中圖分類號：U455.4 文獻標(biāo)識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.033文章編號：1673-4874（2025）04-0119-05

0 引言

高速公路建設(shè)在中國西部地形復(fù)雜、自然條件嚴(yán)峻的區(qū)域，需穿越隧道，橋梁架設(shè)與隧道掘進成為關(guān)鍵性工程挑戰(zhàn)[1]。特別是隧道工程的起始一洞口段的施工，面對不具備直接掘進條件的地帶，傳統(tǒng)方法存在技術(shù)局限，亟須創(chuàng)新思路以破局?！傲汩_挖\"理念主張在隧道掘進初期，避免對山體實施大規(guī)模削坡作業(yè)，力求最小化對自然山體穩(wěn)定性的干擾，從而維系原生生態(tài)平衡，完美契合國家力倡的“綠色、環(huán)保、低碳”公路建設(shè)愿景2。此理念的實施，要求工程師們依據(jù)施工現(xiàn)場的復(fù)雜實況，精心策劃施工方案，實現(xiàn)“零開挖”與高效施工、環(huán)境保護及經(jīng)濟合理性的高度融合與統(tǒng)一。

張小波等3依托江西遂大高速公路圓村隧道，構(gòu)建三維數(shù)值模型，精細區(qū)分管棚與加固區(qū)支護作用，并融入初支滯后效應(yīng)考量，為隧道開挖研究提供新視角；李國梁等[4]針對充填型巖溶隧道仰坡滑塌問題，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研與MuItiFracS軟件，深入剖析裂縫發(fā)展與圍巖變形，為難題求解提供科學(xué)依據(jù)；楊春山等5聚焦攀枝花陽光隧道建筑敏感區(qū)，系統(tǒng)分析開挖方案，創(chuàng)新提出進洞轉(zhuǎn)換體系設(shè)計；陳興等以格魯吉亞F3標(biāo)5號隧道為背景，對比微型樁墻與錨網(wǎng)噴支護下圍巖位移場及應(yīng)力場變化，深化隧道加固理論；楊輝等則針對貴州省桐梓隧道 4^? 斜井施工難題，提出洞內(nèi)外綜合加固策略，成功破解軟巖地層淺埋大斷面隧道下穿運營公路挑戰(zhàn)。根據(jù)當(dāng)前研究領(lǐng)域的分析8-10]，針對斜交地形條件下的復(fù)雜洞口施工挑戰(zhàn)，采用“零開挖”進洞施工策略被視為最為適宜的解決方案。

上述學(xué)者對隧道洞口穩(wěn)定性、隧道進洞施工等方面進行了大量研究，但山嶺隧道地質(zhì)復(fù)雜，需因地制宜開展進洞施工研究。本文基于那平高速公路平孟邊關(guān)隧道項目，針對灰?guī)r堆積體斜交坡體進口段，創(chuàng)新研究斜交地形隧道異形套拱“零開挖\"進洞施工技術(shù)。通過ABAQUS軟件進行數(shù)值模擬驗證，完成組合式半拱蓋挖擴大型異形套拱施工技術(shù)實施。融合地形地質(zhì)特征，實施加固措施，避免坡體開挖，減少明洞工程量，縮短工期。經(jīng)監(jiān)測驗證，方案可行，可為同類隧道工程提供參考。

1工程概況

平孟邊關(guān)隧道坐落于廣西百色市那坡縣地界內(nèi)。該隧道以分離式設(shè)計呈現(xiàn)，右線隧道為 rK44+265～YK49+ 075 ，全長為4 ；左線隧道為 2K44+285～2K49+075 總長度為4 790m₀ 平孟邊關(guān)隧道進口段圍巖等級為V級，洞口位于斜坡地段，分布高程為 460.00～538.50m 規(guī)模體積為（ 14×10⁴）m³ 。隧道軸線走向為 164^° ，自然斜坡坡面傾向為 270^° ，自然坡度為 30^° ，洞口局部山澗溝谷發(fā)育，沖溝切割5～10m深，呈“V\"形。如圖1所示。

圖1平孟邊關(guān)隧道剖面圖

洞口處坡體由崩塌的灰白色堆積物構(gòu)成，結(jié)構(gòu)為中等至密實，略帶濕潤，缺乏自穩(wěn)性，穩(wěn)定性較差。該堆積物源自鄰近的灰?guī)r山體崩塌，其主要成分是灰?guī)r。灰?guī)r巖體極度破碎，結(jié)構(gòu)松散，遭受了強烈的溶蝕作用。在巖體中發(fā)育有溶洞，或在巖塊之間形成了空隙，導(dǎo)致巖芯多呈碎塊狀或短柱狀。坡體表層的堆積物結(jié)構(gòu)松散，容易發(fā)生沖刷和變形破壞，導(dǎo)致水土流失。此外，堆積巖體的節(jié)理較為發(fā)育，容易沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生楔形破壞或沿著堆積體的低界面發(fā)生滑動變形破壞。

2 數(shù)值模擬

2.1幾何模型的建立

基于隧道工程設(shè)計的精密理論框架，隧道掘進活動對周邊巖體應(yīng)力場的擾動區(qū)域延展至開挖輪廓線外側(cè)。為確保數(shù)值模擬的邊界條件不會歪曲分析精度，模型在橫向 （X 軸）豎向（ Y 軸）及縱向（Z軸）三個維度上的尺寸設(shè)定需遵循嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿媅11。依據(jù)圣維南原理，模型在X 軸上以隧道中心線為基準(zhǔn)，左右各擴展至3倍洞徑；Y軸上則依據(jù)隧道下方二級公路的實際高度設(shè)定上界，下界則取隧道中線以下3倍洞高；Z軸長度定為 30m_c 地表設(shè)為自由界面，其余邊界施加法向約束，并計入巖土體自重，忽略地形構(gòu)造應(yīng)力影響。

由于平孟邊關(guān)隧道入口端屬淺埋偏壓地段，故采取單向進洞方案（兩洞不相互影響），又考慮到圍巖性質(zhì)極差，在做好超前支護的前提下采用預(yù)留核心土開挖法進行暗洞開挖支護，整體建模見圖2。其中管棚作為拱形承載結(jié)構(gòu)，在圍巖重力荷載的作用下，拱形結(jié)構(gòu)于拱腳處誘導(dǎo)出水平支反力，這一力學(xué)機制巧妙地轉(zhuǎn)化為抵抗圍巖水平壓力，如圖3所示。

植入式梁單元用于模擬微型樁與錨桿，省去了界面單元設(shè)置，力學(xué)參數(shù)依據(jù)物理試驗與地質(zhì)勘察報告綜合確定[12]，如表1所示，確保模擬的高度精確性。

表1數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)表

注：本表參數(shù)系根據(jù)室內(nèi)試驗成果并結(jié)合文獻及有關(guān)規(guī)范綜合確定

2.3 超前支護

隧道超前支護體系采用外徑為108mm的無縫鋼管構(gòu)建，管壁厚度為6mm，實施分段接長工藝，單節(jié)長度分別為 3m，6m 及9m。管棚系統(tǒng)環(huán)向間隔距離設(shè)定為0.5m ，總設(shè)計長度為 27m₀ 各支護管體末端需焊接12道環(huán)形加強箍以增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。相鄰管節(jié)的首段長度按照奇偶數(shù)序交替配置，偶數(shù)序管段起始節(jié)采用3m短管，奇數(shù)序管段則選取6m管節(jié)作為首段。末段統(tǒng)一采用9m標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)，確保整體支護結(jié)構(gòu)達到設(shè)計長度要求。初始管段前端需加工成錐形導(dǎo)引結(jié)構(gòu)，并在端部集成硬質(zhì)合金復(fù)合鉆頭，有效預(yù)防管端變形及開裂現(xiàn)象。連接部位采用加厚型套管銜接，螺紋嚙合長度須達到15cm以上。詳見圖4。

圖2三維數(shù)值模型主視圖

圖4長管棚大樣圖

實施接續(xù)作業(yè)時，遵循“先頂進后連接”的原則，即在前段鋼管頂進導(dǎo)向孔到位后，再進行后續(xù)管段的接續(xù)作業(yè)。管節(jié)縱向拼接嚴(yán)格實施錯縫布置，通過奇偶序管節(jié)長度差異化管理，確保荷載分布符合結(jié)構(gòu)力學(xué)要求[13]。

2.4計算結(jié)果分析

圖3管棚拱形效應(yīng)示意圖

隧道掘進后，模型既有的應(yīng)力穩(wěn)態(tài)發(fā)生顛覆并歷經(jīng)再分配，隧道掘進后，模型既有的應(yīng)力穩(wěn)態(tài)發(fā)生顛覆并歷經(jīng)再分配[14]，位移監(jiān)測點如圖8所示。拱頂上部區(qū)域呈現(xiàn)差異化沉降態(tài)勢，拱頂沉降峰值達 26.6mm ，而拱腰下部則出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，隆起極值為 25.8mm ，兩者均未超越預(yù)設(shè)安全閾值 50mm. 。此外，隧道開挖顯著引發(fā)地面、拱腳及拱腰區(qū)域的正向水平位移擴展，且影響范圍擴大。尤為值得關(guān)注的是，右側(cè)地面與左側(cè)腰部及右側(cè)腳部呈反向水平位移趨勢，其中，右側(cè)拱腰正向位移峰值達9.8mm 。斜交地形隧道異形套拱“零開挖”進洞擬采取的暗洞施工方案對圍巖變形的控制較好，符合設(shè)計規(guī)范允許變形量。見圖5至圖9。

2.2材料屬性的確定

采用有限元軟件ABAQUS建立三維數(shù)值計算模型，

圖5數(shù)值模型圍巖豎向位移云圖

圖6數(shù)值模型圍巖橫向位移云圖

圖7量測測線布置圖

圖8數(shù)值模型拱頂?shù)鬃冃吻€圖

圖9數(shù)值模型周邊收斂曲線圖

3斜交地形隧道異形套拱“零開挖”進洞施工

3.1半拱蓋挖擴大型異形套拱施工技術(shù)

3.1.1半拱蓋挖擴大型異形套拱

半拱蓋挖擴大型異形套拱是針對淺埋偏壓隧道進洞難題提出的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，其核心在于通過異形鋼拱架與套拱結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，實現(xiàn)不擾動山體條件下的安全進洞。根據(jù)實測地面線確定坡體交接點，在明洞與坡體交接點處不開挖山體的情況下，采用半拱蓋挖法進洞，即利用半拱蓋挖擴大型異形套拱作為內(nèi)模的蓋挖法，半拱蓋挖擴大型異形套拱段長度為2m整環(huán)套拱段 + 半拱蓋挖非整環(huán)套拱段（如圖10和圖11所示）。

圖10異形套拱型鋼正視圖

3.1.2 技術(shù)要點

半拱蓋挖擴大型異形套拱整環(huán)套拱起點樁號為2K49+072，2m 整環(huán)套拱段布設(shè)I20b套拱型鋼拱架，間距為75cm，該段作為第一環(huán)管棚的固定端；半拱蓋挖起點樁號為 21lt;49+070 ，半拱蓋挖終點樁號為 $2 1 lt; 4 9 + 0 6 4 。$ 半拱蓋挖非整環(huán)套拱段布設(shè)I20b套拱型鋼拱架，間距為75cm，半拱蓋挖擴大型異形套拱段采用兩層鋼拱架進行支護，鋼拱架依據(jù)斜交地形設(shè)計的半拱蓋開挖邊線進行加工安裝，確保拱架落于堅實基礎(chǔ)上嵌入巖體 =50cm 0且每一處落腳的地方均設(shè)置2根4.5m長的 ?42 mm鎖腳鋼管，鎖腳鋼管應(yīng)與鋼架牢固焊接，套拱末端需頂?shù)缴襟w。在半拱蓋挖擴大型異形套拱內(nèi)布設(shè)33個?127mm×4mm 孔口管，孔口管需沿半拱蓋開挖邊線進行加工安裝，保證孔口管安設(shè)的平面位置、傾角、外插角的準(zhǔn)確度，確保孔口管末端應(yīng)頂?shù)缴襟w，孔口管通過?22 mm定位鋼筋與I20b工字鋼焊為整體。待半拱蓋挖擴大型異形套拱結(jié)構(gòu)安裝完畢即可開始支模板澆筑套管混凝土。

圖11異形套拱型鋼平面布置圖

圖12主要施工流程圖

3.2 施工工藝流程

依據(jù)測量組所放的線，針對套拱基礎(chǔ)的安設(shè)位置開展掏槽作業(yè)。所挖的土槽在縱向?qū)挾壬吓c型鋼厚度一致，采用人工開挖并借助風(fēng)鎬輔助的方式進行土槽開挖。土槽挖好后，其內(nèi)部表面需成型良好，杜絕超挖與欠挖現(xiàn)象，以此確保初期支護的厚度達標(biāo)。套拱兩側(cè)的基礎(chǔ)則利用炮頭機開挖，基礎(chǔ)深度為1m，寬度為60cm，隨后澆筑C15片石混凝土。同時，要求套拱基礎(chǔ)的地基承載力?150kPa ，待套拱基礎(chǔ)混凝土強度達到設(shè)計規(guī)定后，方可安裝工字鋼拱架。在安裝前，鋼拱架應(yīng)在水泥地面上進行試拼，其周邊拼裝的允許偏差控制在 ±3cm ，平面翹曲程度需 $lt; 2 c m 。

型鋼鋼架之間一般采用業(yè) 22mm 鋼筋連接，在接頭鋼板兩端必須采用I14型鋼加強縱向連接，I14型鋼端頭與初支型鋼腹板焊接。每環(huán)型鋼拱架各節(jié)段之間用M20高強螺栓螺母連接。半拱蓋挖擴大型異形套拱開挖時需留核心土，不得隨意切坡，只有待管棚施作完以后，才能擴挖。半拱蓋挖擴大型異形套拱混凝土澆筑完畢后，需及時進行灑水養(yǎng)護，連續(xù)養(yǎng)護齡期 agt;7d 當(dāng)混凝土的強度達到設(shè)計拆模要求后，方可拆模。主要施工流程如圖12所示。

圖13所示為期50d的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總，其中圖13（a）揭示拱頂累計沉降量達到25. 5min ，并于約30d時趨于穩(wěn)定狀態(tài)，而拱底則累計隆起 17.9mm ，兩者形變均遠低于設(shè)計許可閾值 50mm ，充分驗證了圍巖的穩(wěn)固性。進一步觀察圖13（b）可知，洞口段圍巖周邊收斂在第40d趨于穩(wěn)態(tài)，數(shù)值為15. 6mm 。盡管已趨穩(wěn)定，為確保安全，仍依據(jù)監(jiān)控量測方案實施了全程50d的監(jiān)測，最終確認圍巖周邊收斂穩(wěn)定于16. 4mm ，再次印證了圍巖的穩(wěn)定性能。

3.3 監(jiān)控量測

圖13監(jiān)控量測測線布置和數(shù)據(jù)統(tǒng)計示意圖

4結(jié)語

平孟邊關(guān)隧道進口段圍巖等級為V級，崩塌堆積體來源于鄰近灰?guī)r山體崩積堆積形成。崩塌堆積體主要分布于隧道進口端山坡表層，分布高程為 460.00～ 538. 50m ，規(guī)模體積為 （14×10⁴）m³"，洞口位于斜坡地段，隧道軸線走向為 164^°"，自然斜坡坡面傾向為 270^°"，自然坡度為 30^°"。

（1）利用ABAQUS軟件對擬定的暗洞施工方案進行數(shù)值模擬分析計算，得到了拱頂最大下沉量為26.6mm，拱底的最大隆起量為25. 85mm ，變形量屬設(shè)計容許值以內(nèi)，方案可行。

（2）通過設(shè)置監(jiān)測斷面，對斷面進行密切監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總得出：拱頂?shù)睦塾嫵两盗繛?5. 5min ，拱底的累計隆起量為 17.9mm ，兩者均比數(shù)值模擬結(jié)果低，且滿足設(shè)計容許值，驗證了暗洞施工方案的可行性。

（3）采用斜交地形隧道異形套拱“零開挖”進洞施工工法，滿足現(xiàn)場施工要求和綠色施工“環(huán)境保護”的要求，達到綠色施工示范工程的實施效益。 $＼textcircled { ＼circ }$

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