復雜條件下半明半暗連拱隧道洞口設計

鄔龍剛，楊開彪

(廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010)

連拱隧道開挖跨度較大，結構組成復雜，施工工序繁多，開挖和支護施工相互交錯進行，結構受力的復雜程度和施工難度遠大于分離式隧道。隧道洞口設計是連拱隧道的重點及難點，常因設計不合理導致洞口處隧道半邊埋深過淺甚至露空，隧道洞口地形偏壓嚴重。采用傳統隧道方案會導致路基靠山側刷方量巨大，開挖時若不及時支護或支護不當易產生較大規?；?，形成高陡邊坡導致臨近洞口建(構)筑物出現險情。

相比于傳統方案，半明半暗連拱隧道施工方案在保證安全的前提下可大大減少對山體的開挖，使公路與地形較好地協調。目前對半明半暗連拱隧道無統一的標準計算方法，通常在某些假定條件下采用有限元軟件進行分析，對淺埋偏壓且洞口臨近重要建筑物等復雜情況下連拱隧道的研究較少。該文結合工程實例，在洞口地表偏斜、超淺埋、臨近重要構筑物等不利因素疊加的情況下，采用“半明洞+半護拱”的半明半暗結構形式入洞，對臨近電塔采用樹根樁進行保護，并通過SoilWorks軟件分析論證該方案的安全性。

1 工程概況

某雙向六車道連拱隧道采用雙連拱暗挖形式，全長167 m(K0+688—855)，包含北端半明半暗洞口段35 m、暗挖段117 m、南端明洞段15 m，設計速度60 km/h。隧道縱坡為-0.37%，北高南低。單洞凈寬為15.2 m，凈高為9.77 m。按新奧法原理采用復合式襯砌，初期支護采用錨噴支護，二次襯砌為模筑混凝土襯砌。采用曲墻式襯砌，初期支護采用C20噴射混凝土，二次襯砌采用鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為C35，抗滲等級為P8。

北端洞口K0+688—723段地勢起伏較大，左低右高，洞身范圍地形高差達10 m，且隧道西側10 m處存在一110 kV高壓電塔無法遷改。該高壓線與隧道兩處斜交，距隧道范圍地面最近距離僅15 m(見圖1)。電力部門要求擬建隧道施工中確保電塔安全且滿足安全施工凈距要求(見圖1)。

圖1 隧道洞口現狀地貌

隧道北端洞口場地巖土層主要由全、強風化混合花崗巖組成，全、強風化層呈堅硬土狀、半巖半土狀，局部呈碎石狀；局部由混合花崗巖殘積砂質黏性土及中風化混合花崗巖組成(見圖2)。巖土層具有遇水軟化、崩解、巖質軟、強度低等特點。

圖2 半明半暗洞口示意圖

擬建道路沿線所在地區抗震設防烈度為Ⅶ度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組。建筑場地類別為Ⅱ的地段，場地特征周期為0.35 s；建筑場地類別為Ⅲ的地段，場地特征周期為0.45 s。

2 設計方案研究

因北端洞口所處場地地勢起伏較大，附近存在高壓電塔。高壓電塔采用擴大基礎，其基礎距隧道外邊線僅7.6 m，其上高壓電線距地面距離較小，如采用抗滑樁+預應力錨索等路塹支擋方式通過，易對電塔造成較大擾動，且高壓電線下方凈空有限，無法滿足打樁、鋼筋籠吊裝等施工作業要求。另外，抗滑樁方案臨空面高度約12 m?？紤]后期錨索維護保養及山體植被恢復等環保因素，經綜合比選，確定半明半暗的隧道通過方案，即先行施工左側明洞及中隔墻，利用已建成的左側明洞及中隔墻為右洞護拱提供反力，確保護拱下右洞暗挖安全。

2.1 設計方案

為確保隧道施工安全及進洞右側2號電塔安全，對右洞右側山體采用樹根樁加固，并進行左洞拱腳及中隔墻預制方樁地基加固。設計方案如下：

(1) 主洞開挖采用預留核心土環形導坑方法，核心土的縱向長度不小于5 m，高度不小于4 m。胸坡設為1∶0.2，因圍巖完整性、風化程度、地下水發育等原因導致坡面難穩定，加噴混凝土。每循環進尺噴混凝土一次，掌子面噴5 cm厚混凝土封閉。

2.1 兩組臨床療效對比 研究組顯效23例，有效21例，無效2例，對照組顯效21例，有效22例，無效9例，研究組治療總有效率（95.65%）高于對照組（82.69%），差異有統計學意義（χ2=4.114，P=0.043）。

(2) 樹根樁支護。開挖前在電塔與隧道之間打設4排直徑25 cm、間距35 cm(或50 cm)樹根樁，排距為60 cm(或80 cm)，樁長為至隧道支護底面以下5 m (或3 m)。

(3) 初期支護鋼架采用I22b型鋼，全環設置；二次襯砌采用C35鋼筋混凝土。

(4) 為控制沉降，拱墻鋼架設鎖腳錨管并墊型鋼，且初期支護盡早封閉成環。每榀鋼架采用4根鎖腳錨管，鎖腳錨管采用φ42鋼花管并注水泥漿。

(5) 若電塔的沉降變形超過設計或相關規范容許值，則對電塔補充跟蹤注漿措施，確保其安全。

2.2 施工步驟

步驟1：跳槽開挖左洞1部，開挖后立即在坑槽兩側坡面噴射厚10 cm C20混凝土，依次施作右洞外側電塔加固樹根樁、左洞基礎處理預制方樁(見圖3)。

圖3 施工步驟1示意圖

步驟2：施作左側明洞，并采用C20混凝土回填左洞左下角開挖基槽；施作中隔墻，在墻右側上、下角預埋鋼筋和鋼板(見圖4)。

圖4 施工步驟2示意圖

步驟3：待明洞及中隔墻施工完成并達到設計強度后，跳槽開挖右上部邊坡并錨噴支護；回填右洞至護拱內輪廓線，澆筑42 cm厚護拱；待護拱混凝土初凝后，立即采用M10漿砌片石及土石同步對稱回填護拱兩側三角區；護拱達到設計強度后，同步對稱回填土石至護拱頂0.5 m(見圖5)。

圖5 施工步驟3示意圖

步驟4：在護拱的保護下采用側壁導坑法依次開挖Ⅰ～Ⅴ部并施作初期支護，待初期支護變形穩定后，施作暗洞二次襯砌；待二次襯砌達到設計強度后，進行洞門墻基礎土石方開挖，并施作洞門端墻；最后回填土石至設計標高(見圖6)。

圖6 施工步驟4示意圖

3 半明半暗連拱隧道數值分析

采用SoilWorks有限元軟件對上述施工方法進行數值模擬計算。選取電塔處截面進行分析，模型計算范圍為隧道左、右、下側約70 m，模型共劃分為14 835個單元(見圖7)。

圖7 計算模型

隧道巖土層的物理力學指標依據勘察報告及《公路隧道設計細則》取值(見表1)，支護材料參數見表2。隧道施工步驟見表3，其中工序11見圖8。

圖8 工序11示意圖

表1 各巖土層力學參數

表2 支護材料參數

表3 隧道施工步驟

隧道變形分析結果見圖9、圖10、表4、表5，內力分析結果見圖11～13。隧道施工過程中，中隔墻的最大水平變形為1.9 mm，電塔側的偏壓力由左側隧道和回填土抵消，半明半暗工法可較好地控制隧道的水平變形；最大彎矩為54 kN·m(出現在右側拱腰位置)，最大軸力為742 kN(出現在右側拱腳處)，最大剪力為171 kN(出現在右側拱腰位置)，隧道受力以軸力為主。

圖9 隧道水平位移(單位：mm)

圖10 隧道豎向位移(單位：mm)

表4 隧道變形 mm

表5 中隔墻水平位移 mm

圖11 隧道彎矩(單位：kN·m)

圖12 隧道軸力(單位：kN)

圖13 隧道剪力(單位：kN)

取靠近隧道側的電塔基礎為分析對象，變形分析結果見表6。半明半暗隧道施工對臨近電塔的影響以水平位移為主，施工過程中最大水平、豎向和總位移分別約4.7 mm、1.4 mm、4.9 mm，水平位移在可控范圍內，半明半暗工法可較好地控制臨近建(構)筑物的變形。

表6 電塔基礎變形 mm

4 施工注意事項

(1) 右洞開挖遵循“短進尺，多循環，初期支護緊跟掌子面”的原則，采用人工或機械開挖，不得采取爆破工藝；施工中加強對圍巖的監控量測，發現圍巖變形不收斂或其他異常情況時采取加強措施，保證安全。

(2) 施工過程中如發現邊坡不穩，立即采取臨時防護措施，并通知參建各方予以解決。

(3) 為探明隧道中可能出現的斷層破碎帶、突然涌水等不良地質，提前掌握掌子面前方的地質及水文地質情況，施工過程中進行地質超前預報。

(4) 因圍巖完整性、風化程度、地下水發育等原因導致坡面難穩定時加噴混凝土，每循環進尺噴一次，掌子面噴5 cm厚混凝土封閉。

(5) 隧道開挖后逐段核對地質資料，及時進行初期支護并根據監控量測資料確定二次襯砌施作時間。發現與設計地質資料出入較大時，通知設計單位及時修正支護參數及施工方法。對勘察報告中提及的存在孤石地段，施工時引起重視，必要時采取加強措施。

(6) 建立日常量測管理機制，加強洞內、洞頂、地表的監控量測。隧道開挖后施作初期支護的同時加強對洞室收斂變形、圍巖內部變形、地表沉降的監測，發現異常及時匯報監理、設計、業主三方，及時采用補強的支護措施，控制變形。

(7) 隧道施工中嚴密觀測電塔的振動監測點，其報警值應符合電力部門要求。

5 實施效果

現場施工監測數據顯示，電塔基礎的最大變形為3.6 mm，隧道中隔墻變形為2.4 mm。目前隧道已施工完畢，位移已穩定。監測結果和有限元分析結果較吻合，驗證了半明半暗工法在洞口地表偏斜、超淺埋、臨近重要構筑物等復雜條件下的適用性。

6 結論

(1) 針對洞口地表偏斜、超淺埋、臨近重要構筑物等不利因素疊加的情況，通過總結工程實踐經驗，采用“半明洞+半護拱”的半明半暗隧道結構形式。采用有限元分析軟件對各施工步驟進行數值模擬計算，計算結果與現場監測結果吻合，驗證了半明半暗連拱隧道施工方法在洞口地表偏斜、超淺埋、臨近重要構筑物等因素疊加情況下的可行性。

(2) 半明半暗連拱隧道施工過程中，右側隧道拱頂處的水平位移和豎向位移大于左側隧道，左側隧道拱腳的豎向位移大于右側隧道。

(3) 暗洞隧道施工過程中的最大彎矩為54 kN·m，位于右側拱腰處；最大軸力為742 kN，位于右側拱腳處；最大剪力為171 kN，位于右側拱腰處。隧道受力以軸力為主。

(4) 隧道施工過程中電塔基礎最大水平、豎向和總位移分別約4.7 mm、1.4 mm、4.9 mm，半明半暗工法可較好地控制臨近建(構)筑物的變形。