隧道洞口偏壓段斜交套拱施工技術及彈塑性數值模擬分析

何偉華

（中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300459）

山區高速公路施工時為避免破壞隧洞周邊環境和自然生態，洞口段應盡量規避大面積開挖，按照早進洞、零破壞、快成洞的原則施工。否則不僅破壞自然生態，而且增添隧道開挖及防護工程量，恢復隧道周邊植被的成本也較大[1]。

石忠高速公路沿河傍山路段，其中某隧道為斜交、偏壓隧道，根據其實際地形地貌及地質情況，按照“綠色環保、安全施工、美麗環境”的方針，經過施工工藝比選，最終選取斜交套拱配置大管棚提前支護施工技術，有效縮小了邊、仰坡的開挖面積，不僅保護了隧道所在地的自然生態，而且加快了施工進度，降低了成本。工程采用三維數值模擬分析，驗證了隧道洞口偏壓段斜交套拱施工技術的設計參數和可行性，對類似工程提供一定參考。

1 工程地質概況

石忠高速公路某隧道左右線總長1 000 m，洞寬和洞高分別為11.32 m 和7.05 m，隧道設計成分離式雙向四車道，進出口皆設計為端墻式，左洞與右洞坡度均為0.5%。隧道所在區域上表層為埋深很淺的殘坡土積層，下面部分的基層巖石是粉砂巖等，結構是粉細粒，呈千枚薄層狀形式構造，地質破碎，易引起滑坡和塌方。隧道口區域地下水大多是風化帶孔隙裂隙水。

隧道左邊洞口為很淺的覆蓋土層，偏壓現象十分顯著，右邊地處高邊坡位置。為嚴格遵循零開挖、零破壞的綠色施工方針，對原植被盡量保護，防止大范圍開挖，盡量降低邊仰坡開挖高度，確保進洞安全，按照隧道洞口的實際地形地貌和地質情況，對三種進洞施工工藝進行比選，從而選擇最佳工藝。

2 進洞施工工藝比選

2.1 半明半暗斜交進洞施工工藝

如果斜交偏壓隧道洞口周邊地形非常陡峭，將套拱進行梯形排列，對不存在圍巖的位置，將套拱壁拱虛擬為圍巖巖壁，通過正交方式將初支鋼支撐布置好后，馬上進行混凝土噴射支護。這種施工工藝能很好適應斜交進洞的地形地貌，規避了常規隧道進洞不當時出現邊、仰坡開挖面積過大從而導致的環保問題和安全隱患，很好地保護了隧道周邊特別是洞口段的自然生態(見圖1)。但由于斜交地段的地層偏壓力很大，襯砌結構受力不勻均，且套拱以及鋼拱架都呈不規則斷面設計，工藝繁瑣，因而造價高昂[2]。

圖1 半明半暗斜交進洞施工工藝

2.2 貼壁套拱斜交進洞施工工藝

當隧道進洞段圍巖較為破碎、覆蓋層很薄，而且山體和隧道斜交的角度較大、隧道穿越的山體非常陡峭時，可以采用貼壁套拱斜交進洞施工工藝。隧道開挖前先開挖路塹，提前保留3～5 m核心土，合理切槽洞口兩側，將鋼拱架當成骨架開展套拱施工，保證與隧道口相接的套拱能順利施工。采用預留核心土二臺階工法進行開挖和隧道支護工作。明洞也可以采用斜交方式，對周邊自然環境進行生態修復(見圖2)。該施工技術能有效降低周邊邊坡和仰坡的開挖范圍，但由于斜交地段地層壓力較大，且隧道襯砌結構受力體系十分復雜，通過暗挖方式進洞后，需要逐漸轉移為隧道標準斷面，因此隧道過渡段的施工十分困難[3]。

圖2 貼壁套拱斜交進洞施工工藝

2.3 偏壓套拱斜交進洞施工工藝

如果洞口所在區域十分陡峻，不僅斜交嚴重且出現嚴重偏壓，在覆蓋層薄且隧道一邊落底、另外一邊為高邊坡硬質圍巖的地質條件下，為平衡高邊坡偏壓，防止隧道失穩，可采取偏壓套拱施工工藝。提前保留3～5 m 核心土，合理切槽洞口兩側，將鋼拱架當成骨架開展套拱施工，保證與隧道口相接的套拱能順利施工。為了與地形相協調，偏壓套拱施工工藝的套拱按階梯狀布置，內側山體按實際地形采取縱、橫向方式進行預支護，外側設置抗偏壓耳墻(見圖3)。首先進行隧洞掘進，同時對邊側墻進行澆筑，接著采取分階開挖方式進洞。與此同時對套拱、邊側墻和初期支護展開閉合施工，形成比較堅固的支護閉環，然后再開展二次襯砌。該施工工藝能有效解決邊坡、仰坡開挖過高產生的安全質量等隱患[4]。

表1 三種偏壓隧道斜交進洞施工工藝對比

以上三種施工工藝的優劣對比如表l 所示。通過比選，最終選取偏壓斜交套拱配置長大管棚提前支護進洞施工工藝。

3 斜交套拱施工關鍵點

3.1 偏壓斜交套拱施工流程及關鍵控制技術

偏壓斜交套拱施工流程：

（1）對洞口邊仰坡開挖裸露部分及周邊區域噴射混凝土（噴錨），過程為：測量→開挖明洞和邊仰坡→錨桿布置→掛設鋼筋網→通過濕噴混凝土進行全封閉。注意事項：隧道洞口開挖時必須首先設置好隧道上部截水溝并做好漿砌片石施工。施作時通過挖掘機開挖，人工配合刷坡，裝載機配合裝碴，通過自卸汽車將棄渣外運。每次防護的工作高度約2 m，不允許搭架施工，確保坡面平整。

（2）對外露段進行初支施工：將C25 混凝土和片石一起作為基礎進行澆筑→架上鋼拱架→通過吊模法濕噴C25 混凝土。

（3）套拱施工：鋼筋綁扎→測量→導向管安裝→模板安裝→套拱澆筑C25 混凝土。注意事項：套管中心與隧道開挖輪廓線距離為0.45 m，應確保孔口管的位置固定，對鋼筋間距進行適當調整。

（4）管棚施工：管棚鋼管加工→搭鉆孔平臺→隧道鉆孔→清孔處理→檢驗鉆孔→沿拱部輪廓線鉆進20 根長度2 000 cm、外直徑10.8 cm 的導管作為管棚鋼管并安裝→管口封堵→隧道加壓注漿。注意事項：鉆孔平臺必須穩定，避免鉆孔時鉆機出現不均勻震動、沉降、錯位和傾斜，影響鉆孔質量。注漿后借助6 cm 鋼板封閉注漿孔，避免漿液順著孔壁溢出，在孔口鋼板處將進漿、排氣管口進行焊接，遇特殊情況時漿液可添加早強劑。注漿壓力范圍設定在0.5～1.0 MPa。先通過低壓力中流量進行注漿，再逐步提高壓力。打開排氣管直至冒出濃漿再將其關閉，確保最終壓力保持在0.75 MPa。

（5）進洞開挖：隧道監測點布設→通過CD 法進行隧道施工→有效連接斜交套拱段鋼拱架→隧道錨噴支護。注意事項：掘進時采取“縮短進尺、削弱爆破、加強支護、加密量測”的方針。

3.2 測量

隧道施工前選取無阻擋視覺效果好、測量便捷的點位預埋地表沉降觀測點。隧道施工平面布置見圖3，隧道ZK20+906 處橫斷面見圖4， 隧道ZK20+910 處橫斷面見圖5。

圖3 隧道斜交套拱平面布置

圖4 隧道ZK20+906 處橫斷面

圖5 隧道ZK20+910 處橫斷面

4 有限元模型及參數

彈塑性數值模擬分析[5]中，坐標系Y 軸、X 軸、Z 軸依次為隧道垂直向上、水平向右、向前開挖方向。隧道有限元模型計算范圍在Y 軸方向從底部朝下取3 倍高度,一直向上取至地表，X 軸方向單側取3.5 倍隧道跨度，Z 軸方向沿隧道縱向取值為0.25 km（隧道圍巖和支護結構物理力學參數見表2,計算模型見圖6）。

圖6 隧道整體網格、隧道斜套拱和支護襯砌網格示意

表2 隧道圍巖和支護結構物理力學參數

依據德魯克-普拉格（D-P）屈服原則開展研究。隧道洞口偏壓段斜交套拱施工技術施工步驟模擬：（1）驗算自重應力場；（2）斜套拱、超前支護及隧道右上臺階施工；（3）隧道右上臺階支護；（4）隧道右下臺階掘進和初支處理；（5）隧道左上臺階環形開挖和初支處理；（6）隧道左下臺階開挖及初支處理；（7）隧道二次襯砌。

5 數值模擬結果及分析

5.1 隧道圍巖位移

從隧道圍巖水平、垂直位移分析可得，隧道圍巖水平位移極限值為1.25 mm,位于完成隧道二襯以后的右拱肩處。隧道施工過程中，圍巖最大沉降量僅為3.3 mm,位于完成二襯后的隧道拱頂處；圍巖最大縱向位移僅為1.37 mm,出現在完成二襯后隧道拱頂處。圍巖位移相對模型的距離較小，證明采取該技術圍巖比較穩定。必須確保斜套的剛度和強度比較大，防止拱頂出現沉降。

5.2 隧道圍巖應力

從隧道圍巖最后應力分布分析可得，隧道右上臺階結束初支后，處于右上臺階的拱腳處的承受極限拉應力僅為0.28 MPa。在結束二襯后，拱腳處極限壓應力僅為2.56 MPa，均在規范之內，斷定施作時圍巖比較穩定。

5.3 圍巖塑性區

從隧道施工圍巖塑性區分布分析可得，隧道洞口段邊墻位置的圍巖塑性區已關聯。為確保圍巖安全，設計施工時必須對隧道邊墻處初支剛度和強度進行加強，保證迅速有效進行初支[6]。

6 結語

通過模擬實踐，總結出如下斜交套拱配置長大管棚提前支護進洞施工工藝特點。

①根據隧道洞口處具體地形地質情況，采用該技術能規避洞口段大范圍開挖，施工工序較簡單，造價不高，較為適合進洞施工，且有效保護了生態環境和山體穩定性，能降本增效。

②由彈塑性數值模擬分析可知，圍巖的豎向位移比水平和縱向位移都大一些,但符合要求。隧道邊墻部位圍巖分布具備一定面積的塑性區，設計施工必須切實提高隧道邊墻處的初期支護強度和剛度，遵循“縮短進尺、削弱爆破、提前支護”原則，確保隧道質量安全，避免山體滑坡。

③管棚超前支護作用明顯。通過監測,證明套拱發揮了積極作用,確保了隧道施工的安全與質量。施工中隧道拱頂部位盡管存在拉應力，但未超出圍巖的抗拉強度范圍。在斜交進洞前必須配備套拱和管棚，從而有效降低對圍巖的干擾。