连拱隧道斜交正作进洞设计

陈友贤

（福建省交通规划设计院，福建 福州 350004）

连拱隧道斜交正作进洞设计

陈友贤

（福建省交通规划设计院，福建 福州 350004）

连拱隧道在复杂偏压地质条件下，可采用斜交正作洞口来降低边仰坡高度，但目前对其设计和施工关键技术的研究仍较少。文章以双溪口隧道出口为例，阐述了连拱隧道斜交正作洞口的设计情况，通过三维有限元分析，研究梯形套拱的施工力学响应，结果表明：梯形套拱处于明显的偏压状态，虚拟洞壁作用显著；为了降低套拱倾覆的风险，在设计上要对套拱成洞面的斜交角度加以限制，并宜在套拱长边侧设置有效的反压体以平衡由初期支护传递的水平推力；另外，施工中先开挖山体较低一侧对套拱受力更为有利。该研究成果在双溪口隧道得到成功应用，对类似条件下连拱隧道斜交进洞有借鉴意义。

隧道工程；连拱隧道；斜交进洞；三维有限元；梯形套拱

1　概述

随着高速公路进入山区，地形、地质条件越来越复杂。由于连拱隧道开挖跨度大，施工过程围岩受到多次扰动，因此宜尽可能地采用正交进洞［1］。但是，当连拱隧道洞口所处地形偏压严重且特别陡峭时，如仍采用一般的正交进洞，则不利于施工安全和结构受力，此时采用斜交进洞，可有效地降低边仰坡高度。因此实际设计中常面对如何合理设计斜交洞口的问题。

关于斜交进洞技术，目前已经有了一定的研究成果［2~7］。福建省于2001-05在三福高速公路的文山下连拱隧道首次采用斜交进洞技术［8］。王勇［9］以云山隧道右线进口不良地质段为实例，介绍了洞身与山体斜交、偏压时，施工辅助措施的设计和施工要点。刘继国、柯小华［10］对隧道斜交进洞的适用条件及优势进行了阐述。唐颖［11］对分离式隧道斜交正作洞口中的梯形套拱进行详细的受力分析，并提出了设计对策。

但目前隧道斜交进洞的研究主要针对分离式隧道，而对连拱隧道斜交进洞的分析研究几乎是空白。由于连拱隧道结构特殊，开挖跨度大，在洞口偏压严重的情况下采用斜交进洞时，套拱承受了较大的不平衡水平推力，套拱设计和成洞面的稳定是成功进洞的关键。本文针对连拱隧道斜交进洞工程实例进行分析，并采用三维有限元分析套拱的施工力学响应，以期为类似条件下连拱隧道斜交进洞的设计及施工控制提供借鉴与参考。

2　斜交洞口设计的类型

斜交洞口设计的类型一般分为两大类：斜交斜作和斜交正作。

所谓的斜交斜作是指成洞面开挖基本平行于洞口等高线，斜交于洞轴线，进洞开挖时沿斜成洞面采用斜交工作面开挖进洞，并经过一段距离后逐渐过渡到垂直于洞轴线的工作面的正挖的施工方法；斜交正作是指成洞面开挖基本平行于洞口等高线，斜交于洞轴线，进洞开挖时利用梯形套拱的虚拟洞壁作用正交工作面开挖进洞的施工方法。

斜交斜作对洞口的地质条件要求较高，而斜交正作对地质的适应性相对更好，有利于保护洞口，增加洞口成洞面的稳定性，因而应用更加广泛。

3　连拱隧道斜交正作洞口计算分析

在斜交正作的洞口，梯形套拱的作用是构成虚拟岩壁，为隧道正开挖进洞提供条件。因此偏压情况下，斜交正作洞口的设计关键之一是研究梯形套拱的受力情况。本文以福建邵三高速公路双溪口连拱隧道的斜交正作洞口为例对梯形套拱进行计算研究。

3.1工程概况

双溪口隧道为连拱隧道，全长248 m，隧道出口围岩以坡积亚粘土为主，洞口等高线与洞轴线角度约为60°，成洞面处地面横坡约为25°。由于洞口地形偏压且地质较差，设计采用斜交正作进洞，斜交角为30°。洞口采用超前大管棚预加固，设置了梯形套拱，在为管棚导向的同时，也作为斜交正作进洞的虚拟岩壁。

3.2梯形套拱设计

梯形套拱设计为厚度60 cm的C25钢筋混凝土，长边738 cm，短边400 cm。如图1、图2所示，左右洞套拱在中墙位置的进行整体浇筑；套拱并未设计为常规的直角梯形，而是适当缩短了套拱长边的长度。

3.3有限元模型及网格

模型宽度180 m，长度210 m，底面距隧道仰拱200 m，模拟了实际地形。模型地表为自由面外，其余各面均约束其法向位移。围岩采用Drucker-Prager本构模型，中隔墙、套拱及支护采用弹性模型。本文选用“MIDAS/GTS”有限元软件进行计算，初始网格及最终局部网格如图3所示。

图1　梯形套拱立面图（单位：cm）

图2　梯形套拱平面图（单位：cm）

图3　计算模型网格图

围岩力学指标如表1所示。

Ⅴ级围岩段设计为三导洞法开挖，即中导洞超前开挖，贯通后浇筑中墙，主洞采用侧壁导洞配合上下台阶法施工。斜交正作施工工序为：斜交成洞面开挖—中导洞开挖及支护—修筑中隔墙—套拱施作—长管棚超前支护—洞身开挖及支护。本文基本按以上施工工序进行计算，仅省略了大管棚施工步骤，且将实际中套拱与围岩通过大管棚连接，简化为套拱单元直接与围岩单元通过节点连接。

表1　围岩物理力学参数表

由于套拱在中导洞施工后浇筑，因此本文主要分析正洞开挖对套拱产生的影响。在确定偏压连拱隧道实际施工工序时，确定哪个洞为先行洞对减少施工偏压有较大影响。本文为了比较不同先行洞对斜交洞口稳定性及套拱的影响，计算时选取了两种工况，工况1先开挖左洞（山体较高一侧），后开挖右洞（山体较低一侧）；而工况2则相反，先开挖右洞后开挖左洞。

3.4计算结果分析

通过计算，对套拱的应力及变形进行分析，得到不同工况下连拱隧道梯形套拱的施工力学响应。

（1）套拱的变形

工况1和工况2套拱变形前视图和右视图分别如图4、图5所示。

图4　工况1梯形套拱变形图（单位：m）

图5　工况2梯形套拱变形图（单位：m）

工况1先开挖山体较高一侧的左洞后，套拱整体明显向左侧虚拟洞壁即长边一侧推移，且左洞套拱靠近成洞面处相对前端上抬。其后开挖右洞，由于右洞的开挖释放荷载影响，左洞套拱变形有向右“拉回”的趋势，偏压有所缓解，但总体来说还是向长边一侧变形。

工况2先开挖山体较低一侧的右洞，左洞套拱有向右侧推移的趋势，但变形量明显较工况1小；其后开挖左洞，套拱整体向左边虚拟洞壁一侧推移。

对比两个工况的最终变形结果，工况2变形较工况1略小，但是先行洞开挖后，工况1的套拱出现了明显的偏压变形，套拱的变形量比工况2大22%，对套拱的稳定和受力更不利。

（2）套拱的应力

根据计算得出连拱梯形套拱的主应力值，如表2所示，最大压应力发生在套拱的中隔墙靠近成洞面的位置，其值小于C25混凝土的轴心抗压强度设计值11.9 MPa［12］。最大拉应力发生在左拱长边靠近成洞面的拱腰处，其值大于C25混凝土的轴心抗拉强度设计值1.27 MPa。

表2　工况应力值对比 MPa

（3）套拱的抗倾覆分析

根据工况2计算得出的套拱基底竖向应力值可知，套拱处于偏心受压状态，且基底靠近成洞面处出现小范围拉应力，拉应力区域大约占5%，但套拱基底面总体呈受压状态，因此套拱没有倾覆的危险。对比两个工况的基底竖向最大拉应力，工况1为271 kPa，工况2为254 kPa，两者相差不大。为进一步提高施工安全度，在设计时宜在套拱长边一侧设置反压体来平衡套拱承受的水平推力。

根据上述变形和应力结果的分析得出斜交正作连拱隧道洞口的梯形套拱，承受着由初期支护传递的水平推力，套拱的虚拟洞壁作用明显，部分拉应力值超过了C25混凝土的容许应力值。通过不同先行洞开挖工况的对比，可知先开挖山体较低一侧，无论从套拱的变形和受力结果来看，都较先开挖山体较高一侧更为有利。

4　工程应用

根据计算分析结果，双溪口隧道出口斜交正作进洞方案是基本合理的。梯形套拱的尺寸可以满足要求，但根据计算结果进一步加强了套拱的配筋，同时为了确保施工安全，在套拱虚拟洞壁的一侧（长边）设置有效的反压回填来平衡由初期支护传递的不平衡水平推力（如图6所示）。

在施工过程中严格按照设计斜交正作方案进行施工，先开挖山体较低一侧主洞，隧道安全进洞，且洞门施工后基本没有仰坡，很好地保护了隧道洞口的自然环境，是连拱隧道地质较差偏压洞口斜交正作进洞的成功范例。

图6　反压回填示意图

5　结论

连拱隧道斜交进洞能够较好地解决偏压地形正交进洞高边仰坡带来的洞口稳定问题，较好地保护洞口的自然景观。同时应注意在设计中要根据斜交洞口具体的地形地质情况加以针对性的分析，以确保隧道施工期间的安全。本文通过对双溪口连拱隧道斜交进洞的三维施工过程模拟分析以及施工经验，提出连拱隧道斜交进洞设计施工中应注意以下几点：

（1）斜交进洞成功的关键是确保成洞面的稳定，对于地质较差的洞口应采用斜交正作进洞。

（2）与分离式隧道相比，连拱隧道成洞面开挖范围较大，采用斜交正作进洞应更为慎重，设计中应根据地形、地质条件合理设计梯形套拱的尺寸，加长套拱侧长边的尺寸对受力及成洞面稳定更为有利。

（3）在考虑降低边仰坡高度的同时，应控制成洞面的斜交角度，如果斜交角过大将可能导致套拱失稳。对斜交角度较大的洞口，建议进行数值模拟确定套拱尺寸等设计参数，且在施工中应对套拱长边侧进行有效反压回填后进行正洞开挖。

（4）隧道正洞开挖时，宜先开挖山体较低一侧洞室，再开挖另一侧洞室。

（5）连拱隧道跨度较大，梯形套拱结构复杂且承受了较大的水平推力，在设计时要注意对梯形套拱进行适当的配筋。

（6）施工中应严格按照斜交正作进洞工序施工，注意保护山体，尽量减小开挖面和暴露时间，如：在中导洞开挖时仅开挖中导洞位置的成洞面，注意保留套拱核心土，及时做好边仰坡防护和套拱反压回填，并加强对套拱位移的监控量测。

［1］ 李志厚，朱合华，丁文其.公路连拱隧道设计与施工关键技术［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［2］韩剑，胡平，陈建勋.包（头）茂（名）高速公路小河至安康段隧道进洞技术［J］.公路，2010（7）：212-216.

［3］李国安.广（州）梧（州）高速公路河口至平台段隧道洞口设计［J］.广东公路交通，2012（2）：53-56.

［4］臧培刚，李富新.公路隧道斜交进洞施工方法［J］.建井技术，2003（24）：39-41.

［5］ 张东，许海峰.公路隧道斜交进洞施工方法［J］.西南公路，2012（1）：35-38.

［6］ 钟祺，王宝善.山区浅埋偏压隧道进洞方案比选［J］.中外公路，2012（32）：234-236.

［7］王永刚.武罐高速公路隧道斜交偏压段进洞方案［J］.公路隧道，2010（4）：27-30.

［8］林志良.福建省连拱隧道的发展［J］.公路，2006（10）：207-211.

［9］王勇.公路隧道洞口斜交、偏压段施工技术［J］.山西交通科技，2011（4）：50-52.

［10］刘继国，柯小华.公路隧道斜交进洞设计探讨［J］.公路隧道，2010（1）：11-14.

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［12］JTG/T D70—2004公路隧道设计规范［S］.

Discussion of Vertical Making for Skew Portal in Highway Double-arched Tunnel

Chen Youxian
（Fujian Communictions Planning & Design Institute, Fuzhou 350004, China）

Under the complex geological eccentric compression condition, the vertical angle was made for skew portal in twintunnel in order to reduce height of the side and face upward slope and ensure stabilization of the entrance. By the example of Shuangxikou tunnel, this paper described the design of vertical angle made for skew portal in twin-tunnel and analyzed the mechanical response of trapezium umbrella arch through numerical simulations. Some conclusions had been drawn. Since the eccentric compression of arch, the effect on the virtual tunnel wall was significant. To reduce the risk of arch overturning, the skew angle should be limited in design. At the same time, counterweight fill could be set on the long side of umbrella arch to balance the horizontal force which was transferred by initial supporting. In addition, excavating the lower side of the mountain was more favorable for the stress of umbrella arch. The experience and conclusions had been successfully applied in Shuangxikou tunnel, which could be taken as reference for design and construction of similar skew entrance in twin-tunnels.

tunnel engineering; double-arched tunnel; skew entering; three-dimensional finite element; umbrella arch

U452.2

B

1672-9889（2015）04-0060-04

陈友贤（1966-），女，福建福州人，高级工程师，主要从事公路与桥梁隧道专业的勘察和设计工作。

（2015-04-28）