■苏 涛

(福建省交通建设质量安全监督局，福州 350001)

1 引言

近年来，连拱隧道多用于中、短隧道中，尤其是在多山的高速公路规划设计中。隧道工程和边坡密切相关，特别是连拱隧道，在确定隧道位置时就无法回避边坡问题，包括隧道进山时洞门外的边坡以及洞门顶部的仰坡，而且在施工过程中还可能受到偏压地形以及潜在的滑坡、剥落、崩塌等边坡变形破坏问题的威胁[1]。因此，在边坡作用下确定合理的连拱隧道施工方案就显得十分必要和迫切。

使隧道产生偏压的原因很多，如浅埋傍山隧道的地形偏压、岩体结构及地质构造产生的地质构造偏压、对称结构在由不对称向对称转化过程中产生的偏压、隧-坡耦合作用下边坡移动造成的偏压、施工中围岩局部松动产生的偏压以及衬背回填不密实不均匀产生的偏压等。偏压现象在滑坡地段、对隧道影响最大，特别是对于连拱隧道，由于其结构受力要在连拱整体结构中进行调整，偏压现象导致结构任何部位的破坏和裂缝都会对结构的整体受力和防水性能造成极大影响。连拱隧道与边坡共同作用所导致的病害非常严重，如元(江)磨(黑)高速公路上的小曼萨河隧道和三公箐隧道在施工过程中边坡产生了非常严重的病害。周玉宏，赵燕明，程崇国(2002)等有关偏压连拱隧道施工方案及施工过程优化进行了研究[2-3]。王建秀、朱合华等就连拱隧道的边坡与隧道共同作用进行了较为系统的分析[4]。

2 工程概况

江西某隧道采用曲中隔墙连体隧道结构形式，洞口桩号为K85+320、K85+535，隧道全长215m，隧道纵坡为2.499%，隧道进口位于右偏缓和曲线上，其余位于R=2150m 的右偏圆曲线上。其结构断面如图1 所示。隧道穿越处地面标高在98～166 之间，相对高差大于65m，北侧丘顶标高192.70m。山体植被发育，穿越和通视条件差。隧道两端进、出洞口处，风化作用改变了部分原岩结构，形成8.60～29.80m 厚的全风化和强风化松散层、碎块体，直接降低了围岩类别，增加了深厚风化层所处的隧道施工、支护难度。

图1 隧道断面图

3 连拱隧道施工动态数值模拟

3.1 模型简化

本文选取的计算断面桩号为K85+510，隧道埋深约13m(中心线)，采用平面应变弹塑性本构模型进行分析，屈服准则为德鲁克-普拉格屈服准则。围岩、中墙、中墙顶部回填等采用四边形实体单元模拟；锚杆和初衬采用两维杆单元模拟；二衬采用两维梁单元模拟；考虑初衬与二衬之间有一定滑动，在两者之间设接触面单元，采用单层节理材料模拟。具体计算参数列于表1、表2。按隧道开挖影响范围的大小，计算模型边界范围取：上边界至地表自由面；下边界至开挖洞底距离为三倍洞高；左右边界距洞口距离分别为三倍隧道跨度。两侧边界结点加水平方向约束，底部边界结点加竖直方向约束[5]。

表1 实体单元计算参数表

表2 梁、杆单元计算参数表

3.2 开挖支护的动态数值模拟

由于地层应力在隧道开挖过程中受到多次扰动，隧道有些部位的最大应力、位移等并不一定出现在最终的施工步，因此有必要按照隧道施工过程进行动态数值模拟。对于本隧道，下台阶开挖采用跳马口槽开挖，由于施工顺序紧密衔接，在数值模拟中认为下台阶开挖一次完成。

先开挖左洞的动态数值模拟∶

先开挖左洞的开挖方案分为14 个施工步，具体施工步为：(a)中导洞开挖；(b)中导洞锚喷支护；(c)施作中墙；(d)中墙顶部回填与横撑加固；(e)左洞上台阶开挖；(f)左洞上台阶锚喷支护；(g)左洞下台阶开挖；(h)左洞下台阶锚喷支护；(i)左洞施作内衬；(j)右洞上台阶开挖；(k)右洞上台阶锚喷支护；(l)右洞下台阶开挖；(m)右洞下台阶锚喷支护；(n)右洞施作内衬。主要施工步网格图如图3：

图3 先开挖左洞施工过程模拟

3.3 上下台阶法开挖支护的动态数值模拟

上下台阶法开挖隧道分为13 个施工步，具体为：(1)中导洞开挖；(2)中导洞锚喷支护；(3)施作中墙(包括中墙顶部回填)；(4)左洞上台阶开挖；(5)左洞上台阶锚喷支护；(6)右洞上台阶开挖；(7)右洞上台阶锚喷支护；(8)左洞下台阶开挖；(9)左洞下台阶锚喷支护；(10)左洞施作内衬；(11)右洞下台阶开挖；(12)右洞下台阶锚喷支护；(13)右洞施作内衬。

4 计算结果与分析

4.1 中墙应力分析

中墙在连拱隧道受力体系中是一个关键，它不仅承受中墙上部围岩传来的压力，还要承受两侧耳墙传来的压力；另外，由于两侧传来的压力大小不一致，有较明显的偏压作用，受力状态较复杂。

从图4、图5 可以看出，先偏压情形下，先开挖左洞与先开挖右洞有很大不同，表现在：

(a)先开挖右洞给中墙带来的偏压影响小(表现在整个施工过程中)，左右侧竖向应力最大偏压2153kPa(施工步9)，而先开挖左洞左右侧的最大偏压为5144kPa(施工步9)；

(b) 先开挖右洞最大竖向压力绝对值小，为3426kPa(施工步12)，而先开挖左洞为6026 kPa(施工步12)。

图4 先挖左洞施工方法左右侧中墙应力随施工步变化图

图5 先挖右洞施工方法左右侧中墙应力随施工步变化图

4.2 拱顶沉降

拱顶沉降是评价围岩位移大小及稳定性的一个重要指标，图6，7 为左右洞拱顶沉降在采用三导洞法、上下台阶法时随施工步增长的情况。

图6 先挖左洞施工方法拱顶沉降随施工步变化图

图7 先挖右洞施工方法拱顶沉降随施工步变化图

从图6 可以看出，左洞施工完成后，左洞的拱顶沉降为19.7mm，右洞的拱顶沉降为2.14mm；右洞施工完成后，即最终施工步，左洞的拱顶沉降为24mm，右洞的拱顶沉降为16.4mm。采用先开挖左洞后开挖右洞的施工方法时，右洞施工对左洞的最终拱顶沉降的影响为(24～19.7)/24=18%。

从图7 可以看出，右洞施工完成后，右洞的拱顶沉降为11.5mm，左洞的拱顶沉降为3.18mm；左洞施工完成后，即最终施工步，右洞的拱顶沉降为13.3mm，左洞的拱顶沉降为21.8mm。采用先开挖右洞后开挖左洞的施工方法时，左洞施工对右洞的最终拱顶沉降的影响为(13.3～15.5)/13.3=13.5%。

可以认为先开挖右洞更易于控制变形，同时后开挖隧道对先开挖隧道的影响也较小。

4.3 屈服区

从图8，9 可以看出，先开挖右洞方案对控制施工期的围岩稳定是有利的(图8a、图9a)，最终步的屈服区大小基本一致，但是两者仍有较小的差别，表现在：先开挖右洞施工方案引起的左洞屈服面相对较小、而右洞屈服面相对较大。

图8 先开挖左洞方案屈服区云图

图9 先开挖右洞方案屈服区云图

5 结论

一般情况下连拱隧道属浅埋的短隧道，由于连拱隧道宽度较宽，所以在洞口段常会出现偏压地形偏压或地质构造偏压，而对于这种情况下的施工主要应注意确定内、外侧哪一个主洞先开挖，国内目前关于这个问题的讨论或争议较大，通过实地处理的一些浅埋偏压连拱隧道的经验和一些计算分析结果，认为应先开挖外侧的隧道，当外侧隧道的二次衬砌完成后，才能进行内侧隧道的开挖和施工，主要理由为：

(1)如果先施工内侧的隧道，则在外侧主洞的开挖时，由于隧道所受向外的偏压很大，容易引起内侧已建隧道的变形和开裂。同时外侧主洞埋深更小，如施工时发生坍塌，则会使得内侧已完成的隧道处于非常不利的偏压情况，一般情况下隧道失稳也是在所难免的。

(2)在浅埋偏压条件下通常外侧主洞的围岩条件相对较差，成洞困难，如果能够将成洞困难的外侧主洞先施工完毕，则对于条件相对较好的内侧主洞的施工进度更能够保证。内侧隧道开挖时，外侧已完成的隧道所受偏压有限，隧道的稳定易于保证。

(3)从共同作用角度，中墙应力、拱顶沉降以及屈服区等角度都说明先开挖外侧隧道对隧道稳定更有利。

需要指出的一点是，隧道所处的地质条件有其特殊性，对具体问题需要具体分析，以达到安全与经济利益的平衡。

[1]朱合华，李新星，蔡永昌，丁文其.隧道施工中洞口边仰坡稳定性三维有限元分析[J].公路交通科技，2005.6，22(6)：119-122.

[2]周玉宏，赵燕明，程崇国.偏压连拱隧道施工过程的优化研究[J].岩石力学与工程学报,2002，21(5)：679-683.

[3]周玉宏，赵燕明，程崇国.偏压连拱隧道合理开挖方案分析[J].2002，21(5)：1-6.

[4]王建秀.连拱隧道建设中几个关键问题研究.上海:同济大学博士后出站报告,2004.

[5]朱合华，丁文其，李晓军.同济曙光岩土及地下工程设计与施工分析软件用户手册GeoFBA2DV4.0[J].同济大学地下建筑与工程系，2005.