■賴錦興

（福建省交通科技發(fā)展集團有限責任公司， 福州 350004）

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展， 公路建設(shè)等級不斷提高，山區(qū)公路的建設(shè)逐步向高等級公路提升邁進，為提供快速、便捷的出行路線，提高行車的舒適性和社會效益， 越來越多的山區(qū)公路工程采用了隧道方案。 受地形條件的制約，隧道工程不可避免地存在陡峭地形條件，造成斜交進洞、偏壓成洞等不良地形情況的發(fā)生。 洞口存在偏壓時，常規(guī)的洞口處理方案為采用端墻式洞門與帶耳墻的偏壓式明洞。 這種處理方案往往會導(dǎo)致靠山體內(nèi)側(cè)邊坡開挖過高，破壞山體的原生態(tài)植被；施工后圬工體積大，造成洞口與自然環(huán)境不夠協(xié)調(diào)。近年來，隨著“環(huán)保”理念在公路規(guī)劃與建設(shè)中更加被重視， 棚洞結(jié)構(gòu)逐漸成為隧道洞口工程建設(shè)的一種趨勢，已在高速鐵路[1-2]、高速公路[3-4]，高邊坡處理[5]、公路隧道建設(shè)[6]中得到應(yīng)用。 棚洞結(jié)構(gòu)是一種將“安全適用、經(jīng)濟合理、造型新穎、技術(shù)先進、生態(tài)環(huán)保”融為一體的環(huán)保型隧道洞口結(jié)構(gòu)形式，堅持了“設(shè)計中最大限度的保護，施工中最小程度的破壞， 施工后最強力度的恢復(fù)”的理念，實現(xiàn)了環(huán)境保護與公路發(fā)展并舉、隧道建設(shè)與自然環(huán)境相和諧。 本文以下屏峰隧道出口棚洞結(jié)構(gòu)為實例，建立有限元數(shù)值模型分析棚洞結(jié)構(gòu)的力學特性，并驗證棚洞結(jié)構(gòu)的安全性，為同類型隧道洞口的處理提供參考和借鑒。

1 工程概況

下屏峰隧道為省道S207 線壽寧下黨至三明尤溪段公路工程的重要組成部分， 為單洞雙車道隧道。 隧址位于中低山地貌區(qū)，植被較茂密，地勢陡峭，隧道出口地面橫坡度十分陡峻，達60°～80°，且左側(cè)臨近西溪；地質(zhì)條較好，自然邊坡穩(wěn)定；山體起伏較大，相對高差大，地面高程在340～724 m，山體呈南北向展開，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的影響，山體完整性一般（圖1）。

圖1 下屏峰隧道出洞口原地形地貌

工程方案的選定，綜合考慮以下兩個主要因素：一是工程為改擴建項目，項目又處于旅游觀光區(qū)，具有旅游道路的特性，應(yīng)最大限度地與沿線地形及既有老路自然景觀相協(xié)調(diào)，實現(xiàn)?？蛙囃ㄐ邪踩?、保原路風貌、保沿線文化特色、保周邊生態(tài)環(huán)境、保群眾出行暢通的“五?！币?。 工程建設(shè)應(yīng)盡可能地減少對周邊環(huán)境的破壞， 隧道工程應(yīng)做到“零開挖”進洞。 二是根據(jù)地質(zhì)勘察揭示，出洞口處存在一硅化構(gòu)造帶及中風化巖體破碎帶（且存在不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面及不穩(wěn)定楔形體）， 邊坡整體結(jié)構(gòu)面裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，應(yīng)綜合考慮巖體破碎帶的影響，避免和減少碎落石掉落的影響，確保運營期間隧道洞口邊坡穩(wěn)定和通行安全。 經(jīng)過多個方案的對比分析， 隧道洞口采用棚洞結(jié)構(gòu)和虛擬洞壁方案，實現(xiàn)了“零開挖”進洞，既能最大限度地減少邊坡刷坡，保護洞口周邊生態(tài)環(huán)境、棚洞結(jié)構(gòu)，還能防止和減少洞頂碎落石掉落路面，保護車輛、行人的通行安全（圖2）。

圖2 下屏峰隧道出洞口建成效果

2 棚洞設(shè)計

隧道出洞口段地形呈陡坡狀， 現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象，現(xiàn)狀坡體較穩(wěn)定。 斜坡上覆土層為坡殘積～強風化凝灰?guī)r，覆蓋層厚度小，穩(wěn)定性弱，在爆破等外力作用下易產(chǎn)生坍塌；下部為中風化凝灰?guī)r，穩(wěn)定性相對較好，整個隧道出洞口的巖土體結(jié)構(gòu)完整性為較差～一般。

按JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[7]和JTG B01-2014《公路工程技術(shù)標準》[8]等的規(guī)定和要求，適應(yīng)現(xiàn)場地形狀況，棚洞結(jié)構(gòu)采用拱形棚洞貼壁的方式處置，靠山體側(cè)，斜交斜做，不開挖山體，斜做段棚洞結(jié)構(gòu)作為內(nèi)側(cè)暗挖段的虛擬洞壁，對內(nèi)側(cè)暗挖段的側(cè)壁初支起有效支撐作用。 棚洞結(jié)構(gòu)典型斷面如圖3 所示。

圖3 棚洞結(jié)構(gòu)典型斷面示意圖

下屏峰隧道洞口棚洞共長22 m，棚洞右側(cè)墻每隔3.5 m 開窗，窗戶尺寸為上半部直徑為2 m 的半圓，下半部分為寬2 m、高2 m 的方形，共開窗6 處；棚洞左側(cè)（靠山側(cè)）厚0.8 m，墻底（靠山側(cè)）采用2 m 寬擴大基礎(chǔ)（基礎(chǔ)深度按持力層深度調(diào)整），右側(cè)采用直立柱支撐＋擴大基礎(chǔ)的型式， 其中直立柱截面為變截面型式，最小厚度為1.9 m，外側(cè)墻坡度為1∶0.2，棚洞高12.3 m，直立柱下采用4.4 m×1 m的擴大基礎(chǔ)， 擴大基礎(chǔ)應(yīng)落在承載力在500 kPa 以上穩(wěn)定的地層；棚洞頂左側(cè)貼壁部分采用預(yù)應(yīng)力錨桿和非預(yù)應(yīng)力錨桿相結(jié)合的方式與山體連接成一個整體，增加棚洞的穩(wěn)定性；對棚洞基礎(chǔ)底部的原路基素填土進行處理，棚洞基礎(chǔ)底采用C20 混凝土回填處理；棚洞頂采用人工夯實素填土回填，上層覆蓋20 cm 厚膠泥防滲層。

3 棚洞結(jié)構(gòu)計算

本項目采用有限元分析軟件Midas/GTS NX 對隧道出口段進行模擬計算。 以下屏峰隧道棚洞段為核心區(qū)域，縱向取洞身長度140 m，橫向取圍巖寬度155 m，高度為原地表地層，建立計算模型。

下屏峰隧道以及棚洞的三維有限元網(wǎng)格圖如圖4 所示，采用以八節(jié)點六面體實體單元與四節(jié)點四面體實體單元來模擬巖體以及棚洞；采用四邊形板單元模擬初期支護噴射混凝土；采用植入式桁架單元模擬錨桿。 棚洞結(jié)構(gòu)縱向長度為22 m，寬度為14.6 m，在隧道出口段取長度為102 m 的隧道進行力學分析。 隧道圍巖的力學參數(shù)參照《高等巖石力學》以及下屏峰隧道的地質(zhì)報告進行選取，圍巖力學參數(shù)指標如表1 所示，數(shù)值計算中支護結(jié)構(gòu)采用的物理力學參數(shù)如表2 所示。

圖4 隧道與棚洞三維有限元網(wǎng)格圖

表1 圍巖力學參數(shù)指標

表2 支護計算物理、力學參數(shù)

計算中模擬了開挖、施作初期支護、施作二次襯砌的全過程，以及施工期間開挖釋放荷載的分步釋放，具體如下：（1）隧道棚洞段施工，分步完成棚洞施作、內(nèi)側(cè)開挖以及錨桿；（2）在棚洞施工完成后，在正常的隧道洞口段，按每隔2 m 設(shè)置1 個臺階的“上下臺階”法進行隧道掘進、開挖，開挖后初期支護緊跟；（3）當隧道掘進40 m 后，根據(jù)隧道圍巖特性，改用全斷面一次開挖成洞，開挖后初期支護緊跟；（4）最后施作二次襯砌。

3.1 應(yīng)力分析

隧道棚洞、圍巖的應(yīng)力云圖如圖5～8 所示。 從計算的第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力結(jié)果可知：隧道圍巖最大主拉應(yīng)力為0.46 MPa， 最大主壓應(yīng)力為4.19 MPa，均小于圍巖的抗拉及抗壓強度；棚洞的最大主拉應(yīng)力為0.62 MPa， 最大主壓應(yīng)力為2.08 MPa，均小于棚洞的抗拉及抗壓強度。 棚洞與圍巖的應(yīng)力數(shù)值如表3 所示。

圖5 棚洞第一主應(yīng)力云圖

圖6 棚洞第三主應(yīng)力云圖

圖7 圍巖第一主應(yīng)力云圖

圖8 圍巖第三主應(yīng)力云圖

表3 圍巖與棚洞應(yīng)力

3.2 位移分析

根據(jù)模型位移云圖（圖9～10）顯示：隧道開挖引起了隧道左右兩側(cè)的圍巖向洞內(nèi)變形， 最大水平向位移變化約為1.84 mm，可忽略不計；隧道拱頂最大沉降量約為4.58 mm， 仰拱最大隆起量約為4.8 mm，拱頂圍巖沉降和仰拱隆起值較小，也可忽略不計。

圖9 水平位移云圖

圖10 豎向位移云圖

3.2.1 錨桿位移分析

如圖11～12 所示，隧道開挖過程中，錨桿10 產(chǎn)生的豎向位移與水平位移最大，分別為-3.05mm 與2.1 mm，在允許范圍內(nèi)；而錨桿1 的豎向位移與水平位移很小，可忽略不計，說明棚洞起點位置安全性高；靠近棚洞端的錨桿水平位移比靠近山體側(cè)錨桿的水平位移大，而靠近棚洞端的錨桿豎向位移比靠近山體側(cè)錨桿的豎向位移小。

圖11 棚洞錨桿網(wǎng)格圖

圖12 棚洞錨桿位移曲線

3.2.2 仰拱位移分析

圖13 為棚洞仰拱最大位移處的豎向位移曲線圖， 中軸線位置仰拱的豎向位移最大， 最大值為3.45 mm，在允許范圍內(nèi)；中軸線兩側(cè)，靠山體側(cè)的豎向位移變化較小。

圖13 棚洞仰拱豎向位移曲線

綜上所述，數(shù)值模擬分析計算結(jié)果表明，隧道整個開挖過程及隧道施工完成后，其圍巖及棚洞均處于穩(wěn)定狀態(tài)。 隧道施工過程監(jiān)控量測、拱頂下沉、周邊收斂等數(shù)據(jù)表明，隧道在整個施工過程也是處于一個較為穩(wěn)定、安全的狀態(tài)。 隧道的棚洞結(jié)構(gòu)是適合下屏峰隧道出洞口的地形、地質(zhì)條件的。

4 結(jié)語

本文通過建立有限元數(shù)值模型來分析下屏峰隧道棚洞結(jié)構(gòu)的力學特性， 通過數(shù)字理論分析，結(jié)合現(xiàn)場實踐來驗證隧道棚洞結(jié)構(gòu)的安全性；可得出如下結(jié)論：（1）棚洞各部位的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均小于棚洞構(gòu)件的抗拉和抗壓強度， 棚洞結(jié)構(gòu)本身安全、可靠；（2）棚洞及隧道洞口段周邊圍巖單元大部分以受壓為主，其拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均小于圍巖本身的抗拉和抗壓強度；棚洞及隧道洞口段周邊圍巖是穩(wěn)定和安全的；（3）雖然隧道的開挖會引起隧道周邊圍巖變形，對棚洞、隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降、隆起等位移現(xiàn)象，但其數(shù)值較小，可忽略不計；棚洞、隧道結(jié)構(gòu)及周邊圍巖的位移、變形量小，是安全、可靠的。 下屏峰隧道棚洞結(jié)構(gòu)的實施，是福建省公路隧道建設(shè)中首例真正實現(xiàn)隧道“零開挖”進洞理念的工程，其設(shè)計新穎、景觀環(huán)保、結(jié)構(gòu)安全可靠，適宜用于陡峭山坡地段的隧道進洞， 具有一定的特色和參考價值，可為以后同類型工程建設(shè)提供借鑒。