连体隧道半明半暗进洞工法合理工序研究

田 伟，王文星，李 浩

（浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州310006）

在展线困难的山区公路中，连体隧道是最常见的短隧道形式。在偏压地形中，连体隧道通常采用半明半暗工法进洞，但是左右线洞口里程往往难以一致，于是存在先开挖内侧埋深较大侧隧道还是先开挖外侧埋深较浅侧隧道的两难选择。由于施工工序不合理引发的滑坡、塌方等工程事故时有发生。因此，洞口施工阶段是偏压连拱隧道施工的主要风险点。

由于地质体具有结构复杂、空间单元复杂等特征，传统基于极限平衡理论的分析方法往往勉为其难。地质建模及有限元数值分析方法考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、应变大小与分布，避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，能近似地从应力应变去分析边坡的变形破坏机制。针对小净距隧道进洞施工的稳定性研究较多，如陈思阳采用FLAC3D和强度折减法模拟分析短台阶、CD、CRD三种方法对大断面黄土偏压隧道边坡稳定性的影响，并推荐采用CRD工法[1]；石熊等进一步对CRD工法的各分部施工工序进行了分析，并建议山体外侧先开挖[2]，这一结论与王薇等的研究结论吻合[3]；中岩墙（中夹岩）对小净距隧道的稳定性至关重要，因此王帅帅、吴德兴、侯瑞彬等学者开展了针对性的研究，包括中岩墙的全过程受力特征、合理厚度等[4-6]。

但偏压连拱隧道的施工工序和受力更加复杂，更有必要建立精确的三维地质体结构模型，进行地质体的全过程施工力学分析。为此，以杭新景高速公路半坞隧道为例，建立边仰坡体和隧道结构的三维地质结构模型，实现对滑坡体结构的三维可视化功能，通过对各个施工阶段的位移、剪应力、剪应变、边坡稳定性系数等指标的对比分析，提出合理的施工工序。

1 工程概况

半坞隧道位于浙西侵蚀剥蚀中低山区，地层主要为第四系残坡积和震旦系下统志棠组第三段粉砂岩、细砂岩。第四系残坡积含角砾粉质粘土和粘性土角砾。含角砾粉质粘土，灰黄色，软可塑状，角砾含量20%～30%，局部达到40%～50%，粒径以0.5～3cm为主，棱角状，成份以粉砂岩为主，偶含有少量植物根系；粘性土角砾，灰黄色，稍密状，碎石含量60%～70%，粒径2～5cm，棱角状，余为角砾及粘性土，胶结性较好，局部粘性土含量较高，达50%。震旦系下统志棠组第三段（Z1z3）粉细砂岩，灰色，中厚层—中薄层状结构，岩质较硬。

2 隧道洞口复杂地质体模型

根据杭新景高速公路半坞隧道的地质勘探资料及结构设计资料，建立了边仰坡滑体的三维地质结构几何模型（图1），实现了对滑坡体结构的三维可视化功能，其中隧道线路轴线方向为X轴、水平垂直于线路轴线的方向为Y轴，竖向为Z轴。导入到ABAQUS软件后对其进行三维网格划分，优先采用四节点四面体单元和八节点六面体单元，划分后的单元总数为254712个，节点总数为78459个。计算分析所采用的模型边界条件：侧向边界采用水平法向约束；模型底部边界采用三向固定约束。计算初始应力条件：因考虑到滑坡体主要为地表浅部岩土体，可以忽略构造应力影响，故在计算过程中仅考虑自重应力产生的初始应力条件。材料计算参数如表1所示，并采用摩尔—库伦理想弹塑性模型。

3 施工步骤

图1 半坞隧道及地层几何模型

表1 隧道结构及地层物理力学参数表

表2 2个方案的施工工序表

由于隧道线路轴线与地形等高线夹角较小、地形偏压显著，左右洞暗洞进洞位置不一致。需要分析不同的进洞顺序下，边坡体的应力与位移场及相应的安全系数。暂且定义2种施工工序方案——方案A：左洞为先行洞，然后开挖右洞；方案B：右洞为先行洞，然后开挖左洞。2个方案的总体施工工序如表2所示。

以右洞先行为例，施工步可进一步细化为：开挖中导洞→浇筑中隔墙→右洞外侧边坡台阶开挖及支护→右洞外侧挡墙浇筑→右洞立钢拱架、并浇筑护拱→右面及修整。洞拱部暗挖并施做初期支护→右洞暗洞落底、仰拱开挖及浇筑回填→浇筑右洞二次衬砌、拱背土石回填→左洞拱部暗洞开挖、并施做初期支护→左洞暗洞落底、仰拱开挖及浇筑回填→浇筑左洞二次衬砌→沟槽、路

4 方案对比分析

为研究不同的施工工序对边坡体和隧道变形与稳定的影响，首先采用强度折减法计算得到了。然后分析比较2种工序方案施工过程中的位移场、剪应力场、最大剪应变增量、边仰坡稳定性系数等的施工响应。

4.1 地层位移对比分析

Y方向位移反映了边坡的变形，当先行洞开挖及支护完成时，Y方向位移主要集中在左洞挡墙及洞口处，采用A、B工序方案时分别为5.8mm和1.4mm；X方向位移反映了仰坡的变形，采用A、B工序方案时分别为3.5mm和1.1mm。

施工完成后，Y方向位移主要集中在右洞洞顶及左洞入口处，采用A、B工序方案时分别为10.6mm和9.4mm；对应的X方向位移分别为5.8mm和4.7mm。可见，B工序方案对边仰坡体的扰动程度要小于A方案。B工序方案施工完成后挡墙与衬砌结构合位移如图2所示。

4.2 地层剪应力及剪应变对比分析

图2 B工序方案施工完成后挡墙与衬砌支护结构合位移

土体剪应力值是摩尔库伦模型中衡量土体是否将发生破坏的主要指标。当先行洞开挖及支护完成时，A工序方案的最大剪应力和剪应变主要发生在左洞挡墙墙趾处，分别约为0.6MPa和0.009，B工序方案的最大剪应力和剪应变主要发生在右洞洞顶处，分别为0.5MPa和0.007。两洞施工完毕后，最大剪应力和剪应变分布范围和量值基本一致，分别为0.8MPa和0.012。

4.3 隧道结构应力与位移对比分析

2种工序方案对隧道结构剪应力的影响较小，当先行洞开挖及支护完成时，最大剪应力主要发生在明洞和先行洞半明半暗洞的洞腰部位，量值在655～665kPa之间。施工完成后，挡墙与隧道最大剪应力分布区域与范围基本一致，最大值为1.0MPa。

2种工序方案对隧道位移有一定的影响，当先行洞开挖及支护完成时A、B工序方案的最大合位移值分别为1.21cm（左洞暗洞入口拱顶及挡墙位置处）和0.87cm（右洞洞顶处）。施工完毕后挡墙与隧洞支护结构合位移分布范围与大小基本一值，A、B工序方案的最大合位移值分别为1.87cm和1.71cm。

4.4 边仰坡稳定安全系数对比分析

边仰坡稳定性分析采用强度折减法，其定义的安全系数为岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后抗剪强度的比值，其主要原理是对强度指标凝聚力c和摩擦角φ进行折减[（式（1）、式（2）]，然后对边坡进行数值计算分析，不断地增加折减系数，反复计算，直至其达到临界破坏，此时得到的折减系数即为安全系数FS。

式中：Ftrial——折减系数；

CF——折减之后的凝聚力；

φF——折减之后的摩擦角。

于是，可以计算初始状态和各个施工步对应的边仰坡稳定性系数（图3），其中，天然状态下边仰坡体的初始稳定性系数为1.14；随着1～5号抗滑桩、左幅路基回填及地基处理、挖除边坡外土体并进行坡面防护等加固措施的开展，稳定性系数一度上升到1.39；而后，随着外侧边坡削坡施工削弱了土体原有的稳定状态，稳定性系数下降到1.23，仍大于初始状态；施工左右明洞并回填洞顶后，稳定性系数又提高到1.42；随着隧道开挖，稳定性系数再次下降，当先行洞开挖及支护完成时，A、B工序方案对应的稳定性系数分别为1.32和1.39；施工完毕后，A、B工序方案对应的稳定性系数分别为1.25和1.32。因此，2种工序方案下，边坡体整体安全系数均较大，边坡体均处于稳定状态。然而不同的工况下，边坡体的变形值与范围存在一定差异，从控制变形的角度来考虑，建议以右洞为先行洞，然后开挖左洞。

图3 2个方案的边仰坡稳定性系数对比图

5 结论与建议

通过建立半坞隧道边仰坡三维地质结构模型，并对各个施工阶段的位移、剪应力、剪应变、边坡稳定性系数等进行全过程分析，对比分析了施工工序的影响。

（1）抗滑桩对于提高边坡稳定的效果明显，从数值上看提高了22%，对于偏压严重的洞口是提高边坡稳定性、减少刷坡高度和土方量的有效手段。

（2）施工过程中最危险的阶段为浇筑偏压当前的削坡开挖阶段，施工过程中应重点关注。

（3）从控制变形的角度来考虑，建议以右洞为先行洞，然后开挖左洞。

半坞隧道在计算分析的指导下，按照信息化施工的理念精心施工，加强施工过程中隧道、坡体表面和深部变形监测，及时动态反馈监测信息，评估坡体稳定，确保了隧道安全、如期建成。

[1]陈思阳,朱彦鹏,李忠.大断面黄土偏压隧道开挖侧向边坡稳定性影响分析[J].现代隧道技术,2014(1)：82-89.

[2]石熊,张家生,刘宝琛.大断面浅埋偏压隧道CRD法施工工序研究[J].现代隧道技术,2015(3)：193-199.

[3]王薇,邹江海,潘文硕,等.不同施工顺序对陡坡偏压小净距隧道围岩稳定性的影响研究[J].中国安全生产科学技术 ,2016(8)：28-33.

[4]王帅帅,高波,全晓娟,等.不同地质条件下浅埋偏压小净距隧道围岩稳定性研究[J].水文地质工程地质,2014(3).

[5]吴德兴,李伟平,谢宝超,等.陡坡偏压小净距隧道施工扰动空间效应研究[J].铁道科学与工程学报,2016(5)：906-913.

[6]侯瑞彬,申玉生,陈明奎.基于强度折减法的浅埋偏压小净距隧道围岩稳定性分析[J].铁道标准设计,2014(4)：55-60.