基于新意法理念的連拱隧道設計施工優化

張國浩， 褚 存,3*， 郭佳嘉

(1.中交第二航務工程局有限公司， 武漢 430040； 2.中交二航局第四工程有限公司， 蕪湖 241000；3.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室， 武漢 430040)

在公路隧道建設中，為了便于公路橋隧相連，保持路線線性流暢，在與高架橋相連的隧道往往采用連拱隧道的設計形式，連拱隧道具有位置選擇自由度大，地形適應性強的特點，尤其應用于城市中時，洞口引線占地面積少，接線難度小，可大大減少拆遷，降低工程費用。但連拱隧道在具有以上優點的同時，還存在結構受力復雜，施工工序較多，結構體系受力轉換頻繁，施工難度較大，施工進度較慢等缺點。

同時，因連拱隧道往往是布置于隧道洞口的短隧道，其圍巖等級大多為Ⅵ級或者Ⅴ級，屬于軟弱圍巖的隧道開挖，因此選擇合適的施工工法來保障施工安全和效率尤為重要。對于軟弱圍巖隧道的施工，應用巖土體變形控制法——新意法(ADECO-RS)，通過在多條軟弱圍巖隧道進行實踐，取得了較好的效果，該工法被納入意大利隧道的設計施工規范。劉德安等[1]以巴東隧道穿越富水紫紅泥巖段為工程背景，基于新意法及現場調查對隧道開挖面穩定性評價進行了分級評價，并提出了超前帷幕注漿結合超前管棚的預加固措施。嵇曉曄等[2]分別采用新奧法和新意法完成了Ⅳ級圍巖下的公路隧道的開挖，并通過三維有限元計算和現場隧道的變形監測比較了兩種施工方法的施工效果。劉濤等[3]依托青島地鐵一號線，結合新意法加固核心土的理念，針對環向水平旋噴樁超前支護和掌子面徑向注漿相結合的預加固方案，通過現場試驗、監測及分析，論證了預加固措施對變形控制的有效性。唐勇三等[4]基于新意法基本理論,以湄渝高速岐山隧道為依托，采用有限差分程序模擬了玻璃纖維錨桿超前預加固隧道核心土后的全斷面開挖，通過對比預加固開挖與傳統工法下擠出變形、收斂變形及超前核心土應力分布情況對預加固效果進行了驗證。前人在新意法的推廣應用與研究上取得了一定成果[5-8]，但是對于掌子面加固后的最大開挖進尺、玻璃纖維筋的搭接長度以及實際應用效果評價等方面的研究還相對缺乏。為此，依托南京仙新路過江通道項目，使用新意法對烏龍山連拱隧道中導洞的施工方案進行了研究。

1 工程概況

南京仙新路過江通道工程是南京市新建的一條重要過江通道，其包括跨江主橋，引橋以及橋隧相連的烏龍山隧道等工程。其中烏龍山隧道長247 m，為雙向六車道連拱淺埋短隧道，最大埋深僅30 m。烏龍山隧道圍巖主要為可塑～硬塑狀粉質黏土，厚度5～30 m，隧道下伏基巖主要為強風化角礫巖，圍巖基本質量等級為V級。隧道采用三導洞法開挖，中導洞先行施工，隧道中導洞開挖斷面最大跨度為6.0 m，高7.0 m。因隧道位于南京市區，禁止采用鉆爆施工的方式，只能進行機械開挖，隧道中導洞斷面較小，原方案采用兩臺階的施工工法，每循環進尺一榀鋼架0.6 m，但施工時需要布置的隧道通風管道、逃生管道需要占據一定空間，施工機械以及工人的作業空間緊張，施工組織難度較大，施工效率低下，工期壓力大。因此需要對中導洞采用全斷面開挖的施工方式進行設計和評估，來達到隧道施工安全、高效、經濟的目的。隧道中導洞原設計采用新奧法的理念，采用I16鋼拱架間距0.6 m，C25噴射混凝土厚22 cm，Φ22 mm的早強砂漿錨桿3 m(60 cm×100 cm，縱×環)以及4 m長的鎖腳錨管共同組成臨時支護，Φ89 mm的超前大管棚20 m，4.5 m長的Φ42 mm超前小導管為輔助的預加固措施，來充分發揮圍巖的自穩能力。但其設計過程中忽視了隧道超前核心土對隧道變形的控制作用，而巖土體變形控制法(新意法)強調通過對隧道掌子面的超前核心土進行改良加固，來達到全斷面開挖的目的，具有安全，高效，控制工期和費用的優勢，因此本文結合實際項目施工需求，通過FLAC3D軟件來對其進行優化設計研究。

2 計算假定

2.1 三維地質建模

淺埋隧道的地形變化對隧道模擬計算的結果影響較大，因此建立較為真實的隧道三維地質模型是仿真計算的基礎。通過基于等高線的CFD 建模方法提取隧址區域的等高線數據[9]，導入Rhino軟件來建立真三維的地質模型，建模的同時考慮隧道洞口設置的擋土墻以及模型分組，模型網格采用全四面體的網格模型，同時加密隧道附近的網格數量來保證計算精度，導入FLAC3D后生成的有限差分計算模型及分組如圖1所示。

圖1 三維有限差分計算模型Fig.1 Three-dimensional finite difference calculation model

2.2 初始地應力場

為了模擬天然巖土體的固有沉降和初始地應力，需要事先求解模型的初始地應力場，模型初始地應力場采用彈塑性求解，模型的底部和四周邊界固定，頂部自由，巖土體的計算本構模型采用Mohr彈塑性本構模型，擋土墻和導向墻采用線彈性模型，根據項目前期的地勘情況，相關計算參數取值如表1所示，生成的初始地應力場如圖2所示。模型初始地應力場計算完成后，對其塑性區、位移和速度歸零處理。

表1 巖土體的相關參數取值

圖2 最大主應力分布云圖Fig.2 Maximum principal stress distribution nephogram

2.3 結構單元模擬

計算過程中對于超前管棚、超前小導管以及玻璃纖維錨桿的模擬采用pile單元進行模擬，pile單元同時提供了梁和錨桿的組合作用，可以模擬結構物與巖土體之間同時產生的法向和軸向的力學作用[10]；初期支護采用shell單元進行模擬，系統砂漿錨桿通過cable單元模擬，模擬的結構單元如圖3所示。

圖3 開挖過程中的支護情況Fig.3 Support during excavation

3 計算結果分析

首先進行洞口區域超前管棚范圍內的開挖計算分析，研究全斷面開挖時是否需要對掌子面進行預加固。此區域開挖按每循環進尺兩榀鋼架即每次開挖1.2 m進行模擬，首先設置掌子面Φ25 mm的玻璃纖維筋長度20 m，環向間距1 m梅花形布置，其次進行隧道開挖支護。

3.1 管棚范圍內計算結果分析

在超前管棚范圍內進行隧道的全斷面開挖模擬，首先分析隧道開挖后頂拱的沉降量以及掌子面的擠出位移，對是否進行掌子面預加固兩種工況進行仿真計算，每循環開挖后隧道的變形情況如圖4、圖5所示。

圖4 隧道頂拱沉降情況Fig.4 Settlement of roof arch of tunnel

圖5 掌子面擠出位移情況Fig.5 Extrusion displacement of palm surface

從計算結果可以看出，通過對掌子面進行預加固，可以有效地控制頂拱沉降以及掌子面的擠出位移，尤其是在接近管棚末端區域，控制變形的效果更為明顯，從此段的沉降分布規律來看，洞口區域的沉降量最小，最大沉降量發生在洞口與掌子面的中間區域，且靠近掌子面方向。兩種工況的掌子面最大擠出位移均發生在靠近管棚末端的區域，未加固的掌子面最大擠出位移為38.5 mm，加固后的為13.8 mm，可見玻璃纖維錨桿對控制掌子面的擠出位移效果明顯。通過兩種工況的分析，雖然加固掌子面可以有效控制頂拱沉降與掌子面的擠出位移，但是兩種工況在管棚作用的16 m保護范圍之內圍巖的變形均不大，均在安全控制標準范圍之內。但在管棚末端時，未加固的情況下掌子面的擠出位移發生突變且上升趨勢明顯，因此，在洞口區域僅需在距超前管棚尾端4 m時開始使用玻璃纖維錨桿進行掌子面預加固既可。

3.2 管棚范圍外計算結果分析

依據3.1節的計算結果，在距超前管棚尾端4 m時使用長度20 m的玻璃纖維筋進行加固，搭接長度為6 m，進行管棚范圍外的隧道全斷面開挖模擬計算，分別模擬了每循環進尺兩榀鋼架1.2 m，每循環進尺三榀鋼架1.8 m以及不預加固掌子面分別每循環進尺兩榀鋼架、三榀鋼架四種工況，選取4種工況變形最大的區域進行分析(里程樁號K6+040～K6+060)，其頂拱沉降以及開挖過程中掌子面最大擠出位移如圖6、圖7所示。

圖6 4種工況下掌子面頂拱沉降Fig.6 Roof arch settlement of palm face under four working conditions

圖7 4種工況下掌子面最大擠出位移Fig.7 Maximum extrusion displacement of tunnel face under four working conditions

從圖6、圖7中可以看出，在不進行掌子面預加固的情況下，每循環進尺兩榀開挖時，頂拱沉降最大為2.93 cm，掌子面最大擠出位移為5.78 cm；每循環進尺三榀開挖時，頂拱沉降最大為3.25 cm，掌子面最大擠出位移為6.25 cm。在進行掌子面預加固的情況下，每循環進尺兩榀開挖時，頂拱沉降最大為1.78 cm，掌子面最大擠出位移為1.36 cm；每循環進尺三榀開挖時，頂拱沉降最大為1.95 cm，掌子面最大擠出位移為1.48 cm。可見，使用玻璃纖維筋進行掌子面預加固后，掌子面擠出位移普遍減少了約70%，頂拱沉降普遍減少了約40%，可以顯著控制掌子面的擠出變形以及減少頂拱沉降，提高掌子面的穩定性，增加施工安全。

從對掌子面預加固后的兩種進尺情況來看，和每循環進尺兩榀相比，每循環進尺3榀鋼架時，頂拱沉降以及掌子面擠出位移增加不大，均在安全范圍之內，同時在選擇每循環開挖進尺3榀鋼架時，根據實際施工效率，開挖出渣測量以及立架前準備約4 h，立架、錨桿以及噴射混凝土施工共用時約4 h，每8 h可以完成一個循環，白夜班交替每天可以完成施工兩個循環，若開挖超過3榀鋼架，則從開挖到支護的時間變長不利于圍巖穩定，因此在管棚范圍之外使用玻璃纖維筋加固掌子面后可選擇每循環最大進尺3榀鋼架進行開挖。

3.3 最優搭接長度確定

為了確定玻璃纖維筋的最優搭接長度，對掌子面內不同殘留長度的玻璃纖維筋進行多工況的模擬。本次工作共模擬了殘留長度范圍0.5～6 m，每次增加0.5 m共計12種工況，對應的隧道頂拱沉降和掌子面擠出變形曲線如圖8所示。可以看出，在掌子面內錨桿的殘余長度為2.5 m時，掌子面的擠出變形和隧道的頂拱沉降均有了顯著降低，因此玻璃纖維錨桿的最優搭接長度可由變形曲線的拐點確定，即最優搭接長度為2.5 m。

圖8 不同工況下隧道的變形情況Fig.8 The deformation of the tunnel under different working conditions

形較小，掌子面穩定情況良好未見明顯擠出變形，通過仿真優化計算，達到了隧道施工過程安全、快速又經濟的目的。

3.4 實際應用效果

本工程實際施工中，在超前大管棚保護范圍之內每循環開挖進尺兩榀鋼架(1.2 m)，在距離管棚末端4 m時，采用玻璃纖維筋進行掌子面預加固，然后進行每循環開挖進尺3榀鋼架(1.8 m)。整個施工過程中，圍巖穩定情況良好未出現預警情況，根據中導洞施工完成后的監控量測數據，頂拱最大累計沉降約1.72 cm，周邊收斂累計最大約1.21 cm，圍巖整體變形較小，掌子面穩定情況良好未見明顯擠出變形，整個隧道施工過程既保證了安全又兼顧了效率。與原設計兩臺階開挖每循環進尺1榀鋼架的施工方案相比，其各項對比指標如表2所示。

由表2可知，由兩臺階工法變更為新意法后，工期節約了87 d，中導洞施工每月的人員及設備等的費用支出約60萬元，平均一天2萬元，因此變更后節約費用共174萬元。增加的費用主要為玻璃纖維筋的材料及施工費用，此部分費用共約8萬元，因此綜合起來共節約成本166萬元，節約工期87 d。綜上可知，在設計變更采用新意法施工后，與傳統的兩臺階工法相比，工人和設備的施工作業空間得到了增加，更有利于施工過程的安全管控，同時在安全、工期和成本方面也具有顯著的優勢。

表2 主要施工指標對比分析

4 結論

依托烏龍山隧道通過對隧道開挖過程進行仿真模擬，并結合實際施工情況，得出如下主要結論。

(1)對掌子面使用玻璃纖維筋進行超前預加固能夠有效地控制掌子面的擠出位移以及隧道頂拱沉降，可以有效地控制掌子面的穩定，提高隧道施工的安全系數。

(2)對于玻璃纖維筋的最優搭接長度，可以通過多種工況的數值模擬，由掌子面玻璃纖維筋不同搭接長度時對應變形曲線的拐點來進行確定，達到既能保證安全又能兼顧經濟的目的。

(3)傳統的連拱隧道中導洞的施工方式大多采用兩臺階的工法，而采用新意法對掌子面進行預加固后可以進行全斷面的快速施工，同時每循環的開挖進尺也可以達到1.8 m，其施工過程安全、快速又經濟，有利于項目工期和費用的控制。