

(浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006)

0 引言

作為山區公路重要構造物之一的隧道，在縮短路線長度、改善路線指標方面起到了重要作用。洞口作為隧道的門面是唯一外露的部位，受地質構造變化，地形及地質情況復雜的影響，加上施工期間拉槽開挖切割山體，破壞山體仰坡的原始平衡狀態，容易引發滑坡、塌方等工程事故。因此，洞口施工階段是隧道施工的主要風險點。

由于地質體具有結構復雜、空間單元復雜等特征，基于極限平衡理論的傳統分析方法往往勉為其難。地質建模技術考慮了邊坡巖體的非均質和不連續性，可以給出巖體的應力、應變大小與分布，避免了極限平衡分析法中將滑體視為剛體而過于簡化的缺點，能近似地從應力應變去分析邊坡的變形破壞機制，分析最先、最容易發生屈服破壞的部位和需要首先進行加固的部位等。眾多研究者采用此方案對特殊地形地質條件下小凈距隧道進洞施工開展了研究工作，如陳思陽采用FLAC3D和強度折減法模擬分析短臺階、CD、CRD三種方法對大斷面黃土偏壓隧道邊坡穩定性的影響，并推薦采用CRD工法[1]；石熊等進一步對CRD工法的各分部施工工序進行了分析，并建議山體外側先開挖[2]，這一結論與王薇等的研究結論吻合[3]；中巖墻(中夾巖)對小凈距隧道的穩定性至關重要，因此王帥帥、吳德興、侯瑞彬等學者開展了針對性的研究，包括中巖墻的全過程受力特征、合理厚度等[4-6]。

以上研究主要針對小凈距隧道，而偏壓連拱隧道的施工工序和受力更為復雜，更有必要建立精確的三維地質體結構模型，進行地質體的全過程施工力學分析。為此，文章以杭新景高速公路半塢隧道為例，建立邊仰坡體和隧道結構的三維地質結構模型，實現對滑坡體結構的三維可視化功能，通過對各個施工階段的位移、剪應力、剪應變、邊坡穩定性系數等指標的對比分析，提出合理的施工工序。為了驗證地質建模的分析結果并指導實際施工，有針對性地布置了信息化監測點，包括邊坡深層土體位移、抗滑樁測斜、樁頂位移等。

1 工程概況

半塢隧道位于浙西侵蝕剝蝕中低山區，千里崗山脈中段的上方鎮白坑村半塢，所處山體海拔高程180～250 m。隧道軸線通過處最高海拔約232 m，最大相對高差約70 m。

該段隧道范圍內地層主要為第四系殘坡積和震旦系下統志棠組第三段粉砂巖、細砂巖。第四系殘坡積含含角礫粉質黏土和黏性土角礫。含角礫粉質黏土，灰黃色，軟可塑狀，角礫含量20%～30%，局部達到40%～50%，粒徑以0.5～3 cm為主，棱角狀，成份以粉砂巖為主，偶含有少量植物根系；黏性土角礫，灰黃色，稍密狀，碎石含量60%～70%，粒徑2～5 cm，棱角狀，余為角礫及黏性土，膠結性較好，局部黏性土含量較高，達50%。震旦系下統志棠組第三段(Z1Z3)粉細砂巖，灰色，中厚層-中薄層狀結構，巖質較硬。

2 建立隧道洞口復雜地質體模型

根據杭新景高速公路半塢隧道的地質勘探資料及結構設計資料，建立了邊仰坡滑體的三維地質結構幾何模型(圖1)，實現對滑坡體結構的三維可視化功能，其中隧道線路軸線方向為X軸、水平垂直于線路軸線的方向為Y軸，豎向為Z軸。導入到ABAQUS軟件后對其進行三維網格劃分，優先采用四節點四面體單元和八節點六面體單元，劃分后的單元總數為254 712個，節點總數為78 459個。計算分析所采用的模型邊界條件：側向邊界采用水平法向約束；模型底部邊界采用三向固定約束。計算初始應力條件：因考慮到滑坡體主要為地表淺部巖土體，可以忽略構造應力影響，故在計算過程中僅考慮自重應力產生的初始應力條件。材料計算參數如表1所示，并采用摩爾-庫倫理想彈塑性模型。

圖1 半塢隧道及地層幾何模型示意圖

3 施工方案擬定

由于隧道線路軸線與地形等高線夾角較小、地形偏壓顯著，左右洞暗洞進洞位置不一致。因此，擬定了兩種施工工序方案。方案A：左洞為先行洞，然后開挖右洞；方案B：右洞為先行洞，然后開挖左洞。

4 方案對比分析

利用建立的三維復雜地質體及隧道整體模型，分析比較了兩種工序方案的位移場、剪應力場、最大剪應變增量、邊仰坡穩定性系數等施工指標。

4.1 地層位移對比分析

Y方向位移反映了邊坡的變形，當先行洞開挖及支護完成時，Y方向位移主要集中在左洞擋墻及洞口處，采用A、B工序方案時分別為5.8 mm和1.4 mm；X方向位移反映了仰坡的變形，采用A、B工序方案時分別為3.5 mm和1.1 mm。

施工完成后，Y方向位移主要集中在右洞洞頂及左洞入口處，采用A、B工序方案時分別為10.6 mm和9.4 mm；對應的X方向位移分別為5.8 mm和4.7 mm。可見，B工序方案對邊仰坡體的擾動程度要小于A方案。另外，偏壓隧道的Y方向位移大于X方向的位移，施工中應注重Y方向位移的監測。

4.2 地層剪應力及剪應變對比分析

土體剪應力值是摩爾庫倫模型中衡量土體是否將發生破壞的主要指標。當先行洞開挖及支護完成時，A工序方案的最大剪應力和剪應變主要發生在左洞擋墻墻趾處，分別約為0.6 MPA和0.009，B工序方案的最大剪應力和剪應變主要發生在右洞洞頂處，分別為0.5 MPA和0.007。兩洞施工完畢后，最大剪應力和剪應變分布范圍和量值基本一致，分別為0.8 MPA和0.012。

4.3 隧道結構應力與位移對比分析

兩種工序方案對隧道結構剪應力的影響較小，當先行洞開挖及支護完成時，最大剪應力主要發生在明洞和先行洞半明半暗洞的洞腰部位，量值在655～665 kPa之間。施工完成后，擋墻與隧道最大剪應力分布區域與范圍基本一致，最大值為1.0 MPa。

兩種工序方案對隧道位移有一定的影響，當先行洞開挖及支護完成時A、B工序方案的最大合位移值分別為1.21 cm(左洞暗洞入口拱頂及擋墻位置處)和0.87 cm(右洞洞頂處)。施工完畢后擋墻與隧洞支護結構合位移分布范圍與大小基本一致，A、B工序方案的最大合位移值分別為1.87 cm和1.71 cm(見圖2)。

圖2 施工完成后擋墻與隧洞支護結構合位移示意圖

4.4 邊仰坡穩定安全系數對比分析

邊仰坡穩定性分析采用強度折減法，其定義的安全系數為巖土體的實際抗剪強度與臨界破壞時的折減后抗剪強度的比值。其主要原理是對強度指標凝聚力c和摩擦角φ進行折減(式1、式2)，然后對邊坡進行數值計算分析，不斷地增加折減系數，反復計算，直至其達到臨界破壞，此時得到的折減系數即為安全系數FS。

CF=C/Ftrial

(1)

φF=Tan-1((tanφ)/Ftrial)

(2)

式中：Ftrial——折減系數；

CF——折減之后的凝聚力；

φF——折減之后的摩擦角。

圖3 不同施工方案的邊仰坡穩定性系數對比曲線圖

于是，可以計算初始狀態和各個施工步對應的邊仰坡穩定性系數，其中，天然狀態下邊仰坡體的初始穩定性系數為1.14；隨著1～5號抗滑樁、左幅路基回填及地基處理、挖除邊坡外土體并進行坡面防護等加固措施的開展，穩定性系數一度上升到1.39；而后，隨著外側邊坡削坡施工削弱了土體原有的穩定狀態，穩定性系數下降到1.23，仍大于初始狀態；施工左右明洞并回填洞頂后，穩定性系數又提高到1.42；隨著隧道開挖，穩定性系數再次下降，當先行洞開挖及支護完成時，A、B工序方案對應的穩定性系數分別為1.32和1.39；施工完畢后，A、B工序方案對應的穩定性系數分別為1.25和1.32。因此，兩種工序方案下，邊坡體整體安全系數均較大，邊坡體均處于穩定狀態。然而不同的工況下，邊坡體的變形值與范圍存在一定差異，從控制變形的角度來考慮，建議以右洞為先行洞，然后開挖左洞(見圖3)。

5 信息化施工方案

三維地質建模技術從巖土力學角度分析了各個施工階段的位移、剪應力、剪應變、邊坡穩定性系數等指標，并推薦了相對安全的施工方案。但是巖土體力學參數的不確定性注定了巖土工程不能僅僅依靠數值分析，信息化施工技術是對數值分析的有效補充。為此，在施工中重點開展了如下項目的監測：

(1)周邊收斂位移監測，每5 m一個斷面，實測最大周邊收斂位移9.3 mm(右洞)。

(2)拱頂下沉監測，每5 m一個斷面，實測拱頂最大沉降12.5 mm(右洞)。

(3)邊、仰坡的地表下沉，垂直隧道走向，每5 m一個斷面，每個斷面10個監測點，采用徠卡TS09全站儀測量，實測邊、仰坡的地表下沉值分別為10.8 mm和11.9 mm。

(4)土體深層水平滑移監測，在左右洞拱頂上方、距離洞口15 m處各布置一條測斜管，以管頂的絕對位移作為深層土體相對位移的基準，測算各深度位置的位移，實測垂直線路走向的位移為12.3 mm，順線路走向的位移為11.3 mm，均在地表。

(5)抗滑樁樁頂位移及樁身傾斜，在中間的3#樁中布置一處測斜管，測量方法與土體深層水平滑移監測類似，實測位移主要為垂直線路走向，最大位移發生在樁頂，為5.6 mm。

其中周邊收斂位移、拱頂下沉、邊仰坡地表位移、測斜管頂部位移、抗滑樁樁頂位移均采用徠卡TS09全站儀配合反光棱鏡測量。深層土體位移及樁身傾斜采用北京航天CX08-A的測斜儀測量，其原理如圖4所示。

圖4 測斜原理示意圖

6 結語

通過建立半塢隧道邊仰坡三維地質結構模型，并對各個施工階段的位移、剪應力、剪應變、邊坡穩定性系數等進行全過程分析，對比分析了施工工序的影響。

(1)抗滑樁對于提高邊坡穩定的效果明顯，從數值上看提高了22%，對于偏壓嚴重的洞口，其是提高邊坡穩定性、減少刷坡高度和土方量的有效手段。

(2)施工過程中最危險的階段為澆筑偏壓擋墻前的削坡開挖階段，施工過程中應重點關注。

(3)從控制變形的角度來考慮，建議以右洞為先行洞，然后開挖左洞。

半塢隧道在計算分析的指導下，按照信息化施工的理念精心施工，加強施工過程中隧道、坡體表面和深部變形監測，及時動態反饋監測信息，評估坡體穩定，確保了隧道安全和如期建成。