四洞并行公路隧道群开挖稳定性影响因素研究

李 伟，杨 琨，施劭矗，李弘毅，俞 凡

（1.中铁隧道局集团一处有限公司，四川成都 610091；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031）

小净距隧道因其占地少、接线方便的特点，近年来在国内外高速公路建设上应用愈发广泛[1]。但相较于分离式隧道，小净距隧道施工更为复杂，其开挖过程中产生的群洞效应会使隧道的稳定性、经济性等面临诸多问题[2]。同时，小净距隧道净距减小、并行隧道数目增加的发展趋势也使得工程条件越发复杂[3-4]。因此，针对龙泉山四洞并行小净距隧道群进行开挖稳定性影响因素研究，以增强开挖稳定性并减少用地，为类似的工程实践提供指导作用，具有重大的工程意义。

1 工程概况

成都天府国际机场高速公路龙泉山隧道群设有龙泉山1号隧道与龙泉山2号隧道，两座隧道均为四洞并行公路隧道，采用全国首创的“双向四洞十车道”方案，各隧道从左到右依次命名为D1 线、K 线、D2 线和D3线，车道布置为2+3+3+2，外侧两个两车道隧道为货车专用道，每个隧道开挖断面120m2左右，中间两个三车道隧道为客车专用道，每个隧道开挖断面183m2左右。全线隧道净距在10～40m 之间，围岩等级以Ⅳ级和Ⅴ级围岩为主，属于较典型的多洞并行小净距公路群洞隧道，如图1所示。

2 正交试验设计

2.1 影响因素及水平的选定

根据实践经验及已有研究结果，隧道群的开挖顺序、隧道间净距、隧道埋深、隧道掌子面错距和围岩级别对结构稳定性具有重要影响，故主要将这些因素选定为稳定性的影响因素进行正交试验研究。各因素的变化水平选择如下：

（1）开挖顺序。依据工程实际情况，开挖顺序选取依次开挖、两侧先挖、中间先挖、间隔开挖四种变化水平。

（2）隧道净距。根据三车道隧道最大开挖跨度B（18m），拟研究0.5～1.25B（9～22.5m）之间不同隧道净距的影响，分别取0.50B、0.75B、1.00B、1.25B四种工况。

（3）隧道埋深。根据工程实际情况，洞口段附近隧道群埋深在40m 左右，最大埋深在100m 左右，故选取40m、60m、80m和100m的隧道埋深四种工况。

（4）隧道掌子面错距。一般小净距隧道施工方案先行洞与后行洞掌子面需错开一定的距离，且错距不宜过大或过小，过大不利于施工的进度控制和隧道二衬的施作，过小则可能严重影响隧道中岩柱的稳定性。故拟研究0.5～1.25B（9～22.5m）之间不同掌子面错距对隧道开挖稳定性的影响，相邻隧道掌子面错距Lf分别取0.50B、0.75B、1.00B、1.25B四种工况。

（5）围岩级别。龙泉山1 号、2 号隧道全长范围内围岩级别以Ⅳ和Ⅴ级为主，故选取Ⅳ和Ⅴ级两种变化水平。

表1 给出了拟研究隧道群开挖相互扰动的影响因素及对应的变化水平。表中5项影响因素，A代表隧道开挖顺序，B代表隧道净距，C代表隧道埋深，D代表隧道开挖掌子面错距，E代表围岩级别。

表1 隧道群开挖影响因素和水平

2.2 正交表的设计与选取

由2.1可知，隧道群开挖稳定受四个四水平因素和一个两水平因素影响。用拟水平法[5]，把围岩级别这个两水平因素分别重复一次当作第三和第四水平，共设计16组正交试验数值模拟方案，如表2所示。

表2 拟水平法改造后的正交试验方案

隧道中岩柱是受小净距隧道开挖影响最为严重的部分，其稳定性是保障整个施工过程稳定性的关键[6-8]，而初支拱顶位移以及边墙收敛位移都是支护结构力学性态变化最直接的反映。故正交试验设计计算结果指标选取各隧道初期支护结构的拱顶沉降位移、边墙收敛位移、各中岩柱中心点的水平位移。

3 数值模拟概况

模型使用Midas GTS NX建立后导入FLAC3D进行数值模拟计算，模型纵向长90m，对于埋深40m 和60m 工况，上边界取隧道埋深，距离隧道拱顶40m、60m。对于深埋80m和100m工况，剩余埋深则以荷载的形式体现，即在模型上边界施加竖直向下的与剩余埋深围岩相对应的重力荷载，模型下边界从隧道底部向下取40m，计算模型如图2 所示。为消除边界影响，模型左右边界从两侧隧道的外侧各取50m（约3倍开挖跨度）。在隧道开挖工法上面，各隧道均采取上下台阶法开挖，台阶长度6m，开挖循环进尺1.5m。

在数值模拟计算过程中，考虑隧道在实际开挖过程中的应力调整，采取应力释放的方法来模拟实际开挖，即隧道开挖后，Ⅳ级围岩条件下应力释放率控制在40%，Ⅴ级围岩条件下应力释放率控制在20%，并在初期支护结构施作后，释放剩余所有荷载。

模拟开挖过程分四步进行：①进行围岩初始应力场的自重平衡；②对位移及速度场清零；③结合现场实际施工情况，对群洞隧道按相应设计工法（均以台阶法[9]）进行隧道开挖模拟；④施作隧道支护结构。

数值计算中各项材料的物理力学参数见表3、表4。

表3 围岩基本物理力学参数

表4 支护结构物理力学参数

4 数值计算结果及分析

图3 给出隧道群开挖各稳定性评价指标随各因素水平的变化情况图，从图3中可以看到：

（1）开挖顺序采用两侧先挖时，拱顶沉降、边墙收敛位移以及中岩柱水平位移都较小，隧道开挖稳定性最强。

（2）对于隧道净距，各隧道中岩柱的受扰动程度随净距增大而减小，在净距超过1.0B（18m）后，中岩柱受净距的影响程度减弱，对净距的变化表现出不敏感。而当净距在1.0B时，拱顶沉降和边墙收敛位移最小，故将净距控制在1.0B左右比较合理。

（3）不论是隧道初支拱顶沉降、边墙收敛位移，还是各隧道中间岩柱的水平位移，均随隧道埋深的增大而变大，说明隧道埋深越大，隧道群洞开挖的相互影响越大。

（4）随掌子面错距增大，拱顶沉降、边墙收敛位移以及中岩柱水平位移均先增大后减小，在掌子面错距为0.75B（13.5m）时到达最大。

（5）随围岩条件变差，拱顶沉降、边墙收敛位移以及中岩柱水平位移也逐渐增大，Ⅴ级围岩条件下各指标均大于Ⅳ级围岩条件下的情况。

另外，表5给出了隧道群结构变形指标正交试验极差计算值。根据表5，将各因素水平下的极差均值由大到小进行排序，判断各因素对三项变形指标的影响程度强弱，可以得到：隧道埋深、围岩级别、开挖顺序是影响隧道群初支拱顶沉降的主要因素，掌子面错距、隧道净距为次要因素；隧道埋深、掌子面错距、开挖顺序是影响隧道群中间岩柱水平位移的主要因素，围岩级别、隧道净距为次要影响因素。

表5 隧道群结构变形指标正交试验极差计算表

5 结论

（1）在不同影响因素共同作用过程中，群洞隧道开挖相互影响主要取决于隧道的埋深和围岩条件，而受隧道开挖施工顺序、净距和掌子面错距的影响较小。

（2）群洞隧道的最优开挖顺序为两侧先挖，最不利开挖顺序为中间先挖。

（3）隧道净距方面，随净距增大，隧道间的相互扰动逐渐减小，当净距在1.0B时，隧道群初支结构的拱顶沉降和收敛位移最小，中岩柱的水平位移也相对较小，是较为合理的净距。

（4）拱顶沉降、边墙收敛位移以及中岩柱水平位移均在掌子面错距为0.75B时最大，而后随错距的增大逐渐变小。说明隧道群开挖过程中，相邻开挖隧道的掌子面错距越大于0.75B，对隧道初期支护结构和中间岩柱的变形影响越小。