連拱隧道斜交正作進(jìn)洞設(shè)計(jì)

陳友賢

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福建 福州 350004）

連拱隧道斜交正作進(jìn)洞設(shè)計(jì)

陳友賢

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福建 福州 350004）

連拱隧道在復(fù)雜偏壓地質(zhì)條件下，可采用斜交正作洞口來降低邊仰坡高度，但目前對(duì)其設(shè)計(jì)和施工關(guān)鍵技術(shù)的研究仍較少。文章以雙溪口隧道出口為例，闡述了連拱隧道斜交正作洞口的設(shè)計(jì)情況，通過三維有限元分析，研究梯形套拱的施工力學(xué)響應(yīng)，結(jié)果表明：梯形套拱處于明顯的偏壓狀態(tài)，虛擬洞壁作用顯著；為了降低套拱傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)上要對(duì)套拱成洞面的斜交角度加以限制，并宜在套拱長邊側(cè)設(shè)置有效的反壓體以平衡由初期支護(hù)傳遞的水平推力；另外，施工中先開挖山體較低一側(cè)對(duì)套拱受力更為有利。該研究成果在雙溪口隧道得到成功應(yīng)用，對(duì)類似條件下連拱隧道斜交進(jìn)洞有借鑒意義。

隧道工程；連拱隧道；斜交進(jìn)洞；三維有限元；梯形套拱

1　概述

隨著高速公路進(jìn)入山區(qū)，地形、地質(zhì)條件越來越復(fù)雜。由于連拱隧道開挖跨度大，施工過程圍巖受到多次擾動(dòng)，因此宜盡可能地采用正交進(jìn)洞［1］。但是，當(dāng)連拱隧道洞口所處地形偏壓嚴(yán)重且特別陡峭時(shí)，如仍采用一般的正交進(jìn)洞，則不利于施工安全和結(jié)構(gòu)受力，此時(shí)采用斜交進(jìn)洞，可有效地降低邊仰坡高度。因此實(shí)際設(shè)計(jì)中常面對(duì)如何合理設(shè)計(jì)斜交洞口的問題。

關(guān)于斜交進(jìn)洞技術(shù)，目前已經(jīng)有了一定的研究成果［2~7］。福建省于2001-05在三福高速公路的文山下連拱隧道首次采用斜交進(jìn)洞技術(shù)［8］。王勇［9］以云山隧道右線進(jìn)口不良地質(zhì)段為實(shí)例，介紹了洞身與山體斜交、偏壓時(shí)，施工輔助措施的設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)。劉繼國、柯小華［10］對(duì)隧道斜交進(jìn)洞的適用條件及優(yōu)勢進(jìn)行了闡述。唐穎［11］對(duì)分離式隧道斜交正作洞口中的梯形套拱進(jìn)行詳細(xì)的受力分析，并提出了設(shè)計(jì)對(duì)策。

但目前隧道斜交進(jìn)洞的研究主要針對(duì)分離式隧道，而對(duì)連拱隧道斜交進(jìn)洞的分析研究幾乎是空白。由于連拱隧道結(jié)構(gòu)特殊，開挖跨度大，在洞口偏壓嚴(yán)重的情況下采用斜交進(jìn)洞時(shí)，套拱承受了較大的不平衡水平推力，套拱設(shè)計(jì)和成洞面的穩(wěn)定是成功進(jìn)洞的關(guān)鍵。本文針對(duì)連拱隧道斜交進(jìn)洞工程實(shí)例進(jìn)行分析，并采用三維有限元分析套拱的施工力學(xué)響應(yīng)，以期為類似條件下連拱隧道斜交進(jìn)洞的設(shè)計(jì)及施工控制提供借鑒與參考。

2　斜交洞口設(shè)計(jì)的類型

斜交洞口設(shè)計(jì)的類型一般分為兩大類：斜交斜作和斜交正作。

所謂的斜交斜作是指成洞面開挖基本平行于洞口等高線，斜交于洞軸線，進(jìn)洞開挖時(shí)沿斜成洞面采用斜交工作面開挖進(jìn)洞，并經(jīng)過一段距離后逐漸過渡到垂直于洞軸線的工作面的正挖的施工方法；斜交正作是指成洞面開挖基本平行于洞口等高線，斜交于洞軸線，進(jìn)洞開挖時(shí)利用梯形套拱的虛擬洞壁作用正交工作面開挖進(jìn)洞的施工方法。

斜交斜作對(duì)洞口的地質(zhì)條件要求較高，而斜交正作對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性相對(duì)更好，有利于保護(hù)洞口，增加洞口成洞面的穩(wěn)定性，因而應(yīng)用更加廣泛。

3　連拱隧道斜交正作洞口計(jì)算分析

在斜交正作的洞口，梯形套拱的作用是構(gòu)成虛擬巖壁，為隧道正開挖進(jìn)洞提供條件。因此偏壓情況下，斜交正作洞口的設(shè)計(jì)關(guān)鍵之一是研究梯形套拱的受力情況。本文以福建邵三高速公路雙溪口連拱隧道的斜交正作洞口為例對(duì)梯形套拱進(jìn)行計(jì)算研究。

3.1工程概況

雙溪口隧道為連拱隧道，全長248 m，隧道出口圍巖以坡積亞粘土為主，洞口等高線與洞軸線角度約為60°，成洞面處地面橫坡約為25°。由于洞口地形偏壓且地質(zhì)較差，設(shè)計(jì)采用斜交正作進(jìn)洞，斜交角為30°。洞口采用超前大管棚預(yù)加固，設(shè)置了梯形套拱，在為管棚導(dǎo)向的同時(shí)，也作為斜交正作進(jìn)洞的虛擬巖壁。

3.2梯形套拱設(shè)計(jì)

梯形套拱設(shè)計(jì)為厚度60 cm的C25鋼筋混凝土，長邊738 cm，短邊400 cm。如圖1、圖2所示，左右洞套拱在中墻位置的進(jìn)行整體澆筑；套拱并未設(shè)計(jì)為常規(guī)的直角梯形，而是適當(dāng)縮短了套拱長邊的長度。

3.3有限元模型及網(wǎng)格

模型寬度180 m，長度210 m，底面距隧道仰拱200 m，模擬了實(shí)際地形。模型地表為自由面外，其余各面均約束其法向位移。圍巖采用Drucker-Prager本構(gòu)模型，中隔墻、套拱及支護(hù)采用彈性模型。本文選用“MIDAS/GTS”有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，初始網(wǎng)格及最終局部網(wǎng)格如圖3所示。

圖1　梯形套拱立面圖（單位：cm）

圖2　梯形套拱平面圖（單位：cm）

圖3　計(jì)算模型網(wǎng)格圖

圍巖力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

Ⅴ級(jí)圍巖段設(shè)計(jì)為三導(dǎo)洞法開挖，即中導(dǎo)洞超前開挖，貫通后澆筑中墻，主洞采用側(cè)壁導(dǎo)洞配合上下臺(tái)階法施工。斜交正作施工工序?yàn)椋盒苯怀啥疵骈_挖—中導(dǎo)洞開挖及支護(hù)—修筑中隔墻—套拱施作—長管棚超前支護(hù)—洞身開挖及支護(hù)。本文基本按以上施工工序進(jìn)行計(jì)算，僅省略了大管棚施工步驟，且將實(shí)際中套拱與圍巖通過大管棚連接，簡化為套拱單元直接與圍巖單元通過節(jié)點(diǎn)連接。

表1　圍巖物理力學(xué)參數(shù)表

由于套拱在中導(dǎo)洞施工后澆筑，因此本文主要分析正洞開挖對(duì)套拱產(chǎn)生的影響。在確定偏壓連拱隧道實(shí)際施工工序時(shí)，確定哪個(gè)洞為先行洞對(duì)減少施工偏壓有較大影響。本文為了比較不同先行洞對(duì)斜交洞口穩(wěn)定性及套拱的影響，計(jì)算時(shí)選取了兩種工況，工況1先開挖左洞（山體較高一側(cè)），后開挖右洞（山體較低一側(cè)）；而工況2則相反，先開挖右洞后開挖左洞。

3.4計(jì)算結(jié)果分析

通過計(jì)算，對(duì)套拱的應(yīng)力及變形進(jìn)行分析，得到不同工況下連拱隧道梯形套拱的施工力學(xué)響應(yīng)。

（1）套拱的變形

工況1和工況2套拱變形前視圖和右視圖分別如圖4、圖5所示。

圖4　工況1梯形套拱變形圖（單位：m）

圖5　工況2梯形套拱變形圖（單位：m）

工況1先開挖山體較高一側(cè)的左洞后，套拱整體明顯向左側(cè)虛擬洞壁即長邊一側(cè)推移，且左洞套拱靠近成洞面處相對(duì)前端上抬。其后開挖右洞，由于右洞的開挖釋放荷載影響，左洞套拱變形有向右“拉回”的趨勢，偏壓有所緩解，但總體來說還是向長邊一側(cè)變形。

工況2先開挖山體較低一側(cè)的右洞，左洞套拱有向右側(cè)推移的趨勢，但變形量明顯較工況1??；其后開挖左洞，套拱整體向左邊虛擬洞壁一側(cè)推移。

對(duì)比兩個(gè)工況的最終變形結(jié)果，工況2變形較工況1略小，但是先行洞開挖后，工況1的套拱出現(xiàn)了明顯的偏壓變形，套拱的變形量比工況2大22%，對(duì)套拱的穩(wěn)定和受力更不利。

（2）套拱的應(yīng)力

根據(jù)計(jì)算得出連拱梯形套拱的主應(yīng)力值，如表2所示，最大壓應(yīng)力發(fā)生在套拱的中隔墻靠近成洞面的位置，其值小于C25混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa［12］。最大拉應(yīng)力發(fā)生在左拱長邊靠近成洞面的拱腰處，其值大于C25混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27 MPa。

表2　工況應(yīng)力值對(duì)比 MPa

（3）套拱的抗傾覆分析

根據(jù)工況2計(jì)算得出的套拱基底豎向應(yīng)力值可知，套拱處于偏心受壓狀態(tài)，且基底靠近成洞面處出現(xiàn)小范圍拉應(yīng)力，拉應(yīng)力區(qū)域大約占5%，但套拱基底面總體呈受壓狀態(tài)，因此套拱沒有傾覆的危險(xiǎn)。對(duì)比兩個(gè)工況的基底豎向最大拉應(yīng)力，工況1為271 kPa，工況2為254 kPa，兩者相差不大。為進(jìn)一步提高施工安全度，在設(shè)計(jì)時(shí)宜在套拱長邊一側(cè)設(shè)置反壓體來平衡套拱承受的水平推力。

根據(jù)上述變形和應(yīng)力結(jié)果的分析得出斜交正作連拱隧道洞口的梯形套拱，承受著由初期支護(hù)傳遞的水平推力，套拱的虛擬洞壁作用明顯，部分拉應(yīng)力值超過了C25混凝土的容許應(yīng)力值。通過不同先行洞開挖工況的對(duì)比，可知先開挖山體較低一側(cè)，無論從套拱的變形和受力結(jié)果來看，都較先開挖山體較高一側(cè)更為有利。

4　工程應(yīng)用

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，雙溪口隧道出口斜交正作進(jìn)洞方案是基本合理的。梯形套拱的尺寸可以滿足要求，但根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步加強(qiáng)了套拱的配筋，同時(shí)為了確保施工安全，在套拱虛擬洞壁的一側(cè)（長邊）設(shè)置有效的反壓回填來平衡由初期支護(hù)傳遞的不平衡水平推力（如圖6所示）。

在施工過程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)斜交正作方案進(jìn)行施工，先開挖山體較低一側(cè)主洞，隧道安全進(jìn)洞，且洞門施工后基本沒有仰坡，很好地保護(hù)了隧道洞口的自然環(huán)境，是連拱隧道地質(zhì)較差偏壓洞口斜交正作進(jìn)洞的成功范例。

圖6　反壓回填示意圖

5　結(jié)論

連拱隧道斜交進(jìn)洞能夠較好地解決偏壓地形正交進(jìn)洞高邊仰坡帶來的洞口穩(wěn)定問題，較好地保護(hù)洞口的自然景觀。同時(shí)應(yīng)注意在設(shè)計(jì)中要根據(jù)斜交洞口具體的地形地質(zhì)情況加以針對(duì)性的分析，以確保隧道施工期間的安全。本文通過對(duì)雙溪口連拱隧道斜交進(jìn)洞的三維施工過程模擬分析以及施工經(jīng)驗(yàn)，提出連拱隧道斜交進(jìn)洞設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）斜交進(jìn)洞成功的關(guān)鍵是確保成洞面的穩(wěn)定，對(duì)于地質(zhì)較差的洞口應(yīng)采用斜交正作進(jìn)洞。

（2）與分離式隧道相比，連拱隧道成洞面開挖范圍較大，采用斜交正作進(jìn)洞應(yīng)更為慎重，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)條件合理設(shè)計(jì)梯形套拱的尺寸，加長套拱側(cè)長邊的尺寸對(duì)受力及成洞面穩(wěn)定更為有利。

（3）在考慮降低邊仰坡高度的同時(shí)，應(yīng)控制成洞面的斜交角度，如果斜交角過大將可能導(dǎo)致套拱失穩(wěn)。對(duì)斜交角度較大的洞口，建議進(jìn)行數(shù)值模擬確定套拱尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)，且在施工中應(yīng)對(duì)套拱長邊側(cè)進(jìn)行有效反壓回填后進(jìn)行正洞開挖。

（4）隧道正洞開挖時(shí)，宜先開挖山體較低一側(cè)洞室，再開挖另一側(cè)洞室。

（5）連拱隧道跨度較大，梯形套拱結(jié)構(gòu)復(fù)雜且承受了較大的水平推力，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意對(duì)梯形套拱進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐浣睢?/p>

（6）施工中應(yīng)嚴(yán)格按照斜交正作進(jìn)洞工序施工，注意保護(hù)山體，盡量減小開挖面和暴露時(shí)間，如：在中導(dǎo)洞開挖時(shí)僅開挖中導(dǎo)洞位置的成洞面，注意保留套拱核心土，及時(shí)做好邊仰坡防護(hù)和套拱反壓回填，并加強(qiáng)對(duì)套拱位移的監(jiān)控量測。

［1］ 李志厚，朱合華，丁文其.公路連拱隧道設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2010.

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［5］ 張東，許海峰.公路隧道斜交進(jìn)洞施工方法［J］.西南公路，2012（1）：35-38.

［6］ 鐘祺，王寶善.山區(qū)淺埋偏壓隧道進(jìn)洞方案比選［J］.中外公路，2012（32）：234-236.

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［11］唐穎.公路隧道斜交正作洞口的設(shè)計(jì)［J］.公路，2013（9）：269-271.

［12］JTG/T D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Discussion of Vertical Making for Skew Portal in Highway Double-arched Tunnel

Chen Youxian
（Fujian Communictions Planning & Design Institute, Fuzhou 350004, China）

Under the complex geological eccentric compression condition, the vertical angle was made for skew portal in twintunnel in order to reduce height of the side and face upward slope and ensure stabilization of the entrance. By the example of Shuangxikou tunnel, this paper described the design of vertical angle made for skew portal in twin-tunnel and analyzed the mechanical response of trapezium umbrella arch through numerical simulations. Some conclusions had been drawn. Since the eccentric compression of arch, the effect on the virtual tunnel wall was significant. To reduce the risk of arch overturning, the skew angle should be limited in design. At the same time, counterweight fill could be set on the long side of umbrella arch to balance the horizontal force which was transferred by initial supporting. In addition, excavating the lower side of the mountain was more favorable for the stress of umbrella arch. The experience and conclusions had been successfully applied in Shuangxikou tunnel, which could be taken as reference for design and construction of similar skew entrance in twin-tunnels.

tunnel engineering; double-arched tunnel; skew entering; three-dimensional finite element; umbrella arch

U452.2

B

1672-9889（2015）04-0060-04

陳友賢（1966-），女，福建福州人，高級(jí)工程師，主要從事公路與橋梁隧道專業(yè)的勘察和設(shè)計(jì)工作。

（2015-04-28）