偏压连拱隧道施工优化研究

2013-06-10崔洪峰

交通运输研究 2013年6期

崔洪峰

（河北路桥集团有限公司，河北石家庄 050011）

1 工程概况

本工程位于地质条件较复杂的山岭重丘区的高速公路，整个工程分数期进行完成，现以其二期工程为例进行研究，本期工程线路总长达到90余千米，连拱隧道达到20座之多，其难度与规模在我国公路建设中属罕见。因此，对其施工优化进行研究具有一定的代表性和典型性。

该工程所处位置主要以侵蚀中低山丘陵区为主，地貌主要是风化剥蚀，且地势十分陡峭。在现场经过勘察与分析，可以看到整个工程的地层岩性主要包括了三层，由上向下分别为：上层全新统冲积层，主要的岩性有亚砂土、中粗砾和卵砾石，其主要分布于隧道两端的沟谷平原区；中层为第四系残坡积层，主要的岩性有含碎石黏性土、含黏性土碎石和亚黏土，其厚薄不均匀，主要分布于隧道区基岩表层；下层为上侏罗统，主要分布与隧道区内，其上覆盖全新统冲积层或者第四系残坡积层。围岩分为II、III类。

2 偏压连拱隧道施工模拟

2.1 围岩物性指标和支护结构参数

在对连拱偏压隧道施工进行模拟之前要明确以下围岩物性以及支护结构的参数，其具体数据如表1所示。

2.2 施工工法模拟

利用能够同时对材料非线性和几何非线性进行模拟的快速拉格朗日有限差分FLAC程序对三导洞工法和中央导洞与半断面相结合工法进行模拟。具体工法模拟如图1、图2所示。

2.3 计算系列

以t来表示隧道拱顶到坡面垂直净距覆土厚度，选择具有典型性的浅埋地形偏压覆土厚度，t取9m，依照具体的坡度变化，考察说明。Ⅱ类（取7种坡度）、Ⅲ类（取3种坡度）围岩，以优选出的施工工法，按“由外向里”及“由里向外”（里、外是相对山体而言）施工步骤，进行施工全过程的模拟，计算系列共20组（如表2所示）。

表1 围岩物性指标和支护结构参数

图1 三导洞工法

图2 中央导洞与半断面相结合工法

表2 偏压连拱隧道计算系列

2.4 计算建模

在进行了相关的数据研究计算之后，就要进行计算建模，整体建模与偏压连拱隧道建模如图3、图4所示。

图3 整体建模

图4 偏压连拱隧道建模（坡度1∶1）

3 偏压连拱隧道优化施工力学研究

3.1 偏压连拱隧道塑性区分布

从整体上来看，无论采用怎样的施工工序，对于Ⅱ、Ⅲ类围岩塑性区来说，都会呈现明显的不对称分布（如图5所示）。

图5 Ⅱ类围岩偏压连拱隧道不同工序施工引起塑性区分布

在对Ⅱ类围岩进行分析，考虑到地形偏压的因素，在支护方面，应该应用长锚杆或者是锚索为主的两边不等强的方法进行支护。综合看来，由于地形偏压的影响，必然会造成Ⅱ、Ⅲ类围岩连拱隧道塑性区分布有明显差异的“偏压”效应。

在对围岩塑性区的分布状况与“偏压”的坡度关系进行研究时，发现随着坡度的增大，隧道两端的塑性区也在不断的扩大，这个结果表明地形偏压引起隧道结构受力变得更加不利。在坡度不断加大的情况下，出现了偏压效应导致隧道上方的塑性区不断地延伸扩展一直伸展到山体的坡面上，这个发现表明，在特定的条件下，偏压效应很有可能会引发隧道坍塌事故，给工程施工带来的安全隐患。

研究施工工序对塑性区的影响时，在对两种施工工序的结果进行比较时，可以看出，在坡度保持相同的条件下，使用“先里后外”的施工工序比采取“先外后里”的施工工序所引起的围岩松动塑性区的范围要大。由此可以得出，在地形偏压的情况下，“先外后里”的施工工序对山体的扰动比较小，是比“先里后外”施工工序更加优越的施工工序，故可以考虑在实际工程中应用此工序，进行工程施工优化。

3.2 连拱隧道中墙偏压受力特征研究

图6为连拱隧道中墙作用载荷模型，其所受到的载荷主要来自于两方面，一方面是来自其自身上方所覆盖的土的压力载荷；另一方面是来自左右隧道施工之后，经初期支护传到中墙顶部的压力载荷。

图6 中墙作用荷载分析

图7是Ⅱ、Ⅲ类围岩连拱隧道在地形偏压条件下，应用两种不同的施工工序对于中墙所受载荷的影响情况。

图7 Ⅱ类围岩不同工序施工引起作用于连拱隧道中墙两侧载荷情况

从以上的研究结果可以看出，尽管有着地形偏压的影响，但是变换施工工序却可以对中墙是否承受偏压以及受到偏压的大小程度有着重要的影响。采用先里后外的工序进行施工时，就会出现山体内部侧隧洞给予中墙顶部载荷作用大于坡面外部侧隧洞给予的载荷作用，具体如图8b）、8d）、8f）所示。但是，当变换施工工序为先外后里之后，却出现了II类围岩连拱隧道“弱偏压”及III类围岩连拱隧道“无偏压”状况（如图7a）、7c）、7e）、8a）、8c）、8e）所示）。

为了一目了然，将研究结果集数据整理成了图表，设定偏压系数为f偏=F1/F2，其中的F1是山体内部隧洞的作用载荷；F2是坡面外部隧洞的作用载荷，具体情况见表3、表4。

图8 Ⅲ类围岩不同工序施工引起作用于连拱隧道中墙两侧荷载情况

表3 Ⅱ类围岩连拱隧道中墙承受偏压荷载分析

表4 Ⅲ类围岩连拱隧道中墙承受偏压荷载分析

经研究发现，施工工序对对结构受力以及偏压效应有十分重要的影响，而相比之下，采用先外后里的施工工序具有明显的优势作用。它能够更好地缓减连拱隧道偏压受力状况，因此，建议采用此种工序进行工程施工。

连拱隧道工程中主要存在“地形偏压”和“施工偏压”两种偏压效应。施工偏压效应：中墙荷载（先修隧洞）＞中墙荷载（后修隧洞）；地形偏压效应：中墙荷载（山体侧隧洞）＞中墙荷载（坡面侧隧洞）。两种施工工序的力学本质比较，“先里后外”两种不同工序施工的力学本质。先里后外施工工序：偏压荷载效应＝地形偏压效应＋施工偏压效应；先外后里施工工序：偏压荷载效应＝地形偏压效应－施工偏压效应。由此可以得出先外后里是最优化的施工工序。对偏压连拱隧道的变性分析见表5。

表5 偏压连拱隧道变形分析

4 结语

通过对工程的实际情况及自身特征进行分析研究之后，确定出了“先外后里”的最佳施工工序，从最大程度上对连拱隧道偏压受力的情况进行了改善，使得“先外后里”工序成为浅埋偏压情况下连拱隧道的优化施工工序，这值得在实际的工程建设中进行推广应用，具有极高的优化工程施工的价值。最后附上经研究分析之后得出的一些优化施工方法及优化施工工序的建议（如表6所示），以期为连拱隧道工程施工的优化做贡献。