翟富強(qiáng)

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401123)

隨著交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展及汽車保有量的急劇增加，在一些交通量需求較大的地方修建多車道高速公路成為普遍現(xiàn)象。在施工方面，由于大斷面公路隧道跨度較大，結(jié)構(gòu)將承受較大的圍巖壓力，受力條件較為復(fù)雜，加上施工期間諸多工序的相互影響及圍巖的多次擾動(dòng)，極易發(fā)生圍巖失穩(wěn)和隧道襯砌結(jié)構(gòu)開裂與破壞的現(xiàn)象。為此，國內(nèi)外專家學(xué)者開展了眾多研究。日本、德國等一些西方發(fā)達(dá)國家的探索和研究起步較早。早在1981年，德國就首創(chuàng)了CD工法，并成功應(yīng)用了雙側(cè)壁工法、眼鏡工法等先進(jìn)施工方法。1984年，日本也將CD工法應(yīng)用于大跨度扁坦?fàn)畹恼婷坠匪淼朗┕ぶ校?995年，開挖面積達(dá)265 m2的恩格貝格山嶺公路隧道則采用了三臺(tái)階七步流程的施工方法。日本東名高速公路改造工程的隧道加寬施工，也廣泛采用了雙側(cè)壁坑導(dǎo)法、上下短臺(tái)階法、CD工法、CRD工法等多種施工方法。我國此方面的研究起步則較晚，直到二十世紀(jì)90年代的中后期才陸續(xù)興建了一些三車道的大斷面公路隧道。近年來，通過引進(jìn)國外的先進(jìn)施工工藝和方法，也有一些成功的工程范例，如廈門海底公路隧道成功應(yīng)用了CRD法，浙江省境內(nèi)的弁山隧道成功運(yùn)用了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。崔光耀等[1]通過數(shù)值模擬方法，對(duì)上硬下軟地層鐵路大斷面隧道施工方法進(jìn)行比選，認(rèn)為三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法優(yōu)于交叉中隔壁法、臺(tái)階法和三臺(tái)階七步法，并且三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法在實(shí)際應(yīng)用中也取得了良好的效果；鄭靜等[2]采取優(yōu)化爆破參數(shù)、降低爆破振動(dòng)等措施，使高效的全斷面施工法在大斷面隧道施工中得到成功運(yùn)用；李樹鵬等[3]采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)全風(fēng)化花崗巖淺埋地層超大斷面隧道的施工技術(shù)問題進(jìn)行了研究，通過多種工法的對(duì)比，得出了“靴型大邊墻+加勁拱雙側(cè)壁臨時(shí)橫撐開挖法”更適宜該隧道施工的結(jié)論；楊景賀等[4]采用數(shù)值模擬方法分析了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法應(yīng)用于大斷面隧道施工中的圍巖變形、應(yīng)力分布、塑性區(qū)發(fā)展以及中間巖柱變形等情況，進(jìn)而提出了針對(duì)性的支護(hù)對(duì)策；孟哲瑋等[5]針對(duì)某穿越巖溶破碎帶的大斷面隧道，采用荷載-結(jié)構(gòu)法的二維有限元模型，分析隧道不同支護(hù)方案以及不同荷載釋放比例下隧道初期支護(hù)的變形與受力特性，并以此確定無內(nèi)支撐支護(hù)的施工方案；潘格林等[6]針對(duì)古滑坡體滑動(dòng)面橫穿擬建大斷面隧道洞身的難題，運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件以隧道圍巖位移特征、塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律以及圍巖應(yīng)力狀態(tài)為主要指標(biāo)，對(duì)三臺(tái)階七步法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法以及CRD法進(jìn)行了施工力學(xué)行為的比選，進(jìn)而確定了合理的施工方法，并成功控制了圍巖變形?；拭竦萚7]采用有限元分析方法對(duì)超大斷面隧道開挖施工過程進(jìn)行了模擬，明確了雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與CD法開挖方式下隧道圍巖的變形規(guī)律及應(yīng)力分布特征。但總體而言，相較于發(fā)達(dá)國家，我國目前對(duì)于大斷面隧道工法的選擇絕大部分采用經(jīng)驗(yàn)類比進(jìn)行，沒有一套成熟施工工法體系可供參考。

此外，國內(nèi)外雖對(duì)并行小凈距隧道的施工做了一定的研究，但大多局限于兩線隧道施工的相互影響，而對(duì)多線并行大斷面隧道群建設(shè)過程中各隧道施工相互影響問題的研究還極為少見，并無一套成熟的技術(shù)可供參考。因此，本文擬結(jié)合成都天府國際機(jī)場高速公路龍泉山隧道工程的修建，對(duì)并行大斷面小凈距隧道群施工的群洞效應(yīng)及其控制技術(shù)進(jìn)行探討。

1 工程概況

成都天府國際機(jī)場高速公路是連接成都市區(qū)及成都新機(jī)場的主干道，是保障成都“一市兩場”航空格局形成及成都持續(xù)發(fā)展的重大工程。其起于成都繞城高速公路(G42-01)成龍立交以西2.5 km附近，止于石橋鎮(zhèn)，設(shè)置新機(jī)場樞紐互通與機(jī)場內(nèi)部相連，是四川省第一條雙向八車道高速公路，設(shè)計(jì)速度為120 km/h。天府國際機(jī)場高速公路穿越龍泉山的隧道工程是整個(gè)項(xiàng)目的重難點(diǎn)工程，共設(shè)2座分離式長隧道：龍泉山1號(hào)隧道與龍泉山2號(hào)隧道。兩座隧道各有4線長度在2 km以上的并行隧道，按線路前進(jìn)方向形成了并行的大斷面公路隧道群。龍泉山1、2號(hào)并行隧道群在隧道襯砌橫斷面上為雙向十車道，按路線前進(jìn)方向，隧道斷面布置從左至右依次為2+3+3+2(車道)，如圖1所示，其中2車道隧道為貨車優(yōu)先車道，凈空面積(不含仰拱)達(dá)73.43 m2，3車道隧道為客車優(yōu)先車道，凈空面積(不含仰拱)達(dá)108.89 m2。

圖1 龍泉山1號(hào)隧道典型斷面圖

龍泉山隧道是隧道的主要部分，四線并行隧道相鄰兩線之間的凈距(10～40 m之間)小于《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的分離式獨(dú)立雙洞隧道間的最小凈距(見表1)，相鄰兩線在隧道全長大部分范圍內(nèi)屬于小凈距隧道。顯然，這樣的四線并行大斷面小凈距隧道群(至少含有兩線開挖斷面超100 m2的大斷面隧道，在隧道群緊急停車帶位置四線隧道開挖斷面均超100 m2，均為大斷面隧道)的建設(shè)將產(chǎn)生嚴(yán)重的群洞近接施工相互影響的問題，給施工帶來諸多不確定性及風(fēng)險(xiǎn)，具體表現(xiàn)為兩點(diǎn)：①相較于一般的并行小凈距隧道施工問題，小凈距隧道群中的洞室及其周圍圍巖將受到更多的施工擾動(dòng)，圍巖的塑性區(qū)或?qū)⒓眲≡龃螅踔涟l(fā)生失穩(wěn)的情況，同時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的受力也處于極為不利的狀態(tài)；②并行隧道群中存在的大斷面隧道(橫斷面面積大于100 m2)，由于其低扁平率的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及自身施工時(shí)對(duì)圍巖已造成的多次擾動(dòng)，極有可能放大小凈距隧道接近施工給圍巖-結(jié)構(gòu)體系帶來的負(fù)面效應(yīng)。

表1 分離式獨(dú)立雙洞間的最小凈距

注：B——隧道開挖斷面的寬度

在綜合調(diào)研國內(nèi)外大斷面低扁平率隧道施工關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文采用數(shù)值模擬手段，并結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，對(duì)不同圍巖條件下大斷面(斷面面積大于100 m2)低扁平率隧道施工工法的合理性進(jìn)行深入研究，重點(diǎn)剖析不同圍巖級(jí)別下大斷面低扁平率隧道不同工法不同施工狀態(tài)下圍巖-支護(hù)體系的力學(xué)行為特征，探明各工法下圍巖及隧道結(jié)構(gòu)位移場及應(yīng)力場的演變特征，在兼顧工程安全性及經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，明確提出不同圍巖級(jí)別條件下大斷面低扁平率隧道的適宜施工工法及支護(hù)參數(shù)，并據(jù)此分析龍泉山隧道工程大斷面隧道設(shè)計(jì)施工方案的適應(yīng)性。

2 隧道數(shù)值模型

2.1 隧道開挖施工方法

Ⅳ級(jí)圍巖條件下，兩車道隧道對(duì)全斷面法、臺(tái)階法、留核心土法3種開挖工法進(jìn)行比選、3車道隧道對(duì)三臺(tái)階七步法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法3種開挖工法進(jìn)行比選。

2.2 隧道模型

隧道采用FLAC3D建立三維模型，具體分析在不同施工方法下，隧道開挖過程中及開挖結(jié)束后洞周位移情況及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。計(jì)算時(shí)以Ⅳ級(jí)圍巖為例，通過應(yīng)力釋放的方法來模擬實(shí)際開挖[8]。隧道開挖后，應(yīng)力釋放率控制在30%，在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施工后，釋放所有荷載。兩車道隧道采用全斷面法、臺(tái)階法、留核心土法，3車道隧道采取三臺(tái)階七步法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，不同工法間橫向比較。

為消除邊界影響，計(jì)算范圍從隧道中心左右各取60 m(約3倍開挖跨度)，上邊界取距離隧道拱頂約40 m，剩余埋深以自重荷載的形式體現(xiàn)。地層采用三維實(shí)體單元模擬，并假定其滿足Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)關(guān)系，初期支護(hù)采用殼單元模擬，超前小導(dǎo)管及錨桿采用錨索單元模擬，圍巖的加固通過提高相應(yīng)加固區(qū)內(nèi)圍巖的物理參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。此外，鋼架作用按等效方法予以考慮。圖2為不同施工方法工序模型圖。

2.3 物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算圍巖、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見表2、表3所示。

表2 基本物理力學(xué)參數(shù)

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

圖2 不同施工方法模型圖

3 兩車道隧道開挖工法數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 圍巖塑性區(qū)分析

圖3顯示了不同施工方法下圍巖塑性區(qū)的分布情況。

從圖3可以看出，不同工法開挖下塑性區(qū)分布規(guī)律基本一致，洞內(nèi)土體開挖過程中因拱頂范圍土體主應(yīng)力向兩邊傳遞，使得拱肩以下范圍土體偏應(yīng)力較大產(chǎn)生較大塑性區(qū)，其中拱腳處因應(yīng)力集中及承受了來自上部的主要荷載作用，產(chǎn)生了較大的塑性區(qū)深度及范圍。此外，邊墻部位也相應(yīng)產(chǎn)生了部分塑性區(qū)。比較3種不同工法施工開挖后監(jiān)控?cái)嗝嫠苄詤^(qū)分布情況可以發(fā)現(xiàn)，塑性區(qū)分布范圍從大到小依次為：留核心土法、臺(tái)階法、全斷面開挖法，這說明了留核心土法開挖隧道過程圍巖受擾動(dòng)范圍稍大。

圖3 不同施工方法圍巖塑性區(qū)分布圖

3.2 圍巖位移分析

圖4及圖5分別顯示了不同施工方法下圍巖豎向位移云圖及水平位移云圖。

從計(jì)算結(jié)果及圍巖位移云圖中可以看出：

1)不同工法施工開挖下，圍巖位移分布規(guī)律基本一致，拱頂位移以沉降為主，全斷面法、臺(tái)階法、留核心土法最大沉降值分別達(dá)到-21.77 mm、-20.72 mm、-18.23 mm；拱底位移以隆起為主，3種開挖方法引發(fā)的拱底隆起值分別為18.35 mm、25.536 mm及26.17 mm。拱肩、拱腳部位以向洞內(nèi)位移為主，3種工法洞周水平收斂最大值分別達(dá)到1.56 mm、3.58 mm、2.80 mm。

2)在Ⅳ級(jí)圍巖條件下，分部開挖對(duì)圍巖拱頂沉降變形控制有利。例如采用全斷面開挖施工時(shí)，產(chǎn)生的拱頂沉降最大，最大達(dá)到-21.77 mm，而采用留核心土法開挖施工時(shí)，產(chǎn)生的拱頂沉降最小，僅為-18.23 mm，相較于全斷面施工減小幅度約為19.4%；然而，在控制拱底隆起方面，全斷面開挖施工引發(fā)的拱底隆起值最小，為18.35 mm，比最大的留核心土法開挖施工的26.17 mm小42.6%。這是由于采用全斷面法開挖，可以及時(shí)施作隧道仰拱，有效地控制了圍巖拱底的變形。

3)不同工法下，洞周圍巖水平最大收斂位移產(chǎn)生在拱肩及拱腳的位置，但是收斂值均不大，保持在4 mm以下。全斷面開挖洞周水平收斂位移最小，量值約為1.56 mm，小于臺(tái)階法開挖的水平收斂最大值3.58 mm約56.4%。

3.3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

表4及表5顯示了初期支護(hù)結(jié)構(gòu)不同部位的內(nèi)力值。

圖4 不同施工方法隧道開挖后圍巖豎向位移云圖

圖5 不同施工方法隧道開挖后圍巖水平位移云圖

表4 不同工法下初支監(jiān)控點(diǎn)最大主應(yīng)力值

表5 不同工法下初支監(jiān)控點(diǎn)最小主應(yīng)力值

從初期支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)值可以看出：

1)從初期支護(hù)結(jié)構(gòu)不同部位最大主應(yīng)力量值來看，全斷面法開挖的最大主應(yīng)力值普遍大，并且在結(jié)構(gòu)拱頂存在較大的拉應(yīng)力，達(dá)到0.98 MPa，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全性；

2)從初期支護(hù)結(jié)構(gòu)不同部位最小主應(yīng)力量值來看，全斷面法、臺(tái)階法、留核心土法結(jié)構(gòu)受力情況基本一致，最大值分布在拱腰和拱腳的位置，但量值均在噴射混凝土的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度以內(nèi)。

通過對(duì)不同開挖工法下圍巖塑性區(qū)、圍巖變形特征及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)采用全斷面法進(jìn)行隧道開挖，隧道拱頂圍巖最大主應(yīng)力最大，量值達(dá)0.96 MPa(其他2種工法最大主應(yīng)力量值均在0 MPa以下，不會(huì)出現(xiàn)圍巖受拉情況)，明顯不利于隧道開挖后圍巖穩(wěn)定性的保持；

2)在控制2車道隧道洞周位移指標(biāo)上，全斷面法開挖施工拱頂沉降位移最大，達(dá)-21.77 mm；留核心土法開挖拱頂圍巖沉降最小為-18.23 mm，相差19.4%。對(duì)于龍泉山Ⅳ級(jí)較差的圍巖，須嚴(yán)格控制圍巖變形，故宜采用留核心土和臺(tái)階法進(jìn)行隧道開挖；

3)從兩車道隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況來看，全斷面法進(jìn)行開挖的隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂最大主應(yīng)力值較大，達(dá)0.98 MPa，在支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部造成較大的拉應(yīng)力，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全性。3種工法下初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力分布基本一致，且量值差別不大。

4)為確保龍泉山2車道公路隧道施工開挖過程的安全與穩(wěn)定，2車道隧道Ⅳ級(jí)圍巖段建議采用臺(tái)階法進(jìn)行開挖。

4 3車道隧道開挖工法計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 圍巖塑性區(qū)分析

通過塑性區(qū)的演變特征及大小來對(duì)不同工法開挖下圍巖受擾動(dòng)情況進(jìn)行初步判斷及分析。圖6顯示了不同工法下3車道隧道圍巖塑性區(qū)分布特征。

比較圖6中不同工法施工開挖后監(jiān)控?cái)嗝嫠苄詤^(qū)分布情況可以發(fā)現(xiàn)，塑性區(qū)分布范圍從大到小依次為：三臺(tái)階七步法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。這說明采用三臺(tái)階七步法開挖，圍巖受擾動(dòng)的范圍稍大。

圖6 不同開挖方法圍巖塑性區(qū)分布圖

4.2 圍巖位移分析

圖7及圖8顯示了不同施工方法下圍巖豎向位移云圖及水平位移云圖。

從圖7—圖8中可以看出不同工法下圍巖的變形情況：

1)圍巖豎向位移以拱頂沉降最大，其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的沉降最小，量值為4.01 cm, 三臺(tái)階七步法引起的沉降為4.13 cm，而單側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的沉降最大，量值為4.20 cm。故從控制隧道拱頂沉降來看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法最優(yōu)，而其他另外2種工法次之，但3種工法總體差別不大；

2)從隧道開挖后洞周水平收斂位移來看，最大位移均出現(xiàn)在拱肩部位，其中三臺(tái)階七步法開挖后拱肩水平收斂位移最小，為7.2 mm，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法次之，單側(cè)壁導(dǎo)坑法最大，量值達(dá)到9.7 mm;

3)對(duì)于拱肩水平收斂，單側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的水平收斂值始終保持最大，三臺(tái)階七步法最?。粚?duì)于拱腳水平收斂，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖引起的最大，三臺(tái)階七步法開挖引起的最小。

圖7 不同施工方法隧道開挖后圍巖豎向位移云圖

圖8 不同施工方法隧道開挖后圍巖水平位移云圖

4.3 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

圖9—圖10顯示了初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力分布情況，分析對(duì)比隧道在不同施工方法開挖后初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)變化特征，從初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，例如噴射混凝土的安全性狀況及材料性能的發(fā)揮等方面來評(píng)價(jià)噴射混凝土受力的優(yōu)劣性，進(jìn)而對(duì)工法適應(yīng)性進(jìn)行研究。

圖9 不同施工方法初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖

圖10 不同施工方法初期支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖

從圖9—圖10中可以看到，在隧道不同開挖方法條件下，隧道初支護(hù)基本以壓應(yīng)力為主。不同噴射混凝土厚度下拱腰處最小主應(yīng)力值(絕對(duì)值)最大，一般達(dá)到30 MPa左右；初支結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力主要集中在拱腳和拱底部位，但三臺(tái)階七步法開挖與其它兩種開挖工法相比，會(huì)在襯砌拱頂產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，量值約為1.7 MPa，而單側(cè)壁導(dǎo)坑法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力均控制在0.5 MPa以下。這表明采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力更優(yōu)，安全性較好。

經(jīng)上述數(shù)值模擬，對(duì)不同開挖工法下圍巖塑性區(qū)、圍巖變形特征及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)在控制三車道洞周位移指標(biāo)上，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法控制拱頂沉降效果較好，三臺(tái)階七步法控制洞周水平位移效果較好，但綜合來看，對(duì)于圍巖條件差、對(duì)圍巖變形控制要求嚴(yán)格的工況，宜采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法；

2)從三車道隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況來看，三臺(tái)階七步法施工支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較大，且易在支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部造成較大的拉應(yīng)力，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全性。

3)由于三臺(tái)階七步法施工開挖步數(shù)多，易在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，不推薦采用三臺(tái)階法施工。但采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，拆除中壁作業(yè)復(fù)雜，施工進(jìn)度慢，因此三車道隧道開挖工法還應(yīng)結(jié)合實(shí)際施工情況做進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

本文依托成都天府國際機(jī)場高速公路龍泉山隧道，對(duì)多線并行大斷面隧道群開挖施工工法的適應(yīng)性進(jìn)行了分析，通過數(shù)值分析，橫向?qū)Ρ攘刷艏?jí)圍巖不同工法下圍巖塑性區(qū)、圍巖變形特征以及初支結(jié)構(gòu)受力特征等指標(biāo)，并得出結(jié)論如下：

1)對(duì)2車道隧道，建議采用臺(tái)階法開挖，可有效保障隧道開挖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與施工安全；

2)對(duì)3車道隧道，在圍巖條件差、變形控制要求嚴(yán)格時(shí)宜采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全性，但考慮到工序復(fù)雜性及施工進(jìn)度等方面的影響，實(shí)際施工時(shí)的工法選擇應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件做進(jìn)一步研究；

3)本文的分析僅基于龍泉山隧道的邊界條件，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步對(duì)不同地質(zhì)條件與施工環(huán)境下類似隧道工程的工法應(yīng)用情況進(jìn)行研究，探討不同工法的適用范圍。