邊坡作用下連拱隧道施工方案比選分析

■蘇 濤

(福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州 350001)

1 引言

近年來，連拱隧道多用于中、短隧道中，尤其是在多山的高速公路規(guī)劃設(shè)計中。隧道工程和邊坡密切相關(guān)，特別是連拱隧道，在確定隧道位置時就無法回避邊坡問題，包括隧道進(jìn)山時洞門外的邊坡以及洞門頂部的仰坡，而且在施工過程中還可能受到偏壓地形以及潛在的滑坡、剝落、崩塌等邊坡變形破壞問題的威脅[1]。因此，在邊坡作用下確定合理的連拱隧道施工方案就顯得十分必要和迫切。

使隧道產(chǎn)生偏壓的原因很多，如淺埋傍山隧道的地形偏壓、巖體結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的地質(zhì)構(gòu)造偏壓、對稱結(jié)構(gòu)在由不對稱向?qū)ΨQ轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的偏壓、隧-坡耦合作用下邊坡移動造成的偏壓、施工中圍巖局部松動產(chǎn)生的偏壓以及襯背回填不密實不均勻產(chǎn)生的偏壓等。偏壓現(xiàn)象在滑坡地段、對隧道影響最大，特別是對于連拱隧道，由于其結(jié)構(gòu)受力要在連拱整體結(jié)構(gòu)中進(jìn)行調(diào)整，偏壓現(xiàn)象導(dǎo)致結(jié)構(gòu)任何部位的破壞和裂縫都會對結(jié)構(gòu)的整體受力和防水性能造成極大影響。連拱隧道與邊坡共同作用所導(dǎo)致的病害非常嚴(yán)重，如元(江)磨(黑)高速公路上的小曼薩河隧道和三公箐隧道在施工過程中邊坡產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的病害。周玉宏，趙燕明，程崇國(2002)等有關(guān)偏壓連拱隧道施工方案及施工過程優(yōu)化進(jìn)行了研究[2-3]。王建秀、朱合華等就連拱隧道的邊坡與隧道共同作用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析[4]。

2 工程概況

江西某隧道采用曲中隔墻連體隧道結(jié)構(gòu)形式，洞口樁號為K85+320、K85+535，隧道全長215m，隧道縱坡為2.499%，隧道進(jìn)口位于右偏緩和曲線上，其余位于R=2150m 的右偏圓曲線上。其結(jié)構(gòu)斷面如圖1 所示。隧道穿越處地面標(biāo)高在98～166 之間，相對高差大于65m，北側(cè)丘頂標(biāo)高192.70m。山體植被發(fā)育，穿越和通視條件差。隧道兩端進(jìn)、出洞口處，風(fēng)化作用改變了部分原巖結(jié)構(gòu)，形成8.60～29.80m 厚的全風(fēng)化和強風(fēng)化松散層、碎塊體，直接降低了圍巖類別，增加了深厚風(fēng)化層所處的隧道施工、支護(hù)難度。

圖1 隧道斷面圖

3 連拱隧道施工動態(tài)數(shù)值模擬

3.1 模型簡化

本文選取的計算斷面樁號為K85+510，隧道埋深約13m(中心線)，采用平面應(yīng)變彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行分析，屈服準(zhǔn)則為德魯克-普拉格屈服準(zhǔn)則。圍巖、中墻、中墻頂部回填等采用四邊形實體單元模擬；錨桿和初襯采用兩維桿單元模擬；二襯采用兩維梁單元模擬；考慮初襯與二襯之間有一定滑動，在兩者之間設(shè)接觸面單元，采用單層節(jié)理材料模擬。具體計算參數(shù)列于表1、表2。按隧道開挖影響范圍的大小，計算模型邊界范圍?。荷线吔缰恋乇碜杂擅?；下邊界至開挖洞底距離為三倍洞高；左右邊界距洞口距離分別為三倍隧道跨度。兩側(cè)邊界結(jié)點加水平方向約束，底部邊界結(jié)點加豎直方向約束[5]。

表1 實體單元計算參數(shù)表

表2 梁、桿單元計算參數(shù)表

3.2 開挖支護(hù)的動態(tài)數(shù)值模擬

由于地層應(yīng)力在隧道開挖過程中受到多次擾動，隧道有些部位的最大應(yīng)力、位移等并不一定出現(xiàn)在最終的施工步，因此有必要按照隧道施工過程進(jìn)行動態(tài)數(shù)值模擬。對于本隧道，下臺階開挖采用跳馬口槽開挖，由于施工順序緊密銜接，在數(shù)值模擬中認(rèn)為下臺階開挖一次完成。

先開挖左洞的動態(tài)數(shù)值模擬∶

先開挖左洞的開挖方案分為14 個施工步，具體施工步為：(a)中導(dǎo)洞開挖；(b)中導(dǎo)洞錨噴支護(hù)；(c)施作中墻；(d)中墻頂部回填與橫撐加固；(e)左洞上臺階開挖；(f)左洞上臺階錨噴支護(hù)；(g)左洞下臺階開挖；(h)左洞下臺階錨噴支護(hù)；(i)左洞施作內(nèi)襯；(j)右洞上臺階開挖；(k)右洞上臺階錨噴支護(hù)；(l)右洞下臺階開挖；(m)右洞下臺階錨噴支護(hù)；(n)右洞施作內(nèi)襯。主要施工步網(wǎng)格圖如圖3：

圖3 先開挖左洞施工過程模擬

3.3 上下臺階法開挖支護(hù)的動態(tài)數(shù)值模擬

上下臺階法開挖隧道分為13 個施工步，具體為：(1)中導(dǎo)洞開挖；(2)中導(dǎo)洞錨噴支護(hù)；(3)施作中墻(包括中墻頂部回填)；(4)左洞上臺階開挖；(5)左洞上臺階錨噴支護(hù)；(6)右洞上臺階開挖；(7)右洞上臺階錨噴支護(hù)；(8)左洞下臺階開挖；(9)左洞下臺階錨噴支護(hù)；(10)左洞施作內(nèi)襯；(11)右洞下臺階開挖；(12)右洞下臺階錨噴支護(hù)；(13)右洞施作內(nèi)襯。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 中墻應(yīng)力分析

中墻在連拱隧道受力體系中是一個關(guān)鍵，它不僅承受中墻上部圍巖傳來的壓力，還要承受兩側(cè)耳墻傳來的壓力；另外，由于兩側(cè)傳來的壓力大小不一致，有較明顯的偏壓作用，受力狀態(tài)較復(fù)雜。

從圖4、圖5 可以看出，先偏壓情形下，先開挖左洞與先開挖右洞有很大不同，表現(xiàn)在：

(a)先開挖右洞給中墻帶來的偏壓影響小(表現(xiàn)在整個施工過程中)，左右側(cè)豎向應(yīng)力最大偏壓2153kPa(施工步9)，而先開挖左洞左右側(cè)的最大偏壓為5144kPa(施工步9)；

(b) 先開挖右洞最大豎向壓力絕對值小，為3426kPa(施工步12)，而先開挖左洞為6026 kPa(施工步12)。

圖4 先挖左洞施工方法左右側(cè)中墻應(yīng)力隨施工步變化圖

圖5 先挖右洞施工方法左右側(cè)中墻應(yīng)力隨施工步變化圖

4.2 拱頂沉降

拱頂沉降是評價圍巖位移大小及穩(wěn)定性的一個重要指標(biāo)，圖6，7 為左右洞拱頂沉降在采用三導(dǎo)洞法、上下臺階法時隨施工步增長的情況。

圖6 先挖左洞施工方法拱頂沉降隨施工步變化圖

圖7 先挖右洞施工方法拱頂沉降隨施工步變化圖

從圖6 可以看出，左洞施工完成后，左洞的拱頂沉降為19.7mm，右洞的拱頂沉降為2.14mm；右洞施工完成后，即最終施工步，左洞的拱頂沉降為24mm，右洞的拱頂沉降為16.4mm。采用先開挖左洞后開挖右洞的施工方法時，右洞施工對左洞的最終拱頂沉降的影響為(24～19.7)/24=18%。

從圖7 可以看出，右洞施工完成后，右洞的拱頂沉降為11.5mm，左洞的拱頂沉降為3.18mm；左洞施工完成后，即最終施工步，右洞的拱頂沉降為13.3mm，左洞的拱頂沉降為21.8mm。采用先開挖右洞后開挖左洞的施工方法時，左洞施工對右洞的最終拱頂沉降的影響為(13.3～15.5)/13.3=13.5%。

可以認(rèn)為先開挖右洞更易于控制變形，同時后開挖隧道對先開挖隧道的影響也較小。

4.3 屈服區(qū)

從圖8，9 可以看出，先開挖右洞方案對控制施工期的圍巖穩(wěn)定是有利的(圖8a、圖9a)，最終步的屈服區(qū)大小基本一致，但是兩者仍有較小的差別，表現(xiàn)在：先開挖右洞施工方案引起的左洞屈服面相對較小、而右洞屈服面相對較大。

圖8 先開挖左洞方案屈服區(qū)云圖

圖9 先開挖右洞方案屈服區(qū)云圖

5 結(jié)論

一般情況下連拱隧道屬淺埋的短隧道，由于連拱隧道寬度較寬，所以在洞口段常會出現(xiàn)偏壓地形偏壓或地質(zhì)構(gòu)造偏壓，而對于這種情況下的施工主要應(yīng)注意確定內(nèi)、外側(cè)哪一個主洞先開挖，國內(nèi)目前關(guān)于這個問題的討論或爭議較大，通過實地處理的一些淺埋偏壓連拱隧道的經(jīng)驗和一些計算分析結(jié)果，認(rèn)為應(yīng)先開挖外側(cè)的隧道，當(dāng)外側(cè)隧道的二次襯砌完成后，才能進(jìn)行內(nèi)側(cè)隧道的開挖和施工，主要理由為：

(1)如果先施工內(nèi)側(cè)的隧道，則在外側(cè)主洞的開挖時，由于隧道所受向外的偏壓很大，容易引起內(nèi)側(cè)已建隧道的變形和開裂。同時外側(cè)主洞埋深更小，如施工時發(fā)生坍塌，則會使得內(nèi)側(cè)已完成的隧道處于非常不利的偏壓情況，一般情況下隧道失穩(wěn)也是在所難免的。

(2)在淺埋偏壓條件下通常外側(cè)主洞的圍巖條件相對較差，成洞困難，如果能夠?qū)⒊啥蠢щy的外側(cè)主洞先施工完畢，則對于條件相對較好的內(nèi)側(cè)主洞的施工進(jìn)度更能夠保證。內(nèi)側(cè)隧道開挖時，外側(cè)已完成的隧道所受偏壓有限，隧道的穩(wěn)定易于保證。

(3)從共同作用角度，中墻應(yīng)力、拱頂沉降以及屈服區(qū)等角度都說明先開挖外側(cè)隧道對隧道穩(wěn)定更有利。

需要指出的一點是，隧道所處的地質(zhì)條件有其特殊性，對具體問題需要具體分析，以達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)利益的平衡。

[1]朱合華，李新星，蔡永昌，丁文其.隧道施工中洞口邊仰坡穩(wěn)定性三維有限元分析[J].公路交通科技，2005.6，22(6)：119-122.

[2]周玉宏，趙燕明，程崇國.偏壓連拱隧道施工過程的優(yōu)化研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2002，21(5)：679-683.

[3]周玉宏，趙燕明，程崇國.偏壓連拱隧道合理開挖方案分析[J].2002，21(5)：1-6.

[4]王建秀.連拱隧道建設(shè)中幾個關(guān)鍵問題研究.上海:同濟(jì)大學(xué)博士后出站報告,2004.

[5]朱合華，丁文其，李曉軍.同濟(jì)曙光巖土及地下工程設(shè)計與施工分析軟件用戶手冊GeoFBA2DV4.0[J].同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，2005.