山嶺隧道樁拱式明洞洞口段開挖變形分析

文＿方 鵬 （廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，專任教師，講師、工程師，碩士）

蘇 芳 （廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，高級工程師）

山嶺隧道洞口段作為整個隧道施工的第一道工序，設(shè)計加固方式和施工方案影響工程整體的施工安全、質(zhì)量、進度及經(jīng)濟效益。大多數(shù)隧道洞口段地質(zhì)條件復(fù)雜、斷面面積大，開挖跨度和施工難度高，當采用暗挖法進洞難度較大時，可考慮采用接長明洞的方式進洞。當隧道洞口段接長了明洞，并且在洞頂完成回填土施工后，則可以有效地避免洞口出現(xiàn)高、陡邊坡，以此保證邊仰坡的穩(wěn)定。樁拱式明洞則是一種適用于山嶺隧道洞口段軟弱地層，且符合減少洞口段開挖土體量要求的高空間利用率新型明洞結(jié)構(gòu)。樁拱式明洞結(jié)構(gòu)主要由“鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐+頂拱結(jié)構(gòu)”三部分組成，圖1為樁拱式明洞結(jié)構(gòu)示意圖。當前，樁拱式明洞作為一種比較新式的明挖構(gòu)造，國內(nèi)外對其主要構(gòu)件的力學(xué)特性和施工受力轉(zhuǎn)換過程認識相對較淺，張明聚等人分析了基于PBA工法的地下洞室施工變形風(fēng)險，王玉鎖、周良、李正輝等人分析了落石沖擊下單壓式拱形明洞的力學(xué)響應(yīng)及回填方式，李智鵬、姚玉相分別采用時間效應(yīng)和離散單元法對明洞的力學(xué)性能進行分析。但是還缺少結(jié)合現(xiàn)場實際開挖監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬進行對比的分析，缺少相關(guān)文獻的研究成果，山嶺隧道樁拱式明洞洞口段開挖變形特征也缺少系統(tǒng)性的研究，因此，分析樁拱式明洞結(jié)構(gòu)的施工過程性能及變形特征顯得尤為重要。

圖1 樁拱式明洞結(jié)構(gòu)示意圖

一、工程概況

廣西某隧道所處位置較為復(fù)雜，地形環(huán)境高低起伏，周圍遍布高山與丘陵，山體全長及局部埋深均較大，洞口明洞段至明暗挖分界段主要處于粉質(zhì)黏土、粗角礫土及碎石土中，由于此處埋深較淺且地質(zhì)條件較差，進口位置山勢陡峭，有大小為10°～25°的縱向自然坡度及5°～45°的橫向自然坡度，局部存在著極為陡峭的山崖，植被覆蓋率約60%。該隧道進口段項目創(chuàng)新性地采用了樁拱式大跨度明挖結(jié)構(gòu)，借助FLAC3D模擬軟件完成對樁拱式明洞與隧道洞口段三維空間結(jié)構(gòu)等模型的構(gòu)建，本文重點對其關(guān)鍵部位展開施工力學(xué)性能及開挖變形特征分析。

二、數(shù)值模擬

FLAC是由美國ITASCA公司研發(fā)推出的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件，也是一種廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域的國際通用專業(yè)分析軟件，具有強大的計算功能和廣泛的模擬能力，尤其在處理變形問題方面具有較多獨特優(yōu)勢。其以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為處理對象，可借助拉格朗日連續(xù)介質(zhì)法對對象展開精確分析，還能夠細致地完成巖土等材料的三維力學(xué)行為研究。與離散元相比，F(xiàn)LAC軟件具有與其相似的算法及基本原理，但對于結(jié)點位移連續(xù)來說，以其變形連續(xù)介質(zhì)為處理對象顯得更有優(yōu)勢，可以進行較為精確的分析。因此，本文在對樁拱式明洞結(jié)構(gòu)的研究過程中，參考大量高速公路隧道明洞回填設(shè)計與分析，并結(jié)合地鐵車站洞樁法施工變形和結(jié)構(gòu)受力分析的研究成果，對已有重點和其動態(tài)施工狀態(tài)進行分析，借助FLAC3D有限差分軟件對其展開數(shù)值模擬，并與實際開挖變形監(jiān)測結(jié)果進行對比分析。

（一）明洞結(jié)構(gòu)形式比選

圖2是常規(guī)明洞與樁拱式明洞兩種結(jié)構(gòu)形式的明洞回填土對比示意圖，分別用不同圖例進行表示。若以常規(guī)拱式明洞為研究對象，則可通過對兩種圖例的面積進行求和來算取開挖部分的面積；若以常規(guī)明洞部分為參照，則樁拱式明洞具有更大的圖形面積，大約為常規(guī)明洞面積的1.50倍。因此，樁拱式明洞可實現(xiàn)對填土方量的有效控制，使其僅需前者50%的填土方量。一般在修建樁拱式明洞的過程中，較少出現(xiàn)需要修筑高邊坡的情況，在常規(guī)明洞高邊坡施工過程中，保障安全的臨時支護工程量較大，在填土完成后，還需要完成明洞支護的修建。對于樁拱式明洞來說，在施工、運營等階段中，鋼筋混凝土支撐與鉆孔灌注樁的作用均能得到極大發(fā)揮，能夠作為永久支護，它們屬于明洞結(jié)構(gòu)的重要組成部分，可使其安全性得到顯著提升。對兩種明洞對比分析結(jié)果的研究可發(fā)現(xiàn)，樁拱式明洞具有更小的洞口開挖量，可實現(xiàn)對施工及運營風(fēng)險的有效控制，另外因其結(jié)構(gòu)設(shè)計較為簡單、施工快，可大幅降低施工成本。

圖2 兩種結(jié)構(gòu)形式明洞回填土比較示意圖

（二）施工工序

山嶺隧道洞口段是整個隧道修建的關(guān)鍵部位，應(yīng)做好充分的施工準備，施工方案、工序部署也較為重要。在該隧道進口段位置，結(jié)合圍巖及地質(zhì)特點、環(huán)境保護、邊坡支護及開挖土石方量等內(nèi)容對樁拱式明洞展開分析，根據(jù)分析結(jié)果制訂施工方案，以便合理地選擇施工方式與洞口結(jié)構(gòu)形式。以樁拱式明洞為研究對象，借助數(shù)值模擬法對其施工過程展開深入研究，重點研究其變形規(guī)律。本文以混凝土橫撐與拱頂為研究對象，在尚未完成填土?xí)r，以土壓力理論為依據(jù)，借助類似明洞分析經(jīng)驗結(jié)果，利用FLAC3D模擬來對兩者的變形與受力特性進行研究。

1.常規(guī)拱式明洞施工流程

（1）土方開挖結(jié)束后，可立即設(shè)置圍擋，采用常規(guī)1∶1比例完成對坡度的設(shè)置，放坡開挖結(jié)束之后，需使其位置處在仰拱標高處。

（2）準備工作就緒后，進行仰拱及邊墻的設(shè)計。

（3）進行上部拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對拱頂兩側(cè)進行回填處理。

（4）待拱圈混凝土達到設(shè)計強度后進行墻背防水處理，完成墻背回填覆土及邊坡支撐防護。

2.樁拱式明洞的施工流程

（1）土方開挖結(jié)束后，對圍擋進行設(shè)置，以1∶1比例完成坡度設(shè)置，在放坡開挖結(jié)束之后，需使其位置處在仰拱標高處。

（2）開始鉆孔灌注樁、冠梁施工及預(yù)應(yīng)力混凝土支撐作業(yè)。

（3）分層分段進行基坑開挖，基坑底達到設(shè)計標高后停止開挖，在灌注樁間進行掛鋼筋網(wǎng)并噴射混凝土施工。

（4）按照施工方案中的特定工序進行底板與側(cè)墻的施工，完成預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的張拉施工，再進行拱頂防水處理，在混凝土達到設(shè)計強度要求之后，完成覆土回填，最后以邊坡為處理對象，完成防護施工。

通過對兩者施工工序流程的對比分析可知，不同于常規(guī)拱式明洞，樁拱式明洞的施工工序更復(fù)雜；而從整體角度展開分析時，兩者施工難度均較低，但樁拱式明洞的安全性更高。

（三）樁拱式明洞結(jié)構(gòu)模型建立

在對支護樁變形規(guī)律的研究過程中，以每延米明洞為處理對象，即將其作為相應(yīng)的平面應(yīng)變問題進行處理，同時應(yīng)考慮基坑開挖的空間效應(yīng)。樁拱式明洞施工過程中設(shè)置的支護樁無論是在施工期還是在后續(xù)運營過程中，均能夠發(fā)揮永久支護結(jié)構(gòu)的作用。在對施工過程進行模擬時，應(yīng)采用數(shù)值模擬的方式以得到更為精確的結(jié)果，以確保樁拱式明洞運營過程中的安全性。

1.物理力學(xué)參數(shù)

（1）材料的模擬。對混凝土結(jié)構(gòu)的模擬處理。在隧道混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土拱頂與橫撐結(jié)構(gòu)相連接，鋼筋被混凝土包裹，兩者通過相互配合來受力，存在著復(fù)雜的聯(lián)系。在建模處理時，需要注意其耦合性；在進行數(shù)值模擬分析時，需要利用等效原則，以鋼筋彈性模量為處理對象，在完成對其的折算支護后，才能夠顯著提升混凝土彈性模量。

對支護樁力學(xué)模型的處理。在對實際工程進行模擬時，如需建立支護樁模型，則勢必會加大建模的復(fù)雜性。在施工過程中，由于支護樁間的間距較小，研究表明其與地下連續(xù)墻的受力情況極為相似，可用近似的方法來完成對其的處理，對模型中的支護樁進行簡化。

對冠梁的處理。在實際工程中，需要考慮支護樁、混凝土橫撐及頂拱等部位的連接，通?？刹扇〖訉挼姆绞絹韺诹哼M行處理，雖然其橫截面與標準矩形截面存在一定差距，但在進行數(shù)值模擬時，可用標準矩形截面來代替，計算結(jié)果不會受到影響。

（2）對材料參數(shù)進行確定。因為實際地層具有較為復(fù)雜的分層，在計算過程中，當?shù)貙泳哂邢嗨频牡刭|(zhì)條件時，應(yīng)進行合并處理。合并處理之后的土層具有三層結(jié)構(gòu)，可結(jié)合工程經(jīng)驗與地勘資料為依據(jù)進行資料選取，表1為土層所具有的主要參數(shù)。

表1 主要地層參數(shù)

以支護材料為計算對象，支護結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如表2所示。

表2 支護結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

2.數(shù)值計算模型

為了得到精確的計算結(jié)果，需要合理選取模型尺寸，現(xiàn)對樁拱式明洞周圍的土體展開深入分析，對影響模型計算效率與結(jié)果的因素進行研究。根據(jù)已有數(shù)據(jù)經(jīng)驗，若將影響范圍設(shè)置為3～5倍洞體最大尺寸時，對模型的影響幾乎可忽略。以明洞的實際幾何尺寸為依據(jù)，通過對現(xiàn)場地形地貌的細致分析選取模型尺寸，最終確定其深度與寬度分別為100m和200m。對于整個模型而言，其縱向深度與實際長度相近，實際長度為14.60m，可對其模型縱向深度進行取整處理，即取值為15m。在對網(wǎng)格進行劃分時，需確保明洞結(jié)構(gòu)附近區(qū)域網(wǎng)格較為密集，遠處網(wǎng)格較為稀疏，才可實現(xiàn)對網(wǎng)格的有效控制，得到較為精確的分析結(jié)果。以計算模型的尺寸為依據(jù)，共完成了對28764個節(jié)點及25940個單元的剖分。圖3為網(wǎng)格劃分與模型尺寸圖，本模型通過對相關(guān)參數(shù)的合理運用獲取較為精確的計算結(jié)果，圖4是結(jié)構(gòu)模型簡圖。

圖3 樁拱式明洞模型

圖4 結(jié)構(gòu)模型簡圖

三、模擬計算變形分析

無論是基坑開挖，施作頂拱，還是回填覆土等過程，均會對支護樁受力與位移產(chǎn)生影響。因此，本次模擬重點分析了上述三個過程，圖5至圖7分別展示了不同階段對基坑水平與豎向變形的影響。

圖5 基坑開挖后基坑變形云圖 （單位：m）

通過對圖5至圖7的變形云圖分析，在對支護樁的施工過程中，其橫向與豎向等變形均處于逐漸增加狀態(tài)。若以基坑為參照物，各個階段的最大水平位移均處在其下方的三分之一處。從整體角度來看，總體位移量均相對較小，這是因為支護結(jié)構(gòu)的剛度相對較大，且填土高度較矮。在對基坑的開挖過程中，左右兩側(cè)均具有大小為0.25mm的豎向位移，但左側(cè)位移較小。左側(cè)及右側(cè)分別具有1.59mm和1.69mm的最大水平位移。

通過對圖6的觀察會發(fā)現(xiàn)，在拱頂施工完成后，在拱頂重力的影響下，基坑的橫向與縱向等變形均出現(xiàn)大幅度增加。左側(cè)及右側(cè)分別具有2.91mm及2.75mm的豎向位移，經(jīng)過時間變化之后，最終左右兩側(cè)的最大水平位移分別達到1.69mm及1.83mm。

圖6 施作拱頂后基坑變形云圖 （單位：m）

通過對圖7的觀察分析發(fā)現(xiàn)，在完成覆土回填后，因回填土的自身重力會對基坑豎向變形造成較大影響，基坑位移處于不斷增加的狀態(tài)，支護樁豎向變形發(fā)生了較為顯著的變化，左右兩側(cè)分別發(fā)生了11mm及12mm的最大豎向位移和2mm及2.50mm的最大水平位移。在上述施工階段之中，與左側(cè)相比，右側(cè)具有更大的豎向與水平位移，主要是因為右側(cè)的回填土與邊坡高度更高，從而產(chǎn)生更大的土壓力載荷，但因左右高度差較小，故兩側(cè)變形相差極小。從整體角度來看，以支護樁的三個施工階段為研究對象，通過觀察其水平位移云圖會發(fā)現(xiàn)，支護樁具有近似“弓”形的橫向變形，在深厚的軟土地層之中，當支護結(jié)構(gòu)嵌固深度較小時，極易導(dǎo)致該變形曲線的出現(xiàn)，過去部分學(xué)者在研究過程中，將其定義為“大肚子”型破壞模式。本項目在設(shè)計灌注樁時，通過對比模擬數(shù)值與實際監(jiān)測結(jié)果，證明其嵌固深度大約為5m時，能夠滿足該變形規(guī)律的相關(guān)要求。

圖7 回填覆土后基坑變形云圖 （單位：m）

四、結(jié)語

樁拱式明洞能夠適用于軟弱圍巖及復(fù)雜地質(zhì)隧道等特殊環(huán)境，是一種可以有效減少洞口段土巖開挖工作量、最大限度利用圍護結(jié)構(gòu)、保證施工和運營安全的明洞結(jié)構(gòu)。隨著施工的進行，基坑底部及樁拱式明洞圍護樁的水平位移和豎直位移會不斷增大，但總體位移量較小，其變形符合施工要求，在實際施工過程中，須把控好灌注樁嵌固深度和回填覆土的厚度。