软弱围岩浅埋偏压连拱隧道施工方案优化研究

张妞，刘昶，刘辉

（1.长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114；2.华油惠博普科技股份有限公司，湖南 长沙 410114；3.深圳宏业基岩土科技股份有限公司，广东 深圳 518057）

目前，中国高速公路主干网的建设正处于网络化的关键阶段［1］。在高速公路的建设中，工程将不可避免地遇到复杂地形，需建立隧道。连拱隧道因接线方便、线形流畅、可避免路基分幅等优点，成为常用的隧道类型之一。但连拱隧道施工工序复杂、对施工技术要求高。且当存在地形偏压时，连拱隧道的空间效应明显，地层应力变化与其衬砌结构的荷载转换十分复杂。因此，在偏压地形下，连拱隧道施工方案逐渐成为研究人员关注的重点。

许多学者对偏压连拱隧道进行了研究。但多数学者的研究集中在偏压隧道在施工过程中围岩、中隔墙、支护结构的受力变形等方面，以期得到偏压隧道主洞的合理开挖顺序、施工方案及中隔墙形式［2-9］。耿招等［10］采用 FLAC3D软件对双侧壁导洞法和三台阶法的开挖过程进行了数值模拟，并将模拟结果与监测数据进行了分析和对比，发现相对于三台阶法，双侧壁导洞法能更有效地降低偏压荷载对隧道围岩造成的不利影响。王道远等［11］通过数值建模，比较了多种浅埋软弱围岩隧道施工方案在控制围岩变形和支护受力方面的优劣，并对三台阶七步法提出了在控制好稳定性基础上的快速进洞方案。贾永刚等［12］分别对采用两导洞法和三导洞法进行施工的隧道的洞周位移、初期支护内力及其安全系数进行了分析，发现两导洞法在工期和经济指标上表现更好，三导洞法则在安全性上表现更佳。这些研究主要对双侧壁导洞法、三台阶法、三台阶七步法、两导洞法等施工方案进行了研究和对比。鲜有研究提出在浅埋偏压软弱地层下，既能加快施工进度，又能降低施工成本的新开挖方案。

本研究以湖南省安慈高速樟树垭连拱隧道为工程背景，该隧道采用中导洞-台阶法和三导洞法进行施工。针对该隧道浅埋偏压的特殊地形情况，本文创新性地提出了中导洞-单侧导坑法，并采用有限元软件Midas GTS NX软件，分析和对比在中导洞-单侧导坑法和三导洞法两种开挖方案下，中隧道围岩的变形与支护结构的应力变化规律，以期为在偏压地形下的连拱隧道的开挖提供参考。

1 工程背景与软弱围岩开挖方案

1.1 工程背景

本研究以隶属于湖南省安乡至慈利高速公路土建第8合同段的樟树垭连拱隧道为研究背景。该隧道全长为220 m，埋深最深处为53 m。该隧道位于低山丘陵，地形起伏较大，山体自然坡度20°～35°，地层主要为强风化和中风化砂质页岩，围岩分级为IV、V级围岩，其中Ⅴ级围岩约占全部隧道的71.8%。

1.2 软弱围岩开挖方案

按照围岩等级，湖南省安慈高速公路樟树垭隧道的开挖方案可分为两种，V级围岩段采用三导洞法施工，如图1所示，施工顺序为1-Ⅱ-3-4-5-6-7-Ⅷ-Ⅸ-10-11-12-13-14-XV-XVI；Ⅳ级围岩段采用中导洞-台阶法施工，如图2所示，施工顺序为1-Ⅱ-3-4-5-Ⅵ-Ⅶ-8-9-10-Ⅺ-Ⅻ。在图1~2中，阿拉伯数字代表各部分开挖和初期支护，罗马数字代表二次衬砌和中隔墙施工。在偏压连拱隧道中，先开挖隧洞的衬砌产生支护作用，该作用可有效减低偏压施加在浅埋侧的不利影响。因此，采用先浅后深的施工顺序。在施工过程中，常采用中导洞先行、中隔墙紧跟、主洞开挖随后的施工方法。

图1 隧道V级围岩段施工步骤Fig.1 Schematic diagram of construction steps of tunnel grade V surrounding rock section

图2 隧道IV级围岩段施工步骤Fig.2 Schematic diagram of construction steps of tunnel grade IV surrounding rock section

2 优化方案确定及施工方案模拟

2.1 优化方案

由于存在地形偏压作用，在连拱隧道施工过程中，左右洞所产生的变形也存在较大差异，深埋侧隧道的变形通常比浅埋侧隧道的大。若按传统的连拱隧道施工方法进行开挖，深埋侧与浅埋侧主洞的开挖均采用同一种开挖支护方案。

为更好地适应偏压地形，综合Ⅴ级围岩段的三导洞法和Ⅳ级围岩段的中导洞-台阶法，针对偏压连拱隧道的浅埋侧围岩压力较小的特征，本研究提出在浅埋偏压连拱隧道的Ⅴ级围岩段采取中导洞-单侧导坑法进行施工，即在隧道浅埋侧采用台阶法开挖，深埋侧采用侧壁导坑法开挖，如图3所示。在图3中，左侧为浅埋侧，右侧为深埋侧，施工顺序为1-Ⅱ-3-4-5-Ⅵ-Ⅶ-8-9-10-11-12-XIII-XIV。使用Midas GTS NX有限元软件，分析和对比在V级围岩和偏压条件下，三导洞法和中导洞-单侧导坑法隧道施工方案在围岩及支护结构的应力变形方面的异同。

图3 中导洞-单侧导坑法隧道施工步骤Fig.3 Schematic diagram of middle pilot tunnel single side pilot construction steps

中导洞-单侧导坑法的开挖步骤为：

1） 开挖中导洞，开展初期支护，浇筑中墙；

2） 在左侧主洞拱部进行小导管超前支护；在左侧主洞上台阶进行弧形开挖，开展初期支护；

3） 开挖左侧主洞核心土和下台阶，开展初期支护，中墙临时支撑；

4） 在右洞侧导洞进行小导管超前支护，开挖侧洞上台阶、开展初期支护；

5） 开挖右洞侧导洞下台阶，开展初期支护；

6） 在右侧主洞拱部进行小导管超前支护；右侧主洞上台阶弧形开挖，开展初期支护；

7） 开挖右侧主洞核心土；

8） 开挖右侧主洞下台阶，开展初期支护；

9） 拆除右侧主洞侧导坑的临时支护；

10） 拆除中墙右侧的临时支撑；

11） 浇筑仰拱，铺设土工布、防水板；

12） 采用模板台车在全断面进行一次模筑、二次衬砌。

2.2 有限元计算模型

本模型以湖南省安慈高速公路樟树垭隧道K115+610～K115+640段为背景，该隧道属于V级围岩，左洞埋深为20.9 m，右洞埋深为36.7 m，采用三导洞法进行施工，隧道衬砌采用LS-Va型衬砌。采用Midas GTS NX有限元软件模拟其开挖过程。该模型深度为35.0 m，左、右边界宽度均为46.5 m，隧道纵向长度为30.0 m，模型总宽度为120.0 m，左边界高为40.6 m，右边界高为102.8 m。模型左、右侧分别为浅埋侧、深埋侧。隧道变形在二次衬砌施工时已基本稳定，故该模型忽略二次衬砌，仅考虑开挖和初期支护。

该模型整体结构和隧道初期整体模型分别如图4~5所示，该模型所选用的材料物理力学参数见表1。

表1 应力分析材料信息表Table 1 Stress analysis material information sheet

图4 整体模型Fig.4 Schematic diagram of overall model

图5 模型隧道Fig.5 Schematic diagram of model tunnel

2.3 隧道监测断面及监测点的选取

取模型进尺深度为9 m的断面为监测断面，取断面拱顶a点及其左、右各2.5 m处的b、c点为拱顶沉降监控点，在边墙（f点至g点）和拱腰（d、e点）处进行水平变形监测。拱顶沉降和水平变形测点设置如图6所示。

图6 隧道变形量测基线Fig.6 Baseline diagram of tunnel deformation measurement

3 结果分析

3.1 围岩位移

3.1.1 拱顶沉降

这两种开挖方案的左右洞拱顶沉降与施工步的关系曲线如图7所示，累积竖向沉降见表2。

表2 隧道拱顶累计沉降表Table 2 Cumulative settlement of tunnel vault mm

图7 隧道拱顶沉降曲线Fig.7 Settlement curve of tunnel vault

由图7及表2，可知：

1） 在这两种开挖方案中，浅埋侧的拱顶沉降比深埋侧的小。浅埋侧隧道拱顶沉降随埋深的减小而逐渐减小，拱右的沉降约为拱左的两倍。深埋侧拱顶最小沉降出现在拱左，拱顶最大沉降出现在右洞a点处。

2） 在左洞a、b、c与右洞a、b、c这6个测点上，采用三导洞法开挖的累计竖向位移分别是采用中导洞-单侧导坑法开挖的累计竖向位移的91.59%、77.94%、94.78%、99.68%、99.18%、99.93%。其中，在左洞拱顶b点处，这两种开挖方案产生的累计竖向位移差值最大；而在其他各监测点，这两种开挖方案产生的累计竖向位移区别不大。这表明在主洞开挖时，内支撑的设置在一定程度上降低了该侧隧道拱顶的竖向位移，而浅埋侧的开挖方式主要影响本洞围岩的竖向位移，对深埋侧隧道的影响较小。

尽管采用三导洞法开挖方案的各测点的竖向位移均小于采用中导洞-单侧导坑法开挖方案的各测点的竖向位移，但两方案的各监测点的竖向位移均符合《公路隧道施工技术规范》（JTG/T 3660—2020）的要求。且浅埋侧的台阶法减少了内支撑施工，可加快施工进度，加速隧道支护结构闭合的形成，在一定程度上降低了施工成本。因此，从施工成本角度来看，采用中导洞-单侧导坑法比采用三导洞法进行开挖更合理。

3.1.2 水平收敛

为更清楚地对比在三导洞法、中导洞-单侧导坑法两种开挖方案下隧道的水平收敛情况，提取在这两种开挖方案下左、右洞拱顶各监测点的水平位移。这两种开挖方案的左、右洞的各监测点的洞周收敛曲线如图8所示，左、右洞累计水平收敛参数统计见表3～4。

表3 左洞累计收敛表Table 3 Left hole cumulative convergence table mm

图8 隧道周边收敛曲线对比Fig.8 Comparison of convergence curves around tunnel

由图8与表3～4可知，在三导洞法、中导洞-单侧导坑法这两种开挖方案中，浅埋侧各监测点水平位移的变化规律稍有不同。其中，按三导洞法和中导洞-单侧导坑法开挖方案施工的左洞d-e测线的最终累计水平收敛值分别为-2.088、-1.362 mm，两者相差0.726 mm；按三导洞法和中导洞-单侧导坑法开挖方案施工的左洞f-g测线的最终累计水平收敛值分别为-0.328、 -0.839 mm，两者相差0.511 mm。

采用中导洞-单侧导坑法的开挖方案可在一定程度上减少浅埋侧的洞周收敛，但这两种开挖方案在深埋侧各监测点水平位移基本一致，最终累计水平收敛值也相差无几，且深埋侧测点f和浅埋侧测点g的水平位移值基本一致。这表明采用两种开挖方案施工都不会导致中隔墙的偏心荷载增大。因此，从洞周收敛角度考虑，中导洞-单侧导坑法的开挖方案更合理。

3.2 围岩应力

采用三导洞法、中导洞-单侧导坑法这两种方案开挖的隧道最终阶段围岩主应力如图9所示，采用三导洞法、中导洞-单侧导坑法这两种开挖方案的左、右洞各位置的最大主应力见表5。

表5 最大主应力表Table 5 Maximum principal stress tableMPa

图9 两种开挖方案主应力云图Fig.9 Nephogram of maximum principal stress of two schemes

由图9及表5可知，在三导洞法和中导洞-单侧导坑法两种开挖方案中，隧道最大围岩应力的大小及分布区域均相差无几；围岩压应力区均位于右洞右墙角及左洞边墙外，拉应力区均位于右洞顶部及隧洞底部，而在中隔墙左下方也均出现了较为明显的压应力区。两种方案的拉应力区均大致呈X形分布，左洞顶部均无明显拉应力区，但左洞的左墙角处均出现了明显的拉应力集中现象。这两种开挖方案的右洞的应力值大小也基本一致，主要区别体现在左洞各测点的应力值上。中导洞-单侧导坑开挖方案的左洞各测点的最大主应力平均值比三导洞法开挖方案的最大主应力平均值偏小0.055 MPa。

3.3 锚杆轴力

以模型进尺深度为9 m的隧道断面为研究对象，对这两种开挖方案进行锚杆轴力分析。最终阶段锚杆轴力分布情况如图10所示。

图10 模型进尺深度为9 m隧道断面处的锚杆轴力云图Fig.10 Nephogram of axial force of anchor bolt at y = 9 section of tunnel

从图10中可以看出，地形的偏压导致隧道锚杆轴力并不呈左右对称的均匀分布。浅埋侧的轴力普遍小于深埋侧的，而同一根锚杆锚头和底端的轴力也存在较大差异。一般认为锚杆轴力沿杆身呈线性分布，锚杆底端的轴力远小于锚头的，甚至在部分锚杆出现了底端受压、锚头受拉的情况。

通过对比分析发现，中导洞-单侧导坑开挖方案的左边墙附近支护结构变形明显大于三导洞法开挖方案的。三导洞法、中导洞-单侧导坑法两种开挖方案的左墙锚杆最大轴力分别为22.96、110.26 kN。采用中导洞-单侧导坑开挖的左洞墙的锚杆轴力明显大于采用三导洞开挖的。这是因为在中导洞-单侧导坑法的开挖方案中，左洞采用了台阶法施工，施工时洞内无内支撑，致使左洞的锚杆轴力和结构变形增大。故采用台阶法施工应加固导坑侧边墙的围岩，以避免应力集中现象的发生。

尽管采用中导洞-单侧导坑开挖的左洞锚杆轴力大于采用三导洞法开挖的，但其轴力增加幅度仍在可接受范围内，该轴力并没有超出设计抗拉强度。因此，采用中导洞-单侧导坑法进行开挖也是可行的，但要注意对台阶法施工侧的边墙进行加固处理。

3.4 中隔墙应力

选取浅埋侧、深埋侧主洞上台阶环形开挖及初支完成时与浅埋侧、深埋侧主洞开挖完成4个施工阶段进行中隔墙应力分析，这4个阶段的中隔墙主应力分别如图11～14所示。

图11 浅埋侧主洞上台阶环形开挖完成中隔墙应力云图Fig.11 Nephogram of stress of middle partition wall after circular excavation of upper steps of main tunnel at shallow buried side

图12 浅埋侧主洞开挖完成时中隔墙应力云图Fig.12 Nephogram of stress of middle partition wall when the excavation of the main tunnel at the shallow buried side is completed

图14 隧道开挖完成时中隔墙应力云图Fig.14 Nephogram of stress of middle partition wall after tunnel excavation

从图11～14可以看出，在浅埋侧开挖过程中，由于受到地形偏压的作用，深埋侧中隔墙墙腰处产生了应力集中现象。当浅埋侧主洞上台阶环形开挖结束时，采用三导洞法、中导洞-单侧导坑法开挖的最大应力值分别为4.65、4.10 MPa；当浅埋侧主洞开挖贯通时，采用三导洞法、中导洞-单侧导坑法开挖的深埋侧中隔墙墙腰处的最大应力值分别为4.587、4.096 MPa。因此，在浅埋侧开挖过程中，采用中导洞-单侧导坑法能更有效地降低中隔墙应力集中现象，防止墙腰裂缝的产生。

随着深埋侧开挖的进行，中隔墙的应力集中主要发生在拱顶处。当深埋侧主洞上台阶环形开挖结束时，采用三导洞法、中导洞-单侧导坑法开挖方案施工的最大应力值分别为4.078、4.163 MPa；当隧道全面贯穿时，采用三导洞法、中导洞-单侧导坑法开挖的最大应力值分别为4.076、4.165 MPa。这两种开挖方案的应力集中位置基本一致，最大应力值也基本相当。

中隔墙应力集中是产生裂缝的重要原因。当分别采用三导洞法和中导洞-单侧导坑法在浅埋侧进行施工时，中隔墙深埋侧的拱腰处均出现了明显的应力集中现象。深埋侧从开挖开始至开挖结束，应力集中现象主要发生在中隔墙墙拱处。因此，采用中导洞-单侧导坑法开挖能更有效地控制在浅埋侧开挖时深埋侧墙腰处的开裂现象。无论采用哪一种开挖方案，在隧道的营运过程中，均要注意防止防护墙墙拱开裂现象的产生。

4 结论

本研究以湖南省安慈高速公路樟树垭连拱隧道为工程背景，通过建立三维数值模型，对在偏压地形下的三导洞法和中导洞-单侧导坑法两种开挖方案的开挖过程进行模拟，分析这两种开挖方案下隧道的变形和力学特性，得出以下结论：

1） 数值模拟结果表明，对于Ⅴ级围岩段浅埋偏压隧道，采用三导洞法或中导洞-单侧导坑法的开挖方案均能保证施工安全；

2） 相较于三导洞法，中导洞-单侧导坑法在浅埋侧是采用台阶法施工的，其对浅埋侧主洞的受力变形有一定影响，但其对深埋侧的影响则很小，可忽略不计；

3） 在控制围岩竖向变形以及锚杆轴力方面，三导洞法优于中导洞-单侧导坑法；在围岩水平收敛与围岩应力方面，中导洞-单侧导坑法优于三导洞法。这两种开挖方案均在不同程度上会受到偏压地形的影响，它们在深埋侧的围岩竖向变形与水平收敛均大于各自在浅埋侧的。

4） 相较于三导洞法，中导洞-单侧导坑法可加速隧道支护结构的闭合，加快整体施工进度，且由于其浅埋侧无内支撑，故可一定程度上降低施工成本。若实际工程存在工期较紧情况，可优先考虑采用中导洞-单侧导坑法。

5） 相较于三导洞法，中导洞-单侧导坑法能更好地减少浅埋侧开挖时中隔墙深埋侧墙腰开裂现象的发生。