非對(duì)稱(chēng)超淺埋大偏壓三層襯砌雙連拱隧道施工方案優(yōu)化

王云隆，侯哲生，徐 鋒，鄭書(shū)笛

(煙臺(tái)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 煙臺(tái) 264000)

隨著我國(guó)公路交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，連拱隧道在山區(qū)公路的修建中得到了越來(lái)越多地應(yīng)用，然而連拱隧道的修建過(guò)程中存在多次擾動(dòng)圍巖，施工工法復(fù)雜，開(kāi)挖工序較多，圍巖應(yīng)力變換和結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等問(wèn)題[1-2]。因此優(yōu)化特殊情況下連拱隧道的施工方案有利于今后相關(guān)連拱隧道保障施工安全、降低工程造價(jià)和提高施工效率。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)連拱隧道進(jìn)行了大量研究，基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)模擬和理論分析等方法的研究均取得了豐碩的成果。劉濤等[3]對(duì)偏壓連拱隧道圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了模型試驗(yàn)和數(shù)值分析，對(duì)偏壓連拱隧道的塑性區(qū)分布，偏壓對(duì)隧道拱部、邊墻、中墻的影響情況進(jìn)行了研究。申玉生等[4]對(duì)連續(xù)隧道施工偏壓力學(xué)特征進(jìn)行了檢測(cè)和分析，指出了在隧道由單側(cè)施工國(guó)度到雙側(cè)施工時(shí)最不利于隧道結(jié)構(gòu)受力，中墻彎矩的方向一般是由后施工洞室向先施工洞室偏移。王軍等[5]對(duì)左右洞室不對(duì)稱(chēng)的連拱隧道進(jìn)行了檢測(cè)和研究，指出了不對(duì)稱(chēng)的連拱隧道圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的變形及受力特點(diǎn)。王亞瓊等[6]針對(duì)淺埋偏壓連拱隧道施工中出現(xiàn)的受力非對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，通過(guò)有限元分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析淺埋偏壓連拱隧道非對(duì)稱(chēng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性狀，采用非對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)方法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。鄧華[7]以羅家隧道為例，通過(guò)有限元分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)來(lái)檢測(cè)了三層襯砌在高應(yīng)力軟巖隧道中的受力性狀。賴(lài)金星等[8]以某黃土隧道為依托，采用鋼弦式傳感器對(duì)圍巖壓力、初襯與二襯接觸壓力、二襯鋼筋軸力、二襯混凝土應(yīng)變、鋼拱架應(yīng)力等進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試與分析。這些研究成果推動(dòng)了連拱隧道修建技術(shù)的進(jìn)步，但目前隧道施工情況復(fù)雜化和多樣化，鑒于此，有必要對(duì)多種復(fù)雜情況下雙連拱隧道的修建技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究，因此以榮烏高速公路黃土嶺隧道為依托，對(duì)非對(duì)稱(chēng)、超淺埋、偏壓及三層襯砌下連拱隧道的開(kāi)挖與支護(hù)進(jìn)行模擬分析優(yōu)化施工方案，提高隧道施工水平。

1 工程概況

1.1 黃土嶺隧道概述

榮烏高速公路黃土嶺隧道位于河北省保定市淶源縣黃土嶺村東北側(cè)，隧道上方為河北省省級(jí)文物保護(hù)單位黃土嶺口古長(zhǎng)城，左側(cè)緊鄰黃土嶺戰(zhàn)役紀(jì)念館。黃土嶺隧道為一座上下線合建四車(chē)道(與路基同寬)高速公路連拱隧道，隧道起訖樁號(hào)K86+082—K86+165.259，長(zhǎng)度為83.259 m。其中進(jìn)口設(shè)置7.000 m明洞，出口設(shè)置6.259 m明洞，左洞建筑界限凈寬15.25 m，建筑界限凈高5.0 m，右洞建筑界限凈寬12.25 m，建筑界限凈高5.0 m，洞門(mén)為端墻式。根據(jù)新奧法施工原理，初期支護(hù)由噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、型鋼鋼架等構(gòu)成，與二次模筑混凝土形成復(fù)合型襯砌隧道擬建于山體斜坡中上部，所通過(guò)山體自然坡度較大；隧址區(qū)巖層為第四系上更新統(tǒng)殘坡積土，粉質(zhì)黏土，黃褐色，硬塑，土質(zhì)不均，含有少量石英顆粒；基巖為中生界燕山期中期花崗巖，灰白色，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育巖心破碎，呈短柱狀，錘擊聲啞，手可掰碎(如圖1所示)。

圖1地質(zhì)剖面圖

1.2 黃土嶺隧道開(kāi)挖與支護(hù)設(shè)計(jì)方案

黃土嶺隧道采用雙連拱設(shè)計(jì)，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用三層襯砌(如表1所示)，上下臺(tái)階法開(kāi)挖中導(dǎo)洞，左側(cè)洞室采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，右側(cè)洞室采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法(如圖2所示)，施工步驟：①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧→⑨。施作原則：(1) 左右主洞外側(cè)壁導(dǎo)坑建議在中導(dǎo)洞開(kāi)挖支護(hù)15 m后同步進(jìn)行施工[9]；(2) 上下臺(tái)階法開(kāi)挖按兩拱架間距為一循環(huán)進(jìn)尺，下臺(tái)階與上臺(tái)階間距應(yīng)不小于10 m；(3) 左洞右導(dǎo)坑開(kāi)挖支護(hù)10 m后左洞上臺(tái)階方可施工；(4) 第一次初支與第二次初支步距5 m，具體施作時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整；(5) 綜合分析初支監(jiān)測(cè)量測(cè)結(jié)果后適時(shí)施作二次襯砌。

表1 支護(hù)參數(shù)

圖2隧道尺寸示意圖

2 隧道模型與參數(shù)

2.1 建立模型

根據(jù)黃土嶺隧道樁號(hào)K86+115—K86+155的地質(zhì)模型通過(guò)MIDAS/GTS NX軟件建立了三維隧道分析模型(如圖3所示)。

圖3有限元計(jì)算模型

計(jì)算模型網(wǎng)格尺寸劃分：隧道及支護(hù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸均按1 m劃分(如圖4所示)，巖層網(wǎng)格尺寸按4 m劃分，巖層與隧道接觸部分網(wǎng)格尺寸為自動(dòng)匹配。計(jì)算模型邊界范圍：橫向(X方向)取60 m，豎向(Z方向)下部邊界取距離隧道底部55 m，上部邊界最高點(diǎn)取距離隧道拱頂35 m，最低點(diǎn)取距離隧道拱頂1 m，縱向(Y方向)取40 m。計(jì)算模型約束條件：下部邊界完全約束，兩側(cè)邊界水平位移約束[10-13]。隧道圍巖材料彈塑性模型均采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，根據(jù)彈性模型計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)[14]。

圖4隧道及支護(hù)結(jié)構(gòu)模型圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[15](JTG D70—2004)及《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[16](JTG/T D70—2010)確定巖土層及支護(hù)材料的計(jì)算參數(shù)(如表2所示)。

表2 計(jì)算參數(shù)

3 方案優(yōu)化與數(shù)值模擬

3.1 不同開(kāi)挖順序時(shí)隧道數(shù)值模擬情況

為了驗(yàn)證在山體偏壓情況下隧道洞室不同開(kāi)挖順序?qū)λ淼勒w穩(wěn)定性的影響，分別研究了先開(kāi)挖偏壓較小洞室(右洞)與先開(kāi)挖偏壓較大洞室(左洞)時(shí)圍巖的變形情況。

以隧道X方向及Z方向的位移值作為重要的參考指標(biāo)(如圖5、圖6所示)。

圖5 先行開(kāi)挖右洞時(shí)的位移云圖(單位：m)

圖6先行開(kāi)挖左洞時(shí)的位移云圖(單位：m)

由圖5可知，先開(kāi)挖右洞時(shí)隧道貫通后最大豎向位移值為13.1 mm，發(fā)生在中導(dǎo)洞拱頂位置；最大水平位移值為5.7 mm，發(fā)生在中導(dǎo)洞下部位置。由圖6可知，先開(kāi)挖左洞時(shí)隧道貫通后最大豎向位移值為10.4 mm，發(fā)生在中導(dǎo)洞偏右洞位置；最大水平位移值為4.1 mm，發(fā)生在中導(dǎo)洞偏右側(cè)位置。

圖5與圖6是不同施工順序情況下隧道所有施工步驟完成后圍巖的位移分布情況，先開(kāi)挖左洞相對(duì)于先開(kāi)挖右洞的豎向位移量減少21%，水平位移量相對(duì)減少26.7%。以上數(shù)值說(shuō)明在隧道開(kāi)挖過(guò)程中先行開(kāi)挖山體偏壓較大一側(cè)的洞室可降低隧道圍巖的豎向和水平位移值。

3.2 不同支護(hù)方案下隧道數(shù)值模擬情況

為驗(yàn)證三層襯砌中第一次初支與第二次初支在改善隧道開(kāi)挖后圍巖穩(wěn)定性中的作用，本文將在維持第一次初支與第二次初支噴混總體厚度不變的情況下，數(shù)值模擬不同第一次初支噴混厚度與第二次初支噴混厚度情況下圍巖的變形情況。

以隧道X方向及Z方向的位移值作為重要的參考指標(biāo)(如圖7、圖8所示)。

由圖7可知，第一次初支厚度為28 cm時(shí)隧道貫通后最大豎向位移值為13.1 mm，發(fā)生在中導(dǎo)洞拱頂位置；最大水平位移值為5.7 mm，發(fā)生在中導(dǎo)洞下部位置。由圖8可知，第一次初支厚度為29 cm時(shí)隧道貫通后最大豎向位移值為12.4 mm，發(fā)生在中導(dǎo)洞拱頂位置；最大水平位移值為5.7 mm，發(fā)生在中導(dǎo)洞下部位置。由圖9可知，第一次初支厚度為30 cm時(shí)隧道貫通后最大豎向位移值為11.7 mm，發(fā)生在中導(dǎo)洞拱頂位置；最大水平位移值為5.6 mm，發(fā)生在中導(dǎo)洞底部左側(cè)位置。

圖7 第一次初支厚度28 cm的位移云圖(單位：m)

圖8第一次初支厚度29cm的位移云圖(單位：m)

圖7、圖8與圖9是不同第一次初支厚度時(shí)隧道所有施工步驟完成后圍巖的位移分布情況，說(shuō)明在隧道建造過(guò)程中第一次初支相較于第二次初支對(duì)降低隧道圍巖變形量更加重要，故增厚第一次初支厚度更有利于提高隧道圍巖穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

(1) 在修建山體偏壓隧道的過(guò)程中應(yīng)先開(kāi)挖山體偏壓較大一側(cè)洞室，可防止因開(kāi)挖山體偏壓較小一側(cè)洞室而破壞偏壓山體原有的應(yīng)力平衡，避免因偏壓較小一側(cè)洞室施工引起的松動(dòng)荷載對(duì)偏壓較大一側(cè)洞室的施工產(chǎn)生影響。本文通過(guò)模擬計(jì)算，驗(yàn)證了山體偏壓隧道的開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)在圍巖未受擾動(dòng)的情況下先行開(kāi)挖山體偏壓較大一側(cè)洞室，可一定程度降低圍巖的豎向與水平位移值。

圖9第一次初支厚度30cm的位移云圖(單位：m)

(2) 淺埋隧道在支護(hù)中采用三層襯砌時(shí)應(yīng)盡可能的增厚第一次初支的噴混厚度，有利于提高初支應(yīng)對(duì)因施工引起的應(yīng)力變化的能力并減少上覆巖土層因開(kāi)挖所導(dǎo)致的變形量，防止圍巖由于變形失去自穩(wěn)能力，同時(shí)也可降低第一次初支的變形為后續(xù)的第二次初支以及二襯的施工提供便利。通過(guò)本文的模擬計(jì)算，驗(yàn)證了在隧道施工完成后第一次初支比第二次支護(hù)對(duì)降低開(kāi)挖后圍巖的豎向沉降量有著更加重要的作用。