蘇 興 矩

(福建廈蓉高速公路漳龍段擴建工程有限公司，福建 龍巖 364000)

0 引 言

隨著高速公路大力發(fā)展，特別是山區(qū)隧道的結構所占比例趨于增大。在山區(qū)建設高速公路，因地形復雜，布設隧道時洞口往往會出現(xiàn)一側埋深大、一側埋深小的工況，形成嚴重的偏壓現(xiàn)象，導致洞口結構極易出現(xiàn)過大變形，甚至損壞的情況。淺埋偏壓進洞難以避免，尤其在洞口段、沿溪線和傍山線中更為普遍[1-2]。

對于隧道洞口處于淺埋偏壓地形情況，一般采用斜交施工進洞方式，即開挖的成洞面平行于洞口等高線，與洞軸線斜交。斜交進洞設計又可分為斜交正作與斜交斜作，所謂斜交正作，是指利用梯形套拱的虛擬洞壁，使之正交于洞口開挖工作面，一般適用于洞口段圍巖較差的情況；所謂斜交斜作，一般用于洞口段圍巖較好的環(huán)境，采用成洞面斜交于開挖工作面方式施工進洞，經(jīng)過一定距離后，按一定變化率逐步過渡到垂直于洞軸線工作面[3]。

斜交進洞方式，可有效降的低邊仰拱高度，減少對周邊環(huán)境破壞及圍巖擾動。但斜交進洞方式也存在自身不利因素，因為不管是斜交斜作或斜交正作，套拱都處于明顯偏壓狀態(tài)，承受較大的不平衡水平推力，存在套拱變形過大，甚至傾覆風險；在設計上，一般對成洞面的斜交角度加以限制，一般要求斜交角不大于30°，并宜在淺埋側設置有效的反壓體以平衡偏壓產(chǎn)生的水平推力。若隧道洞口偏壓極為嚴重，斜交角度超過30°且地質情況較為不利時，就需要考慮更為有效的隧道進洞施工方案。要求既能減少邊仰坡開挖高度，又能有效降低施工風險，改善結構受力。

在既有相關研究基礎上[4-5]，筆者依托福建廈蓉高速公路擴建工程龍門隧道，提出了半明拱的施工步驟?；谏鲜龆纯诘匦蔚刭|條件，實現(xiàn)了安全進洞方案，取得較好的經(jīng)濟和社會效益，能為類似工程提供借鑒與參考。

1 淺埋偏壓半明拱進洞計算分析

1.1 工程概況

廈蓉高速公路龍門隧道設計為分離式雙向四車道隧道，洞口段地質主要為粉質黏土及全風化花崗巖，巖性較差。進口側左線山坡自然坡度約為25°～30°，隧道自坡腳通過，處于嚴重偏壓狀態(tài)，且左側約35 m處存在一座高壓鐵塔，如圖1。

圖1 傳統(tǒng)開挖進洞設計Fig.1 Design of traditional excavation into tunnel

施工時，按傳統(tǒng)的明挖、削坡卸載、再施工導向套拱、大管棚方式進行開挖進洞，然后再實時施作明洞。首先需對大范圍邊坡進行開挖及防護，形成高陡邊坡，這不僅會破壞環(huán)境，且對高壓鐵塔的安全形成隱患；其次隧道右側洞頂覆土較薄且地質極差，為全風化巖，在洞口嚴重偏壓和圍巖巖性較差這兩個不良因素共同作用下，易出現(xiàn)支護變形過大或洞口塌方冒頂?shù)劝踩L險，施工難度極大。因此，在經(jīng)過充分論證并結合相關施工經(jīng)驗，筆者最終采用半明拱進洞方式作為該隧道洞口段的施工方案，能有效解決開挖邊坡過高，保障安全進洞，見圖2。

圖2 半明拱開挖進洞設計Fig.2 Design of the half-open arch excavation into tunnel

半明拱進洞工法優(yōu)點：① 較好適應偏壓地形，減少邊仰坡高度，更好貫徹零開挖進洞理念，對地表植被破壞較??；② 保障施工安全，隧道覆土厚度較薄部分，用鋼筋混凝土結構補上(套拱)形成虛擬巖壁，洞內開挖左側有大管棚超前支護，右側在鋼筋混凝土結構組成的虛擬巖壁(套拱)下進行，能有效減小施工過程中塌方冒頂風險，且套拱頂回填土須通過套拱支撐傳遞；③ 擋墻及回填土施工，可有利抵消偏壓對結構帶來的不利影響，有利于減小結構的長期變形，保障結構安全。其半明半暗結構見圖3。

圖3 半明拱結構Fig.3 Structure of half-open arch

1.2 工藝原理

采用半明拱進洞施工順序為：① 開挖及施工半明拱結構，并做好邊仰坡防護；② 淺埋側施工擋土墻及回填土，利用擋土墻及回填土來抵抗偏壓側邊坡帶來的滑動力；③ 施工大管棚；④ 三臺階法開挖進洞。

1.2.1 半明洞施工

半明拱部分開挖，施工土臺拱。半明拱與山體交界兩端頭開挖，施作邊坡防護。半明拱開挖應按放樣要求形成半拱部底模，利用山體開挖必要時應夯實修成半圓拱的土胎模，臺模抹一層砂漿或鋪一層土工布，見圖4。

圖4 半明拱土臺模、錨管、鋼筋安裝Fig.4 Half-open arch formwork,anchor pipe and steel bar installation

半明拱部分、導向墻砼澆筑。半明拱臨時襯砌(套拱)采用明洞拱圈，其厚度為60 cm；與暗洞初期支護鋼拱架相對應，安裝縱向間距為0.7 m的Ⅰ20b鋼拱架；明暗交界的每榀鋼拱架與山體交接采用長度L=4 m的2Φ42鋼管進行鎖腳固定(圖4)，明拱拱腳處采用5排長度為L=4 m的Φ42鋼管進行鎖腳固定，見圖5。環(huán)向主筋采用Φ22鋼筋，縱向間距為0.25 m，縱向鋼筋采用Φ12鋼筋，間距為0.25 m，箍筋采用Φ10鋼筋，間距為0.50 m。模板、鋼拱架、鋼筋安裝后，進行混凝土澆筑。

圖5 半明拱拱腳鎖腳錨管、鋼拱架安裝Fig.5 Half-open arch foot anchor pipe and steel arch installation

1.2.2 大管棚施工

洞口暗作部分采取大管棚超前支護，大管棚導向墻與明作部分砼澆筑成整體，用砂漿錨桿錨固套拱周圍土體，砂漿錨桿端部應深入到套拱中，以加強套拱與圍巖的整體性，以便能有效地承載山體偏壓作用下形成的非對稱荷載。

為大管棚整體受力，導向墻端部斜向施作Φ22砂漿鎖腳錨桿，將套拱受力有效斜向傳遞至拱周圍土體側面，而不是向下傳遞，以確保洞內邊墻落底安全。安裝大管棚采用140 mm×3 mm導向管、導向拱(套拱)鋼拱架、鋼筋、模板，與半明拱套拱襯砌砼一起澆筑，如圖6。

圖6 大管棚導向墻設計Fig.6 Design of the guide wall of the large pipe shed

明拱部分不布設大管棚；暗拱部分施作大管棚，長度為40 m，環(huán)向間距為50 cm，采用108 mm×6 mm的熱軋無縫鋼管。偶數(shù)號孔采用鋼管(不打花孔)，奇數(shù)號孔鋼管采用打孔梅花型注漿孔，其孔徑為15 mm，孔距為15 cm，管尾為3.5 m不設注漿孔。注漿漿液采用水泥漿液，水灰比0.5∶1，可添加早強劑，注漿壓力一般為0.5～1.0 MPa。

1.2.3 淺埋側擋土墻及回填土施工

在淺埋側明作拱范圍內修筑重力式擋墻，然后在擋墻內側回填土，利用擋墻及回填土，抵抗偏壓引發(fā)的不平衡的水平推力，在回填土回填至設計標高后，澆筑10 cm厚的C20混凝土封閉層封閉洞頂，并鋪設防滲層，一般采用50 cm厚的膠泥，如圖7。

圖7 擋土墻回填土設計Fig.7 Retaining wall backfill design

1.2.4 隧道開挖

在施工隧道左側設置大管棚，然后在大管棚與右側虛擬巖壁(套拱)支護下，采用三臺階七步法開挖進洞，及時施做與明拱間距對應的鋼拱架及其余初期支護，形成全洞初支閉合成環(huán)，仰拱應盡快填充，及時施作二次襯砌，使結構具備足夠的有效承載山體偏壓作用下形成的非對稱荷載抵抗力。

由于存在地形偏壓與圍巖較差等不利情況，為保證施工安全及初支變形不超過允許值，初期支護應具有足夠強度，能承擔此時隧道的全部荷載，故施工時暗洞部分應適當增加徑向砂漿錨桿或小導管以加固圍巖。

1.3 有限元模型及網(wǎng)格

對于本工法，重點關注半明拱結構施工過程中的力學響應，以及在隧道開挖過程中受不平衡水平推力作用下是否存在傾覆的風險。選用有限元軟件“Midas GTS NX”進行計算，參考文獻[6-9]，其圍巖采用Drucker-Prager本構模型，設定地表為自由面，其余各面均無法向位移，擋土墻、套拱及二襯均按彈性體設置。為盡量減小或消除邊界效應對計算結果影響，建模時應選取較大幾何尺寸。經(jīng)試算，筆者建立了長寬高(底面至隧道仰拱的距離)分別為110 m×90 m×160 m的有限元分析模型，最終階段單元有限元模型如圖8。圍巖力學參數(shù)如表1。

圖8 計算模型網(wǎng)格Fig.8 Computing model grid

表1 圍巖物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

計算時，模擬的施工工序為：半明拱結構施工與澆注→淺埋側擋土墻施工與回填土→大管棚施工→隧道開挖→初期支護→仰拱澆筑→二襯澆筑。

路基邊坡及隧道開挖采用鈍化相關單元來模擬，回填土及擋墻施工采用激活相關單元來模擬，半明拱結構、二襯的澆筑施工采用改變單元參數(shù)形式來模擬。

1.4 半明拱結構力學特性

對套拱應力及變形進行分析，得到了半明拱結構的施工力學響應相關特性。

1.4.1 半明拱結構變形

最終施工階段半明拱結構的變形見圖9。由圖9可知：半明拱結構最大的變形位于大管棚導向墻的外側(淺埋側)，最大值約2.6 mm，明作拱結構變形較小。

圖9 半明拱結構變形Fig.9 Deformation of half-open arch structure

1.4.2 半明拱結構應力

半明拱結構的第3、1主應力云圖見圖10。由圖10可得：最大壓應力位于大管棚導向墻的外側(淺埋側)，其值約為0.6 MPa，遠小于C25混凝土的軸心抗壓強度設計值(11.9 MPa)；最大拉應力位于半明拱結構上，除局部拉應力最大值達到2.1 MPa外，其余大部拉應力均小于C25混凝土的軸心抗拉強度設計值(1.27 MPa)，結構受力較為合理[10-12]。

圖10 半明拱結構主應力云圖Fig.10 The principal stress nephogram of half-open arch structure

1.4.3 半明拱結構抗傾覆分析

最終施工階段半明拱結構基底的豎向應力如圖11。由計算可知：半明拱結構處于偏壓狀態(tài)，外側基底壓應力值約為內側值的2.6倍。但由于淺埋側施作擋土墻以及回填土，能有效抵抗山體偏壓引起的不平衡水平力，故基底均末出現(xiàn)拉應力，不存在傾覆風險。

圖11 豎向應力圖Fig.11 The vertical stress figure

2 現(xiàn)場監(jiān)測驗證

為驗證該方案的可行性，筆者開展了現(xiàn)場的多種監(jiān)測。選取隧道進口ZK156+459斷面最具代表性監(jiān)測項目(拱頂下沉和水平收斂量測數(shù)據(jù))進行分析，如圖12。

圖12 監(jiān)測斷面收斂變形曲線Fig.12 Convergence deformation curve of monitoring section

由圖12可知：變形速率開挖初期較大，但后期逐漸減小并趨于穩(wěn)定；其中，監(jiān)測斷面拱頂最大下沉速率約為3.1 mm/d，水平最大收斂速率約為1.5 mm/d，最終累計變形拱頂下沉為13.41 mm，水平收斂為8.02 mm。由此可見，廈蓉高速公路龍門隧道左洞進口采用半明拱進洞方案是完全可行的，隧道圍巖變形在合理范圍。該方案既能減少邊仰坡開挖高度，保護環(huán)境，又能有效消除山體偏壓對結構安全與施工安全帶來的不利影響。

3 結 論

基于既有研究成果和廈蓉高速公路擴建工程龍門隧道的實際工程背景，筆者提出了適用于隧道洞口偏壓嚴重、斜交角度超過30°等不利地形地質情況的進洞施工工法——半明拱工法，得到如下結論：

1)相比于傳統(tǒng)偏壓隧道采用斜交進洞開挖進洞方法，文中工法能進一步減少隧道洞口邊仰坡的開挖高度，對環(huán)境影響較小；同時，由于開挖量較小，減少了隧道周邊圍巖擾動，有利于山體穩(wěn)定；

2)文中工法結合了蓋挖法的施工特點，隧道開挖在大管棚與鋼筋混凝土頂蓋保護下開挖，減小施工過程中產(chǎn)生冒頂風險，有利于施工安全；

3)擋墻與回填土施工，能有效平衡偏壓產(chǎn)生的不平衡水平力，減少傾覆風險。