崔洪峰

（河北路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050011）

1 工程概況

本工程位于地質(zhì)條件較復(fù)雜的山嶺重丘區(qū)的高速公路，整個(gè)工程分?jǐn)?shù)期進(jìn)行完成，現(xiàn)以其二期工程為例進(jìn)行研究，本期工程線路總長(zhǎng)達(dá)到90余千米，連拱隧道達(dá)到20座之多，其難度與規(guī)模在我國公路建設(shè)中屬罕見。因此，對(duì)其施工優(yōu)化進(jìn)行研究具有一定的代表性和典型性。

該工程所處位置主要以侵蝕中低山丘陵區(qū)為主，地貌主要是風(fēng)化剝蝕，且地勢(shì)十分陡峭。在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過勘察與分析，可以看到整個(gè)工程的地層巖性主要包括了三層，由上向下分別為：上層全新統(tǒng)沖積層，主要的巖性有亞砂土、中粗礫和卵礫石，其主要分布于隧道兩端的溝谷平原區(qū)；中層為第四系殘坡積層，主要的巖性有含碎石黏性土、含黏性土碎石和亞黏土，其厚薄不均勻，主要分布于隧道區(qū)基巖表層；下層為上侏羅統(tǒng)，主要分布與隧道區(qū)內(nèi)，其上覆蓋全新統(tǒng)沖積層或者第四系殘坡積層。圍巖分為II、III類。

2 偏壓連拱隧道施工模擬

2.1 圍巖物性指標(biāo)和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

在對(duì)連拱偏壓隧道施工進(jìn)行模擬之前要明確以下圍巖物性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，其具體數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 施工工法模擬

利用能夠同時(shí)對(duì)材料非線性和幾何非線性進(jìn)行模擬的快速拉格朗日有限差分FLAC程序?qū)θ龑?dǎo)洞工法和中央導(dǎo)洞與半斷面相結(jié)合工法進(jìn)行模擬。具體工法模擬如圖1、圖2所示。

2.3 計(jì)算系列

以t來表示隧道拱頂?shù)狡旅娲怪眱艟喔餐梁穸龋x擇具有典型性的淺埋地形偏壓覆土厚度，t取9m，依照具體的坡度變化，考察說明。Ⅱ類（取7種坡度）、Ⅲ類（取3種坡度）圍巖，以優(yōu)選出的施工工法，按“由外向里”及“由里向外”（里、外是相對(duì)山體而言）施工步驟，進(jìn)行施工全過程的模擬，計(jì)算系列共20組（如表2所示）。

表1 圍巖物性指標(biāo)和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 三導(dǎo)洞工法

圖2 中央導(dǎo)洞與半斷面相結(jié)合工法

表2 偏壓連拱隧道計(jì)算系列

2.4 計(jì)算建模

在進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)據(jù)研究計(jì)算之后，就要進(jìn)行計(jì)算建模，整體建模與偏壓連拱隧道建模如圖3、圖4所示。

圖3 整體建模

圖4 偏壓連拱隧道建模（坡度1∶1）

3 偏壓連拱隧道優(yōu)化施工力學(xué)研究

3.1 偏壓連拱隧道塑性區(qū)分布

從整體上來看，無論采用怎樣的施工工序，對(duì)于Ⅱ、Ⅲ類圍巖塑性區(qū)來說，都會(huì)呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱分布（如圖5所示）。

圖5 Ⅱ類圍巖偏壓連拱隧道不同工序施工引起塑性區(qū)分布

在對(duì)Ⅱ類圍巖進(jìn)行分析，考慮到地形偏壓的因素，在支護(hù)方面，應(yīng)該應(yīng)用長(zhǎng)錨桿或者是錨索為主的兩邊不等強(qiáng)的方法進(jìn)行支護(hù)。綜合看來，由于地形偏壓的影響，必然會(huì)造成Ⅱ、Ⅲ類圍巖連拱隧道塑性區(qū)分布有明顯差異的“偏壓”效應(yīng)。

在對(duì)圍巖塑性區(qū)的分布狀況與“偏壓”的坡度關(guān)系進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著坡度的增大，隧道兩端的塑性區(qū)也在不斷的擴(kuò)大，這個(gè)結(jié)果表明地形偏壓引起隧道結(jié)構(gòu)受力變得更加不利。在坡度不斷加大的情況下，出現(xiàn)了偏壓效應(yīng)導(dǎo)致隧道上方的塑性區(qū)不斷地延伸擴(kuò)展一直伸展到山體的坡面上，這個(gè)發(fā)現(xiàn)表明，在特定的條件下，偏壓效應(yīng)很有可能會(huì)引發(fā)隧道坍塌事故，給工程施工帶來的安全隱患。

研究施工工序?qū)λ苄詤^(qū)的影響時(shí)，在對(duì)兩種施工工序的結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，可以看出，在坡度保持相同的條件下，使用“先里后外”的施工工序比采取“先外后里”的施工工序所引起的圍巖松動(dòng)塑性區(qū)的范圍要大。由此可以得出，在地形偏壓的情況下，“先外后里”的施工工序?qū)ι襟w的擾動(dòng)比較小，是比“先里后外”施工工序更加優(yōu)越的施工工序，故可以考慮在實(shí)際工程中應(yīng)用此工序，進(jìn)行工程施工優(yōu)化。

3.2 連拱隧道中墻偏壓受力特征研究

圖6為連拱隧道中墻作用載荷模型，其所受到的載荷主要來自于兩方面，一方面是來自其自身上方所覆蓋的土的壓力載荷；另一方面是來自左右隧道施工之后，經(jīng)初期支護(hù)傳到中墻頂部的壓力載荷。

圖6 中墻作用荷載分析

圖7是Ⅱ、Ⅲ類圍巖連拱隧道在地形偏壓條件下，應(yīng)用兩種不同的施工工序?qū)τ谥袎λ茌d荷的影響情況。

圖7 Ⅱ類圍巖不同工序施工引起作用于連拱隧道中墻兩側(cè)載荷情況

從以上的研究結(jié)果可以看出，盡管有著地形偏壓的影響，但是變換施工工序卻可以對(duì)中墻是否承受偏壓以及受到偏壓的大小程度有著重要的影響。采用先里后外的工序進(jìn)行施工時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)山體內(nèi)部側(cè)隧洞給予中墻頂部載荷作用大于坡面外部側(cè)隧洞給予的載荷作用，具體如圖8b）、8d）、8f）所示。但是，當(dāng)變換施工工序?yàn)橄韧夂罄镏?，卻出現(xiàn)了II類圍巖連拱隧道“弱偏壓”及III類圍巖連拱隧道“無偏壓”狀況（如圖7a）、7c）、7e）、8a）、8c）、8e）所示）。

為了一目了然，將研究結(jié)果集數(shù)據(jù)整理成了圖表，設(shè)定偏壓系數(shù)為f偏=F1/F2，其中的F1是山體內(nèi)部隧洞的作用載荷；F2是坡面外部隧洞的作用載荷，具體情況見表3、表4。

圖8 Ⅲ類圍巖不同工序施工引起作用于連拱隧道中墻兩側(cè)荷載情況

表3 Ⅱ類圍巖連拱隧道中墻承受偏壓荷載分析

表4 Ⅲ類圍巖連拱隧道中墻承受偏壓荷載分析

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，施工工序?qū)?duì)結(jié)構(gòu)受力以及偏壓效應(yīng)有十分重要的影響，而相比之下，采用先外后里的施工工序具有明顯的優(yōu)勢(shì)作用。它能夠更好地緩減連拱隧道偏壓受力狀況，因此，建議采用此種工序進(jìn)行工程施工。

連拱隧道工程中主要存在“地形偏壓”和“施工偏壓”兩種偏壓效應(yīng)。施工偏壓效應(yīng)：中墻荷載（先修隧洞）＞中墻荷載（后修隧洞）；地形偏壓效應(yīng)：中墻荷載（山體側(cè)隧洞）＞中墻荷載（坡面?zhèn)人矶矗?。兩種施工工序的力學(xué)本質(zhì)比較，“先里后外”兩種不同工序施工的力學(xué)本質(zhì)。先里后外施工工序：偏壓荷載效應(yīng)＝地形偏壓效應(yīng)＋施工偏壓效應(yīng)；先外后里施工工序：偏壓荷載效應(yīng)＝地形偏壓效應(yīng)－施工偏壓效應(yīng)。由此可以得出先外后里是最優(yōu)化的施工工序。對(duì)偏壓連拱隧道的變性分析見表5。

表5 偏壓連拱隧道變形分析

4 結(jié)語

通過對(duì)工程的實(shí)際情況及自身特征進(jìn)行分析研究之后，確定出了“先外后里”的最佳施工工序，從最大程度上對(duì)連拱隧道偏壓受力的情況進(jìn)行了改善，使得“先外后里”工序成為淺埋偏壓情況下連拱隧道的優(yōu)化施工工序，這值得在實(shí)際的工程建設(shè)中進(jìn)行推廣應(yīng)用，具有極高的優(yōu)化工程施工的價(jià)值。最后附上經(jīng)研究分析之后得出的一些優(yōu)化施工方法及優(yōu)化施工工序的建議（如表6所示），以期為連拱隧道工程施工的優(yōu)化做貢獻(xiàn)。

表6 一般情況下偏壓連拱隧道優(yōu)化施工方法及施工工序

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