偏壓連拱隧道施工優化研究

崔洪峰

（河北路橋集團有限公司，河北 石家莊 050011）

1 工程概況

本工程位于地質條件較復雜的山嶺重丘區的高速公路，整個工程分數期進行完成，現以其二期工程為例進行研究，本期工程線路總長達到90余千米，連拱隧道達到20座之多，其難度與規模在我國公路建設中屬罕見。因此，對其施工優化進行研究具有一定的代表性和典型性。

該工程所處位置主要以侵蝕中低山丘陵區為主，地貌主要是風化剝蝕，且地勢十分陡峭。在現場經過勘察與分析，可以看到整個工程的地層巖性主要包括了三層，由上向下分別為：上層全新統沖積層，主要的巖性有亞砂土、中粗礫和卵礫石，其主要分布于隧道兩端的溝谷平原區；中層為第四系殘坡積層，主要的巖性有含碎石黏性土、含黏性土碎石和亞黏土，其厚薄不均勻，主要分布于隧道區基巖表層；下層為上侏羅統，主要分布與隧道區內，其上覆蓋全新統沖積層或者第四系殘坡積層。圍巖分為II、III類。

2 偏壓連拱隧道施工模擬

2.1 圍巖物性指標和支護結構參數

在對連拱偏壓隧道施工進行模擬之前要明確以下圍巖物性以及支護結構的參數，其具體數據如表1所示。

2.2 施工工法模擬

利用能夠同時對材料非線性和幾何非線性進行模擬的快速拉格朗日有限差分FLAC程序對三導洞工法和中央導洞與半斷面相結合工法進行模擬。具體工法模擬如圖1、圖2所示。

2.3 計算系列

以t來表示隧道拱頂到坡面垂直凈距覆土厚度，選擇具有典型性的淺埋地形偏壓覆土厚度，t取9m，依照具體的坡度變化，考察說明。Ⅱ類（取7種坡度）、Ⅲ類（取3種坡度）圍巖，以優選出的施工工法，按“由外向里”及“由里向外”（里、外是相對山體而言）施工步驟，進行施工全過程的模擬，計算系列共20組（如表2所示）。

表1 圍巖物性指標和支護結構參數

圖1 三導洞工法

圖2 中央導洞與半斷面相結合工法

表2 偏壓連拱隧道計算系列

2.4 計算建模

在進行了相關的數據研究計算之后，就要進行計算建模，整體建模與偏壓連拱隧道建模如圖3、圖4所示。

圖3 整體建模

圖4 偏壓連拱隧道建模（坡度1∶1）

3 偏壓連拱隧道優化施工力學研究

3.1 偏壓連拱隧道塑性區分布

從整體上來看，無論采用怎樣的施工工序，對于Ⅱ、Ⅲ類圍巖塑性區來說，都會呈現明顯的不對稱分布（如圖5所示）。

圖5 Ⅱ類圍巖偏壓連拱隧道不同工序施工引起塑性區分布

在對Ⅱ類圍巖進行分析，考慮到地形偏壓的因素，在支護方面，應該應用長錨桿或者是錨索為主的兩邊不等強的方法進行支護。綜合看來，由于地形偏壓的影響，必然會造成Ⅱ、Ⅲ類圍巖連拱隧道塑性區分布有明顯差異的“偏壓”效應。

在對圍巖塑性區的分布狀況與“偏壓”的坡度關系進行研究時，發現隨著坡度的增大，隧道兩端的塑性區也在不斷的擴大，這個結果表明地形偏壓引起隧道結構受力變得更加不利。在坡度不斷加大的情況下，出現了偏壓效應導致隧道上方的塑性區不斷地延伸擴展一直伸展到山體的坡面上，這個發現表明，在特定的條件下，偏壓效應很有可能會引發隧道坍塌事故，給工程施工帶來的安全隱患。

研究施工工序對塑性區的影響時，在對兩種施工工序的結果進行比較時，可以看出，在坡度保持相同的條件下，使用“先里后外”的施工工序比采取“先外后里”的施工工序所引起的圍巖松動塑性區的范圍要大。由此可以得出，在地形偏壓的情況下，“先外后里”的施工工序對山體的擾動比較小，是比“先里后外”施工工序更加優越的施工工序，故可以考慮在實際工程中應用此工序，進行工程施工優化。

3.2 連拱隧道中墻偏壓受力特征研究

圖6為連拱隧道中墻作用載荷模型，其所受到的載荷主要來自于兩方面，一方面是來自其自身上方所覆蓋的土的壓力載荷；另一方面是來自左右隧道施工之后，經初期支護傳到中墻頂部的壓力載荷。

圖6 中墻作用荷載分析

圖7是Ⅱ、Ⅲ類圍巖連拱隧道在地形偏壓條件下，應用兩種不同的施工工序對于中墻所受載荷的影響情況。

圖7 Ⅱ類圍巖不同工序施工引起作用于連拱隧道中墻兩側載荷情況

從以上的研究結果可以看出，盡管有著地形偏壓的影響，但是變換施工工序卻可以對中墻是否承受偏壓以及受到偏壓的大小程度有著重要的影響。采用先里后外的工序進行施工時，就會出現山體內部側隧洞給予中墻頂部載荷作用大于坡面外部側隧洞給予的載荷作用，具體如圖8b）、8d）、8f）所示。但是，當變換施工工序為先外后里之后，卻出現了II類圍巖連拱隧道“弱偏壓”及III類圍巖連拱隧道“無偏壓”狀況（如圖7a）、7c）、7e）、8a）、8c）、8e）所示）。

為了一目了然，將研究結果集數據整理成了圖表，設定偏壓系數為f偏=F1/F2，其中的F1是山體內部隧洞的作用載荷；F2是坡面外部隧洞的作用載荷，具體情況見表3、表4。

圖8 Ⅲ類圍巖不同工序施工引起作用于連拱隧道中墻兩側荷載情況

表3 Ⅱ類圍巖連拱隧道中墻承受偏壓荷載分析

表4 Ⅲ類圍巖連拱隧道中墻承受偏壓荷載分析

經研究發現，施工工序對對結構受力以及偏壓效應有十分重要的影響，而相比之下，采用先外后里的施工工序具有明顯的優勢作用。它能夠更好地緩減連拱隧道偏壓受力狀況，因此，建議采用此種工序進行工程施工。

連拱隧道工程中主要存在“地形偏壓”和“施工偏壓”兩種偏壓效應。施工偏壓效應：中墻荷載（先修隧洞）＞中墻荷載（后修隧洞）；地形偏壓效應：中墻荷載（山體側隧洞）＞中墻荷載（坡面側隧洞）。兩種施工工序的力學本質比較，“先里后外”兩種不同工序施工的力學本質。先里后外施工工序：偏壓荷載效應＝地形偏壓效應＋施工偏壓效應；先外后里施工工序：偏壓荷載效應＝地形偏壓效應－施工偏壓效應。由此可以得出先外后里是最優化的施工工序。對偏壓連拱隧道的變性分析見表5。

表5 偏壓連拱隧道變形分析

4 結語

通過對工程的實際情況及自身特征進行分析研究之后，確定出了“先外后里”的最佳施工工序，從最大程度上對連拱隧道偏壓受力的情況進行了改善，使得“先外后里”工序成為淺埋偏壓情況下連拱隧道的優化施工工序，這值得在實際的工程建設中進行推廣應用，具有極高的優化工程施工的價值。最后附上經研究分析之后得出的一些優化施工方法及優化施工工序的建議（如表6所示），以期為連拱隧道工程施工的優化做貢獻。

表6 一般情況下偏壓連拱隧道優化施工方法及施工工序

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