新建雅山連拱隧道淺埋偏壓段優(yōu)化施工研究

潘春輝，林秀桂

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092)

新建雅山連拱隧道淺埋偏壓段優(yōu)化施工研究

潘春輝，林秀桂

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092)

針對新建雅山連拱隧道進洞口處的淺埋偏壓段實際情況，采用數(shù)值模擬的手段，分析了偏壓與無偏壓情況下連拱隧道的圍巖與中隔墻的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并對施工步驟進行優(yōu)化分析。結(jié)果表明，由于施工順序產(chǎn)生的偏壓與地形的偏壓作用共同疊加，對控制施工有不同的影響結(jié)果。采用“先淺后深”施工工序，有利于控制中隔墻的應(yīng)力大小及傾覆程度;采用“先深后淺”施工工序，有利于控制圍巖的變形和拱頂沉降變形。因此，針對實際施工中以控制中隔墻變形為主導的連拱隧道施工要求，采用“先淺后深”施工工序更為合理。

連拱隧道;中隔墻;淺埋偏壓;施工順序

0 引言

新建雅山隧道位于烏魯木齊市西側(cè)，最高海拔高度為1 397.6 m，位于山體中心部位，自此向四周低傾，隧道地形起伏較大，總體為中間高，兩端低。其結(jié)構(gòu)形式為雙連拱山嶺隧道，雙向4車道，全長345 m;暗埋段進口樁號為Y3K0+963.630，出口樁號為Y3K1+100.630，長度為137 m。雅山隧道暗埋段入口處位于滑坡體中，斜坡坡度約為1∶3，該處隧道埋深較小，最淺處僅約10 m，存在著嚴重的偏壓(見圖1)。淺埋偏壓連拱隧道受力復(fù)雜，其圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互影響機理尚不明確，須對偏壓連拱隧道進行動態(tài)模擬和優(yōu)化分析研究。

圖1 偏壓進洞斷面圖

為了研究偏壓連拱隧道，擬采用有限元數(shù)值分析的手段，先對無偏壓連拱隧道進行研究，分析施工順序?qū)B拱隧道的影響機理，再分析偏壓連拱隧道施工的力學效應(yīng)，以得出合理的施工工序，指導現(xiàn)場施工。

1 隧道工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)詳勘報告，新建隧道走廊帶內(nèi)出露的地層為古生界、新生界，具體為二疊系蘆草溝組P2(LC)地層。該巖石組合可細分為8個段1個層，總厚2 270.4 m。各段之間均為整合接觸。隧道段接觸為第3、第4段。上部覆蓋層為第四系(Q)，圍巖類別具體如下:

①1含礫黃土狀粉土:(Qal+pl3b+4)褐色、褐紅色，隧道兩側(cè)山坡分布，層厚1.0～2.0 m。稍濕、稍密-中密。

②角礫:(Q3b+4dl)灰黃色，隧道兩側(cè)山坡分布，層厚1.0～2.0 m。稍濕、稍密-中密。

③1強風化基巖:P2(LCc、LCd)青灰色、黃褐色、灰綠色。層頂埋深1.0～2.0 m。層厚3.0～5.0 m。風化裂隙很發(fā)育，巖體破碎。

④1中風化基巖:P2(LCc、LCd)青灰色、黃褐色、灰綠色。層頂埋深6.0～9.0m。結(jié)構(gòu)部分破壞，風化裂隙發(fā)育，巖體被切割成巖塊。

2 圍巖物性指標及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)地勘報告并結(jié)合以往類似工程數(shù)值分析經(jīng)驗，可以確定數(shù)值模擬的巖土參數(shù)。鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給混混凝土噴層[1]，計算方法為:

式中:E為折算后混凝土彈模;E0為原混凝土彈模;Sg為鋼拱架截面積;Eg為鋼材彈模;Sc為噴射混凝土截面積。

數(shù)值計算參數(shù)如表1所列。

表1 圍巖及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3 無偏壓連拱隧道施工模擬

3.1 數(shù)值模擬過程

該項數(shù)值模擬的主要目的是研究連拱隧道在無偏壓時隧道圍巖位移、應(yīng)力變化規(guī)律，以及支護效果等。根據(jù)施工現(xiàn)場狀態(tài)，擬采用如下模擬開挖方式:開挖中導洞-澆筑中隔墻-分臺階開挖右側(cè)隧道并及時初期支護-分臺階開挖左側(cè)隧道并及時初期支護最終平衡。

數(shù)值計算分析采用二維計算模型，計算模型的水平方向?qū)挾葹?50 m，兩側(cè)各延長為連拱隧道跨度約3倍，以消除邊界效應(yīng)的影響。隧道埋深為18 m。模型兩側(cè)邊界為水平向約束，底部為豎向約束，模型受重力作用，圍巖采用Drucker-Prager本構(gòu)模型。

隧道半凈寬9.92 m，凈高8.335 m，車行道寬度2×3.5 m，建筑限界凈高5.0 m，城-A級城市快速路，設(shè)計時速60 km/h。

3.2 數(shù)值模擬過程

圖2為中隔墻的水平變形云圖。從圖2可以看出，中隔墻有整體的偏向左側(cè)的位移，中心最大位移為3.26 mm。分析原因表明，無偏壓作用下，連拱隧道中隔墻的內(nèi)力和變形受隧道施工工藝影響很大。中導洞開挖支護完畢后，先行施工右側(cè)隧道，圍巖產(chǎn)生應(yīng)力釋放，通過初襯傳遞給中隔墻，使中隔墻向相反方向即左側(cè)位移;后行隧道施工過程的應(yīng)力和變化與先行隧道施工過程相似，通過初期支護釋放圍巖應(yīng)力于中隔墻，使中隔墻有向右側(cè)偏移的趨勢，然而后行施工隧道釋放的圍巖壓力小于先行施工隧道釋放的圍巖壓力，中隔墻總體上有向左偏移的趨勢，即向相反于先行施工隧道方向偏移。

圖2 無偏壓連拱隧道開挖后中隔墻水平位移云圖

而通過圖3無偏壓狀態(tài)下連拱隧道初期支護及圍巖變形云圖可知隧道圍巖整體向左側(cè)位移。而左側(cè)拱頂豎向位移為5.32 mm，右側(cè)為5.01 mm，說明左側(cè)隧道的圍巖收斂較之右側(cè)要大，拱頂沉降大6.2%。因此，從總體上，無偏壓連拱隧道圍巖向著相反于先行隧道的方向偏移，而于此同時，中隔墻也隨著圍巖向相反于先行隧道方向變形。

圖3 無偏壓連拱隧道開挖后圍巖變形云圖

4 偏壓連拱隧道施工動態(tài)研究

4.1 施工模擬工序

連拱隧道偏壓作用程度隨隧道埋深增加而減少，當隧道埋深大于1.6倍隧道開挖寬度時，因地形坡度產(chǎn)生的偏壓作用可以忽略[2]，新建雅山連拱隧道入口段的埋深平均為14 m，是跨度的0.65倍，地形引起的偏壓作用顯著。

偏壓連拱隧道施工順序主要有“先淺后深”和“先深后淺”兩種方法[3][4]，兩種施工方法對隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形，圍巖的應(yīng)力、位移有著不同的影響，而兩種施工方法在不同的土質(zhì)、坡角、埋深等因素下，其影響規(guī)律也不同。限于篇幅，本節(jié)僅針對雅山新建隧道地形圍巖狀況對這兩種施工方法進行數(shù)值模擬分析，以期獲得偏壓條件下的合理施工順序，指導實際施工(見圖4)。

圖4 偏壓連拱隧道進洞施工步序示意圖

“先淺后深”法施工過程動態(tài)模擬步序:(1)開挖中導洞;(2)臨時支護中導洞;(3)砌筑中隔墻; (4)開挖左上臺階;(5)左上臺階初支;(6)開挖左中臺階;(7)左中臺階初支;(8)開挖左仰拱;(9)拆除左側(cè)臨時支護并封閉初襯;(10)開挖右上臺階; (11)右上臺階初支;(12)開挖右中臺階;(13)右中臺階初支;(14)開挖右仰拱;(15)拆除右側(cè)臨時支護并封閉初襯。

“先深后淺”法施工過程動態(tài)模擬步序:(1)開挖中導洞;(2)臨時支護中導洞;(3)砌筑中隔墻; (4)開挖右上臺階;(5)右上臺階初支;(6)開挖右中臺階;(7)右中臺階初支;(8)開挖右仰拱;(9)拆除右側(cè)臨時支護并封閉初襯;(10)開挖左上臺階; (11)左上臺階初支;(12)開挖左中臺階;(13)左中臺階初支。(14)開挖左仰拱;(15)拆除左側(cè)臨時支護并封閉初襯。

4.2 模擬結(jié)果分析

4.2.1 拱頂沉降分析

拱頂沉降是反映圍巖位移大小的主要參數(shù)，同時也是評價隧道整體穩(wěn)定性進行優(yōu)化的重要指標(見圖5)。

圖5 施工完畢后拱頂沉降云圖

從圖5可以看出:由于偏壓作用，兩種方案的深埋側(cè)隧道最大沉降均發(fā)生在拱頂處，而淺埋側(cè)隧道最大沉降發(fā)生在內(nèi)側(cè)拱肩處。兩種方案連拱隧道的最大豎向位移均在深埋拱頂處，其位移場接近，施工中應(yīng)對深埋側(cè)隧道支護進行及時監(jiān)測，必要時采取加固措施，確保安全施工(見圖6)。

從圖6可以看出，兩種施工方案中，拱頂沉降數(shù)值影響最大的施工步驟是開挖上臺階，而中、下臺階開挖對拱頂沉降影響較小，在一定程度上對沉降有所減少。因為圍巖壓力較大，開挖中、下部巖體引起隧道拱部隆起，從而導致隧道襯砌結(jié)構(gòu)沉降反彈。連拱隧道兩個洞室分別開挖時相互之間對拱頂沉降的影響較小。因此應(yīng)及時施工仰拱，封閉初襯，監(jiān)測拱頂下沉，控制圍巖穩(wěn)定。

左洞淺埋隧道先開挖方案中，左洞拱頂最終沉降值為3.90 mm，右洞拱頂最終沉降值為13.25 mm;右洞深埋隧道先開挖方案中，左洞拱頂最終沉降值為3.46 mm，右洞拱頂最終沉降值為12.01 mm。兩種施工方法相比，先開挖淺埋側(cè)時左右拱頂?shù)某两迪鄬τ谙乳_挖深埋側(cè)都要大些。

4.2.2 中隔墻應(yīng)力分析

由于入洞口處在斜坡體上，左右隧洞埋深不同，右側(cè)深埋的隧洞傳給中墻的應(yīng)力比左側(cè)淺埋的要大，因此，會由自重不同而產(chǎn)生偏壓;同時不同的施工順序?qū)е聡鷰r釋放應(yīng)力的大小也有所不同，通過襯砌傳給中墻的力會對中墻產(chǎn)生不同程度的偏壓作用，使得中墻受力狀態(tài)極為復(fù)雜。

兩方案中隔墻最大拉、壓應(yīng)力對比如表2所列。

表2 兩方案中隔墻最大拉、壓應(yīng)力對比表(單位:MPa)

從表2可以看出，先開挖深洞方案中，中隔墻受到的拉應(yīng)力在施工過程中大于先開挖淺洞，最大拉應(yīng)力為1.27 MPa，接近C35混凝土的極限抗拉強度1.57 MPa，且拉應(yīng)力分布與大小隨著開挖施工的過程而變化，對中墻的穩(wěn)定性很不利。而先開挖淺洞，拉應(yīng)力變化較為平穩(wěn)，中墻穩(wěn)定性較好。

4.2.3 中隔墻應(yīng)力分析

為了明確表示出兩種方案中墻在施工過程中上下部相對位移變化情況，在中墻有限元網(wǎng)格的上下部分別找出兩個特征節(jié)點A、B[5]，通過對其相對位移進行分析對比，確定較優(yōu)方案(見圖7)。

由數(shù)值分析，得到如圖8所示兩中墻特征點A、B 相對位移隨工序的變化情況。從圖8可以看出，在偏壓條件下，先開挖深埋隧道兩特征點的水平相對位移要比先開挖淺埋隧道大，到施工結(jié)束時，已經(jīng)達到了-5.94 mm(負號表示方向向坡體外側(cè))。而先開挖淺埋側(cè)最終相對位移僅為-3.89 mm。結(jié)合到施工的實際情況，先開挖深埋再開挖淺埋，整個連拱隧道是持續(xù)向坡體外側(cè)有卸載位移效應(yīng)，因此其中墻的側(cè)向傾斜是持續(xù)增大的，而先開挖淺埋再開挖深埋，淺埋隧道加固后給后續(xù)深埋隧道起到保護支撐作用，相當于對外側(cè)土體進行加固，因此其中隔墻的變形在前期較小，施工后期也有所限制。因而從中隔墻位移的影響因素考慮，先開挖淺埋隧道更適用于偏壓連拱隧道。

圖7 中隔墻有限元網(wǎng)格監(jiān)測點示意圖

圖8 中隔墻監(jiān)測點相對位移圖

5 結(jié)語

5.1 分析機理

根據(jù)上述無偏壓連拱隧道開挖模擬分析和偏壓連拱隧道開挖模擬分析，可以驗證，偏壓連拱隧道的偏壓效應(yīng)與施工工序密切相關(guān)，最終的偏壓效應(yīng)是施工偏壓與地形偏壓的相互疊加。無偏壓連拱隧道施工過程中，圍巖整體反向于先行隧道方向偏移，中隔墻同樣會沿著反向先行隧道方向偏移;而偏壓連拱隧道的在地形偏壓作用下，深埋側(cè)隧道拱頂壓力較大，引起拱頂沉降較大，傳遞給中隔墻的壓力也較大，因此引起中隔墻向淺埋側(cè)偏移。合理利用兩種偏壓作用，對指導實際隧道施工有重要作用。

中隔墻作為整體式連拱隧道的重要組成構(gòu)件，其安全嚴重關(guān)系到隧道洞口段的施工安全，一旦失穩(wěn)可能導致洞口仰坡滑坡。其裂縫或變形嚴重影響運營階段連拱隧道的防排水性能。因此，對于偏壓連拱隧道的施工安全應(yīng)當把中隔墻的響應(yīng)作為重要考察因素。采用“先淺后深”的施工工序可以有效地利用兩種偏壓效應(yīng)(即施工工序引起中隔墻向深埋側(cè)偏移，而地形引起中隔墻向淺埋側(cè)偏移)的疊加作用，減少中隔墻的最終偏移。

圍巖的變形同樣受到兩種偏壓效應(yīng)的疊加影響。若采用“先淺后深”的施工工序，由施工工序引起的深埋側(cè)拱頂沉降和圍巖變形較大，加之地形作用下深埋側(cè)的較大變形，深埋側(cè)的最終拱頂沉降會比“先深后淺”施工工序要大，圍巖的整體穩(wěn)定性也較為不利。

綜合考慮兩種施工方法對偏壓連拱隧道的影響效應(yīng)，采用“先淺后深”的施工工序，對偏壓連拱隧道的進洞安全性更為有利，而施工中須加強對深埋側(cè)拱頂沉降和洞周收斂的實時監(jiān)測。

5.2 結(jié)論

(1)通過對無偏壓地形和偏壓地形的新建新疆連拱隧道的結(jié)構(gòu)受力，中墻受力變形，以及圍巖應(yīng)力分布等具體指標的分析，認為采用“先淺后深”工序施工，能改善連拱隧道中墻受力的不利狀況，“先淺后深”工序為淺埋偏壓情況下連拱隧道的優(yōu)化施工工序。

(2)針對“先淺后深”的施工工序會引起深埋側(cè)的初襯拱頂位移相對較大的弊端，可以在施工中加強對深埋側(cè)隧道拱頂?shù)奈灰票O(jiān)測，采用注漿錨桿和超前長管棚進行加固。

(3)中隔墻的水平偏移和相對轉(zhuǎn)動是衡量偏壓連拱隧道施工質(zhì)量的重要指標，需要對中隔墻采取必要的監(jiān)測和加固措施。具體上來說在開挖一側(cè)主洞時須在中隔墻上部施加臨時鋼橫撐;施工之前對中導洞上部用片石予以回填密實;正洞掌子面間距不可太遠，以保持對稱受力;中墻底部須施加注漿錨桿，加固中墻抗滑移和抗傾覆能力。

[1] 李術(shù)才，朱維申，陳衛(wèi)忠，等，彈塑性大位移有限元方法在軟巖隧道變形預(yù)估系統(tǒng)研究中的應(yīng)用 [J].巖石力學與工程學報，2002，21(4):466-470.

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U455.4

A

1009-7716(2015)11-0190-05

2015-08-11

潘春輝(1988-)，男，安徽銅陵人，工程師，從事地下工程領(lǐng)域的設(shè)計與科研工作。