偏壓隧道半明半暗結(jié)構(gòu)進洞應用分析

王木群

（湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410008）

在山嶺隧道中，受兩端路線控制點影響，洞口經(jīng)常會碰到地形偏壓很嚴重的情況[1]，出現(xiàn)一側(cè)高一側(cè)低且隧道低側(cè)局部外露的段落[2]。特別是當局部外露段處在軟弱地層中時，如果采用明洞結(jié)構(gòu)，那么由明挖產(chǎn)生的過高邊仰坡容易垮塌且對山體破壞過大；而如果采用常規(guī)暗洞結(jié)構(gòu)，由于低側(cè)局部外露導致隧道無法成洞，也就是說明洞、常規(guī)的暗洞結(jié)構(gòu)均無法滿足軟弱偏壓隧道地形的安全性要求，此時通常可以采用半明半暗結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)對隧道半明半暗結(jié)構(gòu)的研究并不多，主要是因為相比其他隧道，半明半暗結(jié)構(gòu)施作不是很便捷[3]；在偏壓高邊仰坡地段，設計階段常選擇使用明洞結(jié)構(gòu)[4]。盡管半明半暗結(jié)構(gòu)施工不是很便捷，但是考慮到半明半暗結(jié)構(gòu)的長度不會太大，施工進度不會受太大的影響[5]。本文以實際某工程為例，對半明半暗結(jié)構(gòu)施工進行了探討。

1 隧道進洞方式對比分析

某隧道起訖樁號為ZK14+860～ZK16+995（K14+860～K16+985），全長2 135 m，左右線樁號基本齊平，屬長隧道，圍巖以砂質(zhì)板巖為主；隧道進口洞門樁號為K14+860（ZK14+860），其 中 左 線ZK14+860～ZK14+865 為明挖段，隧道進口右線K14+865～K14+875 左側(cè)外露，與左線暗挖段凈距為8.7 m，洞口地形偏壓嚴重，山體高陡且處在全-強風化軟弱砂質(zhì)板巖中，右線外露段隧道施工風險極高，見圖1。

圖1 隧道洞口

為確保隧道進洞安全，右洞外露段提出2個方案：明挖方案，即K14+865～K14+875段挖開做明洞結(jié)構(gòu)；暗挖方案，即采用半明半暗結(jié)構(gòu)，低側(cè)設置擋墻、護拱，然后回填，再施作暗洞結(jié)構(gòu)。見表1。

表1 開挖方式對比

通過對比分析，推薦采用半明半暗的方法。根據(jù)工程類比法，本隧道半明半暗結(jié)構(gòu)有2種方案。

1）方案一：初期支護獨立成環(huán)，低側(cè)擋墻、護拱均為C15片石混凝土結(jié)構(gòu)；二襯為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 方案一

2）方案二：初期支護不獨立成環(huán)，擋墻及護拱部位不設置初期支護，為C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；二襯為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。見圖3。

圖3 方案二

從施工便捷性、結(jié)構(gòu)受力等方面進行綜合比較，推薦采用方案二，但需要解決工字鋼與護拱連接的問題。見表2。

表2 半明半暗結(jié)構(gòu)對比

2 半明半暗結(jié)構(gòu)計算模型

2.1 設計參數(shù)

右洞K14+865～K14+875偏壓墻、護拱為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，二襯為50 cm厚C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，左側(cè)初期支護為26 cm厚C25噴射混凝土結(jié)構(gòu)（內(nèi)置20b工字鋼），護拱采用φ25 mm中空注漿錨桿進行鎖腳。為了更好地防水，護拱與偏壓墻澆筑成一整體；為了避免工字鋼與護拱連接部位開裂，工字鋼與護拱采用鋼板焊接，鋼板采用預埋植筋的方式進行固定。見圖4。

圖4 半明半暗結(jié)構(gòu)

2.2 模型的建立

采用Midas數(shù)值計算軟件對半明半暗結(jié)構(gòu)進行模擬。隧道初期支護、偏壓擋墻、護拱等采用實體單元模擬，本構(gòu)關系為彈性；圍巖采用實體單元進行模擬，本構(gòu)關系為摩爾-庫倫；二次襯砌采用結(jié)構(gòu)單元進行模擬，本構(gòu)關系為彈性，見表3。

表3 材料參數(shù)

計算模型寬62 m、高52 m，邊界條件為左右固定、底部固定。見圖5。

圖5 計算模型

施作順序：刷坡，施作偏壓墻、護拱，護拱與偏壓墻一起澆筑；回填土石；采用上下臺階預留核心土法開挖隧道并施作初期支護；施作二襯結(jié)構(gòu)。

3 半明半暗結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 地層位移

受偏壓和開挖擾動的影響，山體圍巖發(fā)生了一定變形。最大水平位移發(fā)生在隧道傍山側(cè)的拱腰處，為4.72 mm，相對較??；最大豎向位移發(fā)生在隧道頂部的邊坡體，為-3.22 mm，即邊坡體產(chǎn)生了一定的沉降，次大位移發(fā)生在隧道底部，為2.35 mm，即地層產(chǎn)生了一定的隆起變形，但均相對較小。說明半明半暗結(jié)構(gòu)能有效地防止山體滑移，可確保隧道及邊坡體的安全。見圖6。

圖6 地層位移

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)

受偏壓的影響，偏壓墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了向右的水平位移，但整體＜1 mm，端部及底部最大位移也僅2 mm，說明偏壓墻有效抵抗了山體位移；另外初期支護也產(chǎn)生了向右的位移，最大值發(fā)生在拱墻位置，為6 mm，位移不大。偏壓墻最大應力發(fā)生在墻底，約為1 MPa，初期支護應力在0.15～0.48 MPa，均較小，滿足結(jié)構(gòu)受力要求；另外，初期支護與偏壓墻、護拱連接部分沒有產(chǎn)生應力集中，說明初期支護工字鋼與護拱、偏壓墻采用鋼板焊接是合理的。見圖7。

圖7 襯砌結(jié)構(gòu)

3.3 二襯結(jié)構(gòu)

二襯發(fā)生向右的整體位移，受偏壓墻的支擋作用，二次襯砌位移不大，最大位移發(fā)生在隧道左側(cè)拱墻位置，為4.82 mm；二次襯砌最大應力發(fā)生在隧道傍山側(cè)的拱腰處，為0.18 MPa，小于規(guī)范中C30 混凝土結(jié)構(gòu)允許的壓應力11.2 MPa，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。見圖8。

圖8 二襯結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論及建議

1）為了確保隧道進洞安全并減少對山體的破壞，可采用半明半暗結(jié)構(gòu)。

2）采用初期支護不獨立成環(huán)的半明半暗結(jié)構(gòu)，工字鋼與護拱采用鋼板焊接，鋼板采用預埋植筋的方式進行固定，解決了連接部位應力集中的問題。

3）采用Midas 計算軟件對結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值分析，結(jié)果表明半明半暗結(jié)構(gòu)是合理的。

4）偏壓墻施作時，如果發(fā)現(xiàn)偏壓墻底部地基承載力不足，可以在底部設置擴大基礎或者設置樁基。