连拱隧道三导洞和台阶法施工工法的比较

曹艳龙

（山西交通控股集团有限公司吕梁北高速公路分公司，山西 吕梁 033100）

1 工程概况

某连拱隧道起讫桩号K49+586 ～K49+884，隧道净长298m。结合地质调绘及物探、钻探勘察结果，隧道围岩主要为寒武系三游洞组地层和局部薄层第四系冲洪积物，夹杂风化、溶蚀强烈且分布不均的白云岩。围岩范围内地下水较为发育，并以岩溶水和裂隙水为主，依靠大气降水补给；地表水主要以冲沟水为主，流量表现出明显的季节性。隧道最大埋深为44.5m，连拱跨度28.41m，单个隧道宽12.20m，高8.2m。

2 施工工法模拟

2.1 模型构建

采用FLAC3D 数值模拟软件和三维弹塑性本构模型进行连拱隧道开挖支护过程的有限元模拟，具体而言，首先通过ANSYS 建模，再借助ANSYS-FLAC3D 导入软件将ANSYS模型导入FLAC3D 中计算[1]。

考虑到该连拱隧道应力场较为复杂，施工期间隧道应力场会发生多次重分布，并表现出受拉、受压、剪切、塑性破坏，这就要求本构模型必须符合Mohr-Coulmb 准则。隧道围岩、中隔墙模拟通过实体单元进行，初期支护结构则通过板单元进行模拟，锚杆通过植入型桁架模拟。根据Mohr-Coulmb 准则，中隔墙和支护结构服从弹性变形，连拱隧道支护参数详见表1。进行连拱隧道模型构建时仅考虑其自重应力，模型上下及左右长度分别按照跨径的3 倍和5 倍取值，上边界按照山体走势模拟，其余边界则采用位移约束[2]。

表1 连拱隧道支护参数

2.2 施工过程模拟

连拱隧道常见的施工工法主要有台阶法、CRD 法和三导洞法，考虑到该隧道单洞跨度小，CRD 开挖法并不适用，故只进行台阶法和三导洞法的比较。

（1）台阶法的施工次序为：1 开挖中导洞→2 中导洞初支→3 中隔墙浇筑→4 开挖左洞上台阶→5 左洞上台阶初支施作→6 开挖右洞上台阶→7 右洞上台阶初支施作→8 开挖左洞下台阶→9 左洞下台阶初支施作→10 左洞二衬施作→11 开挖右洞下台阶→12 右洞下台阶初支施作→13 右洞二衬施作。

（2）三导洞法施工步骤次序为：1 开挖中导洞→2 中导洞初支→3 中隔墙浇筑→4 左洞左导坑开挖→5 左洞左导坑初支→6 右洞右导坑开挖→7 右洞右导坑初支→8 左洞右导洞开挖→9 左洞右导洞初支→10 左洞二衬施作→11 右洞左导洞开挖→12 右洞左导洞初支→13 右洞二衬施作。

3 模拟研究与施工验证

3.1 施工步长的确定

采用三导洞法和台阶法进行连拱隧道施工数值模拟分析时，左右洞开挖面间距分别取10m、16m、20m、24m 和32m，当隧道左洞开挖施工步长为4m 时，施工所引起的右洞开挖面应力和位移变化情况具体见表2。从表中结果可以看出，连拱隧道左右洞开挖间距从16m 增大至20m 时，拱顶位移最大值、中隔墙位移最大值及初支弯矩增量最大值的变化量依次为0.39mm、0.70mm 和5.46kN/m；各个量的变化值均为最优临界值，故将施工间距控制在20m。

表2 不同开挖间距下隧道右洞监测数据

在20m 的开挖间距下对左洞不同施工步长展开数值模拟，所得到的右洞监测数据见表3。根据对监测数据的分析，当开挖进尺从2m 增大至4m 时，拱顶位移增量最大值、中隔墙位移和初支弯矩增量最大值的变化量依次为1.69mm、0.53mm 和5.33kN/m，均大于其余相邻步长下相关参数增量差，故以4m为最优开挖施工步长[3]。

表3 左洞不同施工步长下右洞监测数据

3.2 位移分析

（1）拱顶沉降。连拱隧道跨度较大，为评价围岩变形程度及连拱隧道结构的整体稳定性，应进行左右洞拱顶沉降变化模拟分析。台阶法和三导洞法对应的左右洞拱顶随施工步的沉降变化曲线详见图1。

从图1（a）可以看出，在开挖中导洞及浇筑施工中隔墙的过程中，左右洞拱顶沉降量较小，最大仅为0.38mm，左洞左导洞开挖时，左侧拱顶位移增大，但增量相当有限；在开挖左洞右导洞时（即施工步8），左侧沉降增大2.20mm，在此处总沉降中占比49.98%，同时这一施工步骤也使右侧拱顶沉降增大0.93mm，在此处总沉降中占比24.85%，意味着该施工步对左右洞拱顶稳定性存在较大影响，为此，必须在施工期间保证初支及时跟进，加强监控量测。

从图1（b）可以看出，在台阶法施工工法下，左洞上台阶开挖是最危险的施工步，该施工步所引起的左洞和右洞拱顶沉降增量分别为2.65mm 和0.81mm，在总沉降量中占比分别为63.89%和20.71%；在开挖右侧上台阶时（即施工步6），左洞和右洞拱顶沉降依次为0.699mm 和2.21mm，分别占相应侧拱顶总沉降量的16.9%和58.12%，意味着左右洞上台阶开挖应作为隧道拱顶位移控制的重点环节。

（2）地表沉降。为保证分析结果的代表性，以中隔墙竖直线和地表交点处为地表沉降点。在三导洞施工工法下，连拱隧道开挖时地表最大沉降主要出现在施工步8 即左洞右导洞开挖以及施工步11 即右洞左导洞开挖环节，对应的沉降依次为0.88mm 和0.69mm，占最终地表沉降（2.91mm）的比例为29.87%和24.15%。

而在台阶法工法下，最大沉降出现在施工步4 和施工步6即左右侧导洞上台阶开挖阶段，对应的沉降依次为0.70mm和1.12mm，占最终地表沉降（2.10mm）的比为34.28%和52.34%。这也表明，上台阶开挖是造成连拱隧道地表沉降的主要原因。三导洞法和台阶法下最终地表沉降均较小，其中，三导洞法在施工步11 时完成主要开挖步施作，偏压受力所造成的地表沉降更大，而台阶法施工由于在前期的施工步中已经形成对称受力形式，故所引起的地表沉降更小。

3.3 围岩应力分析

根据图2（a）监测结果，在三导洞法下，施工步为1 ～3时左洞拱顶上部0 ～1D 以内的围岩应力均呈减小趋势，意味着中导洞开挖支护的影响范围已经扩展到左拱顶上部；在施工步4即左洞左导洞开挖时，左拱顶上部0 ～0.5D 范围内的应力也呈减小之势，说明隧道开挖施工期间周边围岩应力得以释放；而左拱顶上部1 ～1.5D 范围内的应力反而增大，表明在该区域内形成压力拱。在施工步为6 即右洞右导洞开挖时，因距离远，中隔墙起到重要的支撑作用，故应力变化不明显。在施工步为8即左洞右导洞开挖时，应力释放较大，并形成压力拱。

图2 左洞拱顶上部围岩大主应力变化曲线

根据图2（b）监测结果，台阶法施工期间，施工步为4即左洞上台阶开挖时，拱顶0 ～0.5D 范围内应力下降明显，而在1 ～1.5D 范围内应力增大并形成压力拱。在施工步6 即右洞上台阶开挖时，0.5 ～1D 范围内应力增大，表明初支措施实施后，压力拱存在缩小迹象。左右下台阶开挖及初支和二衬时，左洞拱顶沉降变化并不大，说明连拱隧道台阶法施工时，左右洞上台阶开挖阶段风险较大，必须加强支护。

综合以上分析可以看出，台阶法施工工法下前期应力变化较大，但不会造成隧道应力多次重分布，并能缓解连拱隧道偏压作用；台阶法压力拱范围小于三导洞法，意味着台阶法应力对称分布形成较早，对围岩影响范围也更小。

三导洞工法下，中导洞开挖使中隔墙0 ～1.5D 范围内应力减小，松动圈增大，中隔墙浇筑后应力重新分布；左洞右导洞和右洞左导洞开挖支护时，形成压力拱；右洞左导洞开挖应力明显增强。所以，在右洞左导洞开挖前必须进行中隔墙上部注浆、锚杆支护，避免出现失稳破坏。

在台阶法下，中导洞开挖对中隔墙的影响与三导洞工法一致，在施工步为4 即左上台阶开挖时，0 ～1D 内的应力增大，表明上台阶开挖施工对中隔墙上部围岩应力分布有较大改变，施工前必须加强支护。在施工步为6 即右上台阶开挖时，由于对称应力分布已经形成，中隔墙上部应力虽持续增大，但并未超出0 ～1D 范围，对中隔墙的扰动也更小。在开挖左右洞下台阶时，上部对称应力分布已经形成，初支同时跟进，故对中隔墙上部应力分布影响并不大。由此可知，在采用台阶法开挖第一导洞上台阶时，中隔墙上部应力变化明显，但并未出现多次应力重分布，最终的影响范围小于三导洞法。

4 结语

综上所述，连拱隧道采用台阶法施工时，由于对中隔墙偏应力纠正较早，受力体系提前形成等原因，左右洞拱顶沉降和地表沉降均较小；台阶法和三导洞法施工所面临的最危险开挖步分别为左洞上台阶开挖和左洞右导洞开挖，施工期间必须加强初期支护和监控量测。隧道开挖施工期间，台阶法左右洞拱顶和中隔墙上部大主应力变化幅度和范围较三导洞法大，但开挖施工不会造成隧道多次应力重分布，应力影响范围也更小。台阶法和三导洞法所形成的左右洞拱顶、中隔墙上部围岩压力拱范围分别为1D 和1.5D。连拱隧道台阶法在位移沉降、围岩应力、压力拱变化范围等方面均优于三导洞法，但为避免连拱隧道整体失稳，该工法对左右洞上台阶开挖支护有较高要求。