連體隧道半明半暗進(jìn)洞工法合理工序研究

田 偉，王文星，李 浩

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310006）

在展線困難的山區(qū)公路中，連體隧道是最常見的短隧道形式。在偏壓地形中，連體隧道通常采用半明半暗工法進(jìn)洞，但是左右線洞口里程往往難以一致，于是存在先開挖內(nèi)側(cè)埋深較大側(cè)隧道還是先開挖外側(cè)埋深較淺側(cè)隧道的兩難選擇。由于施工工序不合理引發(fā)的滑坡、塌方等工程事故時(shí)有發(fā)生。因此，洞口施工階段是偏壓連拱隧道施工的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

由于地質(zhì)體具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間單元復(fù)雜等特征，傳統(tǒng)基于極限平衡理論的分析方法往往勉為其難。地質(zhì)建模及有限元數(shù)值分析方法考慮了邊坡巖體的非均質(zhì)和不連續(xù)性，可以給出巖體的應(yīng)力、應(yīng)變大小與分布，避免了極限平衡分析法中將滑體視為剛體而過(guò)于簡(jiǎn)化的缺點(diǎn)，能近似地從應(yīng)力應(yīng)變?nèi)シ治鲞吰碌淖冃纹茐臋C(jī)制。針對(duì)小凈距隧道進(jìn)洞施工的穩(wěn)定性研究較多，如陳思陽(yáng)采用FLAC3D和強(qiáng)度折減法模擬分析短臺(tái)階、CD、CRD三種方法對(duì)大斷面黃土偏壓隧道邊坡穩(wěn)定性的影響，并推薦采用CRD工法[1]；石熊等進(jìn)一步對(duì)CRD工法的各分部施工工序進(jìn)行了分析，并建議山體外側(cè)先開挖[2]，這一結(jié)論與王薇等的研究結(jié)論吻合[3]；中巖墻（中夾巖）對(duì)小凈距隧道的穩(wěn)定性至關(guān)重要，因此王帥帥、吳德興、侯瑞彬等學(xué)者開展了針對(duì)性的研究，包括中巖墻的全過(guò)程受力特征、合理厚度等[4-6]。

但偏壓連拱隧道的施工工序和受力更加復(fù)雜，更有必要建立精確的三維地質(zhì)體結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行地質(zhì)體的全過(guò)程施工力學(xué)分析。為此，以杭新景高速公路半塢隧道為例，建立邊仰坡體和隧道結(jié)構(gòu)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡體結(jié)構(gòu)的三維可視化功能，通過(guò)對(duì)各個(gè)施工階段的位移、剪應(yīng)力、剪應(yīng)變、邊坡穩(wěn)定性系數(shù)等指標(biāo)的對(duì)比分析，提出合理的施工工序。

1 工程概況

半塢隧道位于浙西侵蝕剝蝕中低山區(qū)，地層主要為第四系殘坡積和震旦系下統(tǒng)志棠組第三段粉砂巖、細(xì)砂巖。第四系殘坡積含角礫粉質(zhì)粘土和粘性土角礫。含角礫粉質(zhì)粘土，灰黃色，軟可塑狀，角礫含量20%～30%，局部達(dá)到40%～50%，粒徑以0.5～3cm為主，棱角狀，成份以粉砂巖為主，偶含有少量植物根系；粘性土角礫，灰黃色，稍密狀，碎石含量60%～70%，粒徑2～5cm，棱角狀，余為角礫及粘性土，膠結(jié)性較好，局部粘性土含量較高，達(dá)50%。震旦系下統(tǒng)志棠組第三段（Z1z3）粉細(xì)砂巖，灰色，中厚層—中薄層狀結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較硬。

2 隧道洞口復(fù)雜地質(zhì)體模型

根據(jù)杭新景高速公路半塢隧道的地質(zhì)勘探資料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，建立了邊仰坡滑體的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)幾何模型（圖1），實(shí)現(xiàn)了對(duì)滑坡體結(jié)構(gòu)的三維可視化功能，其中隧道線路軸線方向?yàn)閄軸、水平垂直于線路軸線的方向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸。導(dǎo)入到ABAQUS軟件后對(duì)其進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，優(yōu)先采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元和八節(jié)點(diǎn)六面體單元，劃分后的單元總數(shù)為254712個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為78459個(gè)。計(jì)算分析所采用的模型邊界條件：側(cè)向邊界采用水平法向約束；模型底部邊界采用三向固定約束。計(jì)算初始應(yīng)力條件：因考慮到滑坡體主要為地表淺部巖土體，可以忽略構(gòu)造應(yīng)力影響，故在計(jì)算過(guò)程中僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力條件。材料計(jì)算參數(shù)如表1所示，并采用摩爾—庫(kù)倫理想彈塑性模型。

3 施工步驟

圖1 半塢隧道及地層幾何模型

表1 隧道結(jié)構(gòu)及地層物理力學(xué)參數(shù)表

表2 2個(gè)方案的施工工序表

由于隧道線路軸線與地形等高線夾角較小、地形偏壓顯著，左右洞暗洞進(jìn)洞位置不一致。需要分析不同的進(jìn)洞順序下，邊坡體的應(yīng)力與位移場(chǎng)及相應(yīng)的安全系數(shù)。暫且定義2種施工工序方案——方案A：左洞為先行洞，然后開挖右洞；方案B：右洞為先行洞，然后開挖左洞。2個(gè)方案的總體施工工序如表2所示。

以右洞先行為例，施工步可進(jìn)一步細(xì)化為：開挖中導(dǎo)洞→澆筑中隔墻→右洞外側(cè)邊坡臺(tái)階開挖及支護(hù)→右洞外側(cè)擋墻澆筑→右洞立鋼拱架、并澆筑護(hù)拱→右面及修整。洞拱部暗挖并施做初期支護(hù)→右洞暗洞落底、仰拱開挖及澆筑回填→澆筑右洞二次襯砌、拱背土石回填→左洞拱部暗洞開挖、并施做初期支護(hù)→左洞暗洞落底、仰拱開挖及澆筑回填→澆筑左洞二次襯砌→溝槽、路

4 方案對(duì)比分析

為研究不同的施工工序?qū)吰麦w和隧道變形與穩(wěn)定的影響，首先采用強(qiáng)度折減法計(jì)算得到了。然后分析比較2種工序方案施工過(guò)程中的位移場(chǎng)、剪應(yīng)力場(chǎng)、最大剪應(yīng)變?cè)隽?、邊仰坡穩(wěn)定性系數(shù)等的施工響應(yīng)。

4.1 地層位移對(duì)比分析

Y方向位移反映了邊坡的變形，當(dāng)先行洞開挖及支護(hù)完成時(shí)，Y方向位移主要集中在左洞擋墻及洞口處，采用A、B工序方案時(shí)分別為5.8mm和1.4mm；X方向位移反映了仰坡的變形，采用A、B工序方案時(shí)分別為3.5mm和1.1mm。

施工完成后，Y方向位移主要集中在右洞洞頂及左洞入口處，采用A、B工序方案時(shí)分別為10.6mm和9.4mm；對(duì)應(yīng)的X方向位移分別為5.8mm和4.7mm?？梢姡珺工序方案對(duì)邊仰坡體的擾動(dòng)程度要小于A方案。B工序方案施工完成后擋墻與襯砌結(jié)構(gòu)合位移如圖2所示。

4.2 地層剪應(yīng)力及剪應(yīng)變對(duì)比分析

圖2 B工序方案施工完成后擋墻與襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)合位移

土體剪應(yīng)力值是摩爾庫(kù)倫模型中衡量土體是否將發(fā)生破壞的主要指標(biāo)。當(dāng)先行洞開挖及支護(hù)完成時(shí)，A工序方案的最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變主要發(fā)生在左洞擋墻墻趾處，分別約為0.6MPa和0.009，B工序方案的最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變主要發(fā)生在右洞洞頂處，分別為0.5MPa和0.007。兩洞施工完畢后，最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變分布范圍和量值基本一致，分別為0.8MPa和0.012。

4.3 隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移對(duì)比分析

2種工序方案對(duì)隧道結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力的影響較小，當(dāng)先行洞開挖及支護(hù)完成時(shí)，最大剪應(yīng)力主要發(fā)生在明洞和先行洞半明半暗洞的洞腰部位，量值在655～665kPa之間。施工完成后，擋墻與隧道最大剪應(yīng)力分布區(qū)域與范圍基本一致，最大值為1.0MPa。

2種工序方案對(duì)隧道位移有一定的影響，當(dāng)先行洞開挖及支護(hù)完成時(shí)A、B工序方案的最大合位移值分別為1.21cm（左洞暗洞入口拱頂及擋墻位置處）和0.87cm（右洞洞頂處）。施工完畢后擋墻與隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)合位移分布范圍與大小基本一值，A、B工序方案的最大合位移值分別為1.87cm和1.71cm。

4.4 邊仰坡穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)比分析

邊仰坡穩(wěn)定性分析采用強(qiáng)度折減法，其定義的安全系數(shù)為巖土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)的折減后抗剪強(qiáng)度的比值，其主要原理是對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)凝聚力c和摩擦角φ進(jìn)行折減[（式（1）、式（2）]，然后對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，不斷地增加折減系數(shù)，反復(fù)計(jì)算，直至其達(dá)到臨界破壞，此時(shí)得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)FS。

式中：Ftrial——折減系數(shù)；

CF——折減之后的凝聚力；

φF——折減之后的摩擦角。

于是，可以計(jì)算初始狀態(tài)和各個(gè)施工步對(duì)應(yīng)的邊仰坡穩(wěn)定性系數(shù)（圖3），其中，天然狀態(tài)下邊仰坡體的初始穩(wěn)定性系數(shù)為1.14；隨著1～5號(hào)抗滑樁、左幅路基回填及地基處理、挖除邊坡外土體并進(jìn)行坡面防護(hù)等加固措施的開展，穩(wěn)定性系數(shù)一度上升到1.39；而后，隨著外側(cè)邊坡削坡施工削弱了土體原有的穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性系數(shù)下降到1.23，仍大于初始狀態(tài)；施工左右明洞并回填洞頂后，穩(wěn)定性系數(shù)又提高到1.42；隨著隧道開挖，穩(wěn)定性系數(shù)再次下降，當(dāng)先行洞開挖及支護(hù)完成時(shí)，A、B工序方案對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.32和1.39；施工完畢后，A、B工序方案對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.25和1.32。因此，2種工序方案下，邊坡體整體安全系數(shù)均較大，邊坡體均處于穩(wěn)定狀態(tài)。然而不同的工況下，邊坡體的變形值與范圍存在一定差異，從控制變形的角度來(lái)考慮，建議以右洞為先行洞，然后開挖左洞。

圖3 2個(gè)方案的邊仰坡穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)比圖

5 結(jié)論與建議

通過(guò)建立半塢隧道邊仰坡三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)各個(gè)施工階段的位移、剪應(yīng)力、剪應(yīng)變、邊坡穩(wěn)定性系數(shù)等進(jìn)行全過(guò)程分析，對(duì)比分析了施工工序的影響。

（1）抗滑樁對(duì)于提高邊坡穩(wěn)定的效果明顯，從數(shù)值上看提高了22%，對(duì)于偏壓嚴(yán)重的洞口是提高邊坡穩(wěn)定性、減少刷坡高度和土方量的有效手段。

（2）施工過(guò)程中最危險(xiǎn)的階段為澆筑偏壓當(dāng)前的削坡開挖階段，施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

（3）從控制變形的角度來(lái)考慮，建議以右洞為先行洞，然后開挖左洞。

半塢隧道在計(jì)算分析的指導(dǎo)下，按照信息化施工的理念精心施工，加強(qiáng)施工過(guò)程中隧道、坡體表面和深部變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)動(dòng)態(tài)反饋監(jiān)測(cè)信息，評(píng)估坡體穩(wěn)定，確保了隧道安全、如期建成。

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