偏压隧道洞口耳墙式护拱进洞支护技术研究与应用

袁森林

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)



偏压隧道洞口耳墙式护拱进洞支护技术研究与应用

袁森林

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

分布于山丘的市政道路建设中，受限于土地规划与利用，在复杂地形条件下隧道洞口难以避免高边坡和偏压进洞难题，会给设计和施工带来一定风险和难度。对偏压隧道口耳墙式护拱支护结构进行了研究和优化改进，通过在山坡坡脚一侧基岩处增设护拱平台基础和锚杆加固，加强护拱内隧道初期支护结构的整体性，形成复合式护拱进洞支护结构体系。隧道内部采用侧壁导坑开挖，充分利用隧道拱腰处刚度较大的优势以及围岩自身稳定性，安全有效地解决了偏压隧道进洞设计与施工问题。偏压隧道口耳墙式护拱进洞支护技术在湘潭昭山大道虎形山隧道西线洞口得到了应用，避免了隧道洞口大开挖对环境的破坏，确保了隧道早进洞施工，在经济性、工期和施工安全等方面均体现了一定的优势。

偏压隧道；洞口边坡；耳墙式护拱；进洞技术

0 引言

伴随着城市建设的快速发展，在复杂地形条件下修建隧道，隧道洞口难免存在高边坡和偏压进洞难题。常规明洞边坡开挖工程难度大、绿化植被破坏严重。近年来，国内学者和工程技术人员对偏压进洞支护技术进行了研究[1-4]，主要采取的措施可归纳为护拱结构、反压、锚固桩加固等，在隧道洞口设计时逐步加强洞口景观效果的分析研究[5-6]，并提出隧道洞口免刷坡绿色洞口的概念[7]。目前在隧道口偏压进洞施工时，常采用半明半暗护拱技术[8-11]的方案，通过加强初期支护、管棚超前加固以及减小进尺等措施控制地层变形。在护拱支护结构理论研究方面，蔡小明等[12]通过分析传统半明半暗洞口施工工艺的优缺点，调整加强支护结构整体性的支护衬砌结构，并调整相应施工工艺;张敏[13]在研究坡体结构特性的基础上，建立了隧道围岩-边坡相互作用概念模型，采用“零”进洞工法理念解决洞口进洞难题；伍毅敏等[14]根据半明半暗隧道洞口的3种受力类型，通过数值模拟研究了3种受力类型的变形、应力以及结构受力等特性，并与现场监测结果相一致。但上述研究在现阶段均未能解决护拱拱脚大变形问题，拱脚处围岩受力及变形仍不太理想。本文依托湘潭虎形山隧道洞口建设工程，在现有护拱进洞支护技术的基础上，优化耳墙式护拱结构，增设拱脚平台基础，加强护拱内隧道初期支护结构的整体性，形成复合式护拱进洞支护结构体系。

1 隧道护拱进洞支护技术研究

在护拱结构受力分析上，伍毅敏等[14]和王鹏[15]在有限元分析与理论研究的基础上，将护拱结构的受力划分为受推型、受压型以及推压组合等形式，并研究了不同形式护拱结构的受力和变形特征，见图1。由于偏压隧道洞口边坡一般较为陡峭，通常将护拱结构归并为推压组合形式。

图1 护拱结构的理论变形[14]

推压组合形式的护拱支护受力主体表现为护拱结构拱圈顶部受压，拱圈部分承受水平荷载，护拱结构承受推力。一般情况下由于护拱结构明挖现浇，且施作刚度较大的钢筋混凝土或浆砌块石结构，推力往往能够得到平衡；但在护拱支护下山坡一侧采用暗挖施工，锚喷的初期支护往往刚度较小，在图1中A区衔接处为进洞支护结构的薄弱环节，应力集中和变形较大。因此，在常规护拱结构设计中，A区结构刚度以及A区初期支护与护拱结构的连接有效性，将决定护拱进洞的成功与否。

在一般应用中，通常设置半护拱并结合管棚支护进行偏压地区进洞施工，A区往往受力较大。在以往偏压隧道洞口施工过程中，管棚+锚喷结构形成的支护结构在短进尺的前提下，往往得益于空间效应的优势，使得一般工程中A区虽变形较大，但未产生一定的工程事故。但在隧道断面增大后，尤其是3车道隧道开挖跨度17～18 m的边界条件下，随着护拱结构跨度的增加，A区变形也将增大，甚至可能会发展为失稳破坏；因此，应研究相应的工程设计构造措施，降低A区失稳风险。

在分析研究常规护拱进洞结构的受力特征以及工程经验后，分别优化2处结构构造，以便更好地解决A区应力和变形风险：1)设置护拱拱脚扩大基础；2)护拱内部设置独立受力的初期支护结构。

该方案通过在山坡一侧设置平台基础结构，同时在岩体衔接处施作中空注浆锚杆，对平台结构基础进行加固。护拱复合结构受力方式如图2所示。在平台基础的作用下，图2中阴影区域应力水平降低，使得A区受力向拱腰方向偏移。可以充分利用拱腰处水平刚度大的特点，减少岩体一侧的变形扰动。充分利用岩土体本身以及拱形结构的受压承载力，降低A区变形和失稳风险。

图2 护拱+初期支护复合结构理论变形

Fig.2 Theoretical deformation of composite support structure of arch support+primary support

与此同时，将护拱结构和初期支护进行功能分离，护拱结构因设置的平台基础能独立受力，可提前释放坡体初始应力和变形。在护拱结构内侧以及岩体内侧施作完整的初期支护结构，包含岩体侧的锚喷结构、护拱下的挂网喷射混凝土，并通过型钢拱架进行加固，使护拱结构与初期支护形成一种复合式初期支护保护系统，既可以大幅减少边坡刷方工程量，又能使得进洞受力合理化，使安全性得以显著提升。

2 工程实例

2.1 工程概况

湘潭昭山大道虎形山隧道地处湖南省湘潭市昭山示范区昭阳路以南，线路走向自北向南，西线隧道长312 m，东线隧道长315 m。隧道设计为分离式小净距隧道，单洞内设置3车道机动车道，同时预留人非通道功能，单洞内轮廓净宽15.125 m，隧道最大开挖宽度近17.4 m。平面设计服从线路总体走向，受限于两侧接线难度，隧道位于山谷处小净距间距约为13 m，平面布置如图3所示。

图3 隧道洞口平面布置(单位：m)

隧道进洞口段处于山体“V”字型沟谷处斜坡上部，边坡坡角40～70°，西线隧道轴线与地形等高线右交角约151°，东线隧道轴线与地形等高线右交角约48°，洞口轴线与地形的关系均属坡面斜交型，进洞口段因处于谷底，偏压较明显。

若采用明洞开挖，边坡高度超过40 m，刷方量增加近6 000 m3，且须采用钻爆法对陡峭山坡进行爆破刷方，这会对原绿化生态环境造成破坏；同时，隧道洞口外高边坡给运营期带来较大风险，须采取针对性的偏压进洞支护技术。

2.2 数值模拟分析

洞口段山体由于采石工作而形成对称的山谷形状，隧道西线洞口段走向设计基本与山坡相平行。山体坡面等高线的变化在洞口段范围内基本保持一致，因此，洞口段隧道开挖可近似采用二维有限元进行模拟分析。有限元软件采用Midas/GTS，模型边界考虑偏压的影响，左右侧分别取值山坡最高处，已超过3～5倍隧道跨度，下边界考虑3倍隧道跨度。计算模型上部为自由边界，底部边界约束竖向位移，两侧边界约束水平位移，地应力场为自重应力场。有限元模型如图4所示。岩土层和结构参数根据地勘报告与设计材料取值，如表1所示，锚杆注浆参数根据经验选取。

图4 隧道护拱进洞有限元模型

地层及结构弹性模量E/MPa泊松比μ重度γ/(kN/m3)黏聚力c/MPa内摩擦角φ/(°)杂填土 7.930.419.5 0.03317.3强风化板岩 840.3522 0.326.7微风化板岩10200.222.80.637.3锚杆注浆区3000.25230.2936.0初期支护50000.2525二次衬砌300000.225

假定隧道初期支护结构采用梁单元线弹性模型，平台基础锚杆注浆以及护拱结构采用更改施工模拟步骤中单元属性的方式来实现。岩土体材料采用M-C本构模型，初始应力采用有限元计算结果。

模拟过移应尽可能与实际施工过程保持一致，主要包括护拱施作、导洞开挖、初期支护施作、全洞开挖和二次衬砌施工5个工况。

根据有限元计算模拟结果，主要分析和研究围岩以及隧道初期支护结构的变形影响。

隧道支护完成时的位移云图见图5。由图5可知，围岩位移最大值出现在拱腰上部，位于平台基础与边坡相交处正下方，围岩位移影响范围发生在约2倍跨径范围内。复合式护拱+初期支护体系变形云图见图6。由图6可知：由护拱支护+初期支护组成的复合支护体系变形中最大位移在A区靠近拱腰处，且距离平台基础底部约2.2 m，与理论分析基本一致；有限元最大水平位移计算值约为3.3 mm，最大竖向位移约为1.6 mm，矢量最大位移为3.6 mm，方向与右侧山坡整体坡率基本相同，约为30°。

(a) 水平位移

(b) 竖向位移

初期支护在隧道进洞开挖施工过程中的弯矩分布变化见图7。由图7可知，在护拱支护的作用下，隧道支护整体完成时初期支护弯矩大部分分布在支护与围岩接触区域，最大正弯矩为54.8 kN·m，最大负弯矩为19.5 kN·m，均在初期支护设计可控范围内。

2.3 耳墙式护拱进洞设计与施工

针对昭山大道虎形山隧道工程难题，采用护拱进洞支护设计如图8所示。

1)开挖左侧山脚侧护拱耳墙基础至基岩，采用片石混凝土回填并打设锁脚锚杆，采用φ25中空注浆锚杆，锚杆长4.5 m，与护拱结构钢筋焊接牢固，提供足够的水平抗力。

图6 复合式护拱+初期支护体系变形云图(单位：m)

Fig.6 Nephogram of deformations of composite support structure of arch support+primary support (m)

图7 隧道初期支护弯矩分布(单位：kN·m)

图8 隧道进洞护拱结构设计(单位：mm)

2)根据山坡地形局部开槽开挖出右侧护拱顶部平台基础，打设锁脚锚杆。锚杆采用3根φ25中空注浆锚杆，锚杆长4.5 m，打设角度分别为15°、30°和45°，锚杆钢筋与护拱结构钢筋焊接牢固。护拱平台基础平直段长度根据开挖岩体进行确定，本工程根据边坡地质情况选用2 m宽度，基本能使平台基础固定于基岩。

3)立模绑扎钢筋并浇筑护拱结构，采用C35钢筋混凝土结构，等宽处钢筋混凝土厚度根据拱形梁的跨度构造一般要求设计为800 mm，浇筑时内侧预埋钢拱架，二次衬砌与护拱之间预留8 mm变形量。

4)根据洞口套拱设计经验并结合隧道轻型钢筋混凝土式洞门墙体一般构造，挡墙墙面坡比1∶0.2，墙趾高度800 mm，耳墙顶部宽度设计为800 mm，较护拱顶部高2.5 m，可满足护拱顶部不小于2 m覆土的绿化要求。耳墙根部与护拱弧形构造衔接处按800 mm宽平直段进行连接，以消除尖角混凝土结构的应力集中。耳墙靠近洞门500 mm处设置泄水孔，以排出顶部雨水。

5)待护拱强度达到设计强度后，采用侧壁导坑开挖，及时架设初期支护钢拱架封闭成环，并与挂网喷混凝土形成初期支护。根据有限元分析结果指导结构设计。在复合式初期支护中，最大弯矩为54.8 kN·m，采用240 mm厚C25喷混凝土，内侧配置钢筋网片，并配置Ⅰ18型钢拱架，间距0.5 m，以满足内衬受力需要，钢拱架设置范围为耳墙式结构15 m进洞段。

6)铺设EVA防水板与无纺布，台车模筑二次衬砌结构，完成进洞施工。

7)施作洞门结构，并根据绿化景观专业要求，对护拱顶部进行回填绿化处理，完成隧道工程施工。护拱顶部回填须根据侧向抗力进行分析，当侧向抗力不足时，应在护拱结构达到设计强度后、侧壁导坑开挖前进行回填，以增加侧向抵抗能力。本工程因山坡坡脚开挖较少，耳墙式护拱结构本身抵抗侧向力已能满足设计要求，因此最后根据绿化景观一并回填处理。

通过西线隧道洞口的实际应用情况，采取耳墙式护拱支护体系后，支护结构的整体刚度有所增加，山体坡脚处暗挖法施工引起的应力释放较少，并通过平台复合基础传递到较好的岩体内部。

根据施工现场测量资料，护拱结构变形测量很小，基本可忽略，初期支护拱顶最大位移仅为3～5 mm。完成护拱段施工后，在隧道内采取双层超前中空注浆锚杆支护，复合式衬砌结构施工，隧道得以顺利贯通，如图9所示。在护拱进洞支护施工完成后，山体绿化被破坏很少，坡面原始绿化得以保存，取得了较好的工程实践效果。

图9 施工后的进洞结构

3 结论与建议

1)采用带耳墙的偏压护拱支护结构，通过增设复合式平台基础，降低拱腰与拱顶衔接处围岩压力，较好地解决了护拱结构变化处的结构变形问题。在实际应用中根据边坡地形地质条件，考虑通过加大耳墙胸坡、加大底部基础宽度等措施，以增强整体结构的水平抗力。

2)大偏压护拱进洞技术在湘潭虎形山隧道工程中得以成功应用，并对山坡原始绿化植被保护和生态环境保护起到显著效果。

3)本文虽提出了增设山坡侧拱脚平台基础，但对其连接条件与导洞施工工法之间的相互关系，仍有待进一步深化研究。

[1] 蒋树屏,刘元雪，黄伦海,等.环保型傍山隧道结构研究[J].中国公路学报，2006,19(1):80-83.(JIANG Shuping,LIU Yuanxue,HUANG Lunhai，et al.Research on environmental friendly structure of tunnel adjacent to mountain[J].China Journal of Highway and Transport，2006,19(1):80-83.(in Chinese))

[2] 刘建中.浅埋、偏压、软岩隧道进洞施工技术研究[J].铁道标准设计，2015,59(6):126-130.(LIU Jianzhong.Construction of tunnels with shallow depth,unsymmetrical loading and soft rock[J].Railway Standard Design，2015,59(6):126-130.(in Chinese))[3] 韩华轩，马志富，许占良，等.高速铁路隧道洞口工程设计研究[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版)，2013,26(增刊1):13-17.(HAN Huaxuan,MA Zhifu,XU Zhanliang,et al.Study of tunnel portal of high-speed railway[J].Journal of Shijiazhuang Tiedao University (Natural Science),2013,26(S1):13-17.(in Chinese))[4] 范永慧，戴俊，王志远.偏压隧道斜交进洞法及其三维数值模拟研究[J].公路，2015(2):230-234.(FAN Yonghui,DAI Jun,WANG Zhiyuan.Study of unsymmetrically pressured tunnel portal excavation method and three-dimensional numerical simulation[J].Highway，2015(2):230-234.(in Chinese))

[5] 王春华.山区高速公路隧道洞口景观设计研究 [J].现代隧道技术，2013,50(1):16-22.(WANG Chunhua.On the portal landscape design of expressway tunnels in mountainous areas[J].Modern Tunnelling Technology，2013,50(1):16-22.(in Chinese))

[6] 王东方，叶飞，张金龙，等.山岭公路隧道洞口景观问题分析探讨[J].地下空间与工程学报，2012(4):874-883.(WANG Dongfang，YE Fei，ZHANG Jinlong,et al．Analysis of portal landscape issue of mountain highway tunnels[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2012(4):874-883.(in Chinese))

[7] 李建军.陡峭地形条件山岭隧道免刷坡绿色洞口修建技术[J].现代隧道技术，2013,50(4):158-164.(LI Jianjun.Construction technique for a mountain tunnel portal without slope cutting in steep terrain[J].Modern Tunnelling Technology，2013,50(4):158-164.(in Chinese))

[8] 马烨.偏压隧道半明半暗进洞施工技术[J].中国城市经济，2010(5):199-201.(MA Ye.Construction technology for half-buried tunnel portal section in asymmetrically-loaded condition[J].China Urban Economy，2010(5):199-201.(in Chinese))[9] 王雪霁，尹冬梅.严重偏压地形下隧道半明半暗进洞技术探讨[J].隧道建设，2010，30(3):246-250.(WANG Xueji,YIN Dongmei.Discussion on construction technology for half-buried tunnel portal section in extremely asymmetrically-loaded condition[J].Tunnel Construction，2010,30(3):246-250.(in Chinese))

[10] 舒志乐，徐东旭，徐柯，等.半明半暗法在公路隧道洞口段的研究[J].地下空间与工程学报，2010,6(5):1060-1064.(SHU Zhile,XU Dongxu,XU Ke,et al.Study of construction of portal section of half-buried tunnel[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010,6(5):1060-1064.(in Chinese))

[11] 戴培义.半明半暗隧道安全进洞施工技术[J].铁道建筑技术，2013(3):64-67.(DAI Peiyi.Construction technology of semi-dark tunnel safe entering[J].Railway Construction Technology，2013(3):64-67.(in Chinese))

[12] 蔡小明，包纯风，许建兴，等.大偏压下隧道半明半暗洞口段施工技术探讨[J].城市道桥与防洪，2014(12):149-152.(CAI Xiaoming,BAO Chunfeng,XU Jianxing,et al.Discussion on construction technology of tunnel half-open and half-hidden portal section with large bias[J].Urban Roads Bridges & Flood Control，2014(12):149-152.(in Chinese))

[13] 张敏.复杂地质条件下大断面隧道“零”进洞工法技术体系及应用研究[D].成都：成都理工大学，2009.(ZHANG Min.Study of technology system of zero cave-entrance and its application of large cross-section tunnel under complex geological conditions[D].Chengdu：Chengdu University of Technology,2009.(in Chinese))

[14] 伍毅敏，王飞，邹正明，等.半明半暗隧道洞口段力学特征分析与现场监测[J].岩石力学与工程学报，2008,27(增刊1):2873-2882.(WU Yimin,WANG Fei,ZOU Zhengming,et al.Mechanical characteristic analysis and in-situ monitoring for portal section of half-buried tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008,27(S1):2873-2882.(in Chinese))

[15] 王鹏.山区高速公路棚洞结构优化研究[D].北京：北京交通大学，2008.(WANG Peng.The optimization of shed tunnel structure of highway in mountain area[D].Beijing:Beijing Jiaotong University，2008.(in Chinese))

Study and Application of Ear Wall Arch Support Technology to Portal of Unsymmetrically Pressured Tunnels

YUAN Senlin

(ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200092,China)

High slope and unsymmetrical pressure are the key points to tunnel portal excavation of municipal highway tunnel in complex environment.The ear wall arch support structure for portal excavation of unsymmetrically pressured tunnel is studied and optimized.A composite arch support system is established by setting arch support platform foundation and anchor bolt reinforcement at slope foot.The side drift excavation method is adopted in tunnel.The application of ear wall arch support technology to portal of West Line of Huxingshan Tunnel on Zhaoshan Road shows that the above-mentioned support technology can guarantee the construction schedule and safety.

unsymmetrically pressured tunnel; tunnel portal slope; ear wall arch support; tunnel portal excavation technology

2015-12-24;

2016-04-27

袁森林(1984—)，男，河南安阳人，2010年毕业于同济大学，隧道及地下建筑工程专业，硕士，工程师，主要从事隧道及地下工程领域的设计与咨询工作。E-mail:yuansenlin@smedi.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.015

U 455

B

1672-741X(2016)10-1258-05