施工阶段隧道半明半暗结构稳定性关键因素分析

吴文琦 严盛强

1 引言

随着山区高速公路建设的不断深入，公路建设中将遇到各种复杂地形，如偏压，沟谷等地形。当这些复杂地形位于隧道洞口或洞身浅埋段时，如仍采用传统隧道结构形式，往往会导致洞口或洞身浅埋段高边坡、大开挖的问题，不利于隧道洞口边仰坡的稳定，也与目前国家提倡的绿色、生态公路理念相违背。而如果在这些复杂地形条件下采用半明半暗的隧道结构形式，往往能有效的减少开挖，从而极大的降低边仰坡开挖高度，尽可能的保持洞口或洞身浅埋段原有自然环境，将更多的土地还给大自然，实现绿色生态，美丽公路的理念。

本文依托浙江某在建高速公路隧道工程实例，通过数值模拟分析，对施工阶段不同地形条件下隧道半明半暗结构的稳定性进行研究，得到影响隧道半明半暗结构稳定性的关键因素，为隧道在不同地形条件下半明半暗的结构设计提供理论依据。

2 理论分析

隧道半明半暗结构的主要施工步骤为：①明挖部分边坡开挖及防护；②明挖部分混凝土护拱浇筑；③暗挖部分隧道洞内开挖；④暗挖部分隧道隧道支护。施工阶段结构受力最不利时刻应发生在隧道暗洞开挖后，隧道支护还未来得及施做时的阶段，也就是第三步完成后的这一阶段。因此本研究重点分析这一阶段的结构受力特点。

本研究应用数值仿真技术，通过ABAQUS软件，对不同地形条件下隧道半明半暗结构的稳定性进行数值仿真分析。

2.1 原地面位于隧道拱肩处（靠近拱顶）

2.1.1 计算模型

本文数值模拟针对明挖部分混凝土护拱和暗挖部分山体采用线弹性模型[1]，但赋予两种不同的材料参数，其中混凝土护拱模型E=19×109Pa，v=0.2，山体模型E=200×106Pa，v=0.3。荷载主要考虑混凝土结构和山体的自重荷载以及施工阶段施工人员的人行荷载。

图1是几何模型的网格划分图，尺寸为50m×60m（高×宽），隧道开挖断面宽13.2m，高10.5m。图中可以看出原地面位于隧道拱肩（靠近拱顶）位置，原地面以上拱顶部分为混凝土护拱，下部为暗挖部分山体。该模型即为完成护拱浇筑及暗洞开挖后的结构模型。

图1 原地面位于隧道拱肩处模型网格划分图

2.1.2 计算结果分析

图2反映了原地面位于靠近隧道拱顶处，隧道半明半暗结构在暗洞开挖后的总体受力情况，图中不难发现在混凝土护工两侧拱脚处有应力集中现象，最大主应力达到1.65×105Pa。另外，与护拱接触部分山体并一直向下延伸至两侧边墙范围，有较明显的受力情况，最大主应力约为4.15×104Pa，位于拱腰位置。考虑到岩土材料相对混凝土材料具有高度的非连续性、非均匀性和各向异性等鲜明的地质特征[2]，拱腰附近山体的稳定性更应受到重视。

图2 原地面位于隧道拱肩处应力分布图

2.2 原地面位于隧道拱腰处（靠近拱脚）

2.2.1 计算模型

图3是几何模型的网格划分图，混凝土和山体的材料特性及荷载工况均与2.1.1模型相同。模型尺寸为50m×60m（高×宽），隧道开挖断面宽13.2m，高10.5m。图中可以看出原地面位于隧道拱腰（靠近拱脚）位置，原地面以上拱顶部分为混凝土护拱，下部为暗挖部分山体。该模型即为完成护拱浇筑及暗洞开挖后的结构模型。

图3 原地面位于隧道拱腰处模型网格划分图

2.2.2 计算结果分析

图4反映了原地面位于隧道拱腰处，隧道半明半暗结构在暗洞开挖后的总体受力情况，图中不难发现在混凝土护工两侧拱脚处有应力集中现象，最大主应力达到9.14×104Pa。另外，与护拱接触部分山体并一直向下延伸至两侧边墙范围，有较明显的受力情况，最大主应力约为3.06×104Pa，位于拱脚位置。考虑到岩土材料相对混凝土材料具有高度的非连续性、非均匀性和各向异性等鲜明的地质特征，拱脚附近山体的稳定性更应受到重视。

2.3 原地面一侧位于拱肩一侧位于拱腰处（偏压）

2.3.1 计算模型

图4原地面位于隧道拱腰处应力分布图

图5 是几何模型的网格划分图，混凝土和山体的材料特性及荷载工况均与2.1.1模型相同。模型尺寸为50m×60m（高×宽），隧道开挖断面宽13.2m，高10.5m。图中可以看出原地面为偏压地形，左侧位于隧道拱腰位置，右侧位于隧道拱肩位置。原地面以上拱顶部分为混凝土护拱，下部为暗挖部分山体。该模型即为完成护拱浇筑及暗洞开挖后的结构模型。

图5 原地面偏压模型网格划分图

2.3.2 计算结果分析

图6反映了原地面为偏压地形时，隧道半明半暗结构在暗洞开挖后的总体受力情况，图中不难发现在混凝土护工在原地面位于隧道拱肩一侧有应力集中现象，最大主应力达到1.67×105Pa。另外，原地面位于隧道拱肩一侧山体并一直向下延伸至拱脚范围，有较明显的受力情况，最大主应力约为4.18×104Pa，最大主应力出现在拱腰位置。考虑到岩土材料相对混凝土材料具有高度的非连续性、非均匀性和各向异性等鲜明的地质特征，原地面位于隧道拱肩一侧山体的稳定性更应受到重视。

图6 原地面偏压应力分布图

3 工程实例

本文以浙江某在建高速公路隧道项目为工程依托，该隧道全长2965m，隧道按规定的远期交通量设计，均采用双洞单向行车双车道型式（上下行分离），设计速度100km/h。隧道在靠近进口的洞身段穿越一处浅埋沟谷地形，已知地表最低处倾入隧道开挖轮廓内约1.5m。

该浅埋段地表为低丘斜坡及沟谷地貌，正交隧道沟谷内溪沟发育，斜坡表部分布含黏性土碎石，厚度约1m，沟底中风化基岩直接出露，基岩岩性为凝灰质砂岩，紫灰色，中厚层状，岩质较坚硬，岩体完整性一般，呈碎裂状。顺沟节理158°∠42°发育。

设计根据现场实际地形及地质情况，最终采用半明半暗衬砌结构，即在隧道露头段先设置护拱，再隧道内暗洞正常开挖并支护的方法进行施工，设计图纸如图7。根据本文第2部分的研究结论，设计针对该半明半暗结构的薄弱部位，对护拱拱脚通过扩大基础的方法进行了加固，对与护拱拱脚接触的山体，通过锁脚锚杆进行加固，并加强护拱与山体间的连接。

图7 隧道半明半暗结构设计图

目前该浅埋段已完成隧道明挖段护拱混凝土的浇筑，洞内开挖及支护，隧道施工已顺利通过该浅埋露头段，如图8。

图8 隧道半明半暗结构现场照片

4 结论

（1）隧道半明半暗段结构，既要考虑明挖部分护拱结构的稳定性，也要考虑到暗挖部分山体的稳定性，并将两者作为一个整体研究其稳定性。

（2）明挖部分混凝土护拱的拱脚位置在荷载作用下易产生应力集中，设计中可考虑加大护拱拱脚，采用扩大基础的方法加强拱脚位置的稳定性。

（3）与护拱接触的山体并一直向下延伸一定范围，有较明显的受力情况。考虑到岩土材料相对混凝土材料具有高度的非连续性、非均匀性和各向异性等鲜明的地质特征，护拱拱脚下部山体的稳定性更应受到重视。该部位山体可通过护拱拱脚的锁脚锚杆进行加固。

（4）当原地面为一侧位于拱肩，一侧位于拱腰处，即为偏压地形时，原地面位于隧道拱肩一侧山体在荷载作用下的应力更大，该位置的稳定性更应受到重视。

（5）对比相同荷载作用下，原地面分别位于拱肩和拱腰处，两种半明半暗结构的应力大小不难发现，原地面位于拱肩处时，隧道半明半暗结构的稳定性要更差。这是因为当原地面位于拱肩处是，护拱拱脚处山体再受到压应力的同时还受到一定的剪应力（该理论需在下阶段研究中进一步论证）。而岩体能承受的最大剪应力远小于最大压应力[3]，因此，当原地面位于隧道拱肩（靠近拱顶）处时，隧道半明半暗结构的稳定性更应引起重视。

[1]DS系统SIMULIA大中华区Abaqus中国区技术团队.Abaqus经典例题集[M].机械工业出版社，2016.

[2]李洋洋.恩施地区志留系砂岩基于分形理论的岩体质量评价研究[D].中国地质大学（武汉），2010.

[3]阳生权.岩体力学[M].机械工业出版社，2012.