浅埋偏压连拱隧道施工优化及支护结构安全性分析

四川建筑科学研究SichuanBuildingScience第39卷第5期2013年10月

浅埋偏压连拱隧道施工优化及支护结构安全性分析

李东升，魏龙海

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430056）

摘

要：两江连拱隧道所穿区域地形偏压严重，且岩体破碎，连拱隧道施工开挖对围岩扰动大，不同的施工方案及

施工工序隧道支挡结构受力影响较大，本文结合穿越严重偏压地层的两江连拱隧道为例，基于数值分析方法，对在变形及偏压支挡结构力学特征进行分析。研究认为：对于复杂地质条件下浅不同施工工序方案下隧道结构内力、

埋偏压连拱隧道，先开挖浅埋侧隧道后开挖深埋侧隧道的施工顺序，比先开挖深埋埋侧隧道后开挖浅埋侧隧道的先开挖浅埋埋侧右洞时，隧道初期支护结构内力、变形及偏压支挡结构桩的内力均比先开挖深埋施工顺序更有利，

侧左洞时小，但不管是采用哪种开挖顺序，深埋侧隧道拱顶位移均大于浅埋侧隧道，内排桩的所受弯矩也均大于外排桩。

关键词：连拱隧道；浅埋偏压；施工顺序；数值模拟中图分类号：U45

文献标志码：A

文章编号：1008－1933（2013）05－338－05

Analysisofconstructionoptimizationandsupportingstructuresafetyof

shallowmulti-archtunnelunderunsymmetricalpressure

LIDongsheng，WEILonghai

（TheSecondHighwaySurvey，DesignandResearchInstitute，ChinaCommunications，Wuhan430056，China）

Abstract：TheLiang-Jiangtunnelareaisveryseriousunsymtrical，andtherockisbroken，andtherockwillbedisturbanceduringthearch-tunnelexcavating，theeffectionofinternalforceislargerbydifferentconstructionplanandorder，basedontheLiang-Jiangtunnelwhichislocatedintheseriousunsymtricalarea，analysedonthetunnelsupportinternalforceanddeformation，researchonthestructuremechanicalcharacteristicsofpilesofdifferentexcavationplanbynumericalanalysismethod．Theresultsshowsthat：theschemeofexcavatedshallow-buriedtunnelfirstisbetterthantheschemeofexcavateddeep-buriedtunnelfirst．Ifusingtheschemeofexcavatedshallow-buriedtunnelfirst，theinitialsupportstressanddeformationandthepilesinnerforceissmaller，however，whethertheexcavationsequence，thevaultsettlementofdeep-buriedtunnelisbiggerthantheshallow-buriedtunnel，andalsotheinternalforceofinnerrowpilesisbiggerthantheouterrowpiles．

Keywords：multi-archtunnel；shallowandunsymmetricalpressure；excavationconstructionorder；numericalsimulation

0引言

结构受力等方面也采用数道围岩变形与应力分布、

值模拟、理论分析、现场监测多种手段开展了大量研究工作，取得了一定的研究成果，但由于各地地形、地质条件差异，个例研究中取得的经验和成果尚不尤其对不良地质条件且又是浅埋具普遍指导意义，

偏压的情况更是如此。

两江连拱隧道所穿区域地形偏压严重，设计采用了偏压支挡结构，由于岩体破碎，连拱隧道施工工序对围岩扰动大，不同的施工方案及施工工序隧道支挡结构受力影响较大，本文结合穿越严重偏压地基于数值分析方法，对浅埋层的两江连拱隧道为例，

偏压连拱隧道在不同施工工序方案下，偏压支挡结构力学特征进行分析，优化施工工序，选择合理的支

为类似条件下隧道的设计施工提供技术支护方案，持

［1-2］

随着公路和铁路建设的快速发展，需要修建越

来越多的山岭隧道，而且建设条件也是越来越复杂。由于受地形、地质条件限制以及隧道分建带来的展线困难与占地多等因素的影响，有时不得不选用连拱隧道，在浅埋偏压等复杂地质条件下，连拱隧道的修建具有工序繁杂、围岩多次被扰动、围岩应力变换和结构受力复杂等特点。

目前在我国虽已建成了不少连拱隧道，在设计、施工方面积累了一定的经验，而且国内外在连拱隧

06-06收稿日期：2012-作者简介：李东升（1974－），男，高级工程师，主要从事地下工程方面的设计和研究。

E－mail：DONGGSHENGL7@163．com

。

2013No.5李东升，等：浅埋偏压连拱隧道施工优化及支护结构安全性分析

339

1工程概况

两江隧道位于构造剥蚀低山地貌区，隧址区最

大海拔高程410m，新化端洞口附近海拔355m左右，溆浦端洞口附近海拔350m左右。新化洞门段地势较平缓，自然山坡坡度约20°，溆浦洞门段地势

自然坡角约35°。本隧道所在区域地形相对较陡，

起伏不大，最大相对高差约为60m左右。沿线地表植被发育，交通不便。工程区大地构造部位处于新华夏系构造第三隆

主要构造线呈北北东～北东向展布，起带的西南段，

构造形迹由一系列褶皱和断裂组成。隧址区褶皱和断裂构造不发育，地表和钻探揭露未发现特征断层发育迹象，物探勘察也未发现波速异常带。

隧址区地层产状较稳定，岩层产状为190°∠45°～48°，岩层走向与隧道轴线交角小，倾角较陡。

根据本次勘察揭露，隧道区的主要地层为第四系坡残积层（Q4dl+el）和奥陶系下统马家沟组（O1m）板岩。其中第四系坡残积层主要为碎石土，厚度一般小于3m；奥陶系下统马家沟组（O1m）板

浅部风化较强烈，强风化层厚度较岩节理裂隙发育，

大，一般大于10m。

隧道区地下水类型主要浅变质岩裂隙水，含水

裂隙发育，基本无充岩组为奥陶系马家沟组板岩，

但连通性差，总体上富水性较差，水量贫乏。填，

洞口处在较陡峭的山麓斜坡位置，坡度35°左右，据地面调查，洞口覆盖层厚度较小，一般小于3.0m。但强风化板岩厚度较大，一般为10～20m，下为奥陶系下统中风化板岩，岩体较完整，右侧边坡

岩层倾角较陡，存在顺层崩滑隐患。为近顺向坡，

考虑到该隧道洞口段偏压严重，设计采用了支挡结构。支挡结构包括：两排钢筋混凝土桩，桩径1.2m，纵向间距4.5m，横向间距3.5m，承台纵向每11m长为一整体段落；肋板的纵向长度为2m，两处肋板的中心间距4.5m，净距2.5m，两块肋板之间插入挡板，肋板背后用C15素混凝土回填，待加固工程施工完成并达到设计强度后再进洞施工。具体如图1所示。

由于本隧道洞口段偏压严重，存在崩滑风险，因此根据工程项目地质条件、支护设计方案、施工工序及方案等，对该隧道洞口段选取典型结构横断面进行了安全性分析。

Fig．2

图2

计算模型

图1

Fig．1

典型断面结构设计

Structuredesignoftypicalsection

构进行三维数值仿真计算。计算尺寸为横向80m，竖向110m，纵向取其中一个具有代表性的节段，长11m。左、右边界限制水平位移，下部边界限制竖向位移。模型由38480个单元和43593个节点构成。土体单元采用摩尔库伦模型，隧道支护结构及偏压

［3-4］

。支挡结构采用弹性模型

计算模型如图2～5所示。

Thecomputemodel

2

2．1

数值模型和计算参数

计算模型

针对两江隧道洞口偏压段，选取了一段典型结

图3Fig．3

局部计算模型Localcomputemodel

340

四川建筑科学研究第39卷

工况一：先开挖左洞方案，中导洞施工贯通→施做中隔墙→左洞开挖→左洞初期支护→右洞开挖→右洞初期支护。

工况二：先开挖右洞方案，中导洞施工贯通→施做中隔墙→右洞开挖→右洞初期支护→左洞开挖→左洞初期支护。

3计算结果分析

本文计算分析时，纵向取其中一个具有代表性的节段，长11m，对计算结果分析时取Z=5.5m处截面为研究对象，对隧道初期支护结构变形、受力及偏压支挡结构内力进行分析，研究不同施工方案下

图4

Fig．4

支挡结构模型

Computemodelofretainingstructure

隧道初期支护结构及偏压支挡结构的安全性3．1监测点布置

监测点布置如图6～8所示。

［5-7］

。

图6

Fig．6

隧道初支位移监测点布置

Displacementmeasurepointsofinitialsupport

图5Fig．5

隧道开挖后计算模型

Themodelofexcavationtunnel

2．2计算参数

两江隧道岩体物理力学参数见表1。

表1

岩体物理力学参数

图7

Fig．7

隧道初支应力监测点布置Stressmeasurepointsofinitialsupport

Table1Physicalandmechanicalparametersofrock

围岩级别

Ⅴ17～20

Ⅳ21～23

200～5001．5～60．15～0．3045°～47°0．02～0．05

物理力学指标

重度γ/（kN/m3）

弹性抗力系数K/（MPa/m）

变形模量E/GPa

泊松比μ

似内摩擦角φ/（°）粘聚力c/MPa

20°～22°0．02～0．04

2．3开挖顺序方案

两江隧道采用三导洞施工方法，首先开挖贯通中导洞，中导洞在初期支护下变形收敛后，施做中隔墙，再进行两侧导洞及主洞开挖。考虑到隧道所穿区域围岩为Ⅳ级，初期支护为主要受力结构，因此，本文在制定施工模拟方案时，主要分析两侧主洞开挖顺序对隧道初期支护结构及偏压支挡结构的安全［3-4］。性

Fig．8

图8

桩内力监测点布置

Internalforcemeasurepointsofpiles

3．2

工况一：先开挖左洞后开挖右洞

1）隧道初支位移计算结果（图9，表2）

2013No.5李东升，等：浅埋偏压连拱隧道施工优化及支护结构安全性分析

表6Table6

监测点

123

外排桩

45678

341

外排桩结构内力计算结果

轴力/kN

－1530－1643－1649－1637－1694－1700－1535－1375

弯矩/（kN·m）

－1260．0

－998．6－809．3－698．8－570．5－433．4－293．0－131．5

安全系数0．91．31．82．33．69．012．616．2

Internalforceofouterrowofpiles

图9先开挖左洞时隧道初支位移计算结果

Fig．9Initialsupportdispresultsleft-tunnelfirstexcavation表2先开挖左洞时隧道初支位移计算结果

Table2InitialsupportdispresultsL-tunnelfirstexcavation

位移监测点

12345678910

变形量/mm－35．4－34．1－24．2－27．7－12．2－20．9－20．6－17．7－18．8－17．2

由以上图、表可以看出，先开挖左洞后开挖右洞隧道拱顶最大沉降量约35.4mm，隧道左洞的下时，

沉量大于右洞，且隧道左洞支护结构受力大于右洞，左洞最小安全系数为0.8，位于拱顶处；先开挖左洞后开挖右洞时，桩受弯矩较大，内排桩最大轴力为2132kN，最大弯矩为1744.8kN·m，外排桩最大轴力为1700kN，最大弯矩为1260.0kN·m，内排桩受力大于外排桩。3．3

工况二：先开挖右洞后开挖左洞1）位移计算结果（图10、表7）

2）隧道初支结构内力计算结果（表3、4）

表3左洞结构内力计算结果

Table3Internalforceofleft-tunnelstructure

监测点12345678

轴力/kN－689－290－572－373－1434－992－812－651

弯矩/（kN·m）

－68．1－40．728．911．992．142．464．1－61．0

安全系数0．81．25．611．01．03．71．11．0

表4

Table4

监测点910111213141516

右洞结构内力计算结果

弯矩/（kN·m）

－9．4－14．411．5－12．14．42．28．4－14．6

安全系数4．52．59．64．827．535．44．66．6

图10Fig．10

先开挖右洞时隧道初支位移计算结果Initialsupportdispresultsright-tunnel

firstexcavation

Internalforceofright-tunnelstructure

轴力/kN－47－22－201－130－153－127－25－238

表7先开挖右洞时隧道初支位移计算结果InitialsupportdispresultsR-tunnel

firstexcavation

变形量/mm－28．2－27．1－20．9－22．9－10．9－13．1－13．7－6．4－11．6－6．4

Table7

3）偏压支挡结构内力计算结果（表5、6）

表5内排桩结构内力计算结果

Table5Internalforceofinnerrowofpiles

监测点

12345678

轴力/kN－1866－1956－2040－2099－2132－2125－1985－1806

弯矩/（kN·m）

－1744．8－1536．0－1363．2－1166．6－961．4－714．7－444．5－160．8

安全系数0．60．70．91．11．62．99．012．4

内排桩

位移监测点

12345678910

2）隧道结构内力计算结果（表8、9）

342

表8

Table8

监测点12345678

四川建筑科学研究

左洞结构内力计算结果

第39卷

3．4

安全系数2．35．115．936．03．512．52．81．6

Internalforceofleft-tunnelstructure

轴力/kN－28037－252－127－625－348－560－315

弯矩/（kN·m）

－25．8－8．18．71．534．78．534．4－33．2

表9

Table9

监测点910111213141516

右洞结构内力计算结果

Internalforceofright-tunnelstructure

轴力/kN－159－55－486－130－512－244－150－360

弯矩/（kN·m）

－29．3－23．743．0－23．838．66．06．2－21．7

安全系数1．51．61．41．81．917．824．84．6

两工况计算结果对比

对比分析两种开挖工序的计算结果可知，先开挖深埋的左洞时，隧道最大拱顶下沉量大于先开挖浅埋右洞时的情况；先开挖深埋左洞时，隧道初期支护结构内力及偏压支挡结构桩的内力均比先开挖右

内排桩所受最大弯矩为洞时大。如先开挖左洞时，

1744.8kN·m，而先开挖右洞时，内排桩所受最大

远大于先开挖右洞时的情况。弯矩为770.2kN·m，

先开挖浅埋侧的右洞时，隧道支护结构安全系数及

而先开挖深埋侧左洞时，桩的安全系数均满足要求，

隧道初期支护结构及偏压支护桩的安全系数均有小

［8-9］。于1.0的情况

4结论

3）偏压支挡结构内力计算结果（表10、11）

表10Table10

监测点

123

内排桩

45678

通过对上述两种施工方案情况下隧道结构位

移、应力及偏压支挡结构内力情况进行模拟研究，对复杂地质条件下浅埋偏压连拱隧道的受力及变形情况有了如下认识。

1）对于复杂地质条件下浅埋偏压连拱隧道，先

比开挖浅埋侧隧道后开挖深埋侧隧道的施工顺序，先开挖深埋埋侧隧道后开挖浅埋侧隧道的施工顺序

更有利，但通过分析计算结果还发现，上述两种方案情况下，浅埋侧隧道的拱顶下沉量均比深埋侧隧道的拱顶下沉量小。

2）先开挖深埋左洞时，隧道初期支护结构内力及偏压支挡结构桩的内力均比先开挖右洞时大，如先开挖左洞时，内排桩所受最大弯矩为1744.8·m，kN而先开挖右洞时，内排桩所受最大弯矩为770.2kN·m。然而不管是哪种开挖顺序，内排桩的所受弯矩均大于外排桩。

3）采用推荐开挖顺序，即先开挖浅埋侧右洞后开挖深埋侧左洞方案时，隧道支护结构及偏压支挡结构均满足安全要求。参考文献：

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内排桩结构内力计算结果

Internalforceofinnerrowofpiles

轴力/kN

－2167－2203－2214－2271－2339－2399－2334－2166

弯矩/（kN·m）

－770．2

－712．3－669．6－632．4－581．0－485．3－352．8－160．8

安全系数2．53．13．74．77．47．98．910．5

表11Table11

监测点

123

外排桩

45678

外排桩结构内力计算结果

Internalforceofouterrowofpiles

轴力/kN－1081－1183－1227－1242－1335－1365－1309－1253

弯矩/（kN·m）

－551．5

－491．7－435．6－424．8－378．0－318．0－229．9－118．1

安全系数2．53．34．44．87．612．815．217．9

由以上图、表可以看出，先开挖右洞后开挖左洞时，隧道拱顶最大沉降量约28.2mm，隧道左洞的下沉量大于右洞，隧道左洞最小安全系数为1.6，左洞最小安全系数为1.4；先开挖右洞后开挖左洞时，桩受弯矩较大，内排桩最大轴力为2399kN，最大弯矩为770.2kN·m，外排桩最大轴力为1365kN，最大

内排桩受力大于外排桩。弯矩为551.5kN·m，