非對稱小凈距隧道下穿軍事用地最優施工時序及工藝研究

曾衛彪

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

引言

非對稱小凈距隧道是指并行雙洞斷面大小不同，而隧道間夾巖墻厚度較小的一種隧道結構。其結構形式介于分離式隧道和連拱隧道之間，在某些條件下其工程應用的經濟技術合理性有可取之處［1］。

1 工程概況

1.1 佛山西站配線段工程概況

1.1.1 周邊環境及外部條件

佛山西站位于南海區羅村，為地下兩層島式車站。南北兩端為佛山西配線段，其中南端配線段為3、4 號線單渡線及聯絡線，位于佛山西樞紐南側廣場及站前南路地下，為明挖區間，南接盾構區間，長度為130.68 m，寬度為59.38 m；北端配線段為3、4 號線停車折返線，其中3 號線位于佛山西樞紐北廣場及站前北路、軍區山體地下，為暗挖區間，北接盾構區間；4 號線位于佛山西樞紐北廣場及站前北路、軍區山體西側地下，為明挖區間。3 號線北配線左線為單洞雙線隧道，左線起訖里程ZDK67+401.982—ZDK67+637.245，寬度為12.02 ～13.12 m；右線為單洞單線隧道，右線起訖里程YDK67+401.982—YDK67+681.045，寬度為6.68 m。佛山西站出站后穿越的主要建構筑物為軍區范圍山體，山體上主要設施有通信架、防空洞和兩棟軍區房屋。

1.1.2 線路平面

線路自佛山西站出站后，左右線線間距為16.60 m，左右線均位于直線段，見圖1。

圖1 佛山西站配線段總平面

1.1.3 線路縱斷面

區間線路縱斷面為單坡度，出佛山西站以后，右線以0‰、5‰的坡度接明挖段，線路軌面埋深為20.90 ～33.30 m，隧道覆土15.85 ～28.18 m；左線以0‰、5.072‰的坡度接明挖段，線路軌面埋深為20.90～33.30 m。隧道覆土13.74 ～26.69 m。隧道洞身主要穿越＜7-2＞強風化泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖和＜7-3＞強風化中粗砂巖，隧道綜合圍巖分級為Ⅲ～Ⅳ。

1.2 與軍區建筑及設施相互關系

（1）區間隧道采用礦山法施工，需要下穿軍區范圍山體。（2）區間隧道需下穿軍事設施。經過初步調查，該軍區山體范圍內存在防空洞、通信架、部隊營房等設施。隧道與防空洞水平凈距約26.2 m（推測）。（3）區間隧道需下穿軍事用地約0.58 hm2。

2 施工方法研究

2.1 施工工法選擇

地鐵隧道常用的施工方法有礦山法、盾構法和明挖法三種。（1）若采用明挖法施工，則需對軍事區的山坡進行刷坡開挖，影響范圍較大，工程費用較高，故不推薦。（2）若采用盾構施工，盾構管片外徑約為14 m，而本段隧道長度僅為235 m，采用大直徑盾構機施工不經濟，且需要占用較大面積臨時用地，佛山西站北端缺少盾構接收或始發條件；對于單洞單線隧道，由于3 號線與佛山西站建設時序不匹配，佛山西站北端不具備盾構吊出或者始發條件，故不推薦采用盾構法施工。（3）結合本段隧道穿越的地質條件以及線路條件，適合采用礦山法施工，工法施工技術成熟，施工進度快，可以較好地控制地層沉降。

2.2 施工時序選擇

2.2.1 小洞先行

（1）方案1：小洞采用臺階法施工，大洞采用CD 法（中隔壁法）施工［2］。其中大洞先開挖靠近小洞側導洞，然后開挖遠離小洞側導洞，見圖2（a）。（2）方案2：小洞采用臺階法施工，大洞采用CD法施工。其中大洞先開挖遠離小洞側導洞，然后開挖靠近小洞側導洞，見圖2（b）。

2.2.2 大洞先行

（1）方案3：大洞采用CD 法施工，先開挖靠近小洞側導洞，然后開挖遠離小洞側導洞，最后臺階法施工小洞，見圖2（c）。（2）方案4：大洞采用CD 法施工，先開挖遠離小洞側導洞，然后開挖靠近小洞側導洞，最后臺階法施工小洞，見圖2（d）。

圖2 施工時序方案

2.3 施工工藝選擇

（1）工藝1（CD 法）：小洞采用臺階法施工，大洞采用CD 法施工。（2）工藝2（CRD 法）［3］：小洞采用臺階法施工，大洞采用CRD 法（交叉中隔壁法）施工。見圖3。

圖3 施工工藝方案

3 施工過程模擬分析

3.1 確定計算模型參數

采用Midas/GTS 有限元軟件進行建模分析。假定土層均質水平分布，計算參數見表1。土體采用莫爾-庫倫準則，初期支護、中隔壁及臨時仰拱均采用線彈性材料，不考慮管棚及地下水的影響。

表1 計算參數

3.2 模型建立與網格劃分

根據施工時序及施工工藝，采用平面應變模型。為保證模型邊界不受隧道開挖的影響，模型邊界到隧道開挖邊線距離≮3 倍隧道開挖寬度，模型沿X 方向取95 m，Y 方向由地面向下取62 m。采用Midas/GTS 進行計算分析，土體及初期支護均采用實體單元模擬，各工況計算模型見圖4 ～圖6。

圖4 大洞CD 法施工模型（先開挖靠近小洞側）

圖5 大洞CD 法施工模型（先開挖遠離小洞側）

圖6 大洞CRD 法施工模型（先開挖靠近小洞側）

3.3 施工時序模擬分析

采用Midas/GTS NS 軟件對四種施工時序進行數值模擬。根據新奧法的施工原理，二次襯砌作為強度儲備，計算未考慮二次襯砌的影響，土層、初期支護均采用實體單元模擬。為減小邊界效應的影響，兩側及底部取至少3 倍隧道開挖輪廓外土體，頂部取至地面。模型側面和地面為位移邊界，側面限制水平位移，底部限制垂直位移，見圖7。

圖7 地層變形

通過計算分析，四種開挖時序方案在拆除中隔壁后，隧道引起拱頂及地面沉降最大值見表2。可以看出，不同的開挖順序對隧道的拱頂沉降、地面沉降有較大的區別。

表2 拱頂及地面沉降值/mm

3.4 施工工藝模擬分析

通過計算分析，兩種施工工藝在拆除中隔壁及臨時仰拱（若有）后，隧道引起拱頂及地面沉降最大值見表3。可以看出，不同施工工藝對隧道的拱頂沉降、地面沉降有較大的區別。

表3 拱頂及地面沉降值/mm

4 結語

（1）小凈距隧道先行洞施工與普通單洞相同，受力情況較為簡單，但后行洞開挖施工時，隧道周圍及中間巖體圍巖將產生復雜的應力重分布。因此，先開挖大洞還是小洞，以及大洞開挖采用的施工工藝需慎重考慮［4］。（2）非對稱小凈距隧道需重視隧道施工時序，“小洞先行，大洞CD 法先開挖靠近小洞側導洞”的開挖順序對圍巖穩定及地面沉降產生的影響最小。（3）隧道施工工藝對地層的影響很大，交叉中隔壁法（CRD 法）能夠更好地控制隧道拱頂及地面沉降，但增加了施工節點和施工的復雜性，減慢了隧道閉合的速度，在工期受限的情況下不便采用。（4）不同的施工時序和工藝對圍巖穩定及地面沉降產生的差異不同，雖然這種結果在數值分析上難以得到，但在工程實踐中大量存在。因此，在實際工程中，非對稱小凈距隧道施工進行工法選擇及工程類比是非常關鍵的。