山岭隧道桩拱式明洞洞口段开挖变形分析

文＿方 鹏 （广西建设职业技术学院，专任教师，讲师、工程师，硕士）

苏 芳 （广西建设职业技术学院，高级工程师）

山岭隧道洞口段作为整个隧道施工的第一道工序，设计加固方式和施工方案影响工程整体的施工安全、质量、进度及经济效益。大多数隧道洞口段地质条件复杂、断面面积大，开挖跨度和施工难度高，当采用暗挖法进洞难度较大时，可考虑采用接长明洞的方式进洞。当隧道洞口段接长了明洞，并且在洞顶完成回填土施工后，则可以有效地避免洞口出现高、陡边坡，以此保证边仰坡的稳定。桩拱式明洞则是一种适用于山岭隧道洞口段软弱地层，且符合减少洞口段开挖土体量要求的高空间利用率新型明洞结构。桩拱式明洞结构主要由“钻孔灌注桩+内支撑+顶拱结构”三部分组成，图1为桩拱式明洞结构示意图。当前，桩拱式明洞作为一种比较新式的明挖构造，国内外对其主要构件的力学特性和施工受力转换过程认识相对较浅，张明聚等人分析了基于PBA工法的地下洞室施工变形风险，王玉锁、周良、李正辉等人分析了落石冲击下单压式拱形明洞的力学响应及回填方式，李智鹏、姚玉相分别采用时间效应和离散单元法对明洞的力学性能进行分析。但是还缺少结合现场实际开挖监测结果与数值模拟进行对比的分析，缺少相关文献的研究成果，山岭隧道桩拱式明洞洞口段开挖变形特征也缺少系统性的研究，因此，分析桩拱式明洞结构的施工过程性能及变形特征显得尤为重要。

图1 桩拱式明洞结构示意图

一、工程概况

广西某隧道所处位置较为复杂，地形环境高低起伏，周围遍布高山与丘陵，山体全长及局部埋深均较大，洞口明洞段至明暗挖分界段主要处于粉质黏土、粗角砾土及碎石土中，由于此处埋深较浅且地质条件较差，进口位置山势陡峭，有大小为10°～25°的纵向自然坡度及5°～45°的横向自然坡度，局部存在着极为陡峭的山崖，植被覆盖率约60%。该隧道进口段项目创新性地采用了桩拱式大跨度明挖结构，借助FLAC3D模拟软件完成对桩拱式明洞与隧道洞口段三维空间结构等模型的构建，本文重点对其关键部位展开施工力学性能及开挖变形特征分析。

二、数值模拟

FLAC是由美国ITASCA公司研发推出的连续介质力学分析软件，也是一种广泛应用于岩土工程领域的国际通用专业分析软件，具有强大的计算功能和广泛的模拟能力，尤其在处理变形问题方面具有较多独特优势。其以连续介质力学为处理对象，可借助拉格朗日连续介质法对对象展开精确分析，还能够细致地完成岩土等材料的三维力学行为研究。与离散元相比，FLAC软件具有与其相似的算法及基本原理，但对于结点位移连续来说，以其变形连续介质为处理对象显得更有优势，可以进行较为精确的分析。因此，本文在对桩拱式明洞结构的研究过程中，参考大量高速公路隧道明洞回填设计与分析，并结合地铁车站洞桩法施工变形和结构受力分析的研究成果，对已有重点和其动态施工状态进行分析，借助FLAC3D有限差分软件对其展开数值模拟，并与实际开挖变形监测结果进行对比分析。

（一）明洞结构形式比选

图2是常规明洞与桩拱式明洞两种结构形式的明洞回填土对比示意图，分别用不同图例进行表示。若以常规拱式明洞为研究对象，则可通过对两种图例的面积进行求和来算取开挖部分的面积；若以常规明洞部分为参照，则桩拱式明洞具有更大的图形面积，大约为常规明洞面积的1.50倍。因此，桩拱式明洞可实现对填土方量的有效控制，使其仅需前者50%的填土方量。一般在修建桩拱式明洞的过程中，较少出现需要修筑高边坡的情况，在常规明洞高边坡施工过程中，保障安全的临时支护工程量较大，在填土完成后，还需要完成明洞支护的修建。对于桩拱式明洞来说，在施工、运营等阶段中，钢筋混凝土支撑与钻孔灌注桩的作用均能得到极大发挥，能够作为永久支护，它们属于明洞结构的重要组成部分，可使其安全性得到显著提升。对两种明洞对比分析结果的研究可发现，桩拱式明洞具有更小的洞口开挖量，可实现对施工及运营风险的有效控制，另外因其结构设计较为简单、施工快，可大幅降低施工成本。

图2 两种结构形式明洞回填土比较示意图

（二）施工工序

山岭隧道洞口段是整个隧道修建的关键部位，应做好充分的施工准备，施工方案、工序部署也较为重要。在该隧道进口段位置，结合围岩及地质特点、环境保护、边坡支护及开挖土石方量等内容对桩拱式明洞展开分析，根据分析结果制订施工方案，以便合理地选择施工方式与洞口结构形式。以桩拱式明洞为研究对象，借助数值模拟法对其施工过程展开深入研究，重点研究其变形规律。本文以混凝土横撑与拱顶为研究对象，在尚未完成填土时，以土压力理论为依据，借助类似明洞分析经验结果，利用FLAC3D模拟来对两者的变形与受力特性进行研究。

1.常规拱式明洞施工流程

（1）土方开挖结束后，可立即设置围挡，采用常规1∶1比例完成对坡度的设置，放坡开挖结束之后，需使其位置处在仰拱标高处。

（2）准备工作就绪后，进行仰拱及边墙的设计。

（3）进行上部拱结构的设计，对拱顶两侧进行回填处理。

（4）待拱圈混凝土达到设计强度后进行墙背防水处理，完成墙背回填覆土及边坡支撑防护。

2.桩拱式明洞的施工流程

（1）土方开挖结束后，对围挡进行设置，以1∶1比例完成坡度设置，在放坡开挖结束之后，需使其位置处在仰拱标高处。

（2）开始钻孔灌注桩、冠梁施工及预应力混凝土支撑作业。

（3）分层分段进行基坑开挖，基坑底达到设计标高后停止开挖，在灌注桩间进行挂钢筋网并喷射混凝土施工。

（4）按照施工方案中的特定工序进行底板与侧墙的施工，完成预应力混凝土支撑的张拉施工，再进行拱顶防水处理，在混凝土达到设计强度要求之后，完成覆土回填，最后以边坡为处理对象，完成防护施工。

通过对两者施工工序流程的对比分析可知，不同于常规拱式明洞，桩拱式明洞的施工工序更复杂；而从整体角度展开分析时，两者施工难度均较低，但桩拱式明洞的安全性更高。

（三）桩拱式明洞结构模型建立

在对支护桩变形规律的研究过程中，以每延米明洞为处理对象，即将其作为相应的平面应变问题进行处理，同时应考虑基坑开挖的空间效应。桩拱式明洞施工过程中设置的支护桩无论是在施工期还是在后续运营过程中，均能够发挥永久支护结构的作用。在对施工过程进行模拟时，应采用数值模拟的方式以得到更为精确的结果，以确保桩拱式明洞运营过程中的安全性。

1.物理力学参数

（1）材料的模拟。对混凝土结构的模拟处理。在隧道混凝土结构中，混凝土拱顶与横撑结构相连接，钢筋被混凝土包裹，两者通过相互配合来受力，存在着复杂的联系。在建模处理时，需要注意其耦合性；在进行数值模拟分析时，需要利用等效原则，以钢筋弹性模量为处理对象，在完成对其的折算支护后，才能够显著提升混凝土弹性模量。

对支护桩力学模型的处理。在对实际工程进行模拟时，如需建立支护桩模型，则势必会加大建模的复杂性。在施工过程中，由于支护桩间的间距较小，研究表明其与地下连续墙的受力情况极为相似，可用近似的方法来完成对其的处理，对模型中的支护桩进行简化。

对冠梁的处理。在实际工程中，需要考虑支护桩、混凝土横撑及顶拱等部位的连接，通常可采取加宽的方式来对冠梁进行处理，虽然其横截面与标准矩形截面存在一定差距，但在进行数值模拟时，可用标准矩形截面来代替，计算结果不会受到影响。

（2）对材料参数进行确定。因为实际地层具有较为复杂的分层，在计算过程中，当地层具有相似的地质条件时，应进行合并处理。合并处理之后的土层具有三层结构，可结合工程经验与地勘资料为依据进行资料选取，表1为土层所具有的主要参数。

表1 主要地层参数

以支护材料为计算对象，支护结构主要参数如表2所示。

表2 支护结构主要参数

2.数值计算模型

为了得到精确的计算结果，需要合理选取模型尺寸，现对桩拱式明洞周围的土体展开深入分析，对影响模型计算效率与结果的因素进行研究。根据已有数据经验，若将影响范围设置为3～5倍洞体最大尺寸时，对模型的影响几乎可忽略。以明洞的实际几何尺寸为依据，通过对现场地形地貌的细致分析选取模型尺寸，最终确定其深度与宽度分别为100m和200m。对于整个模型而言，其纵向深度与实际长度相近，实际长度为14.60m，可对其模型纵向深度进行取整处理，即取值为15m。在对网格进行划分时，需确保明洞结构附近区域网格较为密集，远处网格较为稀疏，才可实现对网格的有效控制，得到较为精确的分析结果。以计算模型的尺寸为依据，共完成了对28764个节点及25940个单元的剖分。图3为网格划分与模型尺寸图，本模型通过对相关参数的合理运用获取较为精确的计算结果，图4是结构模型简图。

图3 桩拱式明洞模型

图4 结构模型简图

三、模拟计算变形分析

无论是基坑开挖，施作顶拱，还是回填覆土等过程，均会对支护桩受力与位移产生影响。因此，本次模拟重点分析了上述三个过程，图5至图7分别展示了不同阶段对基坑水平与竖向变形的影响。

图5 基坑开挖后基坑变形云图 （单位：m）

通过对图5至图7的变形云图分析，在对支护桩的施工过程中，其横向与竖向等变形均处于逐渐增加状态。若以基坑为参照物，各个阶段的最大水平位移均处在其下方的三分之一处。从整体角度来看，总体位移量均相对较小，这是因为支护结构的刚度相对较大，且填土高度较矮。在对基坑的开挖过程中，左右两侧均具有大小为0.25mm的竖向位移，但左侧位移较小。左侧及右侧分别具有1.59mm和1.69mm的最大水平位移。

通过对图6的观察会发现，在拱顶施工完成后，在拱顶重力的影响下，基坑的横向与纵向等变形均出现大幅度增加。左侧及右侧分别具有2.91mm及2.75mm的竖向位移，经过时间变化之后，最终左右两侧的最大水平位移分别达到1.69mm及1.83mm。

图6 施作拱顶后基坑变形云图 （单位：m）

通过对图7的观察分析发现，在完成覆土回填后，因回填土的自身重力会对基坑竖向变形造成较大影响，基坑位移处于不断增加的状态，支护桩竖向变形发生了较为显著的变化，左右两侧分别发生了11mm及12mm的最大竖向位移和2mm及2.50mm的最大水平位移。在上述施工阶段之中，与左侧相比，右侧具有更大的竖向与水平位移，主要是因为右侧的回填土与边坡高度更高，从而产生更大的土压力载荷，但因左右高度差较小，故两侧变形相差极小。从整体角度来看，以支护桩的三个施工阶段为研究对象，通过观察其水平位移云图会发现，支护桩具有近似“弓”形的横向变形，在深厚的软土地层之中，当支护结构嵌固深度较小时，极易导致该变形曲线的出现，过去部分学者在研究过程中，将其定义为“大肚子”型破坏模式。本项目在设计灌注桩时，通过对比模拟数值与实际监测结果，证明其嵌固深度大约为5m时，能够满足该变形规律的相关要求。

图7 回填覆土后基坑变形云图 （单位：m）

四、结语

桩拱式明洞能够适用于软弱围岩及复杂地质隧道等特殊环境，是一种可以有效减少洞口段土岩开挖工作量、最大限度利用围护结构、保证施工和运营安全的明洞结构。随着施工的进行，基坑底部及桩拱式明洞围护桩的水平位移和竖直位移会不断增大，但总体位移量较小，其变形符合施工要求，在实际施工过程中，须把控好灌注桩嵌固深度和回填覆土的厚度。