大断面小净距三孔并行隧道施工方案优化

王建国，王渭明，贺广良，吕显州

(山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590)

近年来，随着我国经济的快速发展，交通基础设施建设投资不断增大，隧道工程建设也进入了飞速发展时期。许多新的隧道施工原理、施工技术、施工工法和支护材料开始涌现。大断面小净距隧道作为一种新型隧道结构形式[1-3]，能较好地解决双线隧道受地形条件限制，隧道分建带来的施工困难、占地较多等弊端，以及连拱隧道结构复杂、工艺难度大、工期长、成本较高的缺点，从而越来越受到国内有关学者的关注[4-7]。

唐明明等[8]采用FLAC 3D软件建立了偏压小净距双线隧道模型，对比分析了不同方案下隧道塑性区和围岩变形；王辉等[9]针对隧道间近接施工力学问题，基于精确罚函数法及Melder-Mead优化算法，对大断面小净距双线隧道扁平率及合理间距进行了探讨；陈秋南等[10]结合大跨度小净距双线隧道偏压特性，对隧道施工方法和不同偏压率对合理净距的影响进行了研究，并与现场监测结果进行了对比；李金奎等[11]基于Soil-works有限元数值分析软件，建立了4种不同施工顺序的模型，对比分析了不同施工顺序下大断面小净距隧道的围岩变形和洞周应力。

我国对于大断面小净距双线隧道的研究已有一定的经验和成果，而对于大断面小净距三孔并行隧道的研究相对较少。本文以重庆新中梁山大断面小净距三孔并行隧道段为研究对象，针对地质条件复杂多变等难题，采用FLAC 3D数值软件，对比分析不同方案下隧道的围岩变形、塑性区分布以及地表沉降规律，同时结合现场监测数据，确定最优开挖顺序，为类似工程提供参考。

1 工程概况

新中梁山隧道位于壁山-沙坪坝段，该段位于中梁山山脉中部，属长江侵蚀河谷形成的低山丘陵地区。主隧道采用左右线分修方案，全长 4 119 m，左线隧道进口里程为DK290+296，出口里程为DK294+420；右线隧道进口里程为YDK290+305，出口里程为YDK294+424。

该隧道群为1条主隧道与2条辅助隧道并行的三孔隧道，其中，主隧道开挖跨度为12.35 m，高度为8.55 m，辅助隧道开挖跨度为7.06 m，高度为7.62 m。隧道群围岩岩性从上到下依次为表土层、粉质黏土、细砂岩、风化花岗岩、花岗岩。地下水位线在地表以下17 m处。围岩较破碎，地质情况复杂多变，节理发育。Ⅴ级围岩占到88%，为保证施工过程主隧道围岩稳定，初期支护由格栅钢架、锚杆、钢筋网片和喷射混凝土组成。其中：拱墙设置格栅钢架，间距1 m；拱部设置φ22组合中空锚杆，锚杆环向间距0.8 m，纵向间距1 m，单根长3 m；边墙设置φ6钢筋网片，网格间距20 cm×20 cm；超前支护采用φ42小导管，环向间距50 cm，纵向间距20 cm，单根长3 m。初期支护厚度为25 cm，二次衬砌厚度为40 cm。隧道断面与支护见图1。

图1 隧道断面与支护示意(单位：cm)

2 数值分析

2.1 计算模型的建立

采用有限元软件FLAC 3D建立数值模型，模型尺寸为130 m(长)×80 m(宽)×60 m(高)，见图2，对其四周进行水平约束，底面采用竖向约束，上边界为自由边界，围岩采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，初期支护采用Shell单元，二次支护采用实体单元，超前支护采用Pile单元。

图2 数值模型

2.2 参数的确定

围岩与支护力学参数主要依据现行隧道设计规范[12]，同时参考实际隧道工程勘查、施工报告综合选取，见表1。

表1 围岩及支护参数

2.3 结果分析

2.3.1 大断面主隧道施工方案优选

该隧道段围岩等级为Ⅴ级，岩体较为破碎，主隧道为大断面隧道，为保证主隧道围岩稳定，根据工程经验和大断面小净距隧道特点，选取4种不同的主隧道施工方案。各方案施工步骤见图3。其中，台阶法上下台阶施工断面高度分别为4.55,4.00 m；核心土法各个断面高度从上到下依次为2.80,3.00,2.75 m；中隔壁法左右施工断面跨度分别取6.00,6.35 m；双侧壁导坑法两侧导坑的跨度均为4 m，略小于隧道总跨度的1/3。从围岩塑性区分布、隧道关键点位移以及施工引起的地表沉降对施工方案进行优选。

图3 各方案施工步骤

1)塑性区分布

大断面隧道一般为扁平状，由于隧道开挖的扰动作用，围岩应力发生重分布。随着隧道开挖面的增大，围岩稳定性降低，应力集中现象愈加明显，局部区域应力集中超过了其屈服强度而发生塑性破坏。

图4 不同施工方案下塑性区分布

不同施工方案下塑性区分布见图4。可知：4种施工方案在拱肩处塑性区分布差异较大；从塑性区分布范围来看，双侧壁导坑法和中隔壁法要优于核心土法和台阶法。这是由于双侧壁导坑法和中隔壁法减小了一次性开挖跨度，并且有中隔墙作为临时支护可以有效防止围岩变形过大。相对于中隔壁法，双侧壁导坑法导坑开挖断面的面积和跨度更小，能较早地与中隔墙闭合成环，所以双侧壁导坑法拱肩处塑性区分布范围又小于中隔壁法。

2)隧道关键点位移

隧道关键点位移的控制是施工中的重点和难点，也是隧道监测的关键。表2为不同施工方案下隧道关键点的位移。

表2 不同施工方案下隧道关键点的位移 mm

从表2可以看出：隧道拱顶沉降量远大于左、右拱腰和仰拱的位移；4种施工方案在隧道关键点处引起的位移大小排序均为台阶法>核心土法>中隔壁法>双侧壁导坑法；台阶法的拱顶沉降量约为核心土法的1.2倍、中隔壁法的2.1倍、双侧壁导坑法的2.5倍。

3)地表沉降

图5为不同施工方案下地表沉降变化曲线。可知：4种方案所引起的地表沉降曲线走势基本一致，且曲线关于主隧道中心轴线基本对称；双侧壁导坑法引起的地表沉降量为12.2 mm，而台阶法、核心土法、中隔壁法引起的地表沉降分别比双侧壁导坑法大130%，95%，25%。

图5 不同施工方案下地表沉降变化曲线

从塑性区分布、隧道关键点位移以及地表沉降规律可知，中隔壁法和双侧壁导坑法在控制围岩变形方面明显优于台阶法和核心土法。双侧壁导坑法又略优于中隔壁法，台阶法最为不利。主要原因是由于软弱围岩环境下，采用导洞开挖方案在隧道施工过程中可充分发挥初期支护和中隔墙的支护作用，能较好地控制隧道围岩变形。从施工角度分析，双侧壁导坑法分块多，施工作业面小，施工速度慢，成本较高；中隔壁法的施工作业面较大，有利于加快施工速度；而台阶法施工作业面最大，施工速度最快，成本最低，但台阶法施工对围岩地质条件的要求较高。结合新中梁山隧道群施工进度要求和围岩地质情况，拟定中隔壁法为大断面主隧道最终施工方案。

2.3.2 三孔并行隧道开挖顺序优化

在确定大断面主隧道施工方案的基础上，分析小净距三孔并行隧道不同开挖顺序对施工所产生的影响。考虑工程现场技术水平和安全性以及现场人力、物力条件，选取4种开挖顺序(对应4种工况)，见表3。主隧道采用中隔壁法施工，左、右、中分别表示左右辅助隧道和中间主隧道。由于两侧辅助隧道施工断面跨度较小，在保证施工安全的情况下，为节约施工成本和加快施工进度，两侧辅助隧道采用上下台阶法施工。

表3 小净距三孔并行隧道4种开挖顺序

1)隧道围岩位移

从4种不同工况模拟出的结果可以得出：4种工况主隧道拱顶围岩沉降最大，并且变形不断向两侧延伸，影响左右隧道上部围岩的变形，最终形成一定区域的变形贯通区。从贯通区的面积来看，工况1>工况2 >工况4>工况3。

表4为不同工况下主隧道关键点位移。可以看出：工况3拱顶最大沉降量为20.17 mm，工况1、工况2、工况4分别比工况3大22.2%,16.8%,10.9%；4种工况仰拱拱起量相差不大;工况3周边收敛量小于其他3种工况。说明主隧道拱顶处围岩应力状态较差，所以施工过程中应对主隧道拱顶处围岩沉降量进行重点监测，及时采取一定的支护措施，避免产生过大沉降，引起围岩失稳破坏。

表4 不同工况下主隧道关键点位移

2)围岩应力

隧道围岩塑性区面积大小与其所受剪应力有关。剪应力计算公式为τ=(σ1-σ3)/2。σ1,σ3分别为最大、最小主应力。

表5为不同工况下各隧道拱顶主应力对比。可得：工况3左、中、右隧道拱顶剪应力分别为54.1，51.7,109.9 kN/m2，均为4种工况中的最小值，说明工况3隧道拱顶围岩应力释放后能迅速达到平衡状态，从而使得应力集中程度相对于其他工况要小，有利于隧道围护结构的稳定。

表5 不同工况下各隧道拱顶主应力对比 kN/m2

从隧道围岩位移和围岩应力分析结果来看，工况3的施工顺序最佳。

3 现场监测分析

该隧道采用工况3的顺序施工，即左隧道—右隧道—中间隧道。中间主隧道采用中隔壁法施工。左右辅助隧道采用上下台阶法施工。

结合施工进度，在三孔并行隧道施工过程中进行了地表沉降、隧道拱顶沉降、隧道关键点位移、衬砌应力等多项监测。限于篇幅，本文仅对地表沉降和隧道拱顶沉降监测数据加以分析。

选取K6+625断面进行监测分析，地表沉降监测点布置见图6。各监测点地表沉降变化曲线见图7。从图7可见：距离主隧道拱顶水平距离越近，地表沉降量越大；中间监测点A4的沉降量最大，其值为14.75 mm。 40 d后，各监测点地表沉降量趋于稳定。

图6 地表沉降监测点布置

图7 各监测点地表沉降变化曲线

选取4个与计算断面埋深和围岩性质相近的断面进行监测。施工期间4个监测断面以及模似计算断面拱顶沉降变化曲线见图8。可见：4个监测断面拱顶沉降变化规律与模似计算断面相似，并且随着施工的进行隧道拱顶沉降趋于平缓，随着支护的施作各监测断面的沉降基本稳定，沉降量在18.0～22.5 mm，在规范允许的变形值(30 mm)之内。

图8 监测断面拱顶沉降变化曲线

表4中工况3模拟所得到的拱顶最大沉降量为20.17 mm，与实际监测值相差不大，说明数值分析结果具有一定的可靠性。

4 结论

1)中隔壁法和双侧壁导坑法在控制地表沉降、隧道关键点位移及隧道围岩塑性区分布方面要明显优于台阶法和核心土法。双侧壁导坑法又略优于中隔壁法。从施工角度来看，中隔壁法相对于双侧壁导坑法施工作业面更大，施工速度更快，施工成本也相对较低。综合考虑实际情况后优先选取中隔壁法为主隧道施工方案。

2)4种工况中工况3(左隧道—右隧道—中间隧道)产生的最大、最小主应力和围岩位移量最小，应力分布也最为均匀，所以从力学角度来看，工况3具有较好的可行性。

3)数值分析结果与现场监测数据接近，说明数值分析结果具有一定的可靠性。经实施，该隧道顺利完成施工。

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