不等跨双向10车道四连拱隧道设计及施工方法

柏 署， 杨 雄， 李雨哲， 龚 峰， 阳军生

(1. 中南大学土木工程学院， 湖南 长沙 410075； 2. 湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410200； 3. 中铁二十五局集团有限公司， 广东 广州 542814)

0 引言

连拱隧道一般适用于地形复杂、选线困难的条件，特别是城区土地资源紧张、线路布置困难的情况下。连拱隧道结构复杂、施工工序多，不同的施工工序及隧道开挖顺序对围岩与隧道结构的力学行为影响显著。

目前，国内对于双连拱隧道的设计和施工积累了很多经验。胡红卫[1]介绍了双连拱隧道的结构特点、中导洞施工技术及特殊问题的处理方法； 曾胜等[2]对连拱隧道特有的中隔墙结构进行现场监测并总结了其力学特征； 许崇帮等[3]对比分析了双侧壁导坑和CRD法在连拱隧道施工中的适用性； 郑宗溪等[4]对不等跨双连拱隧道的中隔墙结构设计、施工工法以及防排水等关键技术进行了研究； 邹建华等[5]指出浅埋偏压连拱隧道应先挖浅埋侧，不合理的施工工序和步距是造成初期支护失稳的主要因素； 王猛等[6]提出“三导洞+联络通道”的施工方法，通过设置联络通道将双连拱隧道进行分段，中隔墙得以提前施作，实现快速施工。

对于多连拱隧道，地铁及车站建设中也有成功案例。针对多连拱隧道的施工方法，王立军[7]以哈尔滨地铁某四连拱隧道段(跨度28 m)为依托，研究大断面四连拱隧道双侧壁+中导洞法的施工工法； 孟伟等[8]以北京地铁某停车线工程四连拱隧道(跨度23.14 m)为例，从支护体系受力、风险控制等方面对“导洞法”、“侧洞法”及两者相结的“导洞+侧洞法”进行比选； 郑甲佳等[9]以西安地铁三连拱隧道(跨度19.7 m)为依托，研究双洞法+台阶法施工在三连拱黄土地铁隧道中的施工效果； 王刚等[10]介绍京石线某段不等高三连拱隧道的施工过程和变形控制措施，分析其受力和变形特点； 梁文添等[11]介绍新奥法在香港中环湾仔绕道项目某段三连拱隧道(跨度50 m)施工中的应用。

目前，已有部分关于多连拱隧道施工工序的研究。对于不同施工工序下围岩稳定性以及支护结构受力变形特征，主要通过数值仿真结合现场实测的手段进行分析。刘宝许等[12]以秦岭终南山公路隧道通风竖井工程四连拱隧道(跨度62 m)为依托，对施工过程进行了三维数值模拟计算； 刘树红等[13]以京张高铁某段三连拱隧道(跨度44.2 m)为例，依据普氏平衡拱理论建立了深埋三连拱隧道围岩荷载模型并提出了三连拱隧道的合理施工工序； 周江天[14]以福州市二环路象山四连拱隧道(跨度35.4 m)为工程背景，模拟施工进程，对各种工况下围岩稳定性和受力状态予以解析计算； 李恒[15]基于乌鲁木齐地铁4号线某三连拱隧道(跨度26.8 m)工程，分析不同中隔墙支护方案下，各施工阶段中隔墙结构的变形特征及受力特性。综上可知，目前国内多连拱隧道多见于地铁隧道建设中，对于大跨多连拱公路隧道建设研究较少。

长沙望城区观音岩隧道采用不等跨四连拱结构型式，总开挖宽度达63.68 m，4洞折合长度497 m，为全国首创双向10车道四连拱超大跨径公路隧道[16]。隧道开挖洞室多，开挖跨度大，多洞室施工，施工工序相互交错，工序转换时相互影响较大； 隧道穿越强风化板岩、中风化板岩，施工风险高。针对该隧道穿越地层的水文地质条件及其四连拱结构型式，提出合适的支护措施及施工工序，研究隧道多洞室施工相互影响机制，以期为今后类似的多连拱隧道设计与施工提供参考。

1 工程概况

观音岩隧道位于长沙市望城区内，为银星路道路工程的控制性工程，隧道平面位置如图1所示。隧址区为狭小走廊带，建设环境复杂。西侧受长常北线高速公路与绕城高速公路互通控制；东侧受规划道路与商业用地限制，城市建筑物群密集；南侧大部分为商业用地；北侧毗邻佛教圣地洗心禅寺，寺庙文物保护难度大。

图1 观音岩隧道位置示意图

隧址区地貌类型为丘陵，地表剥蚀较强烈，山顶最大高程为124 m。隧道进口端洞门附近地势较陡，仰坡自然坡度为25°～30°； 出口端洞门附近地势较平坦，仰坡自然坡度为15°～20°； 洞身段地表大部分山坡地形起伏较大，自然坡度一般为20°～35°。勘探揭露的地层从上至下分别为： 第四系全新统(Qh)种植土、第四系更新统(Qp)黏土、元古界冷家溪群下段(Ptln)板岩[16]。采用无人机三维建模技术绘制的隧址区地形图如图2所示，主线隧道地质纵断面如图3所示[16]。

图2 隧址区地形图

图3 主线隧道地质纵断面[16]

洞口段围岩主要为强风化板岩，岩质软弱，岩体破碎，稳定性差，开挖时易产生坍塌及大变形，为Ⅴ级围岩。洞身段围岩主要为中风化板岩，岩质较坚硬，岩体为较破碎—较完整，节理裂隙发育，软弱结构面主要为节理及层面，陡倾角节理裂隙发育，为Ⅳ—Ⅴ级围岩。现场开挖揭露的部分掌子面围岩情况如图4所示。

(a) (b)

2 四连拱隧道结构设计

2.1 隧道结构选型

受线路布置限制，通过对大跨小净距隧道、大跨双连拱隧道、四连拱隧道、6车道路面、8车道路面及10车道路面等方案进行比选，最终选取不等跨双向10车道四连拱隧道结构形式。主体工程包含3个导洞、2个主线隧道、2个辅线隧道，形成“四拱三导七连环”施工布局，观音岩隧道结构横断面见图5。该方案可实现交通组织顺畅，主线隧道与辅道隧道交通互不干涉，建设主辅分离、城市快进快出的绿色通道；在施工过程中避免了土地分割，充分节约了城市土地资源，提升了沿线土地利用价值，并尽量避免大开大挖，充分保护附近文物。

中间主线隧道为双向6车道主线快速路，两侧辅道隧道为机动车与非机动车混行及人行道。主线隧道建筑限界设计净宽12.75 m，辅道隧道建筑限界设计净宽10.50 m。隧道车行道净高5.0 m，人行道净高2.5 m[16]。

2.2 中导洞支护结构与中隔墙设计

观音岩隧道作为大跨多连拱隧道，设置3个中导洞，且先开挖中导洞再施作中隔墙。3个中导洞支护如图6所示，导洞在Ⅴ级围岩段临时支护为I18工字钢钢拱架(间距50 cm)+22 cm厚C25早强混凝土； 在Ⅳ级围岩段临时支护为I16工字钢钢拱架(间距75 cm)+20 cm厚C20早强混凝土。

图5 观音岩隧道结构横断面[16](单位： cm)

图6 中导洞支护结构设计[16](单位： cm)

中隔墙采用整体式曲中墙型式。暗洞段中隔墙厚度与二次衬砌厚度差异部分采用二次衬砌补足。地基软弱时，中隔墙基础作扩大处理，并打设注浆小导管或注浆锚杆加固地基。

由于两侧开挖的主、辅隧道跨度不同，采用不同的中隔墙设计，同一导洞的不同里程由于围岩级别的变化，其中隔墙设计亦有调整，根据这些特征设计了MD型及Ⅰ—Ⅶ型共8种中隔墙。针对现场主、辅线隧道可能存在的由Ⅳ级围岩变更为Ⅴ级围岩的情况，Ⅳ级围岩段中隔墙施作时预留5 cm的空间，在浇筑衬砌时回填密实。现场根据实际围岩揭露情况灵活选取对应的中隔墙类型施作。

主洞之间和主、辅之间的中隔墙设计如图7和图8所示。图中各参数为：R0=289 cm，顶部保护层厚度c=22 cm(两侧均为Ⅳ级围岩时c取20 cm)；中隔墙靠主洞侧保护层厚c1=26 cm，靠辅洞侧保护层厚c2=5 cm。R1=756/751 cm(主洞Ⅴ级围岩/主洞Ⅳ级围岩)，R2=1 026 cm；R1′=635/630 cm(辅洞Ⅴ级围岩/辅洞Ⅳ级围岩)，R2′=1 005 cm； 中隔墙厚度D=245/250/255 cm(两侧均为Ⅴ级围岩/一侧为Ⅴ级围岩/两侧均为Ⅳ级围岩)。

图7 主洞之间的中隔墙结构设计[16](单位： cm)

图8 主洞与辅洞间的中隔墙结构设计[16](单位： cm)

2.3 隧道衬砌结构设计

四连拱隧道开挖跨度大且主辅隧道的跨度不等，对其支护体系的承载能力和安全性有更高的要求。

施工过程中围岩扰动频繁，主线隧道两侧中隔墙受力偏压转换复杂，易造成中隔墙失稳及支护结构开裂失效。为降低邻近隧道施工扰动的影响，中间两主线隧道采用双层初期支护+二次衬砌复合式支护结构。第1层初期支护由型钢钢架和喷射混凝土结构构成，跨设于相邻中隔墙的顶部，钢架与墙顶预埋钢板焊接牢固，并通过喷射混凝土与墙体连为一体，起到临时支撑拱部土石荷载的作用； 第2层初期支护采用单独成环，加强支护刚度、协调边墙两侧变化的不对称荷载及变形，同时隔离相邻隧道开挖影响，防止后行洞室开挖扰动造成已施作的二次衬砌开裂。后行辅线隧道由于其跨度较小且后行开挖，受到的施工扰动次数少，采用单层初期支护+二次衬砌复合式结构。

隧道在Ⅴ级围岩段，主洞采用LGZ-Ⅴ型复合衬砌，辅洞采用LGF-Ⅴ型复合衬砌，Ⅴ级围岩段衬砌设计如图9和图10所示； 在Ⅳ级围岩段，主洞采用LGZ-Ⅳ型复合衬砌设计，辅洞采用LGF-Ⅳ型复合衬砌。具体衬砌支护参数如表1所示。

图9 LGZ-Ⅴ型复合衬砌[16](单位： cm)

图10 LGF-Ⅴ复合衬砌[16](单位： cm)

3 四连拱隧道施工工序

3.1 观音岩隧道现场施工工序

多连拱隧道结构体系复杂，开挖支护工序繁多，施工组织难度高。观音岩隧道采用中导洞法施工，先开挖3个中导洞并施工中隔墙。待中隔墙混凝土满足强度要求后，开挖中间主洞，则先行主洞的两侧洞室开挖受开挖错距影响小，加快施工进度，便于现场施工组织。由于观音岩隧道全长各断面各洞室埋深大小不一，且到右主洞和南辅洞长于左主洞和北辅洞，出口处左主洞左侧形成了高边坡。为减少高边坡的暴露时间，保证施工安全，宜尽早贯通左主洞并施作左主洞明洞，将左主洞明洞上方回填，保证高边坡的稳定。因此，观音岩隧道先进行主洞开挖支护，后进行辅洞开挖支护，并以左为先行洞，在2主洞开挖后，先开挖左侧北辅洞，后开挖右侧南辅洞，即采用“先主后辅，左主先行”的施工工序。通过对相邻洞室不同开挖错距进行施工模拟，得出在洞室掌子面开挖错距为2倍主洞洞径(约32 m)以上时，洞室开挖相互影响较小，此时隧道支护结构变形控制效果较好，支护结构受力较为合理[17]。

表1 观音岩隧道衬砌支护参数[16]

现场先行主洞开挖并及时施作初期支护后，双层初期支护与中隔墙共同受力承担施工荷载，根据监测数据及时跟进施作二次衬砌；后行隧道先开挖远离先行洞一侧的岩体，且掌子面滞后先行隧道二次衬砌10～15 m，降低开挖对先行洞室的影响。左主洞与相邻的右主洞掌子面错距保持在32 m左右，在保证工期的同时最大程度减小相邻主洞间的施工扰动。左主洞率先贯通后作为施工通道，减少了材料加工场地和运输的成本，亦便于后续洞室从隧道进口和出口两端同时施工。同时，在左主洞贯通后，与其相邻的右主洞和北辅洞因彼此不相邻，可不考虑开挖错距影响，缩短施工工期。

现场施工顺序如图11所示，开挖后及时施作初期支护。观音岩隧道进口端施工组织如图12所示。

3.2 观音岩隧道施工工序模拟验证

采用有限元方法，对“先主后辅，左主先行”的现场施工工序进行数值仿真模拟，分析四连拱隧道在多导洞施工，主洞、辅洞先后开挖以及衬砌施作后围岩与结构的反应，以验证现场施工顺序的可行性，评价支护结构的安全性。

3.2.1 模型建立及模拟过程

结合隧道围岩情况，选取位于Ⅴ级围岩段的进口端K0+450断面作为典型模拟计算断面，计算模型如图13所示。

1—开挖支护3个中导洞； 2—浇筑3个导洞中隔墙； 3—开挖左主洞上台阶； 4—开挖左主洞中台阶； 5—开挖左主洞下台阶； 6—施作左主洞仰拱； 7—整体模筑左主洞二次衬砌； 8—开挖右主洞上台阶； 9—开挖右主洞中台阶； 10—开挖右主洞下台阶； 11—施作右主洞仰拱； 12—整体模筑右主洞二次衬砌； 13—开挖北辅洞上台阶； 14—开挖北辅洞中台阶； 15—开挖北辅洞下台阶； 16—施作北辅洞仰拱； 17—整体模筑北辅洞二次衬砌； 18—开挖南辅洞上台阶； 19—开挖南辅洞中台阶； 20—开挖南辅洞下台阶； 21—施作南辅洞仰拱； 22—整体模筑南辅洞二次衬砌。

图12 观音岩隧道施工组织(进口端)

图13 计算模型示意图(单位： m)

根据隧址区域地层特性[16]并参照规范[18]选取岩土体和支护结构物理力学材料参数，模型参数具体取值见表2。模拟过程与现场施工方案的“先主后辅，左主先行”开挖支护工序一致。

表2 地层和支护结构物理力学参数

3.2.2 结果分析

在隧道开挖支护后，K0+450典型模拟断面的围岩竖向位移云图如图14所示，二次衬砌的主应力云图如图15所示。

图14 K0+450断面的围岩竖向位移云图

可见无论是围岩位移还是支护结构受力，左主洞均较其他洞室要大。左主洞作为先行洞，其受到的施工扰动次数最多。因此，以左主洞为例分析四连拱隧道多洞开挖支护相互扰动下围岩与结构的反应以及支护结构安全性。

图15 K0+450断面二次衬砌主应力云图

为分析施工全过程的结构力学行为，对模拟断面主、辅4洞的典型施工工序进行编号，如表3所示，并提取断面开挖支护过程中典型工序的模拟结果。

表3 典型工序编号

1)在主线隧道开挖后，断面4个洞室各阶段拱顶沉降如图16所示。

图16 K0+450断面拱顶沉降变化曲线

结果表明： 洞室自身开挖后拱顶沉降量迅速增加，其相邻洞室亦受到明显扰动； 隧道支护完成后拱顶沉降趋稳。以左主洞为例，在其右侧洞开挖后，其沉降值进一步增大，而在其支护完成后，左侧辅洞开挖对其竖向位移影响较小，不相邻洞室开挖的相互影响甚微。K0+450断面开挖支护后，围岩最大沉降量为10.66 mm，位于主线左洞和北辅洞拱顶之间； 围岩最大隆起量为3.16 mm，位于主线左洞隧底，均满足规范[18]要求。

2)典型断面左主洞的二次衬砌各阶段最不利点位置及其内力计算值如表4所示。

表4 左主洞二次衬砌最不利点位置及内力计算值

左主洞断面开挖支护完成后，最不利点出现在右拱肩处，随着右侧右主洞开挖支护，该点处轴力和弯矩显著增大；而随着左侧的北辅洞开挖支护，左主洞最不利点变为左拱脚处。明显可见左、右两侧洞室的开挖对左主洞的扰动较大，相邻部位内力值均发生明显增长，而不相邻的南辅洞开挖支护未对其造成明显影响。隧道开挖支护全过程中，左主洞二次衬砌安全性是不断下降的，全断面开挖支护后最不利点位于左拱脚处，算得安全系数模拟值为4.94，仍满足安全性要求。

4 现场实施效果

观音岩隧道于2020年3月29日开始中导洞施工，2021年3月10日第1条隧道主线左主洞贯通； 2021年7月13日，最后一条隧道南辅洞贯通。目前主体结构已完工，施工进度如表5所示，隧道进、出口实景如图17和图18所示。隧道建设过程中未出现初期支护结构失稳或衬砌开裂现象，整体施工效果好。说明大跨四连拱结构设计和其“四拱三导七连环”的施工布局，“先主后辅，左主先行”的施工工序，在观音岩隧道建设中具有较好的适用性。

表5 观音岩隧道施工进度

4.1 现场围岩变形监测结果

观音岩隧道监控量测结果表明，施工过程中围岩变形稳定，隧道贯通后，各监测点趋稳。观音岩隧道贯通后拱顶沉降监测结果如图19所示，可见最大沉降量为36.5 mm，出现在K0+755断面左主洞拱顶；监测到的拱顶沉降均小于规范[19]规定的沉降量控制值。

图17 观音岩隧道进口实景

图18 观音岩隧道出口实景

图19 观音岩隧道拱顶下沉监测结果统计

4.2 现场结构应力监测结果

通过在典型测试断面的中隔墙、二次衬砌等部位测点埋设压力盒及应变计，对支护结构应力进行监测，监测结果表明在监测时间内，测试断面各洞支护结构的内力均在安全范围内[17]。

受到施工扰动次数最多的K0+418断面中导洞中隔墙从浇筑完成到断面开挖支护完成的应力时程曲线如图20所示。由图20可知，中隔墙在整个施工过程中墙身应力整体呈增长趋势，开挖支护完成后趋稳；应力最大值出现在墙身中下部，小于规范规定的C35混凝土抗压强度标准值19.0 MPa； 计算中隔墙轴力和弯矩，按偏心受压构件进行中隔墙强度验算，得到其最小安全系数出现在南辅洞开挖支护后的墙身中下部，其最小值K=3.43，大于规范规定值2.4，说明在整个隧道施工过程中，中隔墙处于安全稳定状态。同时，施工扰动影响也同样体现在墙身受力上，墙身在左侧先行洞开挖支护时完成了大部分的应力增长，同时右侧主洞开挖支护对其扰动明显。

图20 K0+418断面中导洞中隔墙应力实测时程曲线

K0+418断面右主洞二次衬砌各部位典型阶段安全系数如图21所示(图中系数取该处抗压安全系数Ky与抗弯安全系数Kw中较小值)。由图可知，多连拱隧道衬砌结构受到临近洞室开挖支护扰动影响大，右主洞在其相邻南辅洞开挖支护之后结构受力稳定。随着隧道贯通，最终稳定安全系数均满足安全性要求。

图21 K0+418断面右主洞二次衬砌安全系数

5 结论与讨论

本文提出不等跨四连拱隧道的结构型式，介绍观音岩隧道的结构设计和施工工序，并通过数值模拟和现场实测进行分析，结果表明：

1)采用不等跨四连拱隧道的结构型式，解决了环境复杂、位于狭小走廊带的10车道观音岩隧道建设难题。

2)针对软弱的围岩条件及主辅隧道跨度差异，提出适用于多连拱隧道建设的中隔墙及复合式支护结构形式，并给出相应的设计参数，现场可依据实际情况灵活选用。

3)在3个中导洞施工及其中隔墙施作基础上，提出先开挖主洞后开挖辅洞，以左主洞作为先行洞的施工工序，有利于现场施工组织，并通过数值分析验证了该工序的可行性。

4)数值模拟和现场实测结果表明，四连拱隧道相邻洞室间的施工扰动要远大于不相邻洞室之间；尤其先行主洞受到开挖扰动次数最多，各工序相互影响，且均反映在结构的受力情况上，因此多连拱隧道施工过程需重点关注先行洞室的安全性。

5)现场实施过程中，围岩稳定，结构安全，施工进展顺利，表明观音岩隧道结构选型、设计参数和施工工序合理可行，可为大跨度多连拱隧道的结构设计和施工提供参考。

本文未对大跨度多连拱隧道在频繁开挖扰动下的围岩与支护结构变形力学机制进行深入研究，今后将基于现场监测数据，结合理论和数值分析手段进一步开展研究。