公路隧道梯形套拱斜交進洞施工數(shù)值分析

胡亞偉，方梁正，張化川，胡 強，*，寇有振，左 旭，王亞澤

（1. 長安大學公路學院，西安 710064；2.中設設計集團股份有限公司，南京 210014；3.寧波市交通規(guī)劃設計研究院有限公司，寧波 315192）

在修建山嶺隧道時，由于受到路線指標的限制，隧道洞口地形等高線與隧洞軸線斜交的情況時常出現(xiàn)。為了應對這種情況，工程技術人員提出了能有效降低洞口邊仰坡高度，增加洞口成洞面穩(wěn)定性的斜交進洞工法，并在此基礎上進行了大量的研究。范永慧等[1]討論了偏壓地形下斜交進洞施工的可行性，并總結出各種斜交進洞工法的優(yōu)缺點；陳友賢[2]研究了連拱隧道斜交正作下梯形套拱的施工力學響應，并對其設計和施工關鍵技術提出了相應的指導建議；梅勇文等[3]介紹了斜交進洞法零開挖進洞的設計要點和施工工序，提出斜交進洞法能夠避免洞口段大開挖，保證山體穩(wěn)定；唐穎[4]研究了斜交正作洞口中關鍵結構梯形套拱的受力情況，并總結了斜交正作洞口的優(yōu)缺點、適用條件；劉繼國和柯小華[5]研究了斜交進洞施工的影響因素，提出斜交進洞方式在地質(zhì)較好的偏壓地段具有一定優(yōu)勢。

值得注意的是，目前斜交進洞的研究以平行四邊形套拱配合左右不同開挖進尺的斜交斜作和梯形套拱配合左右等距開挖的斜交正作為主，對配合左右不同開挖進尺的梯形套拱斜交進洞工法的研究尚少。為了驗證梯形套拱斜交進洞法的合理性，并對其進一步完善，本文以寧波奉化環(huán)線烏鴉山隧道左線進洞所用施工方案為例，對公路隧道梯形套拱斜交進洞過程進行數(shù)值模擬，驗證其設計參數(shù)與施工方法，進而總結出相應的施工規(guī)律，旨在為類似工程提供參考。

1 梯形套拱斜交進洞工法簡介

梯形套拱斜交進洞工法采用梯形套拱配合左右不同開挖進尺的組合措施，利用提前施作的梯形套拱來支擋洞口處山體偏壓的影響，并在洞口斜交段采用左右不同進尺開挖，鋼拱架扇形布置，使得鋼拱架能夠及時封閉成環(huán)，初期支護受力將更為合理。具體施工方法如圖1所示。

圖1 梯形套拱左右不等距開挖示意圖

2 工程概況

奉化西環(huán)線烏鴉山隧道位于寧波市奉化溪口風景區(qū)，為分離式雙洞一級公路隧道。烏鴉山隧道左洞靠近山體側圍巖狀況較好，為砂巖；沖溝側為碎石黏土，山體橫坡較大，設計為V級圍巖。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和地質(zhì)勘查報告，靠山側圍巖少量風化層下即為條件較好的礫巖，另一側基礎平整可作為梯形斜交進洞的長邊側基礎。綜合各方面因素，采用梯形套拱斜交進洞施工，可將明暗交接處前移10m左右。由于斜交進洞方案施工復雜且有一定危險性，本文將對斜交進洞法施工的可行性和安全性進行模擬計算。烏鴉山隧道進口地形如圖2所示。

圖2 烏鴉山隧道進口地形圖

3 計算模型

3.1 模型簡介

以烏鴉山隧道左線出口實際地形建立三維數(shù)值模型，利用ANSYS軟件模擬進洞施工全過程。一般認為隧道開挖影響范圍為3～5倍的洞徑，因此隧道兩邊各取60 m，隧道下方取60 m，上部按實際地形，取實際自然坡面；前后取70 m，包括梯形套拱段、斜交開挖段、正交開挖段。圍巖從上到下依次為強風化礫巖、中風化礫巖、微風化礫巖。隧道洞身處于中風化砂巖中，隧道地面橫坡為 30°，隧道軸線與地面等高線交角為40°。模型采用D-P準則，共劃分了447 710個單元，93 928個節(jié)點，采用solid185實體單元模擬圍巖和混凝土襯砌結構，shell181殼單元模擬初期支護，link10單元模擬系統(tǒng)錨桿，具體模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示；表1為烏鴉山隧道洞口段支護設計參數(shù)；表2為圍巖及支護結構計算參數(shù)。

表1 烏鴉山隧道洞口段支護設計參數(shù)

圖3 三維有限元模型及網(wǎng)格劃分圖

3.2 模擬過程

（1）本文模擬的是梯形套拱斜交進洞施工全過程。其全過程可劃分為：邊、仰坡的開挖與防護；梯形套拱的施作；管棚施工；洞內(nèi)不等距開挖段的開挖和支護。

（2）隧道采用預留核心土環(huán)形開挖法，本文主要模擬斜交進洞段梯形套拱在左右不同進尺條件下的受力與變形，為簡化計算，采用4個循環(huán)從斜交進洞轉變?yōu)檎贿M洞，左側每次開挖2 m，右側每次開挖4 m，具體如圖4所示。每一循環(huán)分上臺階開挖、核心土開挖及下臺階開挖，一共12個開挖步。

表2 圍巖及支護結構計算參數(shù)

（3）因洞口段屬淺埋地段，初始應力場僅考慮自重應力場，不考慮構造應力場[6]。

圖4 斜交左右不等距開挖進尺示意圖

4 計算結果及分析

4.1 梯形套拱的內(nèi)力及變形分析

4.1.1 梯形套拱內(nèi)力分析

（1）梯形套拱拉應力分析

隨著施工進程的推進，梯形套拱受拉應力變化不大，最大拉應力點集中在長邊內(nèi)側拱腰處，為7.3 MPa左右，超過了C30混凝土的極限抗拉強度；梯形套拱兩側邊墻內(nèi)側存在拉應力區(qū)，大小在1.0～1.4 MPa之間。

梯形套拱內(nèi)設有鋼拱架并需有必要的配筋設計，除極值點混凝土拉應力過大外，其他部分均滿足抗拉強度要求。在設計中為避免梯形套拱被破壞，宜在套拱長邊側增加平衡偏壓的支擋結構，如偏壓擋墻、虛擬洞壁段片石混凝土回填等措施。

（2）梯形套拱壓應力分析

梯形套拱內(nèi)側所受壓應力較大值集中在靠近山體側的拱腰處，其值大小主要在4～6 MPa之間，短邊邊墻受壓應力較大。壓應力最大值為10.4 MPa，隨施工變化不大。

梯形套拱外側所受壓應力較大值集中在長邊邊墻與套拱基礎連接處，此處模型為直角，易產(chǎn)生應力集中，實際梯形套拱基礎設計時，應使用圓角平滑過渡；同時應增大拱腳基礎，以利于套拱穩(wěn)定性。梯形套拱的抗壓強度滿足設計要求。

4.1.2 梯形套拱變形分析

分析數(shù)值模擬結果，梯形套拱在豎直方向和水平方向的位移最大值為19 mm；左右側變形不一致，短邊側相對長邊側而言，變化量更大，故而可知短邊側受山體偏壓影響較顯著。

4.1.3 梯形套拱抗傾覆分析

由于梯形套拱受山體偏壓作用的影響，可能出現(xiàn)偏壓傾覆的危險。套拱基礎底面長邊側底部全部為壓應力，短邊底部有25%的區(qū)域表現(xiàn)為拉應力。因此，在實際施工時，應施作鎖腳錨桿或錨索固定基底。

4.2 初期支護內(nèi)力及變形分析

4.2.1 初期支護內(nèi)力分析

（1）初期支護壓應力分析

隨著施工步驟的推進，初期支護壓應力最大值和應力集中區(qū)有相應變化，上臺階施工時初期支護受力相對較小，最大壓應力出現(xiàn)在拱腳處內(nèi)側和拱頂外側；核心土開挖時初期支護受力相應有少量增加；下臺階開挖對初期支護受力影響較大，下臺階開挖后初期支護壓應力最大值發(fā)生在拱腳與仰拱連接處。

隨著開挖進尺的推進，初期支護所受最大壓應力逐漸增大，如表3所示，最大應力集中區(qū)向隧道兩側拱腳外側移動。在寬邊拱腳外側、襯砌與梯形套拱連接處，可采用聯(lián)合支護形式，增加混凝土與套拱、鋼拱架的整體作用，減少相應部位的應力集中現(xiàn)象。

表3 初期支護壓應力隨開挖步變化值

斜交轉正交段施工完成后，初期支護最大壓應力為3.52 MPa，發(fā)生在長邊與套拱接觸部位外側。窄邊拱肩內(nèi)側壓應力值在1.1～1.7 MPa之間，拱頂壓應力相對較小。總體上初期支護的壓應力值較小，滿足C25混凝土抗壓強度要求。

（2）初期支護拉應力分析

初期支護拉應力施工過程數(shù)值模擬結果如表4所示。由表4可知，隨著施工開挖進行，最大拉應力在逐漸增大，開挖第一環(huán)時最大拉應力發(fā)生在短邊拱腳外側，為0.97 MPa；最后一個開挖步隧道拉應力達到施工中最大值，為2.01 MPa；在正交段施工后初期支護受偏壓作用相對減少，應力集中現(xiàn)象得到緩解，初期支護拉應力減弱，保持在安全的范圍內(nèi)。

4.2.2 初期支護變形分析

由于受偏壓作用影響，施工完成后初期支護拱頂偏右側豎直方向位移值最大，達到20.7 mm；寬邊側拱肩及拱墻豎直方向位移較其他部位大，為19.6～20.27 mm。隧道初期支護預留變形量為607 mm，實際變形量相對較小。隨著隧道開挖、支護的進行，隧道拱頂右側支護變形量大于其他部位，偏壓對隧道襯砌變形影響明顯。水平方向位移云圖顯示，水平方向位移最大值發(fā)生在初期支護最外端左、右側拱墻處。為抵抗初期支護的水平位移，應在套拱長邊側設置偏壓擋墻或反壓支擋結構。

表4 初期支護拉應力隨開挖步變化值

4.3 圍巖應力及位移分析

圍巖應力具有明顯不對稱性。圍巖最大壓應力為1.8MPa，發(fā)生在靠山側拱肩處；同時拱腳內(nèi)側壓應力也較為集中，施工時應加強拱腳處的支護。

為了直觀地反映隧道開挖引起的圍巖變形情況，在隧道洞口斜交段分別選取拱頂328號單元、底部29 455號單元及右側邊墻313號單元作為位移考察點。3個單元的位移隨施工開挖的變化曲線如圖5～7所示。洞口處拱頂下沉值隨開挖步數(shù)逐漸增加，累計達到19.8 mm；底部隆起值隨開挖步數(shù)增加逐漸由17.2 mm減小到16 mm；斜交進洞圍巖受偏壓作用明顯，較大水平收斂值在洞口附近靠山側拱腳至拱肩處；右側最大水平收斂值累計為3.5 mm；圍巖變形值均相對較小。

圖5 洞口處328號單元拱頂下沉曲線圖

圖6 洞口29 455號單元底部隆起曲線圖

圖7 洞口長邊側313單元水平收斂曲線圖

需要注意的是，在隧道進洞開挖時，要處理好套拱與圍巖的接觸部位，防止接觸部位因施工不當造成應力集中，使支護結構和圍巖受力過大。

5 結論

本文結合烏鴉山隧道實際地形、地質(zhì)狀況，運用數(shù)值方法模擬了梯形套拱配合左右不對稱開挖情況下，隧道斜交進洞施工全過程，對梯形套拱、圍巖、初期支護的應力與變形特性進行了分析，結論如下：

（1）梯形套拱在施工開始階段承受了很大的山體偏壓，表現(xiàn)出良好的抵抗偏壓的作用，在隨后的暗洞開挖過程中，梯形套拱主拉應力和主壓應力變化較小。左右側變形不一致，短邊側變化較長邊側大，受山體偏壓影響較顯著。洞口段施工中及施工完成后為提高套拱抗傾覆性，應適當增大套拱基礎或在拱腳處設置錨索進行加固。

（2）不等距開挖段初期支護隨著施工開挖進程的推進，受力明顯不對稱。上臺階開挖時，最大應力在拱腳處，下臺階開挖后，初期支護內(nèi)力顯著增大，在拱腳與仰拱結合部位所受應力較為集中。水平方向位移最大值發(fā)生在初期支護最外端左、右側拱墻處。為抵抗初期支護的水平位移，應在套拱長邊側設置偏壓擋墻或反壓支擋結構。

（3）洞口部位圍巖應力具有明顯不對稱性。圍巖最大壓應力發(fā)生在靠山側拱肩處；同時拱腳內(nèi)側壓應力也較為集中，施工時應加強拱腳處的支護。

（4）研究成果表明梯形套拱斜交進洞工法在烏鴉山隧道洞口施工中是切實可行的，并能有效減少隧道洞口開挖，保持洞口圍巖穩(wěn)定。

參考文獻

[1]范永慧，戴俊，王志遠.偏壓隧道斜交進洞法及其三維數(shù)值模擬研究[J].公路，2015（2）：230-234.

[2]陳友賢.連拱隧道斜交正作進洞設計[J].現(xiàn)代交通技術，2015，12（4）：60-63.

[3]梅勇文，張兆杰，萬明富.隧道斜交進洞法設計及施工全過程三維數(shù)值模擬[J].公路隧道，2013（3）：21-23.

[4]唐穎.公路隧道斜交正作洞口的設計[J].公路，2013（9）：269-271.

[5]劉繼國，柯小華.公路隧道斜交進洞設計探討[J].公路隧道，2010（1）：11-14.

[6]王偉.ansys14.0土木工程有限元軟件分析[M].北京：清華大學出版社，2013.