超大跨度小净距隧洞群影响分区与工序研究

2021-03-19王红喜

四川建筑 2021年6期

随着交通量增大和公路等级提高，超大断面的小净距隧道也不断出现。文章依托成都天府机场高速公路龙泉山1号隧道工程，建立了平面有限元模型，利用强度折减法计算了双洞平行小净距隧道的强度储备并得到了近接影响分区;其次，利用三维数值计算有限元研究分析了超大断面四线并行隧道的施工顺序，得到了以下结论：（1）围岩越软弱，产生的塑性区范围越大;而当先开挖的隧道埋深增大时，单隧道围岩稳定性安全系数降低，整体强影响区域的范围也会变大。那么，埋深更大工况时大跨度小净距隧道时的安全距离更大。（2）超大跨度小净距隧道需要控制最小净距保持中夹岩的稳定，避免后行隧道开挖影响先行隧道的稳定。（3）三车道小净距隧道影响分区也主要为梯形，三车道小净距隧道近接影响区变化基本规律与双车道工况基本一致，由于三车道隧道跨度更大，塑性区更大，所以小净距隧道的影响范围较双车道小净距隧道的影响范围更大。（4）龙泉山1号四线小净距超大断面隧道应先开挖D3线，再一次开挖D1线、K线与D2线。

超大断面隧道; 公路; 小净距; 数值模拟

U452.2+6 A

[定稿日期]2021-08-02

[作者简介]王红喜（1972～），男，本科，高级工程师，主要从事工程单位路基、桥梁、隧道等建设工作。

近年来，公路基础设施修建标准逐步提高，涌现出诸多超大断面、小净距公路隧道，对设计与施工提出了新的挑战。

国内外学者就小净距隧道的施工力学行为已经有较为完善地研究。日本在地下工程近接施工领域有较为详尽地研究，日本《既有铁路隧道近接施工指南》中根据不同近接类型对既有隧道近接建筑物的施工提出了相应对策[1]。日本盾构隧道施工指南中提出土压力可以用于判定近接施工的影响程度与影响范围[2]。在上海越江隧道技术指南[3]的编制中中则充分参考了以上两个指南。小净距隧道中净距的大小与中夹岩的围岩强度指标是影响其近接分区的重要指标[4-5]。孔超[6]基于强度折减法利用围岩强度储备指标得出了隧道平行近接施工影响分区。章慧健与郭蕾[7]研究分析了城市隧道近接既有建筑物的对策。

此外，设计与施工中还要同时考虑超大断面与小净距的共同作用。由于塑性区的大小与断面大小有直接关系，因此，超大断面隧道小净距隧道的塑性区也变大，直接影响其修建难度。目前，大断面公路隧道的修建仍主要依据工程经验类比的方法。张俊儒等[8]全面调查综述了中国四车道及以上超大断面公路隧道当前的修建技术水平，并在此基础上阐述了超大断面隧道施工工法与设计理论方面的不足，提出目前深埋围岩压力的计算没有说服力的计算理论。张业民[9]提出“夹岩薄弱面”的概念指导小净距隧道施工。

根据文献综述可知，目前已存在较多近接隧道工程与超大断面隧道工程，然而针对小净距超大断面隧道群的研究却有限。本文依托成都天府机场高速公路龙泉山1号隧道工程，利用有限元数值计算首先研究了双洞平行小净距隧道的强度储备并得到了近接影响分区;其次，研究了超大断面四线并行隧道的施工顺序。

1 工程概况

1.1 工程背景

成都天府机场高速龙泉山1号隧道位于在天府新区太平镇穿越龙泉山，至简阳市五指乡。设计为4洞隧道，分别为D1、K、D2、D3隧道。隧道断面布置从左向右依次为2车道+3车道+3车道+2车道，各隧道位置关系如图1所示。龙泉山1号隧道进口洞口段四洞相邻两隧道净间距（开挖轮廓）分别为：D1线与K线10.5 m，K线与D2线12.75 m，D2线与D3线9.5 m;各洞之间净间距均小于1倍隧道开挖宽度。

1.2 工程地质

隧址区属侵蚀剥蚀构造低山地貌，区内沟谷纵横，山峦起伏，地形切割较强烈，受岩性和构造控制，为典型的背斜成山，龙泉山1号隧道出口为顺向坡，坡度与岩层倾角基本一致。隧址区内出露出地层主要有第四系全新统坡残积层、崩坡积层、冲洪积层、滑坡堆积层，中生界中统遂宁组、中统沙溪庙组粉砂岩、粉砂质泥岩、细砂岩。

场地水文地质条件简单，第四系松散层孔隙水埋藏浅，分部零星，水量贫乏，基岩孔隙裂隙水，含水层与隔水层相间，層间水力联系差，局部地下水具承压性，富水性也不强的特点。

2 小净距隧道近接影响分区

小净距隧道的施工通常利用隧道施工的时间与空间效应，先行隧道与后行隧道拉开施工距离。因此，本节利用强度折减法计算隧道的强度储备时仅计算双洞平行小净距隧道工况，并据此研究得到小净距隧道近接影响分区。强度折减法在有限元中的应用可参考文献[10-15]，这里不再赘述。

2.1 数值模型

数值模型利用FLAC3D进行建模，利用极限状态分析法计算隧道开挖后围岩稳定性安全系数，基于安全系数得到近接影响稳定性分区，数值模型如图2所示。

2.2 计算参数与工况

龙泉山1号隧道小净距段主要为V级围岩，因此，本节计算中考虑围岩的上限与下限参数，围岩物理力学参数同如表1所示。计算工况如表2所示。计算工况示意图如图3所示。需要说明的是，龙泉山1号隧道四隧道并非在同一水平线上，存在一定高差，因此这里计算研究影响分区规律时，同时计算了不同角度近接的工况。

2.3 计算结果

首先，需要说明影响分区的标准：

（1）计算单个隧道无支护安全系数F1;

（2）计算后行隧道无支护安全系数F2;

（3）计算两隧道整体安全系数F3;

（4）若F3=min（F1，F2），则视为隧道近接无影响;若F3<min（F1，F2），则视为有影响;得到小净距隧道不同位置时F3=min（F1，F2）坐标点，作出安全系数等值线，如图4所示。

根据图4可知，两双车道隧道小净距平行近接时，中夹岩越弱，近接施工影响的区域越大，这是由于围岩越软弱，产生的塑性区范围越大;而当先开挖的隧道埋深增大时，单隧道围岩稳定性安全系数降低，整体强影响区域的范围也会变大。那么，埋深更大工况时大跨度小净距隧道时的安全距离更大。

图5为三车道小净距隧道影响分区图。根据图5可知，三车道小净距隧道影响分区也主要为梯形，三车道小净距隧道近接影响区变化基本规律与双车道工况基本一致，由于三车道隧道跨度更大，塑性区更大，所以小净距隧道的影响范围较双车道小净距隧道的影响范围更大。

3 四线隧道施工顺序研究

前文研究基于二维平面计算，虽然二维数值计算能够在平面应变假定下分析隧道开挖后的强度储备问题，然而在实际现场施工过程中，小净距大跨度隧道的稳定性不可忽略施工时空效应的影响。本章拟利用三维数值计算模拟施工过程中夹岩塑性区变化，用于确定适当的施工顺序。龙泉山一号隧道小净距段双车道隧道埋深为18～28 m，三车道隧道埋深为29～33 m。这里计算两种工况，分别为工况1先施工两侧双车道隧道（D3与D1）;工况2先施工中间三车道隧道（D2与K）。

3.1 计算模型

隧道围岩与初期支护均采用实体单元，二次衬砌采用壳单元。隧道围岩服从摩尔库伦本构模型，初期支护与二次衬砌服从弹性本构。该模型共有84 105个单元，51 342个节点。三维数值模型如图6所示。计算时双车道隧道采用三台阶七步法，三车道隧道采用双侧壁导坑法。

3.2 计算参数

隧道围岩参数采用表1中V级围岩参数，结构支护参数如表3所示。

3.3 计算结果

本节计算结果仅呈现夹岩塑性区情况。工况1与工况2的塑性区如图7所示。D3线隧道初支最小主应力云图如图8所示。

根据图7可知，工况1先开挖两侧的双车道隧道，两隧道的净距较大，远大于2.5倍洞径，两隧道开挖不会相互影响，中夹岩未出现塑性区。工况2先开挖中间的两个三车道隧道，施工完后再依次开挖两侧的双车道隧道，后行隧道与先行隧道中夹岩已出现塑性区，需要对中夹岩加固，保证夹岩的稳定。图8以D3隧道初支为对象，考察其最小主应力，工况2施工过后，D3隧道初支最小主应力绝对值也稍大于工况1。因此，笔者认为选择工况1的施工工序更为合适，即先开挖D3线，再一次开挖D1线、K线与D2线。

4 结论

本文依托成都天府机场高速公路龙泉山1号隧道工程，建立了平面有限元模型，利用强度折减法计算了双洞平行小净距隧道的强度储备并得到了近接影响分区;其次，利用三维数值计算有限元研究分析了超大断面四线并行隧道的施工顺序，得到了以下结论：

（1）围岩越软弱，产生的塑性区范围越大;而当先开挖的隧道埋深增大时，单隧道围岩稳定性安全系数降低，整体强影响区域的范围也会变大。那么，埋深更大工况时大跨度小净距隧道时的安全距离更大。

（2）超大跨度小净距隧道需要控制最小净距保持中夹岩的稳定，避免后行隧道开挖影响先行隧道的稳定。

（3）三车道小净距隧道影响分区也主要为梯形，三车道小净距隧道近接影响区变化基本规律与双车道工况基本一致，由于三车道隧道跨度更大，塑性区更大，所以小净距隧道的影响范围较双车道小净距隧道的影响范围更大。

（4）龙泉山1号四线小净距超大断面隧道应先开挖D3线，再一次开挖D1线、K线与D2线。

参考文献

[1] 日本铁道综合技术研究所. 接近既有隧道施工对策指南[M]. 日本：铁道综合技术研究所情报管理部，1996

[2] 日本土木学会. 隧道标准规范（盾构篇）及解说[M]. 北京：中国建筑工业出版， 2006.

[3] 越江隧道保护区内新建工程施工对既有越江隧道的影响及控制技术研究技术指南[M]. 2011.

[4] Hoek. Underground excavations in rock[M]. London： Institution of Mining and Metallurgy， 1980.

[5] 闻毓民. 两孔平行盾构隧道近接施工的力学行为分析[D]. 成都：西南交通大学， 2005.