下屏峰隧道洞口段高陡偏壓棚洞結構分析

■賴錦興

（福建省交通科技發展集團有限責任公司， 福州 350004）

隨著我國經濟發展， 公路建設等級不斷提高，山區公路的建設逐步向高等級公路提升邁進，為提供快速、便捷的出行路線，提高行車的舒適性和社會效益， 越來越多的山區公路工程采用了隧道方案。 受地形條件的制約，隧道工程不可避免地存在陡峭地形條件，造成斜交進洞、偏壓成洞等不良地形情況的發生。 洞口存在偏壓時，常規的洞口處理方案為采用端墻式洞門與帶耳墻的偏壓式明洞。 這種處理方案往往會導致靠山體內側邊坡開挖過高，破壞山體的原生態植被；施工后圬工體積大，造成洞口與自然環境不夠協調。近年來，隨著“環保”理念在公路規劃與建設中更加被重視， 棚洞結構逐漸成為隧道洞口工程建設的一種趨勢，已在高速鐵路[1-2]、高速公路[3-4]，高邊坡處理[5]、公路隧道建設[6]中得到應用。 棚洞結構是一種將“安全適用、經濟合理、造型新穎、技術先進、生態環保”融為一體的環保型隧道洞口結構形式，堅持了“設計中最大限度的保護，施工中最小程度的破壞， 施工后最強力度的恢復”的理念，實現了環境保護與公路發展并舉、隧道建設與自然環境相和諧。 本文以下屏峰隧道出口棚洞結構為實例，建立有限元數值模型分析棚洞結構的力學特性，并驗證棚洞結構的安全性，為同類型隧道洞口的處理提供參考和借鑒。

1 工程概況

下屏峰隧道為省道S207 線壽寧下黨至三明尤溪段公路工程的重要組成部分， 為單洞雙車道隧道。 隧址位于中低山地貌區，植被較茂密，地勢陡峭，隧道出口地面橫坡度十分陡峻，達60°～80°，且左側臨近西溪；地質條較好，自然邊坡穩定；山體起伏較大，相對高差大，地面高程在340～724 m，山體呈南北向展開，受區域地質構造的影響，山體完整性一般（圖1）。

圖1 下屏峰隧道出洞口原地形地貌

工程方案的選定，綜合考慮以下兩個主要因素：一是工程為改擴建項目，項目又處于旅游觀光區，具有旅游道路的特性，應最大限度地與沿線地形及既有老路自然景觀相協調，實現保客車通行安全、保原路風貌、保沿線文化特色、保周邊生態環境、保群眾出行暢通的“五保”要求。 工程建設應盡可能地減少對周邊環境的破壞， 隧道工程應做到“零開挖”進洞。 二是根據地質勘察揭示，出洞口處存在一硅化構造帶及中風化巖體破碎帶（且存在不穩定結構面及不穩定楔形體）， 邊坡整體結構面裂隙較發育，巖體較破碎，應綜合考慮巖體破碎帶的影響，避免和減少碎落石掉落的影響，確保運營期間隧道洞口邊坡穩定和通行安全。 經過多個方案的對比分析， 隧道洞口采用棚洞結構和虛擬洞壁方案，實現了“零開挖”進洞，既能最大限度地減少邊坡刷坡，保護洞口周邊生態環境、棚洞結構，還能防止和減少洞頂碎落石掉落路面，保護車輛、行人的通行安全（圖2）。

圖2 下屏峰隧道出洞口建成效果

2 棚洞設計

隧道出洞口段地形呈陡坡狀， 現場未發現崩塌、滑坡等不良地質現象，現狀坡體較穩定。 斜坡上覆土層為坡殘積～強風化凝灰巖，覆蓋層厚度小，穩定性弱，在爆破等外力作用下易產生坍塌；下部為中風化凝灰巖，穩定性相對較好，整個隧道出洞口的巖土體結構完整性為較差～一般。

按JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范》[7]和JTG B01-2014《公路工程技術標準》[8]等的規定和要求，適應現場地形狀況，棚洞結構采用拱形棚洞貼壁的方式處置，靠山體側，斜交斜做，不開挖山體，斜做段棚洞結構作為內側暗挖段的虛擬洞壁，對內側暗挖段的側壁初支起有效支撐作用。 棚洞結構典型斷面如圖3 所示。

圖3 棚洞結構典型斷面示意圖

下屏峰隧道洞口棚洞共長22 m，棚洞右側墻每隔3.5 m 開窗，窗戶尺寸為上半部直徑為2 m 的半圓，下半部分為寬2 m、高2 m 的方形，共開窗6 處；棚洞左側（靠山側）厚0.8 m，墻底（靠山側）采用2 m 寬擴大基礎（基礎深度按持力層深度調整），右側采用直立柱支撐＋擴大基礎的型式， 其中直立柱截面為變截面型式，最小厚度為1.9 m，外側墻坡度為1∶0.2，棚洞高12.3 m，直立柱下采用4.4 m×1 m的擴大基礎， 擴大基礎應落在承載力在500 kPa 以上穩定的地層；棚洞頂左側貼壁部分采用預應力錨桿和非預應力錨桿相結合的方式與山體連接成一個整體，增加棚洞的穩定性；對棚洞基礎底部的原路基素填土進行處理，棚洞基礎底采用C20 混凝土回填處理；棚洞頂采用人工夯實素填土回填，上層覆蓋20 cm 厚膠泥防滲層。

3 棚洞結構計算

本項目采用有限元分析軟件Midas/GTS NX 對隧道出口段進行模擬計算。 以下屏峰隧道棚洞段為核心區域，縱向取洞身長度140 m，橫向取圍巖寬度155 m，高度為原地表地層，建立計算模型。

下屏峰隧道以及棚洞的三維有限元網格圖如圖4 所示，采用以八節點六面體實體單元與四節點四面體實體單元來模擬巖體以及棚洞；采用四邊形板單元模擬初期支護噴射混凝土；采用植入式桁架單元模擬錨桿。 棚洞結構縱向長度為22 m，寬度為14.6 m，在隧道出口段取長度為102 m 的隧道進行力學分析。 隧道圍巖的力學參數參照《高等巖石力學》以及下屏峰隧道的地質報告進行選取，圍巖力學參數指標如表1 所示，數值計算中支護結構采用的物理力學參數如表2 所示。

圖4 隧道與棚洞三維有限元網格圖

表1 圍巖力學參數指標

表2 支護計算物理、力學參數

計算中模擬了開挖、施作初期支護、施作二次襯砌的全過程，以及施工期間開挖釋放荷載的分步釋放，具體如下：（1）隧道棚洞段施工，分步完成棚洞施作、內側開挖以及錨桿；（2）在棚洞施工完成后，在正常的隧道洞口段，按每隔2 m 設置1 個臺階的“上下臺階”法進行隧道掘進、開挖，開挖后初期支護緊跟；（3）當隧道掘進40 m 后，根據隧道圍巖特性，改用全斷面一次開挖成洞，開挖后初期支護緊跟；（4）最后施作二次襯砌。

3.1 應力分析

隧道棚洞、圍巖的應力云圖如圖5～8 所示。 從計算的第一主應力與第三主應力結果可知：隧道圍巖最大主拉應力為0.46 MPa， 最大主壓應力為4.19 MPa，均小于圍巖的抗拉及抗壓強度；棚洞的最大主拉應力為0.62 MPa， 最大主壓應力為2.08 MPa，均小于棚洞的抗拉及抗壓強度。 棚洞與圍巖的應力數值如表3 所示。

圖5 棚洞第一主應力云圖

圖6 棚洞第三主應力云圖

圖7 圍巖第一主應力云圖

圖8 圍巖第三主應力云圖

表3 圍巖與棚洞應力

3.2 位移分析

根據模型位移云圖（圖9～10）顯示：隧道開挖引起了隧道左右兩側的圍巖向洞內變形， 最大水平向位移變化約為1.84 mm，可忽略不計；隧道拱頂最大沉降量約為4.58 mm， 仰拱最大隆起量約為4.8 mm，拱頂圍巖沉降和仰拱隆起值較小，也可忽略不計。

圖9 水平位移云圖

圖10 豎向位移云圖

3.2.1 錨桿位移分析

如圖11～12 所示，隧道開挖過程中，錨桿10 產生的豎向位移與水平位移最大，分別為-3.05mm 與2.1 mm，在允許范圍內；而錨桿1 的豎向位移與水平位移很小，可忽略不計，說明棚洞起點位置安全性高；靠近棚洞端的錨桿水平位移比靠近山體側錨桿的水平位移大，而靠近棚洞端的錨桿豎向位移比靠近山體側錨桿的豎向位移小。

圖11 棚洞錨桿網格圖

圖12 棚洞錨桿位移曲線

3.2.2 仰拱位移分析

圖13 為棚洞仰拱最大位移處的豎向位移曲線圖， 中軸線位置仰拱的豎向位移最大， 最大值為3.45 mm，在允許范圍內；中軸線兩側，靠山體側的豎向位移變化較小。

圖13 棚洞仰拱豎向位移曲線

綜上所述，數值模擬分析計算結果表明，隧道整個開挖過程及隧道施工完成后，其圍巖及棚洞均處于穩定狀態。 隧道施工過程監控量測、拱頂下沉、周邊收斂等數據表明，隧道在整個施工過程也是處于一個較為穩定、安全的狀態。 隧道的棚洞結構是適合下屏峰隧道出洞口的地形、地質條件的。

4 結語

本文通過建立有限元數值模型來分析下屏峰隧道棚洞結構的力學特性， 通過數字理論分析，結合現場實踐來驗證隧道棚洞結構的安全性；可得出如下結論：（1）棚洞各部位的拉應力和壓應力均小于棚洞構件的抗拉和抗壓強度， 棚洞結構本身安全、可靠；（2）棚洞及隧道洞口段周邊圍巖單元大部分以受壓為主，其拉應力和壓應力均小于圍巖本身的抗拉和抗壓強度；棚洞及隧道洞口段周邊圍巖是穩定和安全的；（3）雖然隧道的開挖會引起隧道周邊圍巖變形，對棚洞、隧道結構產生沉降、隆起等位移現象，但其數值較小，可忽略不計；棚洞、隧道結構及周邊圍巖的位移、變形量小，是安全、可靠的。 下屏峰隧道棚洞結構的實施，是福建省公路隧道建設中首例真正實現隧道“零開挖”進洞理念的工程，其設計新穎、景觀環保、結構安全可靠，適宜用于陡峭山坡地段的隧道進洞， 具有一定的特色和參考價值，可為以后同類型工程建設提供借鑒。