偏壓隧道洞口耳墻式護拱進洞支護技術研究與應用

袁森林

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

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偏壓隧道洞口耳墻式護拱進洞支護技術研究與應用

袁森林

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

分布于山丘的市政道路建設中，受限于土地規劃與利用，在復雜地形條件下隧道洞口難以避免高邊坡和偏壓進洞難題，會給設計和施工帶來一定風險和難度。對偏壓隧道口耳墻式護拱支護結構進行了研究和優化改進，通過在山坡坡腳一側基巖處增設護拱平臺基礎和錨桿加固，加強護拱內隧道初期支護結構的整體性，形成復合式護拱進洞支護結構體系。隧道內部采用側壁導坑開挖，充分利用隧道拱腰處剛度較大的優勢以及圍巖自身穩定性，安全有效地解決了偏壓隧道進洞設計與施工問題。偏壓隧道口耳墻式護拱進洞支護技術在湘潭昭山大道虎形山隧道西線洞口得到了應用，避免了隧道洞口大開挖對環境的破壞，確保了隧道早進洞施工，在經濟性、工期和施工安全等方面均體現了一定的優勢。

偏壓隧道；洞口邊坡；耳墻式護拱；進洞技術

0 引言

伴隨著城市建設的快速發展，在復雜地形條件下修建隧道，隧道洞口難免存在高邊坡和偏壓進洞難題。常規明洞邊坡開挖工程難度大、綠化植被破壞嚴重。近年來，國內學者和工程技術人員對偏壓進洞支護技術進行了研究[1-4]，主要采取的措施可歸納為護拱結構、反壓、錨固樁加固等，在隧道洞口設計時逐步加強洞口景觀效果的分析研究[5-6]，并提出隧道洞口免刷坡綠色洞口的概念[7]。目前在隧道口偏壓進洞施工時，常采用半明半暗護拱技術[8-11]的方案，通過加強初期支護、管棚超前加固以及減小進尺等措施控制地層變形。在護拱支護結構理論研究方面，蔡小明等[12]通過分析傳統半明半暗洞口施工工藝的優缺點，調整加強支護結構整體性的支護襯砌結構，并調整相應施工工藝;張敏[13]在研究坡體結構特性的基礎上，建立了隧道圍巖-邊坡相互作用概念模型，采用“零”進洞工法理念解決洞口進洞難題；伍毅敏等[14]根據半明半暗隧道洞口的3種受力類型，通過數值模擬研究了3種受力類型的變形、應力以及結構受力等特性，并與現場監測結果相一致。但上述研究在現階段均未能解決護拱拱腳大變形問題，拱腳處圍巖受力及變形仍不太理想。本文依托湘潭虎形山隧道洞口建設工程，在現有護拱進洞支護技術的基礎上，優化耳墻式護拱結構，增設拱腳平臺基礎，加強護拱內隧道初期支護結構的整體性，形成復合式護拱進洞支護結構體系。

1 隧道護拱進洞支護技術研究

在護拱結構受力分析上，伍毅敏等[14]和王鵬[15]在有限元分析與理論研究的基礎上，將護拱結構的受力劃分為受推型、受壓型以及推壓組合等形式，并研究了不同形式護拱結構的受力和變形特征，見圖1。由于偏壓隧道洞口邊坡一般較為陡峭，通常將護拱結構歸并為推壓組合形式。

圖1 護拱結構的理論變形[14]

推壓組合形式的護拱支護受力主體表現為護拱結構拱圈頂部受壓，拱圈部分承受水平荷載，護拱結構承受推力。一般情況下由于護拱結構明挖現澆，且施作剛度較大的鋼筋混凝土或漿砌塊石結構，推力往往能夠得到平衡；但在護拱支護下山坡一側采用暗挖施工，錨噴的初期支護往往剛度較小，在圖1中A區銜接處為進洞支護結構的薄弱環節，應力集中和變形較大。因此，在常規護拱結構設計中，A區結構剛度以及A區初期支護與護拱結構的連接有效性，將決定護拱進洞的成功與否。

在一般應用中，通常設置半護拱并結合管棚支護進行偏壓地區進洞施工，A區往往受力較大。在以往偏壓隧道洞口施工過程中，管棚+錨噴結構形成的支護結構在短進尺的前提下，往往得益于空間效應的優勢，使得一般工程中A區雖變形較大，但未產生一定的工程事故。但在隧道斷面增大后，尤其是3車道隧道開挖跨度17～18 m的邊界條件下，隨著護拱結構跨度的增加，A區變形也將增大，甚至可能會發展為失穩破壞；因此，應研究相應的工程設計構造措施，降低A區失穩風險。

在分析研究常規護拱進洞結構的受力特征以及工程經驗后，分別優化2處結構構造，以便更好地解決A區應力和變形風險：1)設置護拱拱腳擴大基礎；2)護拱內部設置獨立受力的初期支護結構。

該方案通過在山坡一側設置平臺基礎結構，同時在巖體銜接處施作中空注漿錨桿，對平臺結構基礎進行加固。護拱復合結構受力方式如圖2所示。在平臺基礎的作用下，圖2中陰影區域應力水平降低，使得A區受力向拱腰方向偏移。可以充分利用拱腰處水平剛度大的特點，減少巖體一側的變形擾動。充分利用巖土體本身以及拱形結構的受壓承載力，降低A區變形和失穩風險。

圖2 護拱+初期支護復合結構理論變形

Fig.2 Theoretical deformation of composite support structure of arch support+primary support

與此同時，將護拱結構和初期支護進行功能分離，護拱結構因設置的平臺基礎能獨立受力，可提前釋放坡體初始應力和變形。在護拱結構內側以及巖體內側施作完整的初期支護結構，包含巖體側的錨噴結構、護拱下的掛網噴射混凝土，并通過型鋼拱架進行加固，使護拱結構與初期支護形成一種復合式初期支護保護系統，既可以大幅減少邊坡刷方工程量，又能使得進洞受力合理化，使安全性得以顯著提升。

2 工程實例

2.1 工程概況

湘潭昭山大道虎形山隧道地處湖南省湘潭市昭山示范區昭陽路以南，線路走向自北向南，西線隧道長312 m，東線隧道長315 m。隧道設計為分離式小凈距隧道，單洞內設置3車道機動車道，同時預留人非通道功能，單洞內輪廓凈寬15.125 m，隧道最大開挖寬度近17.4 m。平面設計服從線路總體走向，受限于兩側接線難度，隧道位于山谷處小凈距間距約為13 m，平面布置如圖3所示。

圖3 隧道洞口平面布置(單位：m)

隧道進洞口段處于山體“V”字型溝谷處斜坡上部，邊坡坡角40～70°，西線隧道軸線與地形等高線右交角約151°，東線隧道軸線與地形等高線右交角約48°，洞口軸線與地形的關系均屬坡面斜交型，進洞口段因處于谷底，偏壓較明顯。

若采用明洞開挖，邊坡高度超過40 m，刷方量增加近6 000 m3，且須采用鉆爆法對陡峭山坡進行爆破刷方，這會對原綠化生態環境造成破壞；同時，隧道洞口外高邊坡給運營期帶來較大風險，須采取針對性的偏壓進洞支護技術。

2.2 數值模擬分析

洞口段山體由于采石工作而形成對稱的山谷形狀，隧道西線洞口段走向設計基本與山坡相平行。山體坡面等高線的變化在洞口段范圍內基本保持一致，因此，洞口段隧道開挖可近似采用二維有限元進行模擬分析。有限元軟件采用Midas/GTS，模型邊界考慮偏壓的影響，左右側分別取值山坡最高處，已超過3～5倍隧道跨度，下邊界考慮3倍隧道跨度。計算模型上部為自由邊界，底部邊界約束豎向位移，兩側邊界約束水平位移，地應力場為自重應力場。有限元模型如圖4所示。巖土層和結構參數根據地勘報告與設計材料取值，如表1所示，錨桿注漿參數根據經驗選取。

圖4 隧道護拱進洞有限元模型

地層及結構彈性模量E/MPa泊松比μ重度γ/(kN/m3)黏聚力c/MPa內摩擦角φ/(°)雜填土 7.930.419.5 0.03317.3強風化板巖 840.3522 0.326.7微風化板巖10200.222.80.637.3錨桿注漿區3000.25230.2936.0初期支護50000.2525二次襯砌300000.225

假定隧道初期支護結構采用梁單元線彈性模型，平臺基礎錨桿注漿以及護拱結構采用更改施工模擬步驟中單元屬性的方式來實現。巖土體材料采用M-C本構模型，初始應力采用有限元計算結果。

模擬過移應盡可能與實際施工過程保持一致，主要包括護拱施作、導洞開挖、初期支護施作、全洞開挖和二次襯砌施工5個工況。

根據有限元計算模擬結果，主要分析和研究圍巖以及隧道初期支護結構的變形影響。

隧道支護完成時的位移云圖見圖5。由圖5可知，圍巖位移最大值出現在拱腰上部，位于平臺基礎與邊坡相交處正下方，圍巖位移影響范圍發生在約2倍跨徑范圍內。復合式護拱+初期支護體系變形云圖見圖6。由圖6可知：由護拱支護+初期支護組成的復合支護體系變形中最大位移在A區靠近拱腰處，且距離平臺基礎底部約2.2 m，與理論分析基本一致；有限元最大水平位移計算值約為3.3 mm，最大豎向位移約為1.6 mm，矢量最大位移為3.6 mm，方向與右側山坡整體坡率基本相同，約為30°。

(a) 水平位移

(b) 豎向位移

初期支護在隧道進洞開挖施工過程中的彎矩分布變化見圖7。由圖7可知，在護拱支護的作用下，隧道支護整體完成時初期支護彎矩大部分分布在支護與圍巖接觸區域，最大正彎矩為54.8 kN·m，最大負彎矩為19.5 kN·m，均在初期支護設計可控范圍內。

2.3 耳墻式護拱進洞設計與施工

針對昭山大道虎形山隧道工程難題，采用護拱進洞支護設計如圖8所示。

1)開挖左側山腳側護拱耳墻基礎至基巖，采用片石混凝土回填并打設鎖腳錨桿，采用φ25中空注漿錨桿，錨桿長4.5 m，與護拱結構鋼筋焊接牢固，提供足夠的水平抗力。

圖6 復合式護拱+初期支護體系變形云圖(單位：m)

Fig.6 Nephogram of deformations of composite support structure of arch support+primary support (m)

圖7 隧道初期支護彎矩分布(單位：kN·m)

圖8 隧道進洞護拱結構設計(單位：mm)

2)根據山坡地形局部開槽開挖出右側護拱頂部平臺基礎，打設鎖腳錨桿。錨桿采用3根φ25中空注漿錨桿，錨桿長4.5 m，打設角度分別為15°、30°和45°，錨桿鋼筋與護拱結構鋼筋焊接牢固。護拱平臺基礎平直段長度根據開挖巖體進行確定，本工程根據邊坡地質情況選用2 m寬度，基本能使平臺基礎固定于基巖。

3)立模綁扎鋼筋并澆筑護拱結構，采用C35鋼筋混凝土結構，等寬處鋼筋混凝土厚度根據拱形梁的跨度構造一般要求設計為800 mm，澆筑時內側預埋鋼拱架，二次襯砌與護拱之間預留8 mm變形量。

4)根據洞口套拱設計經驗并結合隧道輕型鋼筋混凝土式洞門墻體一般構造，擋墻墻面坡比1∶0.2，墻趾高度800 mm，耳墻頂部寬度設計為800 mm，較護拱頂部高2.5 m，可滿足護拱頂部不小于2 m覆土的綠化要求。耳墻根部與護拱弧形構造銜接處按800 mm寬平直段進行連接，以消除尖角混凝土結構的應力集中。耳墻靠近洞門500 mm處設置泄水孔，以排出頂部雨水。

5)待護拱強度達到設計強度后，采用側壁導坑開挖，及時架設初期支護鋼拱架封閉成環，并與掛網噴混凝土形成初期支護。根據有限元分析結果指導結構設計。在復合式初期支護中，最大彎矩為54.8 kN·m，采用240 mm厚C25噴混凝土，內側配置鋼筋網片，并配置Ⅰ18型鋼拱架，間距0.5 m，以滿足內襯受力需要，鋼拱架設置范圍為耳墻式結構15 m進洞段。

6)鋪設EVA防水板與無紡布，臺車模筑二次襯砌結構，完成進洞施工。

7)施作洞門結構，并根據綠化景觀專業要求，對護拱頂部進行回填綠化處理，完成隧道工程施工。護拱頂部回填須根據側向抗力進行分析，當側向抗力不足時，應在護拱結構達到設計強度后、側壁導坑開挖前進行回填，以增加側向抵抗能力。本工程因山坡坡腳開挖較少，耳墻式護拱結構本身抵抗側向力已能滿足設計要求，因此最后根據綠化景觀一并回填處理。

通過西線隧道洞口的實際應用情況，采取耳墻式護拱支護體系后，支護結構的整體剛度有所增加，山體坡腳處暗挖法施工引起的應力釋放較少，并通過平臺復合基礎傳遞到較好的巖體內部。

根據施工現場測量資料，護拱結構變形測量很小，基本可忽略，初期支護拱頂最大位移僅為3～5 mm。完成護拱段施工后，在隧道內采取雙層超前中空注漿錨桿支護，復合式襯砌結構施工，隧道得以順利貫通，如圖9所示。在護拱進洞支護施工完成后，山體綠化被破壞很少，坡面原始綠化得以保存，取得了較好的工程實踐效果。

圖9 施工后的進洞結構

3 結論與建議

1)采用帶耳墻的偏壓護拱支護結構，通過增設復合式平臺基礎，降低拱腰與拱頂銜接處圍巖壓力，較好地解決了護拱結構變化處的結構變形問題。在實際應用中根據邊坡地形地質條件，考慮通過加大耳墻胸坡、加大底部基礎寬度等措施，以增強整體結構的水平抗力。

2)大偏壓護拱進洞技術在湘潭虎形山隧道工程中得以成功應用，并對山坡原始綠化植被保護和生態環境保護起到顯著效果。

3)本文雖提出了增設山坡側拱腳平臺基礎，但對其連接條件與導洞施工工法之間的相互關系，仍有待進一步深化研究。

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Study and Application of Ear Wall Arch Support Technology to Portal of Unsymmetrically Pressured Tunnels

YUAN Senlin

(ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200092,China)

High slope and unsymmetrical pressure are the key points to tunnel portal excavation of municipal highway tunnel in complex environment.The ear wall arch support structure for portal excavation of unsymmetrically pressured tunnel is studied and optimized.A composite arch support system is established by setting arch support platform foundation and anchor bolt reinforcement at slope foot.The side drift excavation method is adopted in tunnel.The application of ear wall arch support technology to portal of West Line of Huxingshan Tunnel on Zhaoshan Road shows that the above-mentioned support technology can guarantee the construction schedule and safety.

unsymmetrically pressured tunnel; tunnel portal slope; ear wall arch support; tunnel portal excavation technology

2015-12-24;

2016-04-27

袁森林(1984—)，男，河南安陽人，2010年畢業于同濟大學，隧道及地下建筑工程專業，碩士，工程師，主要從事隧道及地下工程領域的設計與咨詢工作。E-mail:yuansenlin@smedi.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.015

U 455

B

1672-741X(2016)10-1258-05