四洞并行公路隧道群開挖穩定性影響因素研究

李 偉，楊 琨，施劭矗，李弘毅，俞 凡

（1.中鐵隧道局集團一處有限公司，四川成都 610091；2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031）

小凈距隧道因其占地少、接線方便的特點，近年來在國內外高速公路建設上應用愈發廣泛[1]。但相較于分離式隧道，小凈距隧道施工更為復雜，其開挖過程中產生的群洞效應會使隧道的穩定性、經濟性等面臨諸多問題[2]。同時，小凈距隧道凈距減小、并行隧道數目增加的發展趨勢也使得工程條件越發復雜[3-4]。因此，針對龍泉山四洞并行小凈距隧道群進行開挖穩定性影響因素研究，以增強開挖穩定性并減少用地，為類似的工程實踐提供指導作用，具有重大的工程意義。

1 工程概況

成都天府國際機場高速公路龍泉山隧道群設有龍泉山1號隧道與龍泉山2號隧道，兩座隧道均為四洞并行公路隧道，采用全國首創的“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，外側兩個兩車道隧道為貨車專用道，每個隧道開挖斷面120m2左右，中間兩個三車道隧道為客車專用道，每個隧道開挖斷面183m2左右。全線隧道凈距在10～40m 之間，圍巖等級以Ⅳ級和Ⅴ級圍巖為主，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 正交試驗設計

2.1 影響因素及水平的選定

根據實踐經驗及已有研究結果，隧道群的開挖順序、隧道間凈距、隧道埋深、隧道掌子面錯距和圍巖級別對結構穩定性具有重要影響，故主要將這些因素選定為穩定性的影響因素進行正交試驗研究。各因素的變化水平選擇如下：

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

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

（5）圍巖級別。龍泉山1 號、2 號隧道全長范圍內圍巖級別以Ⅳ和Ⅴ級為主，故選取Ⅳ和Ⅴ級兩種變化水平。

表1 給出了擬研究隧道群開挖相互擾動的影響因素及對應的變化水平。表中5項影響因素，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距，E代表圍巖級別。

表1 隧道群開挖影響因素和水平

2.2 正交表的設計與選取

由2.1可知，隧道群開挖穩定受四個四水平因素和一個兩水平因素影響。用擬水平法[5]，把圍巖級別這個兩水平因素分別重復一次當作第三和第四水平，共設計16組正交試驗數值模擬方案，如表2所示。

表2 擬水平法改造后的正交試驗方案

隧道中巖柱是受小凈距隧道開挖影響最為嚴重的部分，其穩定性是保障整個施工過程穩定性的關鍵[6-8]，而初支拱頂位移以及邊墻收斂位移都是支護結構力學性態變化最直接的反映。故正交試驗設計計算結果指標選取各隧道初期支護結構的拱頂沉降位移、邊墻收斂位移、各中巖柱中心點的水平位移。

3 數值模擬概況

模型使用Midas GTS NX建立后導入FLAC3D進行數值模擬計算，模型縱向長90m，對于埋深40m 和60m 工況，上邊界取隧道埋深，距離隧道拱頂40m、60m。對于深埋80m和100m工況，剩余埋深則以荷載的形式體現，即在模型上邊界施加豎直向下的與剩余埋深圍巖相對應的重力荷載，模型下邊界從隧道底部向下取40m，計算模型如圖2 所示。為消除邊界影響，模型左右邊界從兩側隧道的外側各取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階法開挖，臺階長度6m，開挖循環進尺1.5m。

在數值模擬計算過程中，考慮隧道在實際開挖過程中的應力調整，采取應力釋放的方法來模擬實際開挖，即隧道開挖后，Ⅳ級圍巖條件下應力釋放率控制在40%，Ⅴ級圍巖條件下應力釋放率控制在20%，并在初期支護結構施作后，釋放剩余所有荷載。

模擬開挖過程分四步進行：①進行圍巖初始應力場的自重平衡；②對位移及速度場清零；③結合現場實際施工情況，對群洞隧道按相應設計工法（均以臺階法[9]）進行隧道開挖模擬；④施作隧道支護結構。

數值計算中各項材料的物理力學參數見表3、表4。

表3 圍巖基本物理力學參數

表4 支護結構物理力學參數

4 數值計算結果及分析

圖3 給出隧道群開挖各穩定性評價指標隨各因素水平的變化情況圖，從圖3中可以看到：

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

（2）對于隧道凈距，各隧道中巖柱的受擾動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，對凈距的變化表現出不敏感。而當凈距在1.0B時，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，在掌子面錯距為0.75B（13.5m）時到達最大。

（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級圍巖條件下各指標均大于Ⅳ級圍巖條件下的情況。

另外，表5給出了隧道群結構變形指標正交試驗極差計算值。根據表5，將各因素水平下的極差均值由大到小進行排序，判斷各因素對三項變形指標的影響程度強弱，可以得到：隧道埋深、圍巖級別、開挖順序是影響隧道群初支拱頂沉降的主要因素，掌子面錯距、隧道凈距為次要因素；隧道埋深、掌子面錯距、開挖順序是影響隧道群中間巖柱水平位移的主要因素，圍巖級別、隧道凈距為次要影響因素。

表5 隧道群結構變形指標正交試驗極差計算表

5 結論

（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、凈距和掌子面錯距的影響較小。

（2）群洞隧道的最優開挖順序為兩側先挖，最不利開挖順序為中間先挖。

（3）隧道凈距方面，隨凈距增大，隧道間的相互擾動逐漸減小，當凈距在1.0B時，隧道群初支結構的拱頂沉降和收斂位移最小，中巖柱的水平位移也相對較小，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距為0.75B時最大，而后隨錯距的增大逐漸變小。說明隧道群開挖過程中，相鄰開挖隧道的掌子面錯距越大于0.75B，對隧道初期支護結構和中間巖柱的變形影響越小。