新建雅山连拱隧道浅埋偏压段优化施工研究

2015-11-30潘春辉林秀桂

城市道桥与防洪 2015年11期

关键词：隔墙偏压拱顶

潘春辉，林秀桂

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092)

新建雅山连拱隧道浅埋偏压段优化施工研究

潘春辉，林秀桂

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092)

针对新建雅山连拱隧道进洞口处的浅埋偏压段实际情况，采用数值模拟的手段，分析了偏压与无偏压情况下连拱隧道的围岩与中隔墙的应力应变关系，并对施工步骤进行优化分析。结果表明，由于施工顺序产生的偏压与地形的偏压作用共同叠加，对控制施工有不同的影响结果。采用“先浅后深”施工工序，有利于控制中隔墙的应力大小及倾覆程度;采用“先深后浅”施工工序，有利于控制围岩的变形和拱顶沉降变形。因此，针对实际施工中以控制中隔墙变形为主导的连拱隧道施工要求，采用“先浅后深”施工工序更为合理。

连拱隧道;中隔墙;浅埋偏压;施工顺序

0 引言

新建雅山隧道位于乌鲁木齐市西侧，最高海拔高度为1 397.6 m，位于山体中心部位，自此向四周低倾，隧道地形起伏较大，总体为中间高，两端低。其结构形式为双连拱山岭隧道，双向4车道，全长345 m;暗埋段进口桩号为Y3K0+963.630，出口桩号为Y3K1+100.630，长度为137 m。雅山隧道暗埋段入口处位于滑坡体中，斜坡坡度约为1∶3，该处隧道埋深较小，最浅处仅约10 m，存在着严重的偏压(见图1)。浅埋偏压连拱隧道受力复杂，其围岩与支护结构相互影响机理尚不明确，须对偏压连拱隧道进行动态模拟和优化分析研究。

图1 偏压进洞断面图

为了研究偏压连拱隧道，拟采用有限元数值分析的手段，先对无偏压连拱隧道进行研究，分析施工顺序对连拱隧道的影响机理，再分析偏压连拱隧道施工的力学效应，以得出合理的施工工序，指导现场施工。

1 隧道工程地质条件

根据地质详勘报告，新建隧道走廊带内出露的地层为古生界、新生界，具体为二叠系芦草沟组P2(LC)地层。该岩石组合可细分为8个段1个层，总厚2 270.4 m。各段之间均为整合接触。隧道段接触为第3、第4段。上部覆盖层为第四系(Q)，围岩类别具体如下:

①1含砾黄土状粉土:(Qal+pl3b+4)褐色、褐红色，隧道两侧山坡分布，层厚1.0～2.0 m。稍湿、稍密-中密。

②角砾:(Q3b+4dl)灰黄色，隧道两侧山坡分布，层厚1.0～2.0 m。稍湿、稍密-中密。

③1强风化基岩:P2(LCc、LCd)青灰色、黄褐色、灰绿色。层顶埋深1.0～2.0 m。层厚3.0～5.0 m。风化裂隙很发育，岩体破碎。

④1中风化基岩:P2(LCc、LCd)青灰色、黄褐色、灰绿色。层顶埋深6.0～9.0m。结构部分破坏，风化裂隙发育，岩体被切割成岩块。

2 围岩物性指标及支护结构参数

根据地勘报告并结合以往类似工程数值分析经验，可以确定数值模拟的岩土参数。钢拱架的作用采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给混混凝土喷层[1]，计算方法为:

式中:E为折算后混凝土弹模;E0为原混凝土弹模;Sg为钢拱架截面积;Eg为钢材弹模;Sc为喷射混凝土截面积。

数值计算参数如表1所列。

表1 围岩及支护结构参数表

3 无偏压连拱隧道施工模拟

3.1 数值模拟过程

该项数值模拟的主要目的是研究连拱隧道在无偏压时隧道围岩位移、应力变化规律，以及支护效果等。根据施工现场状态，拟采用如下模拟开挖方式:开挖中导洞-浇筑中隔墙-分台阶开挖右侧隧道并及时初期支护-分台阶开挖左侧隧道并及时初期支护最终平衡。

数值计算分析采用二维计算模型，计算模型的水平方向宽度为150 m，两侧各延长为连拱隧道跨度约3倍，以消除边界效应的影响。隧道埋深为18 m。模型两侧边界为水平向约束，底部为竖向约束，模型受重力作用，围岩采用Drucker-Prager本构模型。

隧道半净宽9.92 m，净高8.335 m，车行道宽度2×3.5 m，建筑限界净高5.0 m，城-A级城市快速路，设计时速60 km/h。

3.2 数值模拟过程

图2为中隔墙的水平变形云图。从图2可以看出，中隔墙有整体的偏向左侧的位移，中心最大位移为3.26 mm。分析原因表明，无偏压作用下，连拱隧道中隔墙的内力和变形受隧道施工工艺影响很大。中导洞开挖支护完毕后，先行施工右侧隧道，围岩产生应力释放，通过初衬传递给中隔墙，使中隔墙向相反方向即左侧位移;后行隧道施工过程的应力和变化与先行隧道施工过程相似，通过初期支护释放围岩应力于中隔墙，使中隔墙有向右侧偏移的趋势，然而后行施工隧道释放的围岩压力小于先行施工隧道释放的围岩压力，中隔墙总体上有向左偏移的趋势，即向相反于先行施工隧道方向偏移。

图2 无偏压连拱隧道开挖后中隔墙水平位移云图

而通过图3无偏压状态下连拱隧道初期支护及围岩变形云图可知隧道围岩整体向左侧位移。而左侧拱顶竖向位移为5.32 mm，右侧为5.01 mm，说明左侧隧道的围岩收敛较之右侧要大，拱顶沉降大6.2%。因此，从总体上，无偏压连拱隧道围岩向着相反于先行隧道的方向偏移，而于此同时，中隔墙也随着围岩向相反于先行隧道方向变形。

图3 无偏压连拱隧道开挖后围岩变形云图

4 偏压连拱隧道施工动态研究

4.1 施工模拟工序

连拱隧道偏压作用程度随隧道埋深增加而减少，当隧道埋深大于1.6倍隧道开挖宽度时，因地形坡度产生的偏压作用可以忽略[2]，新建雅山连拱隧道入口段的埋深平均为14 m，是跨度的0.65倍，地形引起的偏压作用显著。

偏压连拱隧道施工顺序主要有“先浅后深”和“先深后浅”两种方法[3][4]，两种施工方法对隧道结构的内力、变形，围岩的应力、位移有着不同的影响，而两种施工方法在不同的土质、坡角、埋深等因素下，其影响规律也不同。限于篇幅，本节仅针对雅山新建隧道地形围岩状况对这两种施工方法进行数值模拟分析，以期获得偏压条件下的合理施工顺序，指导实际施工(见图4)。

图4 偏压连拱隧道进洞施工步序示意图

“先浅后深”法施工过程动态模拟步序:(1)开挖中导洞;(2)临时支护中导洞;(3)砌筑中隔墙; (4)开挖左上台阶;(5)左上台阶初支;(6)开挖左中台阶;(7)左中台阶初支;(8)开挖左仰拱;(9)拆除左侧临时支护并封闭初衬;(10)开挖右上台阶; (11)右上台阶初支;(12)开挖右中台阶;(13)右中台阶初支;(14)开挖右仰拱;(15)拆除右侧临时支护并封闭初衬。

“先深后浅”法施工过程动态模拟步序:(1)开挖中导洞;(2)临时支护中导洞;(3)砌筑中隔墙; (4)开挖右上台阶;(5)右上台阶初支;(6)开挖右中台阶;(7)右中台阶初支;(8)开挖右仰拱;(9)拆除右侧临时支护并封闭初衬;(10)开挖左上台阶; (11)左上台阶初支;(12)开挖左中台阶;(13)左中台阶初支。(14)开挖左仰拱;(15)拆除左侧临时支护并封闭初衬。

4.2 模拟结果分析

4.2.1 拱顶沉降分析

拱顶沉降是反映围岩位移大小的主要参数，同时也是评价隧道整体稳定性进行优化的重要指标(见图5)。

图5 施工完毕后拱顶沉降云图

从图5可以看出:由于偏压作用，两种方案的深埋侧隧道最大沉降均发生在拱顶处，而浅埋侧隧道最大沉降发生在内侧拱肩处。两种方案连拱隧道的最大竖向位移均在深埋拱顶处，其位移场接近，施工中应对深埋侧隧道支护进行及时监测，必要时采取加固措施，确保安全施工(见图6)。

从图6可以看出，两种施工方案中，拱顶沉降数值影响最大的施工步骤是开挖上台阶，而中、下台阶开挖对拱顶沉降影响较小，在一定程度上对沉降有所减少。因为围岩压力较大，开挖中、下部岩体引起隧道拱部隆起，从而导致隧道衬砌结构沉降反弹。连拱隧道两个洞室分别开挖时相互之间对拱顶沉降的影响较小。因此应及时施工仰拱，封闭初衬，监测拱顶下沉，控制围岩稳定。

左洞浅埋隧道先开挖方案中，左洞拱顶最终沉降值为3.90 mm，右洞拱顶最终沉降值为13.25 mm;右洞深埋隧道先开挖方案中，左洞拱顶最终沉降值为3.46 mm，右洞拱顶最终沉降值为12.01 mm。两种施工方法相比，先开挖浅埋侧时左右拱顶的沉降相对于先开挖深埋侧都要大些。

4.2.2 中隔墙应力分析

由于入洞口处在斜坡体上，左右隧洞埋深不同，右侧深埋的隧洞传给中墙的应力比左侧浅埋的要大，因此，会由自重不同而产生偏压;同时不同的施工顺序导致围岩释放应力的大小也有所不同，通过衬砌传给中墙的力会对中墙产生不同程度的偏压作用，使得中墙受力状态极为复杂。

两方案中隔墙最大拉、压应力对比如表2所列。

表2 两方案中隔墙最大拉、压应力对比表(单位:MPa)

从表2可以看出，先开挖深洞方案中，中隔墙受到的拉应力在施工过程中大于先开挖浅洞，最大拉应力为1.27 MPa，接近C35混凝土的极限抗拉强度1.57 MPa，且拉应力分布与大小随着开挖施工的过程而变化，对中墙的稳定性很不利。而先开挖浅洞，拉应力变化较为平稳，中墙稳定性较好。

4.2.3 中隔墙应力分析

为了明确表示出两种方案中墙在施工过程中上下部相对位移变化情况，在中墙有限元网格的上下部分别找出两个特征节点A、B[5]，通过对其相对位移进行分析对比，确定较优方案(见图7)。

由数值分析，得到如图8所示两中墙特征点A、B 相对位移随工序的变化情况。从图8可以看出，在偏压条件下，先开挖深埋隧道两特征点的水平相对位移要比先开挖浅埋隧道大，到施工结束时，已经达到了-5.94 mm(负号表示方向向坡体外侧)。而先开挖浅埋侧最终相对位移仅为-3.89 mm。结合到施工的实际情况，先开挖深埋再开挖浅埋，整个连拱隧道是持续向坡体外侧有卸载位移效应，因此其中墙的侧向倾斜是持续增大的，而先开挖浅埋再开挖深埋，浅埋隧道加固后给后续深埋隧道起到保护支撑作用，相当于对外侧土体进行加固，因此其中隔墙的变形在前期较小，施工后期也有所限制。因而从中隔墙位移的影响因素考虑，先开挖浅埋隧道更适用于偏压连拱隧道。

图7 中隔墙有限元网格监测点示意图

图8 中隔墙监测点相对位移图

5 结语

5.1 分析机理

根据上述无偏压连拱隧道开挖模拟分析和偏压连拱隧道开挖模拟分析，可以验证，偏压连拱隧道的偏压效应与施工工序密切相关，最终的偏压效应是施工偏压与地形偏压的相互叠加。无偏压连拱隧道施工过程中，围岩整体反向于先行隧道方向偏移，中隔墙同样会沿着反向先行隧道方向偏移;而偏压连拱隧道的在地形偏压作用下，深埋侧隧道拱顶压力较大，引起拱顶沉降较大，传递给中隔墙的压力也较大，因此引起中隔墙向浅埋侧偏移。合理利用两种偏压作用，对指导实际隧道施工有重要作用。

中隔墙作为整体式连拱隧道的重要组成构件，其安全严重关系到隧道洞口段的施工安全，一旦失稳可能导致洞口仰坡滑坡。其裂缝或变形严重影响运营阶段连拱隧道的防排水性能。因此，对于偏压连拱隧道的施工安全应当把中隔墙的响应作为重要考察因素。采用“先浅后深”的施工工序可以有效地利用两种偏压效应(即施工工序引起中隔墙向深埋侧偏移，而地形引起中隔墙向浅埋侧偏移)的叠加作用，减少中隔墙的最终偏移。

围岩的变形同样受到两种偏压效应的叠加影响。若采用“先浅后深”的施工工序，由施工工序引起的深埋侧拱顶沉降和围岩变形较大，加之地形作用下深埋侧的较大变形，深埋侧的最终拱顶沉降会比“先深后浅”施工工序要大，围岩的整体稳定性也较为不利。

综合考虑两种施工方法对偏压连拱隧道的影响效应，采用“先浅后深”的施工工序，对偏压连拱隧道的进洞安全性更为有利，而施工中须加强对深埋侧拱顶沉降和洞周收敛的实时监测。

5.2 结论

(1)通过对无偏压地形和偏压地形的新建新疆连拱隧道的结构受力，中墙受力变形，以及围岩应力分布等具体指标的分析，认为采用“先浅后深”工序施工，能改善连拱隧道中墙受力的不利状况，“先浅后深”工序为浅埋偏压情况下连拱隧道的优化施工工序。

(2)针对“先浅后深”的施工工序会引起深埋侧的初衬拱顶位移相对较大的弊端，可以在施工中加强对深埋侧隧道拱顶的位移监测，采用注浆锚杆和超前长管棚进行加固。

(3)中隔墙的水平偏移和相对转动是衡量偏压连拱隧道施工质量的重要指标，需要对中隔墙采取必要的监测和加固措施。具体上来说在开挖一侧主洞时须在中隔墙上部施加临时钢横撑;施工之前对中导洞上部用片石予以回填密实;正洞掌子面间距不可太远，以保持对称受力;中墙底部须施加注浆锚杆，加固中墙抗滑移和抗倾覆能力。

[1] 李术才，朱维申，陈卫忠，等，弹塑性大位移有限元方法在软岩隧道变形预估系统研究中的应用 [J].岩石力学与工程学报，2002，21(4):466-470.

[2] 蔡来炳.软弱围岩浅埋偏压连拱隧道力学效应研究[D].上海:同济大学，2008.

[3] 周玉宏，赵燕明，程崇国.偏压连拱隧道施工过程的优化研究[J].岩石力学与工程学报，2002，21(5): 679-683.

[4] 邓少军，等.浅埋偏压连拱隧道施工数值模拟及方案比选[J].地下空间与工程学报，2005，1(12):940-943.

[5] 曹云钦，王小林.浅埋偏压连拱隧道中墙优化分析[J].岩土工程学报，2006，28(4):537-540.

U455.4