浅埋连拱隧道的施工工序比选及优化研究

彭 梁

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙 410015)

浅埋连拱隧道的施工工序比选及优化研究

彭 梁

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙 410015)

针对省某浅埋偏压公路连拱隧道，采用数值模拟的手段，研究对比在不同施工工序下，连拱隧道的支护结构最大压应力、隧道拱顶沉降以及围岩最大压力，从而比选出该隧道的最优施工工序。研究表明：分台阶法要优于全断面法，其围岩压力、支护内力等都较小，并且效率更高、造价更低；采用先开挖浅埋侧隧道的施工顺序跟采用先开挖深埋侧的施工顺序相比，前者的支护应力及围岩应力都较后者小，先开挖浅埋侧隧道更优。采用比选出的最优施工工序，隧道实际施工中无异常情况，施工效果较好。研究对于浅埋偏压连拱隧道的施工工序比选及优化具有参考作用。

连拱隧道； 浅埋； 偏压; 施工工序； 有限元； 优化

0 引言

近年来在我国连拱隧道发展迅速，连拱隧道具有占地面积较小、能够适应各种复杂地形、保持公路断面美观、保护生态环境以及便于运营管理等优点[1-3]。在隧道工程中支护结构荷载和围岩应力受施工工序的影响十分显著，尤其是连拱隧道，因为其结构复杂、跨度较大、地形复杂的特点，隧道施工方法及施工工序更多。因此，为了保障隧道施工安全，优化连拱隧道施工工序具有十分重要的意义。

国内学者在连拱隧道施工方法及施工工序的优化方面已经取得了一些研究成果，比如文献[4]运用数值模拟优化了某连拱隧道的施工工序；在动态施工应力方面，文献[5]进行了总结。由于不同的设计参数和地质条件，连拱隧道也具有不同的最优施工工序[6，7]，因此，虽然已有研究对连拱隧道的施工方法和施工工序进行了优化和发展，但是对于工程实际仍然存在不足。

本文针对湖南省某浅埋偏压连拱隧道，为了比选出该隧道的最优施工工序，进行了8种不同的施工工序设计，研究对比连拱隧道的支护结构最大压应力、隧道拱顶沉降以及围岩最大压力，从而比选出该隧道的最优施工工序。

1 工程背景

该连拱隧道地形地貌复杂，隧道偏压情况较为严重。围岩等级主要为Ⅴ级和Ⅳ级。连拱隧道结构围岩种类及断面见表1和图1。

表1 连拱隧道围岩种类及结构断面围岩种类跨度/m断面形式施工方法衬砌支护单洞净跨度总跨度总体中隔墙边墙总体两侧主洞初期支护二次衬砌三叠系上统西康群株倭组11．624．5三心圆整体式区中墙曲线中导洞法上下台阶开挖法锚杆现浇混凝土炭质板岩喷射混凝土砂质板岩钢筋网片新都桥组千枚岩钢拱架支护变质砂岩

图1 连拱隧道结构断面(单位： cm)

2 连拱隧道动态施工模拟

2.1 模型建立和参数选取

模型选用弹塑性模型进行计算，使用ANSYS软件选取一个代表性断面进行动态模拟，见图2，围岩材料根据相关联流动法则以及D-P屈服准则进行计算。模型单元选择、边界条件见表2,计算参数见表3。

图2 连拱隧道有限元模型

表2 模型单元选取及边界条件模型结构模型单元围岩初期支护二次衬砌实体单元PLANF42边界条件两侧底部顶部约束水平方向位移约束竖直方向位移自由

表3 计算参数材料密度/(kg·cm-3)弹性模量/GPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)V级围岩18001503720026围岩加固圈1900203525027中隔墙24002701880056初期支护2500260280056二次衬砌2600300280056中墙顶部回填25002402340045

2.2 连拱隧道施工工序

为了比选出最优连拱隧道施工工序，本文以中导洞法为基础设计8种施工工序，如图3所示，分为6种分台阶开挖方法和2种全断面开挖方法，分别为工序①～⑥和工序⑦、⑧。图3中数字所示施工步骤见表4。

图3 连拱隧道施工步骤

表4 连拱隧道施工步骤数字代号施工步骤数字代号施工步骤1中导洞开挖8左洞上台阶开挖2中导洞锚喷支护9左洞上台阶锚喷支护3中墙修筑及墙顶回填10左洞下台阶开挖4右洞上台阶开挖11左洞下台阶锚喷支护5右洞上台阶锚喷支护12右洞仰拱开挖和二次衬砌浇筑6右洞下台阶开挖13左洞仰拱开挖和二次衬砌浇筑7右洞下台阶锚喷支护

以上1～13施工步骤经过组合可以得到8种施工工序，见表5。其中右洞全断面开挖用(4，6)来表示，锚喷支护用(5，7)来表示。

表5 连拱隧道施工工序施工工序施工步骤①1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13②1-2-3-8-9-10-11-4-5-6-7-13-12③1-2-3-4-5-6-7-12-8-9-10-11-13④1-2-3-8-9-10-11-13-4-5-6-7-12⑤1-2-3-4-5-8-9-6-7-10-11-12-13⑥1-2-3-8-9-4-5-10-11-6-7-13-12⑦1-2-3-(4，6)-(5，7)-(8，10)-(9，11)-12-13⑧1-2-3-(8，10)-(9，11)-(4，6)-(5，7)-13-12

2.3 数值模拟结果分析

2.3.1 拱顶沉降分析

在连拱隧道施工中，为了掌握围岩稳定性和围岩位移情况，必须对拱顶沉降进行监控测量。对施工工序①进行数值模拟可以得到当施工步骤变化时的拱顶沉降变化曲线，见图4。

图4 工序①的拱顶沉降随施工步骤变化曲线

通过图4可以得出以下结论：当进行施工步骤1～3时(中导洞开挖及支护)，左洞右洞发生的拱顶沉降都只有最终沉降量的1/10左右，且沉降量几乎一样，因此由中导洞开挖引起的隧道拱顶沉降较小。当进行施工步骤4～7时(右洞开挖及支护)，右洞拱顶沉降突然增加，而左洞变化不大，因此右洞开挖主要影响右洞拱顶沉降。当进行施工步骤8～11时(左洞开挖及支护)，左洞拱顶沉降突然增加，而右洞变化不大，因此左洞开挖主要影响左洞拱顶沉降。进行施工步骤12、13时(左右洞二次衬砌浇筑)，左右洞沉降稳定，隧道安全。

比较各施工工序在全部施工中所产生的拱顶沉降(表6)，可以发现：

1) 左洞的拱顶下沉量与右洞相比更大，可能是由于左洞承担的围岩压力更大。

2)采用分台阶开挖法施工要优于采用全断面法施工，采用分台阶开挖法施工产生的拱顶沉降量更小、更安全。

3) 采用先开挖左洞的施工方法会使拱顶的沉降量更大，相比之下采用先开挖右洞的施工顺序则会使沉降偏小。

表6 各施工工序的拱顶沉降、支护结构最大压应力及围岩最大压力施工工序拱顶沉降/mm支护结构最大压应力/MPa围岩最大压应力/MPa左洞拱顶沉降右洞拱顶沉降初期支护最大压应力二次衬砌最大压应力围岩最大垂直压应力围岩最大水平压应力①318218256064089051②324223277078126045③334231258062109048④336234282071035039⑤321220253062088048⑥323224274078121046⑦346232311080119064⑧354242322083142059

4) 工序①的拱顶沉降量更小，更安全。

2.3.2 围岩内力分析

按照①工序，围岩在竖直方向产生的最大应力和在水平方向产生的最大应力，在整个施工过程中的变化趋势相似，总体呈波浪状，在隧道开挖完成之后最大压应力增加，支护完成之后反而减小。

如图5所示，比较各施工工序在施工过程中分别在竖直和水平方向所产生的最大应力，可以发现：①围岩在竖直方向上产生的最大压应力要大于在水平方向的最大压应力，这是由于地质构造力较小，围岩自重相对较大；②采用分台阶开挖法施工优于采用全断面法施工，采用分阶段开挖法施工对围岩造成的最大应力更小，对围岩的扰动也更小；③采用先开挖右洞的施工顺序要优于采用先开挖左洞的施工顺序，两种施工顺序产生的最大水平压应力近似相同，而先开挖右洞会使最大垂直压应力更小，更偏于安全。

图5 工序①的围岩最大压力随施工步骤的变化曲线

2.3.3 支护内力分析

按照①工序，支护产生的最大压应力在整个施工过程中的变化趋势与围岩应力的变化趋势相似，都表现为在开挖完成之后最大压应力增加，支护完成之后反而减小(如图6)。二衬完成之后，围岩的一部分应力由初支转移到二衬，初支的应力再次减小。

图6 工序①的支护结构最大压力随施工步骤的变化曲线

如表6所示，比较采用不同施工工序时初支和二衬的最大应力可以看出： ①初期支护承担了隧道结构的主要压力，其承担的压应力值达到了二衬的4倍； ②采用分台阶开挖法施工优于采用全断面法施工，采用分阶段开挖法施工使支护产生的最大应力更小，更安全； ③采用先开挖右洞的施工顺序要优于采用先开挖左洞的施工顺序，采用先开挖右洞的施工顺序会使支护产生的最大压应力更小。

3 最优施工工序效果分析

3.1 最优工序选择

分台阶法与全断面法相比，施工的工作面较多、效率更高，围岩压力、拱顶沉降量以及支护的结构内力都更小，因此不论从力学的角度还是从工期及成本的角度来看，分台阶法都要优于全断面法。另外根据计算，在施工过程中，采用先开挖浅埋侧隧道的施工顺序跟采用先开挖深埋侧的施工顺序相比，前者的支护应力及围岩应力都较后者小，先开挖浅埋侧隧道更优。综合以上，选择的最优施工工序为上述施工工序中的①工序。

本工程采用①工序，使用新奥法，按照“短进尺、弱爆破、勤量测、紧封闭”的原则进行施工，以便更好地控制围岩的变形和支护内力的增长。

3.2 监控量测分析

在新奥法中，监控量测具有重要地位，主要监控内容有地质情况及支护工作情况观察、围岩位移、隧道拱顶的下沉及净空变形、地面沉降等项目，本文的分析对象选择了支护内力以及浅埋偏压段截面的拱顶下沉量的监控量测数据。

图7和图8分别为不同工序下的拱顶下沉量监测数据和支护最大压应力的监测数据。与图4和图6的数值模拟所对应的数据相比较可以看出，量测结果所反映的沉降量和内力值在整个施工阶段的变化趋势与采用数值模拟的变化趋势极为接近，证明了数值模拟方法可以比较可靠地描绘真实工况。但也可看出，数值模拟的沉降值和最大内力数值都要大于对应的量测出的沉降值和最大内力数值，前者是因为开挖时的瞬时应力释放导致一部分的位移值没有被记录，而后者可能是因为施工过程中的超挖导致初期支护厚度过大，以及测量误差等原因。

图7 不同施工步骤拱顶沉降监测结果曲线

图8 不同施工步骤支护结构最大压应力监测结果曲线

实践证明，本工程的整个施工过程都比较顺利，所采用的施工方案取得了良好的效果，未出现任何较大的险情。整个施工过程中围岩的变形、支护应力等重要指标没有超出设计值，都保持在安全范围之内。

4 结论

1) 隧道施工中，采用分台阶法施工要优于采用全断面法，因为采用分台阶法施工效率更高、节约成本，围岩压力、支护内力等都更小从而更加安全。

2) 隧道施工中，采用先开挖较浅埋侧隧道的施工顺序要优于采用先开挖较深埋侧隧道的施工顺序，因为采用先开挖较浅埋侧隧道的施工顺序所产生的围岩应力和支护内力都要偏小。

3) 在8种工序中，①工序要优于其他工序，具体表现为：较深埋侧与较浅埋侧相比，可以产生更大的拱顶沉降量；支护和围岩的最大压应力在整个施工阶段的变化趋势相近，都是在隧道开挖之后最大压应力增大，在支护完成之后最大压应力减小；二衬完成之后，围岩的一部分应力由初支转移到二衬，初支的应力减小。

4) 本工程的整个施工过程都比较顺利，所采用的施工方案取得了良好的效果。

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1008-844X(2016)04-0153-05

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