淺埋偏壓隧道半明拱進(jìn)洞設(shè)計(jì)分析

蘇 興 矩

(福建廈蓉高速公路漳龍段擴(kuò)建工程有限公司，福建 龍巖 364000)

0 引 言

隨著高速公路大力發(fā)展，特別是山區(qū)隧道的結(jié)構(gòu)所占比例趨于增大。在山區(qū)建設(shè)高速公路，因地形復(fù)雜，布設(shè)隧道時(shí)洞口往往會(huì)出現(xiàn)一側(cè)埋深大、一側(cè)埋深小的工況，形成嚴(yán)重的偏壓現(xiàn)象，導(dǎo)致洞口結(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)過(guò)大變形，甚至損壞的情況。淺埋偏壓進(jìn)洞難以避免，尤其在洞口段、沿溪線和傍山線中更為普遍[1-2]。

對(duì)于隧道洞口處于淺埋偏壓地形情況，一般采用斜交施工進(jìn)洞方式，即開(kāi)挖的成洞面平行于洞口等高線，與洞軸線斜交。斜交進(jìn)洞設(shè)計(jì)又可分為斜交正作與斜交斜作，所謂斜交正作，是指利用梯形套拱的虛擬洞壁，使之正交于洞口開(kāi)挖工作面，一般適用于洞口段圍巖較差的情況；所謂斜交斜作，一般用于洞口段圍巖較好的環(huán)境，采用成洞面斜交于開(kāi)挖工作面方式施工進(jìn)洞，經(jīng)過(guò)一定距離后，按一定變化率逐步過(guò)渡到垂直于洞軸線工作面[3]。

斜交進(jìn)洞方式，可有效降的低邊仰拱高度，減少對(duì)周邊環(huán)境破壞及圍巖擾動(dòng)。但斜交進(jìn)洞方式也存在自身不利因素，因?yàn)椴还苁切苯恍弊骰蛐苯徽?，套拱都處于明顯偏壓狀態(tài)，承受較大的不平衡水平推力，存在套拱變形過(guò)大，甚至傾覆風(fēng)險(xiǎn)；在設(shè)計(jì)上，一般對(duì)成洞面的斜交角度加以限制，一般要求斜交角不大于30°，并宜在淺埋側(cè)設(shè)置有效的反壓體以平衡偏壓產(chǎn)生的水平推力。若隧道洞口偏壓極為嚴(yán)重，斜交角度超過(guò)30°且地質(zhì)情況較為不利時(shí)，就需要考慮更為有效的隧道進(jìn)洞施工方案。要求既能減少邊仰坡開(kāi)挖高度，又能有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)，改善結(jié)構(gòu)受力。

在既有相關(guān)研究基礎(chǔ)上[4-5]，筆者依托福建廈蓉高速公路擴(kuò)建工程龍門隧道，提出了半明拱的施工步驟。基于上述洞口地形地質(zhì)條件，實(shí)現(xiàn)了安全進(jìn)洞方案，取得較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，能為類似工程提供借鑒與參考。

1 淺埋偏壓半明拱進(jìn)洞計(jì)算分析

1.1 工程概況

廈蓉高速公路龍門隧道設(shè)計(jì)為分離式雙向四車道隧道，洞口段地質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化花崗巖，巖性較差。進(jìn)口側(cè)左線山坡自然坡度約為25°～30°，隧道自坡腳通過(guò)，處于嚴(yán)重偏壓狀態(tài)，且左側(cè)約35 m處存在一座高壓鐵塔，如圖1。

圖1 傳統(tǒng)開(kāi)挖進(jìn)洞設(shè)計(jì)Fig.1 Design of traditional excavation into tunnel

施工時(shí)，按傳統(tǒng)的明挖、削坡卸載、再施工導(dǎo)向套拱、大管棚方式進(jìn)行開(kāi)挖進(jìn)洞，然后再實(shí)時(shí)施作明洞。首先需對(duì)大范圍邊坡進(jìn)行開(kāi)挖及防護(hù)，形成高陡邊坡，這不僅會(huì)破壞環(huán)境，且對(duì)高壓鐵塔的安全形成隱患；其次隧道右側(cè)洞頂覆土較薄且地質(zhì)極差，為全風(fēng)化巖，在洞口嚴(yán)重偏壓和圍巖巖性較差這兩個(gè)不良因素共同作用下，易出現(xiàn)支護(hù)變形過(guò)大或洞口塌方冒頂?shù)劝踩L(fēng)險(xiǎn)，施工難度極大。因此，在經(jīng)過(guò)充分論證并結(jié)合相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，筆者最終采用半明拱進(jìn)洞方式作為該隧道洞口段的施工方案，能有效解決開(kāi)挖邊坡過(guò)高，保障安全進(jìn)洞，見(jiàn)圖2。

圖2 半明拱開(kāi)挖進(jìn)洞設(shè)計(jì)Fig.2 Design of the half-open arch excavation into tunnel

半明拱進(jìn)洞工法優(yōu)點(diǎn)：① 較好適應(yīng)偏壓地形，減少邊仰坡高度，更好貫徹零開(kāi)挖進(jìn)洞理念，對(duì)地表植被破壞較??；② 保障施工安全，隧道覆土厚度較薄部分，用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)補(bǔ)上(套拱)形成虛擬巖壁，洞內(nèi)開(kāi)挖左側(cè)有大管棚超前支護(hù)，右側(cè)在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成的虛擬巖壁(套拱)下進(jìn)行，能有效減小施工過(guò)程中塌方冒頂風(fēng)險(xiǎn)，且套拱頂回填土須通過(guò)套拱支撐傳遞；③ 擋墻及回填土施工，可有利抵消偏壓對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不利影響，有利于減小結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期變形，保障結(jié)構(gòu)安全。其半明半暗結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

圖3 半明拱結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of half-open arch

1.2 工藝原理

采用半明拱進(jìn)洞施工順序?yàn)椋孩?開(kāi)挖及施工半明拱結(jié)構(gòu)，并做好邊仰坡防護(hù)；② 淺埋側(cè)施工擋土墻及回填土，利用擋土墻及回填土來(lái)抵抗偏壓側(cè)邊坡帶來(lái)的滑動(dòng)力；③ 施工大管棚；④ 三臺(tái)階法開(kāi)挖進(jìn)洞。

1.2.1 半明洞施工

半明拱部分開(kāi)挖，施工土臺(tái)拱。半明拱與山體交界兩端頭開(kāi)挖，施作邊坡防護(hù)。半明拱開(kāi)挖應(yīng)按放樣要求形成半拱部底模，利用山體開(kāi)挖必要時(shí)應(yīng)夯實(shí)修成半圓拱的土胎模，臺(tái)模抹一層砂漿或鋪一層土工布，見(jiàn)圖4。

圖4 半明拱土臺(tái)模、錨管、鋼筋安裝Fig.4 Half-open arch formwork,anchor pipe and steel bar installation

半明拱部分、導(dǎo)向墻砼澆筑。半明拱臨時(shí)襯砌(套拱)采用明洞拱圈，其厚度為60 cm；與暗洞初期支護(hù)鋼拱架相對(duì)應(yīng)，安裝縱向間距為0.7 m的Ⅰ20b鋼拱架；明暗交界的每榀鋼拱架與山體交接采用長(zhǎng)度L=4 m的2Φ42鋼管進(jìn)行鎖腳固定(圖4)，明拱拱腳處采用5排長(zhǎng)度為L(zhǎng)=4 m的Φ42鋼管進(jìn)行鎖腳固定，見(jiàn)圖5。環(huán)向主筋采用Φ22鋼筋，縱向間距為0.25 m，縱向鋼筋采用Φ12鋼筋，間距為0.25 m，箍筋采用Φ10鋼筋，間距為0.50 m。模板、鋼拱架、鋼筋安裝后，進(jìn)行混凝土澆筑。

圖5 半明拱拱腳鎖腳錨管、鋼拱架安裝Fig.5 Half-open arch foot anchor pipe and steel arch installation

1.2.2 大管棚施工

洞口暗作部分采取大管棚超前支護(hù)，大管棚導(dǎo)向墻與明作部分砼澆筑成整體，用砂漿錨桿錨固套拱周圍土體，砂漿錨桿端部應(yīng)深入到套拱中，以加強(qiáng)套拱與圍巖的整體性，以便能有效地承載山體偏壓作用下形成的非對(duì)稱荷載。

為大管棚整體受力，導(dǎo)向墻端部斜向施作Φ22砂漿鎖腳錨桿，將套拱受力有效斜向傳遞至拱周圍土體側(cè)面，而不是向下傳遞，以確保洞內(nèi)邊墻落底安全。安裝大管棚采用140 mm×3 mm導(dǎo)向管、導(dǎo)向拱(套拱)鋼拱架、鋼筋、模板，與半明拱套拱襯砌砼一起澆筑，如圖6。

圖6 大管棚導(dǎo)向墻設(shè)計(jì)Fig.6 Design of the guide wall of the large pipe shed

明拱部分不布設(shè)大管棚；暗拱部分施作大管棚，長(zhǎng)度為40 m，環(huán)向間距為50 cm，采用108 mm×6 mm的熱軋無(wú)縫鋼管。偶數(shù)號(hào)孔采用鋼管(不打花孔)，奇數(shù)號(hào)孔鋼管采用打孔梅花型注漿孔，其孔徑為15 mm，孔距為15 cm，管尾為3.5 m不設(shè)注漿孔。注漿漿液采用水泥漿液，水灰比0.5∶1，可添加早強(qiáng)劑，注漿壓力一般為0.5～1.0 MPa。

1.2.3 淺埋側(cè)擋土墻及回填土施工

在淺埋側(cè)明作拱范圍內(nèi)修筑重力式擋墻，然后在擋墻內(nèi)側(cè)回填土，利用擋墻及回填土，抵抗偏壓引發(fā)的不平衡的水平推力，在回填土回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，澆筑10 cm厚的C20混凝土封閉層封閉洞頂，并鋪設(shè)防滲層，一般采用50 cm厚的膠泥，如圖7。

圖7 擋土墻回填土設(shè)計(jì)Fig.7 Retaining wall backfill design

1.2.4 隧道開(kāi)挖

在施工隧道左側(cè)設(shè)置大管棚，然后在大管棚與右側(cè)虛擬巖壁(套拱)支護(hù)下，采用三臺(tái)階七步法開(kāi)挖進(jìn)洞，及時(shí)施做與明拱間距對(duì)應(yīng)的鋼拱架及其余初期支護(hù)，形成全洞初支閉合成環(huán)，仰拱應(yīng)盡快填充，及時(shí)施作二次襯砌，使結(jié)構(gòu)具備足夠的有效承載山體偏壓作用下形成的非對(duì)稱荷載抵抗力。

由于存在地形偏壓與圍巖較差等不利情況，為保證施工安全及初支變形不超過(guò)允許值，初期支護(hù)應(yīng)具有足夠強(qiáng)度，能承擔(dān)此時(shí)隧道的全部荷載，故施工時(shí)暗洞部分應(yīng)適當(dāng)增加徑向砂漿錨桿或小導(dǎo)管以加固圍巖。

1.3 有限元模型及網(wǎng)格

對(duì)于本工法，重點(diǎn)關(guān)注半明拱結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)，以及在隧道開(kāi)挖過(guò)程中受不平衡水平推力作用下是否存在傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。選用有限元軟件“Midas GTS NX”進(jìn)行計(jì)算，參考文獻(xiàn)[6-9]，其圍巖采用Drucker-Prager本構(gòu)模型，設(shè)定地表為自由面，其余各面均無(wú)法向位移，擋土墻、套拱及二襯均按彈性體設(shè)置。為盡量減小或消除邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響，建模時(shí)應(yīng)選取較大幾何尺寸。經(jīng)試算，筆者建立了長(zhǎng)寬高(底面至隧道仰拱的距離)分別為110 m×90 m×160 m的有限元分析模型，最終階段單元有限元模型如圖8。圍巖力學(xué)參數(shù)如表1。

圖8 計(jì)算模型網(wǎng)格Fig.8 Computing model grid

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

計(jì)算時(shí)，模擬的施工工序?yàn)椋喊朊鞴敖Y(jié)構(gòu)施工與澆注→淺埋側(cè)擋土墻施工與回填土→大管棚施工→隧道開(kāi)挖→初期支護(hù)→仰拱澆筑→二襯澆筑。

路基邊坡及隧道開(kāi)挖采用鈍化相關(guān)單元來(lái)模擬，回填土及擋墻施工采用激活相關(guān)單元來(lái)模擬，半明拱結(jié)構(gòu)、二襯的澆筑施工采用改變單元參數(shù)形式來(lái)模擬。

1.4 半明拱結(jié)構(gòu)力學(xué)特性

對(duì)套拱應(yīng)力及變形進(jìn)行分析，得到了半明拱結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)響應(yīng)相關(guān)特性。

1.4.1 半明拱結(jié)構(gòu)變形

最終施工階段半明拱結(jié)構(gòu)的變形見(jiàn)圖9。由圖9可知：半明拱結(jié)構(gòu)最大的變形位于大管棚導(dǎo)向墻的外側(cè)(淺埋側(cè))，最大值約2.6 mm，明作拱結(jié)構(gòu)變形較小。

圖9 半明拱結(jié)構(gòu)變形Fig.9 Deformation of half-open arch structure

1.4.2 半明拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力

半明拱結(jié)構(gòu)的第3、1主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖10。由圖10可得：最大壓應(yīng)力位于大管棚導(dǎo)向墻的外側(cè)(淺埋側(cè))，其值約為0.6 MPa，遠(yuǎn)小于C25混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(11.9 MPa)；最大拉應(yīng)力位于半明拱結(jié)構(gòu)上，除局部拉應(yīng)力最大值達(dá)到2.1 MPa外，其余大部拉應(yīng)力均小于C25混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(1.27 MPa)，結(jié)構(gòu)受力較為合理[10-12]。

圖10 半明拱結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖Fig.10 The principal stress nephogram of half-open arch structure

1.4.3 半明拱結(jié)構(gòu)抗傾覆分析

最終施工階段半明拱結(jié)構(gòu)基底的豎向應(yīng)力如圖11。由計(jì)算可知：半明拱結(jié)構(gòu)處于偏壓狀態(tài)，外側(cè)基底壓應(yīng)力值約為內(nèi)側(cè)值的2.6倍。但由于淺埋側(cè)施作擋土墻以及回填土，能有效抵抗山體偏壓引起的不平衡水平力，故基底均末出現(xiàn)拉應(yīng)力，不存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 豎向應(yīng)力圖Fig.11 The vertical stress figure

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該方案的可行性，筆者開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)的多種監(jiān)測(cè)。選取隧道進(jìn)口ZK156+459斷面最具代表性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(拱頂下沉和水平收斂量測(cè)數(shù)據(jù))進(jìn)行分析，如圖12。

圖12 監(jiān)測(cè)斷面收斂變形曲線Fig.12 Convergence deformation curve of monitoring section

由圖12可知：變形速率開(kāi)挖初期較大，但后期逐漸減小并趨于穩(wěn)定；其中，監(jiān)測(cè)斷面拱頂最大下沉速率約為3.1 mm/d，水平最大收斂速率約為1.5 mm/d，最終累計(jì)變形拱頂下沉為13.41 mm，水平收斂為8.02 mm。由此可見(jiàn)，廈蓉高速公路龍門隧道左洞進(jìn)口采用半明拱進(jìn)洞方案是完全可行的，隧道圍巖變形在合理范圍。該方案既能減少邊仰坡開(kāi)挖高度，保護(hù)環(huán)境，又能有效消除山體偏壓對(duì)結(jié)構(gòu)安全與施工安全帶來(lái)的不利影響。

3 結(jié) 論

基于既有研究成果和廈蓉高速公路擴(kuò)建工程龍門隧道的實(shí)際工程背景，筆者提出了適用于隧道洞口偏壓嚴(yán)重、斜交角度超過(guò)30°等不利地形地質(zhì)情況的進(jìn)洞施工工法——半明拱工法，得到如下結(jié)論：

1)相比于傳統(tǒng)偏壓隧道采用斜交進(jìn)洞開(kāi)挖進(jìn)洞方法，文中工法能進(jìn)一步減少隧道洞口邊仰坡的開(kāi)挖高度，對(duì)環(huán)境影響較?。煌瑫r(shí)，由于開(kāi)挖量較小，減少了隧道周邊圍巖擾動(dòng)，有利于山體穩(wěn)定；

2)文中工法結(jié)合了蓋挖法的施工特點(diǎn)，隧道開(kāi)挖在大管棚與鋼筋混凝土頂蓋保護(hù)下開(kāi)挖，減小施工過(guò)程中產(chǎn)生冒頂風(fēng)險(xiǎn)，有利于施工安全；

3)擋墻與回填土施工，能有效平衡偏壓產(chǎn)生的不平衡水平力，減少傾覆風(fēng)險(xiǎn)。