大断面小净距三孔隧道群施工顺序研究

李金奎，魏贤科，梁文静（大连大学建筑工程学院，辽宁大连，116600）

大断面小净距三孔隧道群施工顺序研究

近年来以地铁建设为主的地下交通和地下空间的综合利用得到了大力发展 ，地铁隧道之间的净距越来越小、断面越来越大。大连地铁河口站站后折返线隧道与高河区间地铁正线隧道三线并行段，因受线路及地形地貌的限制，设计为大断面小净距隧道。为确保大连一期地铁工程按期完工并考虑到隧道群开挖对围岩稳定及周围环境的影响，最后选取CRD法施工。对这种大断面小净距隧道群的开挖提出了四种施工顺序，并采用Soil-works有限元数值分析软件分别对四种施工顺序进行施工过程模拟，以围岩变形、洞周应力、影响范围分布为主要优化指标。模拟结果表明:以第三种施工顺序为最优，其中地表最大沉降量为4.5 mm，地表影响范围为15.461 m，拱顶下沉值为24.96 mm等。该结果为高河区间地铁隧道施工顺序的选择提供了科学依据，并为类似的工程提供了一定的借鉴和参考。

施工顺序；大断面小净距隧道；围岩变形；数值分析

李金奎，魏贤科，梁文静
（大连大学建筑工程学院，辽宁大连，116600）

随着国民经济的快速发展，以城市地铁建设为主的地下交通和地下空间的综合利用进入了飞速发展时期。由于受地形地貌以及隧道分建带来的展线困难与占地多等因素的影响，地铁隧道之间的净距越来越小、断面越来越大，使得大断面、小净距［1-2］隧道的结构形式不断涌现。正是由于这种结构型式的特殊性和新颖性，其在施工过程中群洞间的相互影响显著，且隧道断面大、扁平率低、围岩稳定性差，因此无论从设计还是施工角度，其结构受力状况都十分复杂，仍存在很多关键问题需要解决［3］。

目前，有不少国内外学者对大断面、小净距隧道的施工方法［4-8］、施工顺序［9］、力学机理［10-12］、埋深等方面进行了相关的研究，逐步积累了一些经验和成果，但是大都集中在单个大断面隧道或双线小净距隧道方面，对于同时具备大断面小净距等条件的三孔隧道群的研究较少 ，研究成果更是不多见。因此依托大连市河口站站后折返线大断面隧道与两侧区间小隧道工程项目，应用MIDAS/Soil-Works有限元数值分析软件进行了不同施工顺序的隧道施工过程模拟，最后对比分析选出最优施工顺序 ，保证隧道群施工的安全进行并为类似工程提供借鉴与参考。

1 工程概况

大连地铁河口站折返线大断面隧道，设计长度330.731 m。该隧道与两侧高河区间地铁正线隧道在左DK22+380.00～左DK22+498.662、右DK22+ 399.00～DK22+520.00处为小净距，小净距范围里程为DK0+199.366～DK0+313，共计约113.634 m。大断面隧道为5心拱形，跨度为11.90 m，高度为9.702 m，拱顶距离地表最近距离为9.83 m；左右区间小隧道断面亦为5心拱形，跨度为6.30 m，高度为6.51 m，拱顶距离地表为17 m。大小隧道相距3.854 m，竖向最小距离为1.824 m。超前支护:拱顶120°范围采用Φ42小导管（厚度 t=3.25 mm）并预注浆加固地层，根据地层情况选用改性水玻璃或水泥水玻璃浆液，小导管长L=2.5 m，环向间距300 mm，倾角10°～15°，纵向间距1.0 m。初期支护采用C25早强网喷混凝土+钢筋格栅，格栅间距0.5 m。采用双层钢筋网，规格Φ6.5@150 mm×150 mm。二次衬砌采用C30P10防水钢筋混凝土。大断面小净距段结构横截面图如图1所示。

2 数值模拟

2.1 模型建立与参数选取

采用二维岩土有限元数值分析与设计软件MIDAS/Soil-Works进行隧道数值模拟分析。应用平面应变弹塑性本构模型、摩尔库伦破坏准则和相关法则。通过设置不同开挖步模拟隧道开挖各阶段并对各开挖步在不同荷载增量步加设支护或二衬结构来模拟支护施作时机的影响，由此达到模拟隧道开挖施工过程的目的［13］。根据现场条件，围岩采用三边形实体单元模拟，软喷（初支）及硬喷（二衬）采用二维梁单元模拟，小导管注浆加固等效为围岩材料性质的提高。建立模型尺寸长×深=80 m×45 m，模型边界条件采用左右及底部固定，上部自由。计算参数见表1，计算模型见图2。

2.2 施工方案选定

就目前隧道施工技术水平来看，对于大断面的开挖方法有:全断面法、台阶法、CRD法、双侧壁导坑法（又称“眼睛法”）等。在这些方法中全断面法和台阶法开挖面大，围岩约束解除较快，要求施工工艺的衔接必须及时，不利于控制围岩变形，施工质量难以保证。而双侧壁导坑法和CRD法开挖隧道时同时采用中隔墙支护，加强了对围岩的约束，能够控制地面沉降及塑性区发展。但是双侧壁导坑法工作面小、工艺复杂、施工缓慢，而CRD法工作面较大，有利于加快施工进度［7］。

由于受地质条件等多方面原因，隧道施工有所滞后，鉴于大连地铁施工项目能否按期完成对后续整个地铁的试运行影响较大。综合分析最后选取CRD法施工，而隧道群的施工顺序对隧道围岩相互影响起着至关重要的作用。不同的施工顺序相互影响程度不同，合理的工序对群洞隧道的稳定尤为重要［14］。如何将隧道施工相互间及对周围环境的影响降低到可接受程度，是城市暗挖隧道施工面临的挑战［15］。大连地铁河口站202折返线大断面小净距浅埋叠落三孔隧道群施工项目，以围岩变形、应力分布及现场监测等为优化指标提出四种施工顺序:依次如图3中数字所示。

3 结果分析

3.1 大断面隧道拱顶沉降分析

在四种顺序各阶段模拟过程中，大断面隧道拱顶下沉在自重平衡、开挖、初支、二衬施工阶段变形曲线如图4所示。从图4中可以看出大断面隧道不同施工顺序沉降量变化较大的两个关键施工阶段分别发生在隧道左上部和隧道右上部开挖阶段。工序一、工序四的拱顶最终沉降量分别为33.71 mm、33.94 mm超过了沉降容许值（30 mm）。工序二、工序三的拱顶沉降量分别为25.61 mm、24.96 mm，都在容许值以内。工序二、工序三的拱顶各阶段沉降量相对于另外两种工序都较小。工序三中大断面隧道左上开挖沉降9.48 mm占总沉降量的28%，左下开挖沉降10.33 mm占总沉降量的52%。关键施工阶段的沉降量占总的沉降量的80%，是隧道施工过程中的最大风险源，需要现场施工及监测人员密切关注做到及时支护，避免发生危险。

3.2 地表下沉及影响范围分析

不同施工顺序对地面的影响也不相同，四种工序的地表沉降、发生位置及地表范围见表2。工序三地表沉降量为4.50 mm，工序一、工序二、工序四分别是其1.86倍、1.31倍、1.93倍，工序三地表影响范围为15.461 m，工序一、工序二、工序四分别是其2.11倍、2.38倍、1.54倍。以第三种施工顺序进行隧道群的开挖对地层的扰动程度最小 ，能有效减小隧道开挖对周围建筑物及地下设施的影响。

3.3 围岩应力分析

从表3中可以看出，不同施工顺序对隧道群的相互影响程度不一样，工序三大断面隧道顶部最大主应力为483.3 kN/m2，左右隧道最大主应力分别为274.6 kN/m2、263.2 kN/m2，而其它三种工序相对较大。说明以工序三进行隧道群开挖过程中，地层应力能够得到一定程度的释放、快速达到平衡状态使得应力集中程度相对于另外三种施工顺序小，有利于隧道围护结构的稳定、保障施工人员的安全。

3.4 现场监测分析

由于现场地质条件与数值模拟软件中设定的地层及支护参数有一定的差异，且在数值模拟当中没有考虑到水的作用，使得实际施工中围岩变形、应力大小与数值分析计算结果有所区别。因此，对现场围岩变形及应力进行跟踪监测，为优化施工顺序提供支持。

大连地铁河口站站后折返线大断面小净距隧道群自2013年6月1日开始施工，至2014年4月结束。选取HKD-DB-01～05大断面隧道施工期间拱顶下沉监测数据（如图5所示）与数值模拟（图4）相对应的点进行对比分析。从图4、图5中可以看出大断面拱顶沉降量稍大于数值分析结果，而且变形规律与数值模拟结果基本一致。其结果验证了MIDAS数值分析软件的可靠性并能够很好的为大连地铁一号线后续标段的施工提供良好的超前预报。

4 结 论

（1）通过对大连地铁河口站站后折返线大断面隧道与两侧区间小净距隧道施工过程的数值模拟，确定了隧道群施工过程中的两个关键施工阶段，为现场监测、支护时机提供依据。

（2）针对大连地铁隧道群施工难度高、环境复杂、工期长、工序繁琐的特点，采用CRD工法，分别从围岩变形、应力分布及地表影响范围等角度出发分析四种施工顺序，得出第三顺序相对另外三种为最优 ，其中地表最大沉降量为4.5 mm，地表影响范围为15.461 m，拱顶下沉值为24.96 mm，最大最小主应力也是最小的 ，减小了隧道群开挖对地层的扰动及对周围建筑物和地下设施的影响，较早的达到平衡状态。

（3）本文应用MIDAS/Soil-works数值模拟软件对大断面小净距三孔隧道群进行了施工过程模拟，指导了该工程的顺利完成，取得了较好的实际效果，同时也验证了此软件的可靠性并能够很好的为大连地铁一号线后续标段的施工提供良好的超前预报。建议采用CRD法施工的类似地铁隧道工程采用第三种施工顺序，这也对其它工程具有一定的借鉴和参考价值。

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Study on the Construction Sequence of Triple Tunnels with Large Section and Small Spacing

LI Jin-kui，WEI Xian-ke，LIANG Wen-jing
（Civil and Architectural Engineering College，Dalian University，Dalian，Liaoning 116600，China）

In recent years，Comprehensive utilization of underground traffic and underground space in subway construction has been greatly developed.The distance between subway tunnels and the size of crossing sections become smaller. Restricted by lines and landform，the return line of the Hekou station tunnel and the parallel three-line section in Gaohe area were designed with large sections and small spacings.In order to ensure that the Dalian subway project will be completed on schedule with the consideration of the influence on the stability of the surrounding rocks and environment caused by the tunnel excavation，CRD method was selected for the construction.Four kinds of construction sequences were proposed and simulated respectively by adopting the finite element software Soil-works with the deformation of the surrounding rocks，dome stress，and the distribution of influence sphere as the main optimizing indexes.The simulation results showed that:the third construction sequence was optimal，with the maximum surface subsidenceof 4.50 mm，the influence sphere on ground surface of 15.461 m，and the crown settlement of 24.96 mm.The results provide the scientific basis for the selection of subway tunnel construction sequence，and some references for the similar engineering projects.

construction sequence；large section and small spacing tunnels；deformation of surrounding rocks；numerical analysis

TU457

A

1672—1144（2015）02—0033—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.008

2014-11-01

2014-12-17

国家自然科学基金项目“深部巷道破碎围岩锚壳喷支护机理研究”（50704007）

李金奎（1972—），男 ，黑龙江安达人 ，博士研究生 ，教授 ，主要从事隧道及地下工程方面的教学和科研工作。E-mail:jinkee@126.com