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淺埋偏壓連拱隧道施工工序優(yōu)化研究

文檔作者：劉建波文檔來源：中鐵十一局集團第五工程有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年11月18日
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上一篇：淺埋隧道圍巖位移及應(yīng)力變化規(guī)律研究

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１?。保?
施　工　技　術(shù)
ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
２０１５ 年８ 月上
第４４ 卷　第１５ 期
ＤＯＩ：１０?? ７６７２／ ｓｇｊｓ２０１５１５０１１８
淺埋偏壓連拱隧道施工工序優(yōu)化研究
劉建波
（中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶?。矗埃埃埃常罚?
［摘要］ 為了優(yōu)化淺埋偏壓連拱隧道施工工序，依托四川省某淺埋偏壓公路連拱隧道工程，利用ＡＮＳＹＳ 建立了該
隧道某代表性淺埋偏壓斷面的二維平面應(yīng)變模型，模擬了隧道按照設(shè)計的８ 種中洞法施工工序施工的動態(tài)力學(xué)效
應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：分臺階法施工的拱頂沉降、圍巖最大壓力和支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力均小于全斷面法施工，并且先開挖
較淺埋側(cè)隧道的圍巖最大壓應(yīng)力和支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力均較先開挖較深埋側(cè)隧道的小，此外，分臺階法施工在縮
短工期和節(jié)約成本方面更優(yōu)于全斷面法施工。因此，本隧道工程采用中洞法先進右洞分臺階法施工，取得了較好
的施工效果。
［關(guān)鍵詞］ 隧道工程；連拱隧道；淺埋；偏壓；施工工序；優(yōu)化
［中圖分類號］ Ｕ４５５ ［文獻標(biāo)識碼］ Ａ　　　?。畚恼戮幪枺?１００２?８４９８（２０１５）１５?０１１８?０５
Ｏｐｔｉｍａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ?ａｒｃｈｅｄ
Ｔｕｎｎｅｌ Ｕｎｄｅｒ Ｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
Ｌｉｕ Ｊｉａｎｂｏ
（Ｔｈｅ ５ｔｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｌｔｄ． ｏｆ ｔｈｅ １１ｔｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ?。矗埃埃埃常?，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ?ａｒｃｈｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ｕｎｄｅｒ ｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ
ｐｒｅｓｓｕｒｅ， ａ ｈｉｇｈｗａｙ ｄｏｕｂｌｅ?ａｒｃｈｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ｕｎｄｅｒ ｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ Ｓｉｃｈｕａｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ｉｓ
ｒｅｆｅｒｒｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｆｉｒｓｔｌｙ， ｔｈｅ ｔｗｏ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｌａｎｅ ｓｔｒａｉｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｃｒｅａｔｅｄ ｆｏｒ ａ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｓｅｃｔｉｏｎ
ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ?ａｒｃｈｅｄ ｔｕｎｎｅｌ． Ｔｈｅｎ， ｅｉｇｈｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｈｏｌｅ
ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ
ｅｘｃａｖａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｉｇｈｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＹＳＹＳ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｖａｕｌｔ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ， ｍａｘｉｍｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅｐａｒａｔｅ
ｓｔｅｐｓ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ａｌｌ ｓｍａｌｌ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｕｌｌ ｆａｃｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ． Ｉｔ ｉｓ ａｌｓｏ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ
ｍａｘｉｍｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｍｕｃｈ ｍｏｒｅ ｓｍａｌｌ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ
ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｂｕｒｉｅｄ ｉｓ ｅｘｃａｖａｔｅｄ ｂｅｆｏｒｅ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｕｌｌ ｆａｃｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ
ｍｅｔｈｏｄ， ｔｈｅ ｓｅｐａｒａｔｅ ｓｔｅｐｓ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｍｏｒｅ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｔｏ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ ａｎｄ ｓａｖｅ
ｔｈｅ ｃｏｓｔ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅｐａｒａｔｅ ｓｔｅｐｓ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｈｏｌｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，
ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｓ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｆｉｒｓｔｌｙ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔｕｎｎｅｌｓ； ｄｏｕｂｌｅ?ａｒｃｈｅｄ ｔｕｎｎｅｌ； ｓｈａｌｌｏｗ ｂｕｒｉｅｄ； ｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ； ｏｐｅｒａｔｉｎｇ
ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ； ｏｐｔｉｍｉｚｅ
［作者簡介］ 劉建波，高級工程師，Ｅ?ｍａｉｌ：５６５６４６３９５＠ ｑｑ． ｃｏｍ ［收稿日期］ ２０１５?０４?２０
　　連拱隧道除了能夠保持公路線形流暢和斷面
美觀外，還能減少占地面積和保護生態(tài)環(huán)境。最重
要的是它適用于各種復(fù)雜地形條件和便于運營管
理。因此，在我國高速公路建設(shè)中得到了越來越廣
泛的應(yīng)用［１］ 。但是這種特殊結(jié)構(gòu)的隧道由于跨度
大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和地形條件復(fù)雜，造成連拱隧道施工
方法復(fù)雜，開挖工序較多［２］ 。不同的連拱隧道施工
工序?qū)鷰r應(yīng)力和支護結(jié)構(gòu)荷載變化的影響不同，
這直接影響隧道施工的安全進行。因此，優(yōu)化連拱
隧道施工工序?qū)μ岣咚淼朗┕ぐ踩?、縮短工期和降
低工程造價具有重要的意義。
針對連拱隧道的施工方法和工序的優(yōu)化，國內(nèi)
已有一些學(xué)者進行了研究。丁文其等［３］ 通過數(shù)值
模擬對龍山淺埋大跨度連拱隧道的施工工序進行
２０１５ Ｎｏ． １５ 劉建波：淺埋偏壓連拱隧道施工工序優(yōu)化研究 １　１９
了優(yōu)化。張志強等［４］ 采用相同的方式對浙江省某
連拱隧道的施工工序進行了優(yōu)化。陳孝湘等［５］ 利
用關(guān)鍵塊體理論優(yōu)化了某特大跨度連拱隧道的施
工工序。劉濤等［６］ 通過模型試驗和數(shù)值模擬對比
的方法研究了連拱隧道不同施工工序的圍巖應(yīng)力
和位移分布。陳秋南等［７］ 總結(jié)了連拱隧道的動態(tài)
施工力學(xué)效應(yīng)。以上研究成果豐富了連拱隧道的
施工方法，優(yōu)化了施工工序，但是國內(nèi)在這些方面
可借鑒的經(jīng)驗仍然較少。而且，不同的連拱隧道因
地質(zhì)條件和設(shè)計參數(shù)不同，其最優(yōu)施工工序可能
不同。
本文以四川省某淺埋偏壓公路連拱隧道為工
程背景，首先針對該隧道的特點，設(shè)計了８ 種施工工
序；其次采用數(shù)值模擬的方法對８ 種施工工序下隧
道拱頂沉降、圍巖最大壓應(yīng)力和支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)
力進行了研究；最后通過對比不同工序的影響，提
出了適合該隧道的最優(yōu)施工工序，可為類似工程提
供參考。
１　工程概況
本公路連拱隧道處于四川盆地中低山丘陵區(qū)，
地段狹窄，地貌復(fù)雜且地勢陡峭，隧道偏壓嚴(yán)重。
根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察報告，該隧道圍巖主要為新都橋
組千枚巖、三疊系上統(tǒng)西康群侏倭組、砂質(zhì)板巖、炭
質(zhì)板巖和變質(zhì)砂巖。圍巖級別以ＩＶ 級和Ｖ 級
為主。
連拱隧道結(jié)構(gòu)斷面如圖１ 所示，單洞凈跨度
１１?? ６ｍ，總跨度２４?? ５ｍ，斷面形式采用三心圓，中隔
墻采用整體式區(qū)中墻，邊墻采用曲線。施工方法采
用常見的中導(dǎo)洞法，其中兩側(cè)主洞分上下臺階開
挖［３，８］ 。采用復(fù)合式襯砌支護，初期支護采用錨桿、
噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)片和鋼拱架支護，二次襯砌和
中隔墻均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
圖１　連拱隧道結(jié)構(gòu)斷面（單位：ｃｍ）
Ｆｉｇ． １?。樱簦颍酰悖簦酰颍幔?ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｄｏｕｂｌｅ?ａｒｃｈｅｄ ｔｕｎｎｅｌ（ｕｎｉｔ：ｃｍ）
２　偏壓連拱隧道動態(tài)施工模擬
２?? １　模型建立和參數(shù)選取
為了簡化計算，選用一個具有顯著淺埋偏壓特
點的代表性斷面進行模擬。采用有限元軟件
ＡＮＳＹＳ 建立平面應(yīng)變數(shù)值模型以模擬隧道施工過
程，如圖２ 所示。計算采用彈塑性模型，圍巖材料遵
循Ｄ?Ｐ 屈服準(zhǔn)則和相關(guān)聯(lián)流動法則。圍巖、初期支
護及二次襯砌都采用四邊形實體單元ＰＬＡＮＥ４２ 模
擬，計算參數(shù)如表１ 所示。邊界條件采用兩側(cè)約束
水平方向位移，底部約束豎直方向位移，頂部自由。
為了真實模擬隧道開挖的施工過程，將計算模型設(shè)
置成不同開挖步，并在各開挖步間隔一定的荷載增
量步后，加設(shè)初期支護和二次襯砌。
圖２　連拱隧道有限元模型
Ｆｉｇ． ２　Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ
ｄｏｕｂｌｅ?ａｒｃｈｅｄ ｔｕｎｎｅｌ
表１　實體單元計算參數(shù)
Ｔａｂｌｅ １?。茫幔欤悖酰欤幔簦椋睿?ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｉｔｓ
材料
參數(shù)
密度／
（ｋｇ·ｃｍ －３ ）
彈性模量／
ＧＰａ
泊松
比
黏聚力／
ｋＰａ
內(nèi)摩擦角／
（°）
Ｖ 級圍巖１ ８００ １?? ５ ０?? ３７ ２００ ２６
圍巖加固圈１ ９００ ２ ０?? ３４ ２５０ ２８
中隔墻２ ５００ ２８ ０?? １９ ８００ ５５
初期支護２ ５００ ２５ ０?? ２ ８００ ５５
二次襯砌２ ６００ ３０ ０?? ２ ８００ ５５
中墻頂部回填２ ４００ ２２ ０?? ２２ ４００ ４６
２?? ２　偏壓連拱隧道施工工序設(shè)計
為了優(yōu)化連拱隧道施工工序，基于中導(dǎo)洞法設(shè)
計了８ 種施工工序（見圖３），包括６ 種分臺階開挖
（工序① ～ ⑥）和２ 種全斷面開挖（工序⑦，⑧）。圖
３ 中數(shù)字分別代表不同施工步驟：１ 為中導(dǎo)洞開挖、２
為中導(dǎo)洞錨噴支護、３ 為中墻修筑及墻頂回填、４ 為
右洞上臺階開挖、５ 為右洞上臺階錨噴支護、６ 為右
洞下臺階開挖、７ 為右洞下臺階錨噴支護、８ 為左洞
上臺階開挖、９ 為左洞上臺階錨噴支護、１０ 為左洞下
臺階開挖、１１ 為左洞下臺階錨噴支護、１２ 為右洞仰
拱開挖及二次襯砌澆注、１３ 為左洞仰拱開挖及二次
襯砌澆注。通過組合以上施工順序得到８ 種施工工
序，如表２ 所示，表中數(shù)字代表的施工步驟如圖３ 所
示，其中（４，６）表示右洞全斷面開挖，（５，７）表示右
洞錨噴支護。
２?? ３　計算結(jié)果分析
通過數(shù)值模擬獲得了８ 種施工工序條件下的拱
１?。玻?施工技術(shù) 第４４ 卷
　　　
圖３　連拱隧道施工步驟
Ｆｉｇ． ３?。茫铮睿螅簦颍酰悖簦椋铮?ｓｔｅｐｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ?ａｒｃｈｅｄ ｔｕｎｎｅｌ
表２　連拱隧道施工工序
Ｔａｂｌｅ ２?。茫铮睿螅簦颍酰悖簦椋铮?ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ?
ａｒｃｈｅｄ ｔｕｎｎｅｌ
施工工序施工步驟
① １—２—３—４—５—６—７—８—９—１０—１１—１２—１３
② １—２—３—８—９—１０—１１—４—５—６—７—１３—１２
③ １—２—３—４—５—６—７—１２—８—９—１０—１１—１３
④ １—２—３—８—９—１０—１１—１３—４—５—６—７—１２
⑤ １—２—３—４—５—８—９—６—７—１０—１１—１２—１３
⑥ １—２—３—８—９—４—５—１０—１１—６—７—１３—１２
⑦ １—２—３—（４，６）—（５，７）—（８，１０）—（９，１１）—１２—１３
⑧ １—２—３—（８，１０）—（９，１１）—（４，６）—（５，７） —１３—１２
頂沉降、圍巖應(yīng)力和支護結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力。
２?? ３?? １　拱頂沉降分析
拱頂沉降是評價圍巖位移大小及穩(wěn)定性的一
個重要指標(biāo)，是新奧法施工中監(jiān)控量測的必測項
目［９］ 。通過模擬得到采用工序１ 施工時拱頂沉降
隨施工步驟的變化曲線，如圖４ 所示。
圖４　工序１ 的拱頂沉降隨施工步驟的變化曲線
Ｆｉｇ． ４?。郑幔酰欤?ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｅａｃｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔｅｐ
ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ １
由圖４ 可見，當(dāng)只開挖和支護中洞時（施工步
驟１ ～３），左洞和右洞的拱頂沉降接近相等，并且約
占最終沉降量的１０％，說明中洞開挖的影響較小。
當(dāng)只開挖和支護右洞時（施工步驟４ ～７），左洞的沉
降仍然以較小速度增長，但是右洞沉降速度突然增
大，說明右洞開挖對左洞的影響較小而對右洞的影
響較大。當(dāng)右洞開挖完成后開挖左洞時（施工步驟
８ ～１１），右洞拱頂沉降表現(xiàn)為先緩慢增大再緩慢減
小，其中變化轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在左洞下臺階開挖，這可
能是左洞下臺階開挖造成該處圍巖作用在中隔墻
上的應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致中隔墻向左偏轉(zhuǎn)，最終引
起右洞拱頂沉降減?。坏亲蠖垂绊敵两惦S著左洞
的開挖突然增大，說明左洞開挖對左洞沉降影響較
大。澆筑二次襯砌后，左洞和右洞的拱頂沉降基本
穩(wěn)定，說明此時隧道較安全。
為了便于對比分析，提取各施工工序完成所有
１３ 個施工步驟后的拱頂沉降，如表３ 所示。通過表
３ 可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：①左洞拱頂沉降大于右洞拱頂
沉降約１ｍｍ，這主要是由左洞所受的圍巖壓力大于
右洞圍巖壓力造成；②分臺階開挖法的拱頂沉降小
于全斷面開挖法的拱頂沉降，說明全斷面開挖法對
隧道安全更不利；③先開挖右洞的拱頂沉降略小于
先開挖左洞的拱頂沉降，說明先開挖左洞更不利于
隧道安全；④所有８ 種施工工序中，按照工序１ 施工
的拱頂沉降最小，說明工序一最安全。
表３　各施工工序下拱頂沉降、圍巖
最大壓應(yīng)力和支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力
Ｔａｂｌｅ ３?。郑幔酰欤?ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ， ｍａｘｉｍｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ
ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ
ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｓ
施工
工序
拱頂沉降
圍巖最大
壓應(yīng)力／ ＭＰａ
支護結(jié)構(gòu)最大
壓應(yīng)力／ ＭＰａ
左洞拱
頂沉降
右洞拱
頂沉降
圍巖最
大水平
壓應(yīng)力
圍巖最
大垂直
壓應(yīng)力
初期支
護最大
壓應(yīng)力
二次襯
砌最大
壓應(yīng)力
① ３?? １９ ２?? １９ ０?? ５０ ０?? ８９ ２?? ５５ ０?? ６３
② ３?? ２３ ２?? ２２ ０?? ４６ １?? ２５ ２?? ７６ ０?? ７８
③ ３?? ３５ ２?? ３２ ０?? ４７ １?? １０ ２?? ５９ ０?? ６１
④ ３?? ３７ ２?? ３３ ０?? ４０ １?? ３４ ２?? ８２ ０?? ７２
⑤ ３?? ２０ ２?? １９ ０?? ４９ ０?? ８７ ２?? ５３ ０?? ６２
⑥ ３?? ２４ ２?? ２２ ０?? ４７ １?? ２２ ２?? ７３ ０?? ７６
⑦ ３?? ４５ ２?? ３３ ０?? ６３ １?? ２０ ３?? １０ ０?? ８０
⑧ ３?? ５５ ２?? ４３ ０?? ５８ １?? ４２ ３?? ２１ ０?? ８２
２?? ３?? ２　圍巖應(yīng)力分析
采用工序①施工時圍巖最大壓應(yīng)力隨施工步
驟的變化曲線，如圖５ 所示。由５ 可見，圍巖最大水
平壓應(yīng)力與圍巖最大垂直壓應(yīng)力隨施工步驟的變
化規(guī)律相同，曲線均表現(xiàn)為波浪形狀；其中隧道開
挖步驟完成后圍巖最大壓應(yīng)力增大，但是支護步驟
完成后圍巖最大壓應(yīng)力降低。
提取各施工工序完成所有１３ 個施工步驟后的
最大水平應(yīng)力和最大垂直應(yīng)力（見表３）。通過觀察
可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：①圍巖最大垂直應(yīng)力大于最大水
平應(yīng)力，主要是因為圍巖所受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力較小，
主要以自重應(yīng)力為主；②分臺階開挖法（工序① ～
⑥）的最大應(yīng)力小于全斷面開挖法（工序⑦，⑧）的
最大應(yīng)力，說明全斷面開挖法對圍巖擾動大，對隧
２０１５ Ｎｏ． １５ 劉建波：淺埋偏壓連拱隧道施工工序優(yōu)化研究 １?。玻?
圖５　工序①的圍巖最大壓應(yīng)力隨施工步驟的變化曲線
Ｆｉｇ． ５?。停幔椋恚酰?ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ
ｆｏｒ ｅａｃｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔｅｐ ｏｆ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ①
道安全更不利；③先開挖右洞（奇數(shù)工序）的最大垂
直應(yīng)力明顯較先開挖左洞（偶數(shù)工序）小，但是最大
水平應(yīng)力接近相等，說明先開挖左洞更不利于隧道
安全；④按照工序①開挖的圍巖應(yīng)力最小，隧道最
安全。
２?? ３?? ３　支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析
工序①的支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力隨施工步驟的
變化曲線如圖６ 所示。初期支護的最大壓應(yīng)力隨施
工步驟的變化規(guī)律與圍巖最大壓應(yīng)力變化規(guī)律相
同，即隧道開挖步驟完成后支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力增
大，但是支護步驟完成后支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力降
低。二次襯砌澆筑完成后，初期支護的最大壓應(yīng)力
進一步減小，因為初期支護將部分圍巖壓力傳遞到
二次襯砌。
圖６　工序①的支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力隨施工
步驟的變化曲線
Ｆｉｇ． ６?。停幔椋恚酰?ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｓ ｆｏｒ ｅａｃｈ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔｅｐ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ①
觀察表３ 中各施工工序的初期支護和二次襯砌
所受的最大壓應(yīng)力可發(fā)現(xiàn)：①初期支護所承擔(dān)的壓
應(yīng)力約等于二次襯砌壓應(yīng)力的４ 倍，說明隧道結(jié)構(gòu)
主要通過初期支護承擔(dān)圍巖壓力；②分臺階開挖法
的支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力小于全斷面開挖法的支護
結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力，說明全斷面開挖法對隧道安全更
不利；③先開挖右洞的支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力小于先
開挖左洞的支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力，說明先開挖左洞
更不利于隧道安全。
３　最優(yōu)施工工序?qū)嵤┬Ч治?
３?? １　最優(yōu)施工工序確定
從施工力學(xué)的角度考慮，分臺階法施工的拱頂
沉降、圍巖應(yīng)力和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力都較全斷面法施工
的小，因此分臺階法更優(yōu)；從施工工期和成本角度
考慮，分臺階法施工工作面更多，有利于縮短工期
和節(jié)約成本，因此分臺階法更優(yōu)。此外，通過數(shù)值
模擬發(fā)現(xiàn)，對于偏壓隧道，先開挖較淺埋側(cè)隧道的
圍巖應(yīng)力和支護應(yīng)力都比先開挖較深埋側(cè)隧道的
小，因此，先開挖較淺埋側(cè)隧道的方法更優(yōu)。通過
以上對比可發(fā)現(xiàn)８ 種施工工序中工序①最優(yōu)。
本淺埋偏壓連拱隧道工程實際采用了最優(yōu)工
序①，并按照新奧法組織施工。由于隧道圍巖條件
差及存在較長的淺埋偏壓段，施工過程中堅持“短
進尺、弱爆破、早封閉、勤量測”等原則，及時控制隧
道圍巖變形和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力。
３?? ２　監(jiān)控量測結(jié)果及分析
監(jiān)控量測是新奧法組織施工中必不可少的一
項。本連拱隧道施工過程中及時地監(jiān)測了拱頂沉
降、周邊收斂、地表沉降、圍巖壓力和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力
等必測和選測項目。選取代表性的淺埋偏壓斷面
的拱頂沉降和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果進行分析。
該隧道斷面在不同施工步驟下的拱頂沉降監(jiān)
測結(jié)果如圖７ 所示，通過與對應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果（見
圖４）對比可發(fā)現(xiàn)：拱頂沉降監(jiān)控量測結(jié)果隨施工步
驟的變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果相同，說明數(shù)值模擬
結(jié)果能夠較真實地反映實際工況，但是監(jiān)控量測結(jié)
果小于數(shù)值模擬結(jié)果，這是因為隧道開挖瞬間存在
應(yīng)力釋放，而此部分位移無法量測。不同施工步驟
下隧道支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力的監(jiān)測結(jié)果如圖８ 所
示，對比數(shù)值模擬結(jié)果（見圖６）可發(fā)現(xiàn)：支護結(jié)構(gòu)最
大內(nèi)力監(jiān)控量測結(jié)果隨施工步驟的變化規(guī)律與數(shù)
值模擬結(jié)果相同，但是監(jiān)控量測結(jié)果小于數(shù)值模擬
結(jié)果，這可能是由隧道超挖造成初期支護結(jié)構(gòu)厚度
大于設(shè)計厚度而引起，此外施工條件復(fù)雜及監(jiān)控量
測誤差也有可能造成監(jiān)測結(jié)果偏小。
本淺埋偏壓連拱隧道施工過程中未出現(xiàn)較大
險情，圍巖變形、壓力及支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力都控制在安
全范圍內(nèi)，縮短了施工工期和節(jié)約了預(yù)算成本，取
得了較好施工效果。
４　結(jié)語
１）分臺階法施工優(yōu)于全斷面法施工，一方面分
１?。玻?施工技術(shù) 第４４ 卷
圖７　不同施工步驟下的隧道拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果
Ｆｉｇ． ７　Ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｖａｕｌｔ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｆ ｅａｃｈ
ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔｅｐ
圖８　不同施工步驟下支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果
Ｆｉｇ． ８?。停铮睿椋簦铮颍澹?ｍａｘｉｍｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ
ｓｕｐｐｏｒｔｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔｅｐ
臺階法施工因拱頂沉降、圍巖應(yīng)力和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力
都更小而偏于安全，另一方面分臺階法施工因工作
面更多而縮短工期和節(jié)約成本。
２）先開挖較淺埋側(cè)隧道的圍巖壓應(yīng)力和支護
結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力都比先開挖較深埋側(cè)隧道的小，因此先
　　　
開挖較淺埋側(cè)隧道的方法更優(yōu)。
３）８ 種施工工序中工序①最優(yōu)。采用工序①施
工時，較深埋側(cè)的拱頂沉降大于較淺埋側(cè)的拱頂沉
降；圍壓最大壓力和支護結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力隨施工步
驟的變化規(guī)律近似，即開挖步驟完成后增大，支護
步驟完成后降低；二次襯砌施工完成后拱頂沉降保
持不變，初期支護將部分圍巖壓力轉(zhuǎn)移至二次襯砌
而壓應(yīng)力降低。
４）本淺埋偏壓連拱隧道工程實際采用了最優(yōu)
的工序一施工，施工過程中未出現(xiàn)明顯異常狀況，
取得了較好的施工效果。
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（上接第１１３ 頁）
鍵，要嚴(yán)格控制分層回填的壓實度，試驗員跟班檢
查和試驗，及時發(fā)現(xiàn)和處理不合格問題。
４　素混凝土扭面擋墻施工效益分析
１）在生產(chǎn)應(yīng)用中，采用分段分層施工扭面擋
墻，經(jīng)濟效益顯著，工藝過程清晰、可控。扭面結(jié)構(gòu)
堅固、美觀大方，坡面過渡順暢，減少了水流阻力，
保持了水流平穩(wěn)。
２）相較于漿砌石結(jié)構(gòu)，素混凝土扭面擋墻整體
容易成型，安全可控。工期短、干擾因素少，質(zhì)量有
保證。
３）素混凝土擋墻施工過程中不產(chǎn)生砂漿和石
料邊角廢料，且施工中的模板和對拉螺栓可回收重
復(fù)使用，節(jié)約成本且有利于文明施工。
５　結(jié)語
采用合理的分段分層澆筑方法，并經(jīng)理論計算
驗證，確保了扭面結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生裂縫。素混凝土扭
面擋墻作為一種有發(fā)展前途的擋墻今后將會得到
廣泛應(yīng)用，采用分段分層施工扭面擋墻的方法，可
縮短工期、提高工程質(zhì)量、降低工程造價，經(jīng)濟效益
和社會效益顯著。素混凝土扭面擋墻施工技術(shù)可
以有效解決扭面擋墻中的關(guān)鍵問題，為今后大規(guī)模
應(yīng)用素混凝土扭面擋墻提供有益的參考。
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