四洞并行公路隧道群開挖穩(wěn)定性影響因素研究

李 偉，楊 琨，施劭矗，李弘毅，俞 凡

（1.中鐵隧道局集團(tuán)一處有限公司，四川成都 610091；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031）

小凈距隧道因其占地少、接線方便的特點(diǎn)，近年來在國內(nèi)外高速公路建設(shè)上應(yīng)用愈發(fā)廣泛[1]。但相較于分離式隧道，小凈距隧道施工更為復(fù)雜，其開挖過程中產(chǎn)生的群洞效應(yīng)會(huì)使隧道的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等面臨諸多問題[2]。同時(shí)，小凈距隧道凈距減小、并行隧道數(shù)目增加的發(fā)展趨勢也使得工程條件越發(fā)復(fù)雜[3-4]。因此，針對(duì)龍泉山四洞并行小凈距隧道群進(jìn)行開挖穩(wěn)定性影響因素研究，以增強(qiáng)開挖穩(wěn)定性并減少用地，為類似的工程實(shí)踐提供指導(dǎo)作用，具有重大的工程意義。

1 工程概況

成都天府國際機(jī)場高速公路龍泉山隧道群設(shè)有龍泉山1號(hào)隧道與龍泉山2號(hào)隧道，兩座隧道均為四洞并行公路隧道，采用全國首創(chuàng)的“雙向四洞十車道”方案，各隧道從左到右依次命名為D1 線、K 線、D2 線和D3線，車道布置為2+3+3+2，外側(cè)兩個(gè)兩車道隧道為貨車專用道，每個(gè)隧道開挖斷面120m2左右，中間兩個(gè)三車道隧道為客車專用道，每個(gè)隧道開挖斷面183m2左右。全線隧道凈距在10～40m 之間，圍巖等級(jí)以Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖為主，屬于較典型的多洞并行小凈距公路群洞隧道，如圖1所示。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 影響因素及水平的選定

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及已有研究結(jié)果，隧道群的開挖順序、隧道間凈距、隧道埋深、隧道掌子面錯(cuò)距和圍巖級(jí)別對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要影響，故主要將這些因素選定為穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn)研究。各因素的變化水平選擇如下：

（1）開挖順序。依據(jù)工程實(shí)際情況，開挖順序選取依次開挖、兩側(cè)先挖、中間先挖、間隔開挖四種變化水平。

（2）隧道凈距。根據(jù)三車道隧道最大開挖跨度B（18m），擬研究0.5～1.25B（9～22.5m）之間不同隧道凈距的影響，分別取0.50B、0.75B、1.00B、1.25B四種工況。

（3）隧道埋深。根據(jù)工程實(shí)際情況，洞口段附近隧道群埋深在40m 左右，最大埋深在100m 左右，故選取40m、60m、80m和100m的隧道埋深四種工況。

（4）隧道掌子面錯(cuò)距。一般小凈距隧道施工方案先行洞與后行洞掌子面需錯(cuò)開一定的距離，且錯(cuò)距不宜過大或過小，過大不利于施工的進(jìn)度控制和隧道二襯的施作，過小則可能嚴(yán)重影響隧道中巖柱的穩(wěn)定性。故擬研究0.5～1.25B（9～22.5m）之間不同掌子面錯(cuò)距對(duì)隧道開挖穩(wěn)定性的影響，相鄰隧道掌子面錯(cuò)距Lf分別取0.50B、0.75B、1.00B、1.25B四種工況。

（5）圍巖級(jí)別。龍泉山1 號(hào)、2 號(hào)隧道全長范圍內(nèi)圍巖級(jí)別以Ⅳ和Ⅴ級(jí)為主，故選?、艉廷跫?jí)兩種變化水平。

表1 給出了擬研究隧道群開挖相互擾動(dòng)的影響因素及對(duì)應(yīng)的變化水平。表中5項(xiàng)影響因素，A代表隧道開挖順序，B代表隧道凈距，C代表隧道埋深，D代表隧道開挖掌子面錯(cuò)距，E代表圍巖級(jí)別。

表1 隧道群開挖影響因素和水平

2.2 正交表的設(shè)計(jì)與選取

由2.1可知，隧道群開挖穩(wěn)定受四個(gè)四水平因素和一個(gè)兩水平因素影響。用擬水平法[5]，把圍巖級(jí)別這個(gè)兩水平因素分別重復(fù)一次當(dāng)作第三和第四水平，共設(shè)計(jì)16組正交試驗(yàn)數(shù)值模擬方案，如表2所示。

表2 擬水平法改造后的正交試驗(yàn)方案

隧道中巖柱是受小凈距隧道開挖影響最為嚴(yán)重的部分，其穩(wěn)定性是保障整個(gè)施工過程穩(wěn)定性的關(guān)鍵[6-8]，而初支拱頂位移以及邊墻收斂位移都是支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性態(tài)變化最直接的反映。故正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果指標(biāo)選取各隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的拱頂沉降位移、邊墻收斂位移、各中巖柱中心點(diǎn)的水平位移。

3 數(shù)值模擬概況

模型使用Midas GTS NX建立后導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模型縱向長90m，對(duì)于埋深40m 和60m 工況，上邊界取隧道埋深，距離隧道拱頂40m、60m。對(duì)于深埋80m和100m工況，剩余埋深則以荷載的形式體現(xiàn)，即在模型上邊界施加豎直向下的與剩余埋深圍巖相對(duì)應(yīng)的重力荷載，模型下邊界從隧道底部向下取40m，計(jì)算模型如圖2 所示。為消除邊界影響，模型左右邊界從兩側(cè)隧道的外側(cè)各取50m（約3倍開挖跨度）。在隧道開挖工法上面，各隧道均采取上下臺(tái)階法開挖，臺(tái)階長度6m，開挖循環(huán)進(jìn)尺1.5m。

在數(shù)值模擬計(jì)算過程中，考慮隧道在實(shí)際開挖過程中的應(yīng)力調(diào)整，采取應(yīng)力釋放的方法來模擬實(shí)際開挖，即隧道開挖后，Ⅳ級(jí)圍巖條件下應(yīng)力釋放率控制在40%，Ⅴ級(jí)圍巖條件下應(yīng)力釋放率控制在20%，并在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施作后，釋放剩余所有荷載。

模擬開挖過程分四步進(jìn)行：①進(jìn)行圍巖初始應(yīng)力場的自重平衡；②對(duì)位移及速度場清零；③結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工情況，對(duì)群洞隧道按相應(yīng)設(shè)計(jì)工法（均以臺(tái)階法[9]）進(jìn)行隧道開挖模擬；④施作隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)。

數(shù)值計(jì)算中各項(xiàng)材料的物理力學(xué)參數(shù)見表3、表4。

表3 圍巖基本物理力學(xué)參數(shù)

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

圖3 給出隧道群開挖各穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)隨各因素水平的變化情況圖，從圖3中可以看到：

（1）開挖順序采用兩側(cè)先挖時(shí)，拱頂沉降、邊墻收斂位移以及中巖柱水平位移都較小，隧道開挖穩(wěn)定性最強(qiáng)。

（2）對(duì)于隧道凈距，各隧道中巖柱的受擾動(dòng)程度隨凈距增大而減小，在凈距超過1.0B（18m）后，中巖柱受凈距的影響程度減弱，對(duì)凈距的變化表現(xiàn)出不敏感。而當(dāng)凈距在1.0B時(shí)，拱頂沉降和邊墻收斂位移最小，故將凈距控制在1.0B左右比較合理。

（3）不論是隧道初支拱頂沉降、邊墻收斂位移，還是各隧道中間巖柱的水平位移，均隨隧道埋深的增大而變大，說明隧道埋深越大，隧道群洞開挖的相互影響越大。

（4）隨掌子面錯(cuò)距增大，拱頂沉降、邊墻收斂位移以及中巖柱水平位移均先增大后減小，在掌子面錯(cuò)距為0.75B（13.5m）時(shí)到達(dá)最大。

（5）隨圍巖條件變差，拱頂沉降、邊墻收斂位移以及中巖柱水平位移也逐漸增大，Ⅴ級(jí)圍巖條件下各指標(biāo)均大于Ⅳ級(jí)圍巖條件下的情況。

另外，表5給出了隧道群結(jié)構(gòu)變形指標(biāo)正交試驗(yàn)極差計(jì)算值。根據(jù)表5，將各因素水平下的極差均值由大到小進(jìn)行排序，判斷各因素對(duì)三項(xiàng)變形指標(biāo)的影響程度強(qiáng)弱，可以得到：隧道埋深、圍巖級(jí)別、開挖順序是影響隧道群初支拱頂沉降的主要因素，掌子面錯(cuò)距、隧道凈距為次要因素；隧道埋深、掌子面錯(cuò)距、開挖順序是影響隧道群中間巖柱水平位移的主要因素，圍巖級(jí)別、隧道凈距為次要影響因素。

表5 隧道群結(jié)構(gòu)變形指標(biāo)正交試驗(yàn)極差計(jì)算表

5 結(jié)論

（1）在不同影響因素共同作用過程中，群洞隧道開挖相互影響主要取決于隧道的埋深和圍巖條件，而受隧道開挖施工順序、凈距和掌子面錯(cuò)距的影響較小。

（2）群洞隧道的最優(yōu)開挖順序?yàn)閮蓚?cè)先挖，最不利開挖順序?yàn)橹虚g先挖。

（3）隧道凈距方面，隨凈距增大，隧道間的相互擾動(dòng)逐漸減小，當(dāng)凈距在1.0B時(shí)，隧道群初支結(jié)構(gòu)的拱頂沉降和收斂位移最小，中巖柱的水平位移也相對(duì)較小，是較為合理的凈距。

（4）拱頂沉降、邊墻收斂位移以及中巖柱水平位移均在掌子面錯(cuò)距為0.75B時(shí)最大，而后隨錯(cuò)距的增大逐漸變小。說明隧道群開挖過程中，相鄰開挖隧道的掌子面錯(cuò)距越大于0.75B，對(duì)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和中間巖柱的變形影響越小。