非对称超浅埋大偏压三层衬砌双连拱隧道施工方案优化

王云隆，侯哲生，徐 锋，郑书笛

(烟台大学 土木工程学院， 山东 烟台 264000)

随着我国公路交通事业的迅猛发展，连拱隧道在山区公路的修建中得到了越来越多地应用，然而连拱隧道的修建过程中存在多次扰动围岩，施工工法复杂，开挖工序较多，围岩应力变换和结构受力复杂等问题[1-2]。因此优化特殊情况下连拱隧道的施工方案有利于今后相关连拱隧道保障施工安全、降低工程造价和提高施工效率。

国内学者对连拱隧道进行了大量研究，基于现场试验、数据模拟和理论分析等方法的研究均取得了丰硕的成果。刘涛等[3]对偏压连拱隧道围岩的稳定性进行了模型试验和数值分析，对偏压连拱隧道的塑性区分布，偏压对隧道拱部、边墙、中墙的影响情况进行了研究。申玉生等[4]对连续隧道施工偏压力学特征进行了检测和分析，指出了在隧道由单侧施工国度到双侧施工时最不利于隧道结构受力，中墙弯矩的方向一般是由后施工洞室向先施工洞室偏移。王军等[5]对左右洞室不对称的连拱隧道进行了检测和研究，指出了不对称的连拱隧道围岩和支护系统的变形及受力特点。王亚琼等[6]针对浅埋偏压连拱隧道施工中出现的受力非对称问题，通过有限元分析与现场监测，分析浅埋偏压连拱隧道非对称支护结构的受力性状，采用非对称设计方法对支护结构进行优化。邓华[7]以罗家隧道为例，通过有限元分析与现场监测来检测了三层衬砌在高应力软岩隧道中的受力性状。赖金星等[8]以某黄土隧道为依托，采用钢弦式传感器对围岩压力、初衬与二衬接触压力、二衬钢筋轴力、二衬混凝土应变、钢拱架应力等进行了系统测试与分析。这些研究成果推动了连拱隧道修建技术的进步，但目前隧道施工情况复杂化和多样化，鉴于此，有必要对多种复杂情况下双连拱隧道的修建技术进行应用研究，因此以荣乌高速公路黄土岭隧道为依托，对非对称、超浅埋、偏压及三层衬砌下连拱隧道的开挖与支护进行模拟分析优化施工方案，提高隧道施工水平。

1 工程概况

1.1 黄土岭隧道概述

荣乌高速公路黄土岭隧道位于河北省保定市涞源县黄土岭村东北侧，隧道上方为河北省省级文物保护单位黄土岭口古长城，左侧紧邻黄土岭战役纪念馆。黄土岭隧道为一座上下线合建四车道(与路基同宽)高速公路连拱隧道，隧道起讫桩号K86+082—K86+165.259，长度为83.259 m。其中进口设置7.000 m明洞，出口设置6.259 m明洞，左洞建筑界限净宽15.25 m，建筑界限净高5.0 m，右洞建筑界限净宽12.25 m，建筑界限净高5.0 m，洞门为端墙式。根据新奥法施工原理，初期支护由喷射混凝土、钢筋网、型钢钢架等构成，与二次模筑混凝土形成复合型衬砌隧道拟建于山体斜坡中上部，所通过山体自然坡度较大；隧址区岩层为第四系上更新统残坡积土，粉质黏土，黄褐色，硬塑，土质不均，含有少量石英颗粒；基岩为中生界燕山期中期花岗岩，灰白色，块状构造，节理裂隙发育岩心破碎，呈短柱状，锤击声哑，手可掰碎(如图1所示)。

图1地质剖面图

1.2 黄土岭隧道开挖与支护设计方案

黄土岭隧道采用双连拱设计，支护结构采用三层衬砌(如表1所示)，上下台阶法开挖中导洞，左侧洞室采用双侧壁导坑法，右侧洞室采用单侧壁导坑法(如图2所示)，施工步骤：①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧→⑨。施作原则：(1) 左右主洞外侧壁导坑建议在中导洞开挖支护15 m后同步进行施工[9]；(2) 上下台阶法开挖按两拱架间距为一循环进尺，下台阶与上台阶间距应不小于10 m；(3) 左洞右导坑开挖支护10 m后左洞上台阶方可施工；(4) 第一次初支与第二次初支步距5 m，具体施作时间可根据现场情况进行调整；(5) 综合分析初支监测量测结果后适时施作二次衬砌。

表1 支护参数

图2隧道尺寸示意图

2 隧道模型与参数

2.1 建立模型

根据黄土岭隧道桩号K86+115—K86+155的地质模型通过MIDAS/GTS NX软件建立了三维隧道分析模型(如图3所示)。

图3有限元计算模型

计算模型网格尺寸划分：隧道及支护结构网格尺寸均按1 m划分(如图4所示)，岩层网格尺寸按4 m划分，岩层与隧道接触部分网格尺寸为自动匹配。计算模型边界范围：横向(X方向)取60 m，竖向(Z方向)下部边界取距离隧道底部55 m，上部边界最高点取距离隧道拱顶35 m，最低点取距离隧道拱顶1 m，纵向(Y方向)取40 m。计算模型约束条件：下部边界完全约束，两侧边界水平位移约束[10-13]。隧道围岩材料弹塑性模型均采用Mohr-Coulomb准则，根据弹性模型计算支护结构[14]。

图4隧道及支护结构模型图

2.2 计算参数

按照《公路隧道设计规范》[15](JTG D70—2004)及《公路隧道设计细则》[16](JTG/T D70—2010)确定岩土层及支护材料的计算参数(如表2所示)。

表2 计算参数

3 方案优化与数值模拟

3.1 不同开挖顺序时隧道数值模拟情况

为了验证在山体偏压情况下隧道洞室不同开挖顺序对隧道整体稳定性的影响，分别研究了先开挖偏压较小洞室(右洞)与先开挖偏压较大洞室(左洞)时围岩的变形情况。

以隧道X方向及Z方向的位移值作为重要的参考指标(如图5、图6所示)。

图5 先行开挖右洞时的位移云图(单位：m)

图6先行开挖左洞时的位移云图(单位：m)

由图5可知，先开挖右洞时隧道贯通后最大竖向位移值为13.1 mm，发生在中导洞拱顶位置；最大水平位移值为5.7 mm，发生在中导洞下部位置。由图6可知，先开挖左洞时隧道贯通后最大竖向位移值为10.4 mm，发生在中导洞偏右洞位置；最大水平位移值为4.1 mm，发生在中导洞偏右侧位置。

图5与图6是不同施工顺序情况下隧道所有施工步骤完成后围岩的位移分布情况，先开挖左洞相对于先开挖右洞的竖向位移量减少21%，水平位移量相对减少26.7%。以上数值说明在隧道开挖过程中先行开挖山体偏压较大一侧的洞室可降低隧道围岩的竖向和水平位移值。

3.2 不同支护方案下隧道数值模拟情况

为验证三层衬砌中第一次初支与第二次初支在改善隧道开挖后围岩稳定性中的作用，本文将在维持第一次初支与第二次初支喷混总体厚度不变的情况下，数值模拟不同第一次初支喷混厚度与第二次初支喷混厚度情况下围岩的变形情况。

以隧道X方向及Z方向的位移值作为重要的参考指标(如图7、图8所示)。

由图7可知，第一次初支厚度为28 cm时隧道贯通后最大竖向位移值为13.1 mm，发生在中导洞拱顶位置；最大水平位移值为5.7 mm，发生在中导洞下部位置。由图8可知，第一次初支厚度为29 cm时隧道贯通后最大竖向位移值为12.4 mm，发生在中导洞拱顶位置；最大水平位移值为5.7 mm，发生在中导洞下部位置。由图9可知，第一次初支厚度为30 cm时隧道贯通后最大竖向位移值为11.7 mm，发生在中导洞拱顶位置；最大水平位移值为5.6 mm，发生在中导洞底部左侧位置。

图7 第一次初支厚度28 cm的位移云图(单位：m)

图8第一次初支厚度29cm的位移云图(单位：m)

图7、图8与图9是不同第一次初支厚度时隧道所有施工步骤完成后围岩的位移分布情况，说明在隧道建造过程中第一次初支相较于第二次初支对降低隧道围岩变形量更加重要，故增厚第一次初支厚度更有利于提高隧道围岩稳定性。

4 结 论

(1) 在修建山体偏压隧道的过程中应先开挖山体偏压较大一侧洞室，可防止因开挖山体偏压较小一侧洞室而破坏偏压山体原有的应力平衡，避免因偏压较小一侧洞室施工引起的松动荷载对偏压较大一侧洞室的施工产生影响。本文通过模拟计算，验证了山体偏压隧道的开挖过程中应在围岩未受扰动的情况下先行开挖山体偏压较大一侧洞室，可一定程度降低围岩的竖向与水平位移值。

图9第一次初支厚度30cm的位移云图(单位：m)

(2) 浅埋隧道在支护中采用三层衬砌时应尽可能的增厚第一次初支的喷混厚度，有利于提高初支应对因施工引起的应力变化的能力并减少上覆岩土层因开挖所导致的变形量，防止围岩由于变形失去自稳能力，同时也可降低第一次初支的变形为后续的第二次初支以及二衬的施工提供便利。通过本文的模拟计算，验证了在隧道施工完成后第一次初支比第二次支护对降低开挖后围岩的竖向沉降量有着更加重要的作用。