偏压隧道半明半暗结构进洞应用分析

2022-06-22王木群

天津建设科技 2022年3期

王木群

（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南长沙 410008）

在山岭隧道中，受两端路线控制点影响，洞口经常会碰到地形偏压很严重的情况[1]，出现一侧高一侧低且隧道低侧局部外露的段落[2]。特别是当局部外露段处在软弱地层中时，如果采用明洞结构，那么由明挖产生的过高边仰坡容易垮塌且对山体破坏过大；而如果采用常规暗洞结构，由于低侧局部外露导致隧道无法成洞，也就是说明洞、常规的暗洞结构均无法满足软弱偏压隧道地形的安全性要求，此时通常可以采用半明半暗结构。目前，国内对隧道半明半暗结构的研究并不多，主要是因为相比其他隧道，半明半暗结构施作不是很便捷[3]；在偏压高边仰坡地段，设计阶段常选择使用明洞结构[4]。尽管半明半暗结构施工不是很便捷，但是考虑到半明半暗结构的长度不会太大，施工进度不会受太大的影响[5]。本文以实际某工程为例，对半明半暗结构施工进行了探讨。

1 隧道进洞方式对比分析

某隧道起讫桩号为ZK14+860～ZK16+995（K14+860～K16+985），全长2 135 m，左右线桩号基本齐平，属长隧道，围岩以砂质板岩为主；隧道进口洞门桩号为K14+860（ZK14+860），其中左线ZK14+860～ZK14+865 为明挖段，隧道进口右线K14+865～K14+875 左侧外露，与左线暗挖段净距为8.7 m，洞口地形偏压严重，山体高陡且处在全-强风化软弱砂质板岩中，右线外露段隧道施工风险极高，见图1。

图1 隧道洞口

为确保隧道进洞安全，右洞外露段提出2个方案：明挖方案，即K14+865～K14+875段挖开做明洞结构；暗挖方案，即采用半明半暗结构，低侧设置挡墙、护拱，然后回填，再施作暗洞结构。见表1。

表1 开挖方式对比

通过对比分析，推荐采用半明半暗的方法。根据工程类比法，本隧道半明半暗结构有2种方案。

1）方案一：初期支护独立成环，低侧挡墙、护拱均为C15片石混凝土结构；二衬为C30钢筋混凝土结构，见图2。

图2 方案一

2）方案二：初期支护不独立成环，挡墙及护拱部位不设置初期支护，为C30 钢筋混凝土结构；二衬为C30钢筋混凝土结构。见图3。

图3 方案二

从施工便捷性、结构受力等方面进行综合比较，推荐采用方案二，但需要解决工字钢与护拱连接的问题。见表2。

表2 半明半暗结构对比

2 半明半暗结构计算模型

2.1 设计参数

右洞K14+865～K14+875偏压墙、护拱为C30钢筋混凝土结构，二衬为50 cm厚C30钢筋混凝土结构，左侧初期支护为26 cm厚C25喷射混凝土结构（内置20b工字钢），护拱采用φ25 mm中空注浆锚杆进行锁脚。为了更好地防水，护拱与偏压墙浇筑成一整体；为了避免工字钢与护拱连接部位开裂，工字钢与护拱采用钢板焊接，钢板采用预埋植筋的方式进行固定。见图4。

图4 半明半暗结构

2.2 模型的建立

采用Midas数值计算软件对半明半暗结构进行模拟。隧道初期支护、偏压挡墙、护拱等采用实体单元模拟，本构关系为弹性；围岩采用实体单元进行模拟，本构关系为摩尔-库伦；二次衬砌采用结构单元进行模拟，本构关系为弹性，见表3。

表3 材料参数

计算模型宽62 m、高52 m，边界条件为左右固定、底部固定。见图5。

图5 计算模型

施作顺序：刷坡，施作偏压墙、护拱，护拱与偏压墙一起浇筑；回填土石；采用上下台阶预留核心土法开挖隧道并施作初期支护；施作二衬结构。

3 半明半暗结构计算分析

3.1 地层位移

受偏压和开挖扰动的影响，山体围岩发生了一定变形。最大水平位移发生在隧道傍山侧的拱腰处，为4.72 mm，相对较小；最大竖向位移发生在隧道顶部的边坡体，为-3.22 mm，即边坡体产生了一定的沉降，次大位移发生在隧道底部，为2.35 mm，即地层产生了一定的隆起变形，但均相对较小。说明半明半暗结构能有效地防止山体滑移，可确保隧道及边坡体的安全。见图6。

图6 地层位移

3.2 衬砌结构

受偏压的影响，偏压墙结构产生了向右的水平位移，但整体＜1 mm，端部及底部最大位移也仅2 mm，说明偏压墙有效抵抗了山体位移；另外初期支护也产生了向右的位移，最大值发生在拱墙位置，为6 mm，位移不大。偏压墙最大应力发生在墙底，约为1 MPa，初期支护应力在0.15～0.48 MPa，均较小，满足结构受力要求；另外，初期支护与偏压墙、护拱连接部分没有产生应力集中，说明初期支护工字钢与护拱、偏压墙采用钢板焊接是合理的。见图7。