偏壓連拱隧道施工優(yōu)化研究

崔洪峰

（河北路橋集團有限公司，河北 石家莊 050011）

1 工程概況

本工程位于地質(zhì)條件較復(fù)雜的山嶺重丘區(qū)的高速公路，整個工程分?jǐn)?shù)期進行完成，現(xiàn)以其二期工程為例進行研究，本期工程線路總長達到90余千米，連拱隧道達到20座之多，其難度與規(guī)模在我國公路建設(shè)中屬罕見。因此，對其施工優(yōu)化進行研究具有一定的代表性和典型性。

該工程所處位置主要以侵蝕中低山丘陵區(qū)為主，地貌主要是風(fēng)化剝蝕，且地勢十分陡峭。在現(xiàn)場經(jīng)過勘察與分析，可以看到整個工程的地層巖性主要包括了三層，由上向下分別為：上層全新統(tǒng)沖積層，主要的巖性有亞砂土、中粗礫和卵礫石，其主要分布于隧道兩端的溝谷平原區(qū)；中層為第四系殘坡積層，主要的巖性有含碎石黏性土、含黏性土碎石和亞黏土，其厚薄不均勻，主要分布于隧道區(qū)基巖表層；下層為上侏羅統(tǒng)，主要分布與隧道區(qū)內(nèi)，其上覆蓋全新統(tǒng)沖積層或者第四系殘坡積層。圍巖分為II、III類。

2 偏壓連拱隧道施工模擬

2.1 圍巖物性指標(biāo)和支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

在對連拱偏壓隧道施工進行模擬之前要明確以下圍巖物性以及支護結(jié)構(gòu)的參數(shù)，其具體數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 施工工法模擬

利用能夠同時對材料非線性和幾何非線性進行模擬的快速拉格朗日有限差分FLAC程序?qū)θ龑?dǎo)洞工法和中央導(dǎo)洞與半斷面相結(jié)合工法進行模擬。具體工法模擬如圖1、圖2所示。

2.3 計算系列

以t來表示隧道拱頂?shù)狡旅娲怪眱艟喔餐梁穸?，選擇具有典型性的淺埋地形偏壓覆土厚度，t取9m，依照具體的坡度變化，考察說明。Ⅱ類（取7種坡度）、Ⅲ類（取3種坡度）圍巖，以優(yōu)選出的施工工法，按“由外向里”及“由里向外”（里、外是相對山體而言）施工步驟，進行施工全過程的模擬，計算系列共20組（如表2所示）。

表1 圍巖物性指標(biāo)和支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 三導(dǎo)洞工法

圖2 中央導(dǎo)洞與半斷面相結(jié)合工法

表2 偏壓連拱隧道計算系列

2.4 計算建模

在進行了相關(guān)的數(shù)據(jù)研究計算之后，就要進行計算建模，整體建模與偏壓連拱隧道建模如圖3、圖4所示。

圖3 整體建模

圖4 偏壓連拱隧道建模（坡度1∶1）

3 偏壓連拱隧道優(yōu)化施工力學(xué)研究

3.1 偏壓連拱隧道塑性區(qū)分布

從整體上來看，無論采用怎樣的施工工序，對于Ⅱ、Ⅲ類圍巖塑性區(qū)來說，都會呈現(xiàn)明顯的不對稱分布（如圖5所示）。

圖5 Ⅱ類圍巖偏壓連拱隧道不同工序施工引起塑性區(qū)分布

在對Ⅱ類圍巖進行分析，考慮到地形偏壓的因素，在支護方面，應(yīng)該應(yīng)用長錨桿或者是錨索為主的兩邊不等強的方法進行支護。綜合看來，由于地形偏壓的影響，必然會造成Ⅱ、Ⅲ類圍巖連拱隧道塑性區(qū)分布有明顯差異的“偏壓”效應(yīng)。

在對圍巖塑性區(qū)的分布狀況與“偏壓”的坡度關(guān)系進行研究時，發(fā)現(xiàn)隨著坡度的增大，隧道兩端的塑性區(qū)也在不斷的擴大，這個結(jié)果表明地形偏壓引起隧道結(jié)構(gòu)受力變得更加不利。在坡度不斷加大的情況下，出現(xiàn)了偏壓效應(yīng)導(dǎo)致隧道上方的塑性區(qū)不斷地延伸擴展一直伸展到山體的坡面上，這個發(fā)現(xiàn)表明，在特定的條件下，偏壓效應(yīng)很有可能會引發(fā)隧道坍塌事故，給工程施工帶來的安全隱患。

研究施工工序?qū)λ苄詤^(qū)的影響時，在對兩種施工工序的結(jié)果進行比較時，可以看出，在坡度保持相同的條件下，使用“先里后外”的施工工序比采取“先外后里”的施工工序所引起的圍巖松動塑性區(qū)的范圍要大。由此可以得出，在地形偏壓的情況下，“先外后里”的施工工序?qū)ι襟w的擾動比較小，是比“先里后外”施工工序更加優(yōu)越的施工工序，故可以考慮在實際工程中應(yīng)用此工序，進行工程施工優(yōu)化。

3.2 連拱隧道中墻偏壓受力特征研究

圖6為連拱隧道中墻作用載荷模型，其所受到的載荷主要來自于兩方面，一方面是來自其自身上方所覆蓋的土的壓力載荷；另一方面是來自左右隧道施工之后，經(jīng)初期支護傳到中墻頂部的壓力載荷。

圖6 中墻作用荷載分析

圖7是Ⅱ、Ⅲ類圍巖連拱隧道在地形偏壓條件下，應(yīng)用兩種不同的施工工序?qū)τ谥袎λ茌d荷的影響情況。

圖7 Ⅱ類圍巖不同工序施工引起作用于連拱隧道中墻兩側(cè)載荷情況

從以上的研究結(jié)果可以看出，盡管有著地形偏壓的影響，但是變換施工工序卻可以對中墻是否承受偏壓以及受到偏壓的大小程度有著重要的影響。采用先里后外的工序進行施工時，就會出現(xiàn)山體內(nèi)部側(cè)隧洞給予中墻頂部載荷作用大于坡面外部側(cè)隧洞給予的載荷作用，具體如圖8b）、8d）、8f）所示。但是，當(dāng)變換施工工序為先外后里之后，卻出現(xiàn)了II類圍巖連拱隧道“弱偏壓”及III類圍巖連拱隧道“無偏壓”狀況（如圖7a）、7c）、7e）、8a）、8c）、8e）所示）。

為了一目了然，將研究結(jié)果集數(shù)據(jù)整理成了圖表，設(shè)定偏壓系數(shù)為f偏=F1/F2，其中的F1是山體內(nèi)部隧洞的作用載荷；F2是坡面外部隧洞的作用載荷，具體情況見表3、表4。

圖8 Ⅲ類圍巖不同工序施工引起作用于連拱隧道中墻兩側(cè)荷載情況

表3 Ⅱ類圍巖連拱隧道中墻承受偏壓荷載分析

表4 Ⅲ類圍巖連拱隧道中墻承受偏壓荷載分析

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，施工工序?qū)Y(jié)構(gòu)受力以及偏壓效應(yīng)有十分重要的影響，而相比之下，采用先外后里的施工工序具有明顯的優(yōu)勢作用。它能夠更好地緩減連拱隧道偏壓受力狀況，因此，建議采用此種工序進行工程施工。

連拱隧道工程中主要存在“地形偏壓”和“施工偏壓”兩種偏壓效應(yīng)。施工偏壓效應(yīng)：中墻荷載（先修隧洞）＞中墻荷載（后修隧洞）；地形偏壓效應(yīng)：中墻荷載（山體側(cè)隧洞）＞中墻荷載（坡面?zhèn)人矶矗?。兩種施工工序的力學(xué)本質(zhì)比較，“先里后外”兩種不同工序施工的力學(xué)本質(zhì)。先里后外施工工序：偏壓荷載效應(yīng)＝地形偏壓效應(yīng)＋施工偏壓效應(yīng)；先外后里施工工序：偏壓荷載效應(yīng)＝地形偏壓效應(yīng)－施工偏壓效應(yīng)。由此可以得出先外后里是最優(yōu)化的施工工序。對偏壓連拱隧道的變性分析見表5。

表5 偏壓連拱隧道變形分析

4 結(jié)語

通過對工程的實際情況及自身特征進行分析研究之后，確定出了“先外后里”的最佳施工工序，從最大程度上對連拱隧道偏壓受力的情況進行了改善，使得“先外后里”工序成為淺埋偏壓情況下連拱隧道的優(yōu)化施工工序，這值得在實際的工程建設(shè)中進行推廣應(yīng)用，具有極高的優(yōu)化工程施工的價值。最后附上經(jīng)研究分析之后得出的一些優(yōu)化施工方法及優(yōu)化施工工序的建議（如表6所示），以期為連拱隧道工程施工的優(yōu)化做貢獻。

表6 一般情況下偏壓連拱隧道優(yōu)化施工方法及施工工序

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