不等跨雙向10車道四連拱隧道設(shè)計(jì)及施工方法

柏 署， 楊 雄， 李雨哲， 龔 峰， 陽(yáng)軍生

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410075； 2. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410200； 3. 中鐵二十五局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 542814)

0 引言

連拱隧道一般適用于地形復(fù)雜、選線困難的條件，特別是城區(qū)土地資源緊張、線路布置困難的情況下。連拱隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工工序多，不同的施工工序及隧道開挖順序?qū)鷰r與隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為影響顯著。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于雙連拱隧道的設(shè)計(jì)和施工積累了很多經(jīng)驗(yàn)。胡紅衛(wèi)[1]介紹了雙連拱隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、中導(dǎo)洞施工技術(shù)及特殊問題的處理方法； 曾勝等[2]對(duì)連拱隧道特有的中隔墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)并總結(jié)了其力學(xué)特征； 許崇幫等[3]對(duì)比分析了雙側(cè)壁導(dǎo)坑和CRD法在連拱隧道施工中的適用性； 鄭宗溪等[4]對(duì)不等跨雙連拱隧道的中隔墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工法以及防排水等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究； 鄒建華等[5]指出淺埋偏壓連拱隧道應(yīng)先挖淺埋側(cè)，不合理的施工工序和步距是造成初期支護(hù)失穩(wěn)的主要因素； 王猛等[6]提出“三導(dǎo)洞+聯(lián)絡(luò)通道”的施工方法，通過設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道將雙連拱隧道進(jìn)行分段，中隔墻得以提前施作，實(shí)現(xiàn)快速施工。

對(duì)于多連拱隧道，地鐵及車站建設(shè)中也有成功案例。針對(duì)多連拱隧道的施工方法，王立軍[7]以哈爾濱地鐵某四連拱隧道段(跨度28 m)為依托，研究大斷面四連拱隧道雙側(cè)壁+中導(dǎo)洞法的施工工法； 孟偉等[8]以北京地鐵某停車線工程四連拱隧道(跨度23.14 m)為例，從支護(hù)體系受力、風(fēng)險(xiǎn)控制等方面對(duì)“導(dǎo)洞法”、“側(cè)洞法”及兩者相結(jié)的“導(dǎo)洞+側(cè)洞法”進(jìn)行比選； 鄭甲佳等[9]以西安地鐵三連拱隧道(跨度19.7 m)為依托，研究雙洞法+臺(tái)階法施工在三連拱黃土地鐵隧道中的施工效果； 王剛等[10]介紹京石線某段不等高三連拱隧道的施工過程和變形控制措施，分析其受力和變形特點(diǎn)； 梁文添等[11]介紹新奧法在香港中環(huán)灣仔繞道項(xiàng)目某段三連拱隧道(跨度50 m)施工中的應(yīng)用。

目前，已有部分關(guān)于多連拱隧道施工工序的研究。對(duì)于不同施工工序下圍巖穩(wěn)定性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特征，主要通過數(shù)值仿真結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的手段進(jìn)行分析。劉寶許等[12]以秦嶺終南山公路隧道通風(fēng)豎井工程四連拱隧道(跨度62 m)為依托，對(duì)施工過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算； 劉樹紅等[13]以京張高鐵某段三連拱隧道(跨度44.2 m)為例，依據(jù)普氏平衡拱理論建立了深埋三連拱隧道圍巖荷載模型并提出了三連拱隧道的合理施工工序； 周江天[14]以福州市二環(huán)路象山四連拱隧道(跨度35.4 m)為工程背景，模擬施工進(jìn)程，對(duì)各種工況下圍巖穩(wěn)定性和受力狀態(tài)予以解析計(jì)算； 李恒[15]基于烏魯木齊地鐵4號(hào)線某三連拱隧道(跨度26.8 m)工程，分析不同中隔墻支護(hù)方案下，各施工階段中隔墻結(jié)構(gòu)的變形特征及受力特性。綜上可知，目前國(guó)內(nèi)多連拱隧道多見于地鐵隧道建設(shè)中，對(duì)于大跨多連拱公路隧道建設(shè)研究較少。

長(zhǎng)沙望城區(qū)觀音巖隧道采用不等跨四連拱結(jié)構(gòu)型式，總開挖寬度達(dá)63.68 m，4洞折合長(zhǎng)度497 m，為全國(guó)首創(chuàng)雙向10車道四連拱超大跨徑公路隧道[16]。隧道開挖洞室多，開挖跨度大，多洞室施工，施工工序相互交錯(cuò)，工序轉(zhuǎn)換時(shí)相互影響較大； 隧道穿越強(qiáng)風(fēng)化板巖、中風(fēng)化板巖，施工風(fēng)險(xiǎn)高。針對(duì)該隧道穿越地層的水文地質(zhì)條件及其四連拱結(jié)構(gòu)型式，提出合適的支護(hù)措施及施工工序，研究隧道多洞室施工相互影響機(jī)制，以期為今后類似的多連拱隧道設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

觀音巖隧道位于長(zhǎng)沙市望城區(qū)內(nèi)，為銀星路道路工程的控制性工程，隧道平面位置如圖1所示。隧址區(qū)為狹小走廊帶，建設(shè)環(huán)境復(fù)雜。西側(cè)受長(zhǎng)常北線高速公路與繞城高速公路互通控制；東側(cè)受規(guī)劃道路與商業(yè)用地限制，城市建筑物群密集；南側(cè)大部分為商業(yè)用地；北側(cè)毗鄰佛教圣地洗心禪寺，寺廟文物保護(hù)難度大。

圖1 觀音巖隧道位置示意圖

隧址區(qū)地貌類型為丘陵，地表剝蝕較強(qiáng)烈，山頂最大高程為124 m。隧道進(jìn)口端洞門附近地勢(shì)較陡，仰坡自然坡度為25°～30°； 出口端洞門附近地勢(shì)較平坦，仰坡自然坡度為15°～20°； 洞身段地表大部分山坡地形起伏較大，自然坡度一般為20°～35°?？碧浇衣兜牡貙訌纳现料路謩e為： 第四系全新統(tǒng)(Qh)種植土、第四系更新統(tǒng)(Qp)黏土、元古界冷家溪群下段(Ptln)板巖[16]。采用無(wú)人機(jī)三維建模技術(shù)繪制的隧址區(qū)地形圖如圖2所示，主線隧道地質(zhì)縱斷面如圖3所示[16]。

圖2 隧址區(qū)地形圖

圖3 主線隧道地質(zhì)縱斷面[16]

洞口段圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化板巖，巖質(zhì)軟弱，巖體破碎，穩(wěn)定性差，開挖時(shí)易產(chǎn)生坍塌及大變形，為Ⅴ級(jí)圍巖。洞身段圍巖主要為中風(fēng)化板巖，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖體為較破碎—較完整，節(jié)理裂隙發(fā)育，軟弱結(jié)構(gòu)面主要為節(jié)理及層面，陡傾角節(jié)理裂隙發(fā)育，為Ⅳ—Ⅴ級(jí)圍巖?，F(xiàn)場(chǎng)開挖揭露的部分掌子面圍巖情況如圖4所示。

(a) (b)

2 四連拱隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 隧道結(jié)構(gòu)選型

受線路布置限制，通過對(duì)大跨小凈距隧道、大跨雙連拱隧道、四連拱隧道、6車道路面、8車道路面及10車道路面等方案進(jìn)行比選，最終選取不等跨雙向10車道四連拱隧道結(jié)構(gòu)形式。主體工程包含3個(gè)導(dǎo)洞、2個(gè)主線隧道、2個(gè)輔線隧道，形成“四拱三導(dǎo)七連環(huán)”施工布局，觀音巖隧道結(jié)構(gòu)橫斷面見圖5。該方案可實(shí)現(xiàn)交通組織順暢，主線隧道與輔道隧道交通互不干涉，建設(shè)主輔分離、城市快進(jìn)快出的綠色通道；在施工過程中避免了土地分割，充分節(jié)約了城市土地資源，提升了沿線土地利用價(jià)值，并盡量避免大開大挖，充分保護(hù)附近文物。

中間主線隧道為雙向6車道主線快速路，兩側(cè)輔道隧道為機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車混行及人行道。主線隧道建筑限界設(shè)計(jì)凈寬12.75 m，輔道隧道建筑限界設(shè)計(jì)凈寬10.50 m。隧道車行道凈高5.0 m，人行道凈高2.5 m[16]。

2.2 中導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)與中隔墻設(shè)計(jì)

觀音巖隧道作為大跨多連拱隧道，設(shè)置3個(gè)中導(dǎo)洞，且先開挖中導(dǎo)洞再施作中隔墻。3個(gè)中導(dǎo)洞支護(hù)如圖6所示，導(dǎo)洞在Ⅴ級(jí)圍巖段臨時(shí)支護(hù)為I18工字鋼鋼拱架(間距50 cm)+22 cm厚C25早強(qiáng)混凝土； 在Ⅳ級(jí)圍巖段臨時(shí)支護(hù)為I16工字鋼鋼拱架(間距75 cm)+20 cm厚C20早強(qiáng)混凝土。

圖5 觀音巖隧道結(jié)構(gòu)橫斷面[16](單位： cm)

圖6 中導(dǎo)洞支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[16](單位： cm)

中隔墻采用整體式曲中墻型式。暗洞段中隔墻厚度與二次襯砌厚度差異部分采用二次襯砌補(bǔ)足。地基軟弱時(shí)，中隔墻基礎(chǔ)作擴(kuò)大處理，并打設(shè)注漿小導(dǎo)管或注漿錨桿加固地基。

由于兩側(cè)開挖的主、輔隧道跨度不同，采用不同的中隔墻設(shè)計(jì)，同一導(dǎo)洞的不同里程由于圍巖級(jí)別的變化，其中隔墻設(shè)計(jì)亦有調(diào)整，根據(jù)這些特征設(shè)計(jì)了MD型及Ⅰ—Ⅶ型共8種中隔墻。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)主、輔線隧道可能存在的由Ⅳ級(jí)圍巖變更為Ⅴ級(jí)圍巖的情況，Ⅳ級(jí)圍巖段中隔墻施作時(shí)預(yù)留5 cm的空間，在澆筑襯砌時(shí)回填密實(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際圍巖揭露情況靈活選取對(duì)應(yīng)的中隔墻類型施作。

主洞之間和主、輔之間的中隔墻設(shè)計(jì)如圖7和圖8所示。圖中各參數(shù)為：R0=289 cm，頂部保護(hù)層厚度c=22 cm(兩側(cè)均為Ⅳ級(jí)圍巖時(shí)c取20 cm)；中隔墻靠主洞側(cè)保護(hù)層厚c1=26 cm，靠輔洞側(cè)保護(hù)層厚c2=5 cm。R1=756/751 cm(主洞Ⅴ級(jí)圍巖/主洞Ⅳ級(jí)圍巖)，R2=1 026 cm；R1′=635/630 cm(輔洞Ⅴ級(jí)圍巖/輔洞Ⅳ級(jí)圍巖)，R2′=1 005 cm； 中隔墻厚度D=245/250/255 cm(兩側(cè)均為Ⅴ級(jí)圍巖/一側(cè)為Ⅴ級(jí)圍巖/兩側(cè)均為Ⅳ級(jí)圍巖)。

圖7 主洞之間的中隔墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[16](單位： cm)

圖8 主洞與輔洞間的中隔墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[16](單位： cm)

2.3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四連拱隧道開挖跨度大且主輔隧道的跨度不等，對(duì)其支護(hù)體系的承載能力和安全性有更高的要求。

施工過程中圍巖擾動(dòng)頻繁，主線隧道兩側(cè)中隔墻受力偏壓轉(zhuǎn)換復(fù)雜，易造成中隔墻失穩(wěn)及支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂失效。為降低鄰近隧道施工擾動(dòng)的影響，中間兩主線隧道采用雙層初期支護(hù)+二次襯砌復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)。第1層初期支護(hù)由型鋼鋼架和噴射混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)成，跨設(shè)于相鄰中隔墻的頂部，鋼架與墻頂預(yù)埋鋼板焊接牢固，并通過噴射混凝土與墻體連為一體，起到臨時(shí)支撐拱部土石荷載的作用； 第2層初期支護(hù)采用單獨(dú)成環(huán)，加強(qiáng)支護(hù)剛度、協(xié)調(diào)邊墻兩側(cè)變化的不對(duì)稱荷載及變形，同時(shí)隔離相鄰隧道開挖影響，防止后行洞室開挖擾動(dòng)造成已施作的二次襯砌開裂。后行輔線隧道由于其跨度較小且后行開挖，受到的施工擾動(dòng)次數(shù)少，采用單層初期支護(hù)+二次襯砌復(fù)合式結(jié)構(gòu)。

隧道在Ⅴ級(jí)圍巖段，主洞采用LGZ-Ⅴ型復(fù)合襯砌，輔洞采用LGF-Ⅴ型復(fù)合襯砌，Ⅴ級(jí)圍巖段襯砌設(shè)計(jì)如圖9和圖10所示； 在Ⅳ級(jí)圍巖段，主洞采用LGZ-Ⅳ型復(fù)合襯砌設(shè)計(jì)，輔洞采用LGF-Ⅳ型復(fù)合襯砌。具體襯砌支護(hù)參數(shù)如表1所示。

圖9 LGZ-Ⅴ型復(fù)合襯砌[16](單位： cm)

圖10 LGF-Ⅴ復(fù)合襯砌[16](單位： cm)

3 四連拱隧道施工工序

3.1 觀音巖隧道現(xiàn)場(chǎng)施工工序

多連拱隧道結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，開挖支護(hù)工序繁多，施工組織難度高。觀音巖隧道采用中導(dǎo)洞法施工，先開挖3個(gè)中導(dǎo)洞并施工中隔墻。待中隔墻混凝土滿足強(qiáng)度要求后，開挖中間主洞，則先行主洞的兩側(cè)洞室開挖受開挖錯(cuò)距影響小，加快施工進(jìn)度，便于現(xiàn)場(chǎng)施工組織。由于觀音巖隧道全長(zhǎng)各斷面各洞室埋深大小不一，且到右主洞和南輔洞長(zhǎng)于左主洞和北輔洞，出口處左主洞左側(cè)形成了高邊坡。為減少高邊坡的暴露時(shí)間，保證施工安全，宜盡早貫通左主洞并施作左主洞明洞，將左主洞明洞上方回填，保證高邊坡的穩(wěn)定。因此，觀音巖隧道先進(jìn)行主洞開挖支護(hù)，后進(jìn)行輔洞開挖支護(hù)，并以左為先行洞，在2主洞開挖后，先開挖左側(cè)北輔洞，后開挖右側(cè)南輔洞，即采用“先主后輔，左主先行”的施工工序。通過對(duì)相鄰洞室不同開挖錯(cuò)距進(jìn)行施工模擬，得出在洞室掌子面開挖錯(cuò)距為2倍主洞洞徑(約32 m)以上時(shí)，洞室開挖相互影響較小，此時(shí)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制效果較好，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較為合理[17]。

表1 觀音巖隧道襯砌支護(hù)參數(shù)[16]

現(xiàn)場(chǎng)先行主洞開挖并及時(shí)施作初期支護(hù)后，雙層初期支護(hù)與中隔墻共同受力承擔(dān)施工荷載，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)跟進(jìn)施作二次襯砌；后行隧道先開挖遠(yuǎn)離先行洞一側(cè)的巖體，且掌子面滯后先行隧道二次襯砌10～15 m，降低開挖對(duì)先行洞室的影響。左主洞與相鄰的右主洞掌子面錯(cuò)距保持在32 m左右，在保證工期的同時(shí)最大程度減小相鄰主洞間的施工擾動(dòng)。左主洞率先貫通后作為施工通道，減少了材料加工場(chǎng)地和運(yùn)輸?shù)某杀?，亦便于后續(xù)洞室從隧道進(jìn)口和出口兩端同時(shí)施工。同時(shí)，在左主洞貫通后，與其相鄰的右主洞和北輔洞因彼此不相鄰，可不考慮開挖錯(cuò)距影響，縮短施工工期。

現(xiàn)場(chǎng)施工順序如圖11所示，開挖后及時(shí)施作初期支護(hù)。觀音巖隧道進(jìn)口端施工組織如圖12所示。

3.2 觀音巖隧道施工工序模擬驗(yàn)證

采用有限元方法，對(duì)“先主后輔，左主先行”的現(xiàn)場(chǎng)施工工序進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，分析四連拱隧道在多導(dǎo)洞施工，主洞、輔洞先后開挖以及襯砌施作后圍巖與結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，以驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)施工順序的可行性，評(píng)價(jià)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。

3.2.1 模型建立及模擬過程

結(jié)合隧道圍巖情況，選取位于Ⅴ級(jí)圍巖段的進(jìn)口端K0+450斷面作為典型模擬計(jì)算斷面，計(jì)算模型如圖13所示。

1—開挖支護(hù)3個(gè)中導(dǎo)洞； 2—澆筑3個(gè)導(dǎo)洞中隔墻； 3—開挖左主洞上臺(tái)階； 4—開挖左主洞中臺(tái)階； 5—開挖左主洞下臺(tái)階； 6—施作左主洞仰拱； 7—整體模筑左主洞二次襯砌； 8—開挖右主洞上臺(tái)階； 9—開挖右主洞中臺(tái)階； 10—開挖右主洞下臺(tái)階； 11—施作右主洞仰拱； 12—整體模筑右主洞二次襯砌； 13—開挖北輔洞上臺(tái)階； 14—開挖北輔洞中臺(tái)階； 15—開挖北輔洞下臺(tái)階； 16—施作北輔洞仰拱； 17—整體模筑北輔洞二次襯砌； 18—開挖南輔洞上臺(tái)階； 19—開挖南輔洞中臺(tái)階； 20—開挖南輔洞下臺(tái)階； 21—施作南輔洞仰拱； 22—整體模筑南輔洞二次襯砌。

圖12 觀音巖隧道施工組織(進(jìn)口端)

圖13 計(jì)算模型示意圖(單位： m)

根據(jù)隧址區(qū)域地層特性[16]并參照規(guī)范[18]選取巖土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)材料參數(shù)，模型參數(shù)具體取值見表2。模擬過程與現(xiàn)場(chǎng)施工方案的“先主后輔，左主先行”開挖支護(hù)工序一致。

表2 地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.2.2 結(jié)果分析

在隧道開挖支護(hù)后，K0+450典型模擬斷面的圍巖豎向位移云圖如圖14所示，二次襯砌的主應(yīng)力云圖如圖15所示。

圖14 K0+450斷面的圍巖豎向位移云圖

可見無(wú)論是圍巖位移還是支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，左主洞均較其他洞室要大。左主洞作為先行洞，其受到的施工擾動(dòng)次數(shù)最多。因此，以左主洞為例分析四連拱隧道多洞開挖支護(hù)相互擾動(dòng)下圍巖與結(jié)構(gòu)的反應(yīng)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性。

圖15 K0+450斷面二次襯砌主應(yīng)力云圖

為分析施工全過程的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為，對(duì)模擬斷面主、輔4洞的典型施工工序進(jìn)行編號(hào)，如表3所示，并提取斷面開挖支護(hù)過程中典型工序的模擬結(jié)果。

表3 典型工序編號(hào)

1)在主線隧道開挖后，斷面4個(gè)洞室各階段拱頂沉降如圖16所示。

圖16 K0+450斷面拱頂沉降變化曲線

結(jié)果表明： 洞室自身開挖后拱頂沉降量迅速增加，其相鄰洞室亦受到明顯擾動(dòng)； 隧道支護(hù)完成后拱頂沉降趨穩(wěn)。以左主洞為例，在其右側(cè)洞開挖后，其沉降值進(jìn)一步增大，而在其支護(hù)完成后，左側(cè)輔洞開挖對(duì)其豎向位移影響較小，不相鄰洞室開挖的相互影響甚微。K0+450斷面開挖支護(hù)后，圍巖最大沉降量為10.66 mm，位于主線左洞和北輔洞拱頂之間； 圍巖最大隆起量為3.16 mm，位于主線左洞隧底，均滿足規(guī)范[18]要求。

2)典型斷面左主洞的二次襯砌各階段最不利點(diǎn)位置及其內(nèi)力計(jì)算值如表4所示。

表4 左主洞二次襯砌最不利點(diǎn)位置及內(nèi)力計(jì)算值

左主洞斷面開挖支護(hù)完成后，最不利點(diǎn)出現(xiàn)在右拱肩處，隨著右側(cè)右主洞開挖支護(hù)，該點(diǎn)處軸力和彎矩顯著增大；而隨著左側(cè)的北輔洞開挖支護(hù)，左主洞最不利點(diǎn)變?yōu)樽蠊澳_處。明顯可見左、右兩側(cè)洞室的開挖對(duì)左主洞的擾動(dòng)較大，相鄰部位內(nèi)力值均發(fā)生明顯增長(zhǎng)，而不相鄰的南輔洞開挖支護(hù)未對(duì)其造成明顯影響。隧道開挖支護(hù)全過程中，左主洞二次襯砌安全性是不斷下降的，全斷面開挖支護(hù)后最不利點(diǎn)位于左拱腳處，算得安全系數(shù)模擬值為4.94，仍滿足安全性要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果

觀音巖隧道于2020年3月29日開始中導(dǎo)洞施工，2021年3月10日第1條隧道主線左主洞貫通； 2021年7月13日，最后一條隧道南輔洞貫通。目前主體結(jié)構(gòu)已完工，施工進(jìn)度如表5所示，隧道進(jìn)、出口實(shí)景如圖17和圖18所示。隧道建設(shè)過程中未出現(xiàn)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或襯砌開裂現(xiàn)象，整體施工效果好。說(shuō)明大跨四連拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和其“四拱三導(dǎo)七連環(huán)”的施工布局，“先主后輔，左主先行”的施工工序，在觀音巖隧道建設(shè)中具有較好的適用性。

表5 觀音巖隧道施工進(jìn)度

4.1 現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

觀音巖隧道監(jiān)控量測(cè)結(jié)果表明，施工過程中圍巖變形穩(wěn)定，隧道貫通后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)趨穩(wěn)。觀音巖隧道貫通后拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖19所示，可見最大沉降量為36.5 mm，出現(xiàn)在K0+755斷面左主洞拱頂；監(jiān)測(cè)到的拱頂沉降均小于規(guī)范[19]規(guī)定的沉降量控制值。

圖17 觀音巖隧道進(jìn)口實(shí)景

圖18 觀音巖隧道出口實(shí)景

圖19 觀音巖隧道拱頂下沉監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4.2 現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過在典型測(cè)試斷面的中隔墻、二次襯砌等部位測(cè)點(diǎn)埋設(shè)壓力盒及應(yīng)變計(jì)，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，測(cè)試斷面各洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力均在安全范圍內(nèi)[17]。

受到施工擾動(dòng)次數(shù)最多的K0+418斷面中導(dǎo)洞中隔墻從澆筑完成到斷面開挖支護(hù)完成的應(yīng)力時(shí)程曲線如圖20所示。由圖20可知，中隔墻在整個(gè)施工過程中墻身應(yīng)力整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，開挖支護(hù)完成后趨穩(wěn)；應(yīng)力最大值出現(xiàn)在墻身中下部，小于規(guī)范規(guī)定的C35混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值19.0 MPa； 計(jì)算中隔墻軸力和彎矩，按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行中隔墻強(qiáng)度驗(yàn)算，得到其最小安全系數(shù)出現(xiàn)在南輔洞開挖支護(hù)后的墻身中下部，其最小值K=3.43，大于規(guī)范規(guī)定值2.4，說(shuō)明在整個(gè)隧道施工過程中，中隔墻處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，施工擾動(dòng)影響也同樣體現(xiàn)在墻身受力上，墻身在左側(cè)先行洞開挖支護(hù)時(shí)完成了大部分的應(yīng)力增長(zhǎng)，同時(shí)右側(cè)主洞開挖支護(hù)對(duì)其擾動(dòng)明顯。

圖20 K0+418斷面中導(dǎo)洞中隔墻應(yīng)力實(shí)測(cè)時(shí)程曲線

K0+418斷面右主洞二次襯砌各部位典型階段安全系數(shù)如圖21所示(圖中系數(shù)取該處抗壓安全系數(shù)Ky與抗彎安全系數(shù)Kw中較小值)。由圖可知，多連拱隧道襯砌結(jié)構(gòu)受到臨近洞室開挖支護(hù)擾動(dòng)影響大，右主洞在其相鄰南輔洞開挖支護(hù)之后結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定。隨著隧道貫通，最終穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足安全性要求。

圖21 K0+418斷面右主洞二次襯砌安全系數(shù)

5 結(jié)論與討論

本文提出不等跨四連拱隧道的結(jié)構(gòu)型式，介紹觀音巖隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工序，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

1)采用不等跨四連拱隧道的結(jié)構(gòu)型式，解決了環(huán)境復(fù)雜、位于狹小走廊帶的10車道觀音巖隧道建設(shè)難題。

2)針對(duì)軟弱的圍巖條件及主輔隧道跨度差異，提出適用于多連拱隧道建設(shè)的中隔墻及復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，并給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)可依據(jù)實(shí)際情況靈活選用。

3)在3個(gè)中導(dǎo)洞施工及其中隔墻施作基礎(chǔ)上，提出先開挖主洞后開挖輔洞，以左主洞作為先行洞的施工工序，有利于現(xiàn)場(chǎng)施工組織，并通過數(shù)值分析驗(yàn)證了該工序的可行性。

4)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，四連拱隧道相鄰洞室間的施工擾動(dòng)要遠(yuǎn)大于不相鄰洞室之間；尤其先行主洞受到開挖擾動(dòng)次數(shù)最多，各工序相互影響，且均反映在結(jié)構(gòu)的受力情況上，因此多連拱隧道施工過程需重點(diǎn)關(guān)注先行洞室的安全性。

5)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中，圍巖穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)安全，施工進(jìn)展順利，表明觀音巖隧道結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工序合理可行，可為大跨度多連拱隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供參考。

本文未對(duì)大跨度多連拱隧道在頻繁開挖擾動(dòng)下的圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形力學(xué)機(jī)制進(jìn)行深入研究，今后將基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合理論和數(shù)值分析手段進(jìn)一步開展研究。