斜交地形隧道異形套拱“零開挖”進洞施工技術研究

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.033文章編號：1673-4874（2025）04-0119-05

0 引言

高速公路建設在中國西部地形復雜、自然條件嚴峻的區域，需穿越隧道，橋梁架設與隧道掘進成為關鍵性工程挑戰[1]。特別是隧道工程的起始一洞口段的施工，面對不具備直接掘進條件的地帶，傳統方法存在技術局限，亟須創新思路以破局?！傲汩_挖\"理念主張在隧道掘進初期，避免對山體實施大規模削坡作業，力求最小化對自然山體穩定性的干擾，從而維系原生生態平衡，完美契合國家力倡的“綠色、環保、低碳”公路建設愿景2。此理念的實施，要求工程師們依據施工現場的復雜實況，精心策劃施工方案，實現“零開挖”與高效施工、環境保護及經濟合理性的高度融合與統一。

張小波等3依托江西遂大高速公路圓村隧道，構建三維數值模型，精細區分管棚與加固區支護作用，并融入初支滯后效應考量，為隧道開挖研究提供新視角；李國梁等[4]針對充填型巖溶隧道仰坡滑塌問題，結合現場調研與MuItiFracS軟件，深入剖析裂縫發展與圍巖變形，為難題求解提供科學依據；楊春山等5聚焦攀枝花陽光隧道建筑敏感區，系統分析開挖方案，創新提出進洞轉換體系設計；陳興等以格魯吉亞F3標5號隧道為背景，對比微型樁墻與錨網噴支護下圍巖位移場及應力場變化，深化隧道加固理論；楊輝等則針對貴州省桐梓隧道 4^? 斜井施工難題，提出洞內外綜合加固策略，成功破解軟巖地層淺埋大斷面隧道下穿運營公路挑戰。根據當前研究領域的分析8-10]，針對斜交地形條件下的復雜洞口施工挑戰，采用“零開挖”進洞施工策略被視為最為適宜的解決方案。

上述學者對隧道洞口穩定性、隧道進洞施工等方面進行了大量研究，但山嶺隧道地質復雜，需因地制宜開展進洞施工研究。本文基于那平高速公路平孟邊關隧道項目，針對灰巖堆積體斜交坡體進口段，創新研究斜交地形隧道異形套拱“零開挖\"進洞施工技術。通過ABAQUS軟件進行數值模擬驗證，完成組合式半拱蓋挖擴大型異形套拱施工技術實施。融合地形地質特征，實施加固措施，避免坡體開挖，減少明洞工程量，縮短工期。經監測驗證，方案可行，可為同類隧道工程提供參考。

1工程概況

平孟邊關隧道坐落于廣西百色市那坡縣地界內。該隧道以分離式設計呈現，右線隧道為 rK44+265～YK49+ 075 ，全長為4 ；左線隧道為 2K44+285～2K49+075 總長度為4 790m₀ 平孟邊關隧道進口段圍巖等級為V級，洞口位于斜坡地段，分布高程為 460.00～538.50m 規模體積為（ 14×10⁴）m³ 。隧道軸線走向為 164^° ，自然斜坡坡面傾向為 270^° ，自然坡度為 30^° ，洞口局部山澗溝谷發育，沖溝切割5～10m深，呈“V\"形。如圖1所示。

圖1平孟邊關隧道剖面圖

洞口處坡體由崩塌的灰白色堆積物構成，結構為中等至密實，略帶濕潤，缺乏自穩性，穩定性較差。該堆積物源自鄰近的灰巖山體崩塌，其主要成分是灰巖。灰巖巖體極度破碎，結構松散，遭受了強烈的溶蝕作用。在巖體中發育有溶洞，或在巖塊之間形成了空隙，導致巖芯多呈碎塊狀或短柱狀。坡體表層的堆積物結構松散，容易發生沖刷和變形破壞，導致水土流失。此外，堆積巖體的節理較為發育，容易沿著結構面發生楔形破壞或沿著堆積體的低界面發生滑動變形破壞。

2 數值模擬

2.1幾何模型的建立

基于隧道工程設計的精密理論框架，隧道掘進活動對周邊巖體應力場的擾動區域延展至開挖輪廓線外側。為確保數值模擬的邊界條件不會歪曲分析精度，模型在橫向 （X 軸）豎向（ Y 軸）及縱向（Z軸）三個維度上的尺寸設定需遵循嚴謹的邏輯[11。依據圣維南原理，模型在X 軸上以隧道中心線為基準，左右各擴展至3倍洞徑；Y軸上則依據隧道下方二級公路的實際高度設定上界，下界則取隧道中線以下3倍洞高；Z軸長度定為 30m_c 地表設為自由界面，其余邊界施加法向約束，并計入巖土體自重，忽略地形構造應力影響。

由于平孟邊關隧道入口端屬淺埋偏壓地段，故采取單向進洞方案（兩洞不相互影響），又考慮到圍巖性質極差，在做好超前支護的前提下采用預留核心土開挖法進行暗洞開挖支護，整體建模見圖2。其中管棚作為拱形承載結構，在圍巖重力荷載的作用下，拱形結構于拱腳處誘導出水平支反力，這一力學機制巧妙地轉化為抵抗圍巖水平壓力，如圖3所示。

植入式梁單元用于模擬微型樁與錨桿，省去了界面單元設置，力學參數依據物理試驗與地質勘察報告綜合確定[12]，如表1所示，確保模擬的高度精確性。

表1數值模型力學參數表

注：本表參數系根據室內試驗成果并結合文獻及有關規范綜合確定

2.3 超前支護

隧道超前支護體系采用外徑為108mm的無縫鋼管構建，管壁厚度為6mm，實施分段接長工藝，單節長度分別為 3m，6m 及9m。管棚系統環向間隔距離設定為0.5m ，總設計長度為 27m₀ 各支護管體末端需焊接12道環形加強箍以增強結構穩定性。相鄰管節的首段長度按照奇偶數序交替配置，偶數序管段起始節采用3m短管，奇數序管段則選取6m管節作為首段。末段統一采用9m標準管節，確保整體支護結構達到設計長度要求。初始管段前端需加工成錐形導引結構，并在端部集成硬質合金復合鉆頭，有效預防管端變形及開裂現象。連接部位采用加厚型套管銜接，螺紋嚙合長度須達到15cm以上。詳見圖4。

圖2三維數值模型主視圖

圖4長管棚大樣圖

實施接續作業時，遵循“先頂進后連接”的原則，即在前段鋼管頂進導向孔到位后，再進行后續管段的接續作業。管節縱向拼接嚴格實施錯縫布置，通過奇偶序管節長度差異化管理，確保荷載分布符合結構力學要求[13]。

2.4計算結果分析

圖3管棚拱形效應示意圖

隧道掘進后，模型既有的應力穩態發生顛覆并歷經再分配，隧道掘進后，模型既有的應力穩態發生顛覆并歷經再分配[14]，位移監測點如圖8所示。拱頂上部區域呈現差異化沉降態勢，拱頂沉降峰值達 26.6mm ，而拱腰下部則出現隆起現象，隆起極值為 25.8mm ，兩者均未超越預設安全閾值 50mm. 。此外，隧道開挖顯著引發地面、拱腳及拱腰區域的正向水平位移擴展，且影響范圍擴大。尤為值得關注的是，右側地面與左側腰部及右側腳部呈反向水平位移趨勢，其中，右側拱腰正向位移峰值達9.8mm 。斜交地形隧道異形套拱“零開挖”進洞擬采取的暗洞施工方案對圍巖變形的控制較好，符合設計規范允許變形量。見圖5至圖9。

2.2材料屬性的確定

采用有限元軟件ABAQUS建立三維數值計算模型，

圖5數值模型圍巖豎向位移云圖

圖6數值模型圍巖橫向位移云圖

圖7量測測線布置圖

圖8數值模型拱頂底變形曲線圖

圖9數值模型周邊收斂曲線圖

3斜交地形隧道異形套拱“零開挖”進洞施工

3.1半拱蓋挖擴大型異形套拱施工技術

3.1.1半拱蓋挖擴大型異形套拱

半拱蓋挖擴大型異形套拱是針對淺埋偏壓隧道進洞難題提出的創新結構，其核心在于通過異形鋼拱架與套拱結構的協同作用，實現不擾動山體條件下的安全進洞。根據實測地面線確定坡體交接點，在明洞與坡體交接點處不開挖山體的情況下，采用半拱蓋挖法進洞，即利用半拱蓋挖擴大型異形套拱作為內模的蓋挖法，半拱蓋挖擴大型異形套拱段長度為2m整環套拱段 + 半拱蓋挖非整環套拱段（如圖10和圖11所示）。

圖10異形套拱型鋼正視圖

3.1.2 技術要點

半拱蓋挖擴大型異形套拱整環套拱起點樁號為2K49+072，2m 整環套拱段布設I20b套拱型鋼拱架，間距為75cm，該段作為第一環管棚的固定端；半拱蓋挖起點樁號為 21lt;49+070 ，半拱蓋挖終點樁號為 $2 1 lt; 4 9 + 0 6 4 。$ 半拱蓋挖非整環套拱段布設I20b套拱型鋼拱架，間距為75cm，半拱蓋挖擴大型異形套拱段采用兩層鋼拱架進行支護，鋼拱架依據斜交地形設計的半拱蓋開挖邊線進行加工安裝，確保拱架落于堅實基礎上嵌入巖體 =50cm 0且每一處落腳的地方均設置2根4.5m長的 ?42 mm鎖腳鋼管，鎖腳鋼管應與鋼架牢固焊接，套拱末端需頂到山體。在半拱蓋挖擴大型異形套拱內布設33個?127mm×4mm 孔口管，孔口管需沿半拱蓋開挖邊線進行加工安裝，保證孔口管安設的平面位置、傾角、外插角的準確度，確保孔口管末端應頂到山體，孔口管通過?22 mm定位鋼筋與I20b工字鋼焊為整體。待半拱蓋挖擴大型異形套拱結構安裝完畢即可開始支模板澆筑套管混凝土。

圖11異形套拱型鋼平面布置圖

圖12主要施工流程圖

3.2 施工工藝流程

依據測量組所放的線，針對套拱基礎的安設位置開展掏槽作業。所挖的土槽在縱向寬度上與型鋼厚度一致，采用人工開挖并借助風鎬輔助的方式進行土槽開挖。土槽挖好后，其內部表面需成型良好，杜絕超挖與欠挖現象，以此確保初期支護的厚度達標。套拱兩側的基礎則利用炮頭機開挖，基礎深度為1m，寬度為60cm，隨后澆筑C15片石混凝土。同時，要求套拱基礎的地基承載力?150kPa ，待套拱基礎混凝土強度達到設計規定后，方可安裝工字鋼拱架。在安裝前，鋼拱架應在水泥地面上進行試拼，其周邊拼裝的允許偏差控制在 ±3cm ，平面翹曲程度需 $lt; 2 c m 。

型鋼鋼架之間一般采用業 22mm 鋼筋連接，在接頭鋼板兩端必須采用I14型鋼加強縱向連接，I14型鋼端頭與初支型鋼腹板焊接。每環型鋼拱架各節段之間用M20高強螺栓螺母連接。半拱蓋挖擴大型異形套拱開挖時需留核心土，不得隨意切坡，只有待管棚施作完以后，才能擴挖。半拱蓋挖擴大型異形套拱混凝土澆筑完畢后，需及時進行灑水養護，連續養護齡期 agt;7d 當混凝土的強度達到設計拆模要求后，方可拆模。主要施工流程如圖12所示。

圖13所示為期50d的監測數據匯總，其中圖13（a）揭示拱頂累計沉降量達到25. 5min ，并于約30d時趨于穩定狀態，而拱底則累計隆起 17.9mm ，兩者形變均遠低于設計許可閾值 50mm ，充分驗證了圍巖的穩固性。進一步觀察圖13（b）可知，洞口段圍巖周邊收斂在第40d趨于穩態，數值為15. 6mm 。盡管已趨穩定，為確保安全，仍依據監控量測方案實施了全程50d的監測，最終確認圍巖周邊收斂穩定于16. 4mm ，再次印證了圍巖的穩定性能。

3.3 監控量測

圖13監控量測測線布置和數據統計示意圖

4結語

平孟邊關隧道進口段圍巖等級為V級，崩塌堆積體來源于鄰近灰巖山體崩積堆積形成。崩塌堆積體主要分布于隧道進口端山坡表層，分布高程為 460.00～ 538. 50m ，規模體積為 （14×10⁴）m³"，洞口位于斜坡地段，隧道軸線走向為 164^°"，自然斜坡坡面傾向為 270^°"，自然坡度為 30^°"。

（1）利用ABAQUS軟件對擬定的暗洞施工方案進行數值模擬分析計算，得到了拱頂最大下沉量為26.6mm，拱底的最大隆起量為25. 85mm ，變形量屬設計容許值以內，方案可行。

（2）通過設置監測斷面，對斷面進行密切監測，將監測數據匯總得出：拱頂的累計沉降量為25. 5min ，拱底的累計隆起量為 17.9mm ，兩者均比數值模擬結果低，且滿足設計容許值，驗證了暗洞施工方案的可行性。

（3）采用斜交地形隧道異形套拱“零開挖”進洞施工工法，滿足現場施工要求和綠色施工“環境保護”的要求，達到綠色施工示范工程的實施效益。 $＼textcircled { ＼circ }$

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