柏 署， 楊 雄， 李雨哲， 龔 峰， 陽軍生

(1. 中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075； 2. 湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司， 湖南 長沙 410200； 3. 中鐵二十五局集團有限公司， 廣東 廣州 542814)

0 引言

連拱隧道一般適用于地形復雜、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。連拱隧道結構復雜、施工工序多，不同的施工工序及隧道開挖順序?qū)鷰r與隧道結構的力學行為影響顯著。

目前，國內(nèi)對于雙連拱隧道的設計和施工積累了很多經(jīng)驗。胡紅衛(wèi)[1]介紹了雙連拱隧道的結構特點、中導洞施工技術及特殊問題的處理方法； 曾勝等[2]對連拱隧道特有的中隔墻結構進行現(xiàn)場監(jiān)測并總結了其力學特征； 許崇幫等[3]對比分析了雙側壁導坑和CRD法在連拱隧道施工中的適用性； 鄭宗溪等[4]對不等跨雙連拱隧道的中隔墻結構設計、施工工法以及防排水等關鍵技術進行了研究； 鄒建華等[5]指出淺埋偏壓連拱隧道應先挖淺埋側，不合理的施工工序和步距是造成初期支護失穩(wěn)的主要因素； 王猛等[6]提出“三導洞+聯(lián)絡通道”的施工方法，通過設置聯(lián)絡通道將雙連拱隧道進行分段，中隔墻得以提前施作，實現(xiàn)快速施工。

對于多連拱隧道，地鐵及車站建設中也有成功案例。針對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壁+中導洞法的施工工法； 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，從支護體系受力、風險控制等方面對“導洞法”、“側洞法”及兩者相結的“導洞+側洞法”進行比選； 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； 梁文添等[11]介紹新奧法在香港中環(huán)灣仔繞道項目某段三連拱隧道(跨度50 m)施工中的應用。

目前，已有部分關于多連拱隧道施工工序的研究。對于不同施工工序下圍巖穩(wěn)定性以及支護結構受力變形特征，主要通過數(shù)值仿真結合現(xiàn)場實測的手段進行分析。劉寶許等[12]以秦嶺終南山公路隧道通風豎井工程四連拱隧道(跨度62 m)為依托，對施工過程進行了三維數(shù)值模擬計算； 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，模擬施工進程，對各種工況下圍巖穩(wěn)定性和受力狀態(tài)予以解析計算； 李恒[15]基于烏魯木齊地鐵4號線某三連拱隧道(跨度26.8 m)工程，分析不同中隔墻支護方案下，各施工階段中隔墻結構的變形特征及受力特性。綜上可知，目前國內(nèi)多連拱隧道多見于地鐵隧道建設中，對于大跨多連拱公路隧道建設研究較少。

長沙望城區(qū)觀音巖隧道采用不等跨四連拱結構型式，總開挖寬度達63.68 m，4洞折合長度497 m，為全國首創(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，工序轉換時相互影響較大； 隧道穿越強風化板巖、中風化板巖，施工風險高。針對該隧道穿越地層的水文地質(zhì)條件及其四連拱結構型式，提出合適的支護措施及施工工序，研究隧道多洞室施工相互影響機制，以期為今后類似的多連拱隧道設計與施工提供參考。

1 工程概況

觀音巖隧道位于長沙市望城區(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，建設環(huán)境復雜。西側受長常北線高速公路與繞城高速公路互通控制；東側受規(guī)劃道路與商業(yè)用地限制，城市建筑物群密集；南側大部分為商業(yè)用地；北側毗鄰佛教圣地洗心禪寺，寺廟文物保護難度大。

圖1 觀音巖隧道位置示意圖

隧址區(qū)地貌類型為丘陵，地表剝蝕較強烈，山頂最大高程為124 m。隧道進口端洞門附近地勢較陡，仰坡自然坡度為25°～30°； 出口端洞門附近地勢較平坦，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°。勘探揭露的地層從上至下分別為： 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]。采用無人機三維建模技術繪制的隧址區(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風化板巖，巖質(zhì)軟弱，巖體破碎，穩(wěn)定性差，開挖時易產(chǎn)生坍塌及大變形，為Ⅴ級圍巖。洞身段圍巖主要為中風化板巖，巖質(zhì)較堅硬，巖體為較破碎—較完整，節(jié)理裂隙發(fā)育，軟弱結構面主要為節(jié)理及層面，陡傾角節(jié)理裂隙發(fā)育，為Ⅳ—Ⅴ級圍巖?，F(xiàn)場開挖揭露的部分掌子面圍巖情況如圖4所示。

(a) (b)

2 四連拱隧道結構設計

2.1 隧道結構選型

受線路布置限制，通過對大跨小凈距隧道、大跨雙連拱隧道、四連拱隧道、6車道路面、8車道路面及10車道路面等方案進行比選，最終選取不等跨雙向10車道四連拱隧道結構形式。主體工程包含3個導洞、2個主線隧道、2個輔線隧道，形成“四拱三導七連環(huán)”施工布局，觀音巖隧道結構橫斷面見圖5。該方案可實現(xiàn)交通組織順暢，主線隧道與輔道隧道交通互不干涉，建設主輔分離、城市快進快出的綠色通道；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值，并盡量避免大開大挖，充分保護附近文物。

中間主線隧道為雙向6車道主線快速路，兩側輔道隧道為機動車與非機動車混行及人行道。主線隧道建筑限界設計凈寬12.75 m，輔道隧道建筑限界設計凈寬10.50 m。隧道車行道凈高5.0 m，人行道凈高2.5 m[16]。

2.2 中導洞支護結構與中隔墻設計

觀音巖隧道作為大跨多連拱隧道，設置3個中導洞，且先開挖中導洞再施作中隔墻。3個中導洞支護如圖6所示，導洞在Ⅴ級圍巖段臨時支護為I18工字鋼鋼拱架(間距50 cm)+22 cm厚C25早強混凝土； 在Ⅳ級圍巖段臨時支護為I16工字鋼鋼拱架(間距75 cm)+20 cm厚C20早強混凝土。

圖5 觀音巖隧道結構橫斷面[16](單位： cm)

圖6 中導洞支護結構設計[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足。地基軟弱時，中隔墻基礎作擴大處理，并打設注漿小導管或注漿錨桿加固地基。

由于兩側開挖的主、輔隧道跨度不同，采用不同的中隔墻設計，同一導洞的不同里程由于圍巖級別的變化，其中隔墻設計亦有調(diào)整，根據(jù)這些特征設計了MD型及Ⅰ—Ⅶ型共8種中隔墻。針對現(xiàn)場主、輔線隧道可能存在的由Ⅳ級圍巖變更為Ⅴ級圍巖的情況，Ⅳ級圍巖段中隔墻施作時預留5 cm的空間，在澆筑襯砌時回填密實?，F(xiàn)場根據(jù)實際圍巖揭露情況靈活選取對應的中隔墻類型施作。

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

圖7 主洞之間的中隔墻結構設計[16](單位： cm)

圖8 主洞與輔洞間的中隔墻結構設計[16](單位： cm)

2.3 隧道襯砌結構設計

四連拱隧道開挖跨度大且主輔隧道的跨度不等，對其支護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頻繁，主線隧道兩側中隔墻受力偏壓轉換復雜，易造成中隔墻失穩(wěn)及支護結構開裂失效。為降低鄰近隧道施工擾動的影響，中間兩主線隧道采用雙層初期支護+二次襯砌復合式支護結構。第1層初期支護由型鋼鋼架和噴射混凝土結構構成，跨設于相鄰中隔墻的頂部，鋼架與墻頂預埋鋼板焊接牢固，并通過噴射混凝土與墻體連為一體，起到臨時支撐拱部土石荷載的作用； 第2層初期支護采用單獨成環(huán)，加強支護剛度、協(xié)調(diào)邊墻兩側變化的不對稱荷載及變形，同時隔離相鄰隧道開挖影響，防止后行洞室開挖擾動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，受到的施工擾動次數(shù)少，采用單層初期支護+二次襯砌復合式結構。

隧道在Ⅴ級圍巖段，主洞采用LGZ-Ⅴ型復合襯砌，輔洞采用LGF-Ⅴ型復合襯砌，Ⅴ級圍巖段襯砌設計如圖9和圖10所示； 在Ⅳ級圍巖段，主洞采用LGZ-Ⅳ型復合襯砌設計，輔洞采用LGF-Ⅳ型復合襯砌。具體襯砌支護參數(shù)如表1所示。

圖9 LGZ-Ⅴ型復合襯砌[16](單位： cm)

圖10 LGF-Ⅴ復合襯砌[16](單位： cm)

3 四連拱隧道施工工序

3.1 觀音巖隧道現(xiàn)場施工工序

多連拱隧道結構體系復雜，開挖支護工序繁多，施工組織難度高。觀音巖隧道采用中導洞法施工，先開挖3個中導洞并施工中隔墻。待中隔墻混凝土滿足強度要求后，開挖中間主洞，則先行主洞的兩側洞室開挖受開挖錯距影響小，加快施工進度，便于現(xiàn)場施工組織。由于觀音巖隧道全長各斷面各洞室埋深大小不一，且到右主洞和南輔洞長于左主洞和北輔洞，出口處左主洞左側形成了高邊坡。為減少高邊坡的暴露時間，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，觀音巖隧道先進行主洞開挖支護，后進行輔洞開挖支護，并以左為先行洞，在2主洞開挖后，先開挖左側北輔洞，后開挖右側南輔洞，即采用“先主后輔，左主先行”的施工工序。通過對相鄰洞室不同開挖錯距進行施工模擬，得出在洞室掌子面開挖錯距為2倍主洞洞徑(約32 m)以上時，洞室開挖相互影響較小，此時隧道支護結構變形控制效果較好，支護結構受力較為合理[17]。

表1 觀音巖隧道襯砌支護參數(shù)[16]

現(xiàn)場先行主洞開挖并及時施作初期支護后，雙層初期支護與中隔墻共同受力承擔施工荷載，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時跟進施作二次襯砌；后行隧道先開挖遠離先行洞一側的巖體，且掌子面滯后先行隧道二次襯砌10～15 m，降低開挖對先行洞室的影響。左主洞與相鄰的右主洞掌子面錯距保持在32 m左右，在保證工期的同時最大程度減小相鄰主洞間的施工擾動。左主洞率先貫通后作為施工通道，減少了材料加工場地和運輸?shù)某杀?，亦便于后續(xù)洞室從隧道進口和出口兩端同時施工。同時，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，可不考慮開挖錯距影響，縮短施工工期。

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

3.2 觀音巖隧道施工工序模擬驗證

采用有限元方法，對“先主后輔，左主先行”的現(xiàn)場施工工序進行數(shù)值仿真模擬，分析四連拱隧道在多導洞施工，主洞、輔洞先后開挖以及襯砌施作后圍巖與結構的反應，以驗證現(xiàn)場施工順序的可行性，評價支護結構的安全性。

3.2.1 模型建立及模擬過程

結合隧道圍巖情況，選取位于Ⅴ級圍巖段的進口端K0+450斷面作為典型模擬計算斷面，計算模型如圖13所示。

1—開挖支護3個中導洞； 2—澆筑3個導洞中隔墻； 3—開挖左主洞上臺階； 4—開挖左主洞中臺階； 5—開挖左主洞下臺階； 6—施作左主洞仰拱； 7—整體模筑左主洞二次襯砌； 8—開挖右主洞上臺階； 9—開挖右主洞中臺階； 10—開挖右主洞下臺階； 11—施作右主洞仰拱； 12—整體模筑右主洞二次襯砌； 13—開挖北輔洞上臺階； 14—開挖北輔洞中臺階； 15—開挖北輔洞下臺階； 16—施作北輔洞仰拱； 17—整體模筑北輔洞二次襯砌； 18—開挖南輔洞上臺階； 19—開挖南輔洞中臺階； 20—開挖南輔洞下臺階； 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(進口端)

圖13 計算模型示意圖(單位： m)

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

表2 地層和支護結構物理力學參數(shù)

3.2.2 結果分析

在隧道開挖支護后，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

可見無論是圍巖位移還是支護結構受力，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相互擾動下圍巖與結構的反應以及支護結構安全性。

圖15 K0+450斷面二次襯砌主應力云圖

為分析施工全過程的結構力學行為，對模擬斷面主、輔4洞的典型施工工序進行編號，如表3所示，并提取斷面開挖支護過程中典型工序的模擬結果。

表3 典型工序編號

1)在主線隧道開挖后，斷面4個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； 隧道支護完成后拱頂沉降趨穩(wěn)。以左主洞為例，在其右側洞開挖后，其沉降值進一步增大，而在其支護完成后，左側輔洞開挖對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位置及其內(nèi)力計算值如表4所示。

表4 左主洞二次襯砌最不利點位置及內(nèi)力計算值

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

4 現(xiàn)場實施效果

觀音巖隧道于2020年3月29日開始中導洞施工，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。目前主體結構已完工，施工進度如表5所示，隧道進、出口實景如圖17和圖18所示。隧道建設過程中未出現(xiàn)初期支護結構失穩(wěn)或襯砌開裂現(xiàn)象，整體施工效果好。說明大跨四連拱結構設計和其“四拱三導七連環(huán)”的施工布局，“先主后輔，左主先行”的施工工序，在觀音巖隧道建設中具有較好的適用性。

表5 觀音巖隧道施工進度

4.1 現(xiàn)場圍巖變形監(jiān)測結果

觀音巖隧道監(jiān)控量測結果表明，施工過程中圍巖變形穩(wěn)定，隧道貫通后，各監(jiān)測點趨穩(wěn)。觀音巖隧道貫通后拱頂沉降監(jiān)測結果如圖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 觀音巖隧道進口實景

圖18 觀音巖隧道出口實景

圖19 觀音巖隧道拱頂下沉監(jiān)測結果統(tǒng)計

4.2 現(xiàn)場結構應力監(jiān)測結果

通過在典型測試斷面的中隔墻、二次襯砌等部位測點埋設壓力盒及應變計，對支護結構應力進行監(jiān)測，監(jiān)測結果表明在監(jiān)測時間內(nèi)，測試斷面各洞支護結構的內(nèi)力均在安全范圍內(nèi)[17]。

受到施工擾動次數(shù)最多的K0+418斷面中導洞中隔墻從澆筑完成到斷面開挖支護完成的應力時程曲線如圖20所示。由圖20可知，中隔墻在整個施工過程中墻身應力整體呈增長趨勢，開挖支護完成后趨穩(wěn)；應力最大值出現(xiàn)在墻身中下部，小于規(guī)范規(guī)定的C35混凝土抗壓強度標準值19.0 MPa； 計算中隔墻軸力和彎矩，按偏心受壓構件進行中隔墻強度驗算，得到其最小安全系數(shù)出現(xiàn)在南輔洞開挖支護后的墻身中下部，其最小值K=3.43，大于規(guī)范規(guī)定值2.4，說明在整個隧道施工過程中，中隔墻處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。同時，施工擾動影響也同樣體現(xiàn)在墻身受力上，墻身在左側先行洞開挖支護時完成了大部分的應力增長，同時右側主洞開挖支護對其擾動明顯。

圖20 K0+418斷面中導洞中隔墻應力實測時程曲線

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，多連拱隧道襯砌結構受到臨近洞室開挖支護擾動影響大，右主洞在其相鄰南輔洞開挖支護之后結構受力穩(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 結論與討論

本文提出不等跨四連拱隧道的結構型式，介紹觀音巖隧道的結構設計和施工工序，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測進行分析，結果表明：

1)采用不等跨四連拱隧道的結構型式，解決了環(huán)境復雜、位于狹小走廊帶的10車道觀音巖隧道建設難題。

2)針對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的中隔墻及復合式支護結構形式，并給出相應的設計參數(shù)，現(xiàn)場可依據(jù)實際情況靈活選用。

3)在3個中導洞施工及其中隔墻施作基礎上，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)場施工組織，并通過數(shù)值分析驗證了該工序的可行性。

4)數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測結果表明，四連拱隧道相鄰洞室間的施工擾動要遠大于不相鄰洞室之間；尤其先行主洞受到開挖擾動次數(shù)最多，各工序相互影響，且均反映在結構的受力情況上，因此多連拱隧道施工過程需重點關注先行洞室的安全性。

5)現(xiàn)場實施過程中，圍巖穩(wěn)定，結構安全，施工進展順利，表明觀音巖隧道結構選型、設計參數(shù)和施工工序合理可行，可為大跨度多連拱隧道的結構設計和施工提供參考。

本文未對大跨度多連拱隧道在頻繁開挖擾動下的圍巖與支護結構變形力學機制進行深入研究，今后將基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合理論和數(shù)值分析手段進一步開展研究。