城市连拱隧道施工方案研究

文章编号：1000－7598－(2007) 增刊－0527－05

城市连拱隧道施工方案研究

汪振伟，傅 钢，黄智强

（重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074）

摘 要：结合彭家花园隧道的具体情况，优化了原施工方案。通过施工状态的数值模拟，对施工过程中所采用的两套施工方案进行了验证，推荐合理的开挖顺序及支护方式。在现行施工方案的基础上得到各工序对拱顶及地表沉降的影响，结合现场量测获得的大量信息对隧道的拱顶下沉及地表沉降进行研究，确切地预报了破坏和变形等未来的动态，并在此基础上得到了一些相关的结论，这些成果除了对该工程顺利实施起着十分重要的指导作用外，还可以为以后的类似工程积累经验。 关 键 词：连拱隧道；数值模拟；拱顶及地表沉降；施工方法 中图分类号：U452 文献标识码：A

Study of construction plans above cities’double-arch tunnel

WANG Zhen-wei, FU Gang, HUANG Zhi-qiang

(School of Civil Engineering and Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Abstract：Based on the specific condition of the Pengjia Garden Tunnel, the original construction plan is optimized during the construction. According to the numerical simulation of the construction condition, the two sets of construction plans which have been adopted during the construction process have been confirmed, reasonable excavation sequence and supporting methods are also recommended. On the basis of the active construction plan, we can obtain the influence on the arch and surface subsidence caused by the various working procedure. Combining the massive information obtained by the scene gauging, the studies of the settlement of the vault and the surface settlement have been carried out, so that we can exactly forecast the coming developments such as destroy、deformation and so on. Based on this, we can also come to some related conclusions, these achievements not only provide the extremely important instructional function to the project so that it can be carried out smoothly, but also pile up experience and practice material for the similar project in the future.

Key words：double-arch tunnel；numerical simulation；ground and crown settlement；construction method

1 引 言

彭家花园隧道位于重庆市渝中区，为浅埋双连拱隧道，全长360 m，设计时速为40 km/h。隧址区地面起伏不大，地形条件简单。上覆土层主要为填筑土，土层厚度一般小于1.5 m，下伏基岩主要为砂岩和粉砂质泥岩。

拟建隧道的特点：（1）埋深较浅，最深只有11 m，最浅为5 m，并且隧道上方建筑物密集；（2）工期较紧；（3）施工方案工序较多。原设计施工方案为三导洞施工法，中导洞采用分步开挖，施工工序较多，在Ⅳ级以上较高级别围岩直接影响工期，并且施工中多次对围岩产生扰动、衬砌的整体性不

好。针对以上特点，在保障安全及工期的前提下，对原有施工方案进行优化，提出中导洞CD法及中导洞半断面法施工两套方案（见图1）。

(a)

(b)

图1 优化后的施工方案

Fig.1 Optimized construction plans

收稿日期：2007-05-25

作者简介：汪振伟，1982年生，男，硕士，主要从事隧道及地下工程方面的研究。E-mail：wzw0115@163.com

岩 土 力 学 2007年 528

结合彭家花园隧道的具体情况，在实施过程中，要严格控制地表下沉，本文主要就拱顶及地表沉降进行了详细的研究，了解各施工方案引起的地面沉降大小及各工序开挖过程中对拱顶和地表沉降的影响，确切地预报破坏和变形等未来的动态。据此可以考虑支护手段、重点加固岩体部位，推荐合理的开挖顺序及支护方式[1]。

3：中导洞－中墙－左右洞相向开挖。

表2 双连拱隧道施工的不同方案模拟

Table 2 Simulation of the different construction plans

围岩 泥岩 泥岩 泥岩

埋深 / m

施工方法

施工方案 方案1 方案1～3 方案1 方案1 方案1 方案1

泥岩 11 中导洞半断面法

11 9 5

中导洞CD法 中导洞CD法 中导洞CD法

2 三维弹塑性有限差分分析

2.1 物性指标及支护参数简化

围岩的计算参数根据实际地质勘探确定，锚杆和混凝土衬砌具体几何参数为实际施工数值，其力学参数按照类比方法确定混凝土

［3］

［2］

砂岩 9 中导洞CD法

2.3 结果分析及采取的相应措施 2.3.1 拱顶沉降

（1）方案1

砂岩 5 中导洞CD法

。钢拱架的作用采用等

效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给喷射

，计算参数见表1。

如图2，采用开挖进尺4 m和2 m，初支滞后于一个开挖进尺所引起的拱顶沉降，横向分布走势图基本相同，两条隧道中心线上的拱顶沉降值不等，后开挖隧道略大。表3为两类围岩不同施工方法及埋深典型施工阶段的拱顶下沉值，从表中看出：同类围岩及施工方法、不同埋深在各典型阶段的拱顶下沉值随埋深的增大而呈比例的增大。左洞开挖完成后，拱顶沉降占总下沉值的75 ％左右，中洞及右洞开挖对左洞拱顶下沉的影响占25 ％左右。就施工方法、围岩条件、埋深而言，埋深对拱顶沉降的影响最为敏感。

－0.2－0.4－0.6y/ 10-3m －0.8－1.0－1.2－1.4－1.6

－20 －10 0 10 20

x/ m

表1 模型材料物理力学参数

Table 1 Physical mechanical parameters of model materials

类型

γ / kN·m-3

E / GPa

µ c / MPa

ϕ / (°)

填土 20 0.02 0.400 0.025 16.0 砂岩 24 4.10 0.220 0.762 43.5 泥岩 24 2.70 0.250 0.320 36.0 二衬 25 30.00 0.167

初支 23 20.50 0.167

2.2 数值模拟计算

采用能同时模拟材料非线性（选取Mohr-Coulomb准则）和几何非线性快速拉格朗日有限差分程序FLAC

3D[4]

进行隧道数值模拟。模拟不

同的围岩、施工方法、埋深、支护参数及施作时机、周边岩体的位移。总共进行了表2所列3种方案的数值模拟，其中包括：（1）埋深5，9，11 m；（2）开挖4 m和开挖2 m进行支护；（3）隧道穿越砂岩和粉砂质泥岩。

中导洞CD法方案如下：（1）方案1：中导洞－中墙－左洞开挖－右洞开挖；（2）方案2：中导洞－中墙－左右洞同向开挖（左洞优先）；（3）方案

图2 隧道施工完成后拱顶沉降横向分布

Fig.2 Transverse distribution of crown settlement

after construction

表3 两类围岩不同施工方法及埋深典型施工阶段的拱顶下沉值

Table 3 Crown settlement in typical construction phases with different methods and deep

完成中洞施工

围岩

埋深/ m 5 9

施工方法

沉降 / mm

完成左洞施工

完成右洞施工

地表沉降

/％

总沉降

16 15 12 12 14.6 14.5

沉降 / mm 1.013 1.328 1.584 1.558 0.717 0.922

地表沉降

/％

总沉降

73 77 81 79.6 76.4 75.7

沉降 / mm 0.955 1.530 1.792 1.769 0.717 1.109

地表沉降

/％

总沉降

11 8 7 8.4 9 9.8

方案1 0.315 6 方案1 0.390 5 方案1 0.428 1 中导洞半 断面法

0.428 1

泥岩 11 11

砂岩

5 9

方案1 0.208 3 方案1 0.258 6

增刊 汪振伟等：城市连拱隧道施工方案研究

529

（2）方案2

本文模拟了左右洞D部（C部）间隔0，4，8，16，20 m，同时开挖5种工况。由于左右洞D部之间的间隔有3倍其开挖洞径，相当于小径距隧道。当间隔为0 m时，开挖右洞D部对左洞拱顶沉降产生2 ％的影响；当间隔为8 m时，开挖右洞D部对本侧主洞拱顶的沉降几乎没有任何影响。因此，对于左右洞D部开挖可采用方案2，其间距为1.5倍开挖洞径。通过数值模拟得到右洞C部施工对左洞的影响随两工序间隔的关系曲线。如图3右洞C部施工对左洞的影响主要集中在从掌子面超前1倍开挖洞径，从图中看出，当两工序间隔2倍洞径时，右洞C部施工对左洞沉降几乎没有影响。因此，当工序间隔大于2倍开挖洞径时，采用方案2开挖与先施工完左洞C部，再施工右洞C部，引起的拱顶沉降基本上相同。如图4、图5是在同一监控面，针对以上方案的拱顶沉降横向分布对比图。

百分比 0.16

0.140.120.10.080.060.040.020

0

4

8

12

16

20

（3）方案3

双连拱隧道对向施工中，同样存在与相向施工相似的情况，应尽量避免两隧道处于相互影响范围内同时施工[5]。当距离小于2倍开挖洞径对向施工时，施工期间的拱顶下沉较为明显。如图6、图7是距离小于2倍开挖洞径，对向施工及单向施工在同一监控断面引起施工期间拱顶沉降横向分布图。因此，当间距小于2倍开挖洞径时，应停止一边施工，施工超过2倍开挖洞径后，再同时反向推进。

从拱顶及地表沉降来看，中导洞半断面法小于中导洞CD法。

0.0－1.0－2.0y/ 10-4m y/ m －3.0－4.0－5.0－6.0

－20 －10 0 10 20

x/ m

图6 间距小于20m时单向施工引起的拱顶

沉降横向分布(单位：m)

Fig.6 Transverse distribution of crown settlement brought by construction of one tunnel when the

space is less than 20 meter (unit：m)

－0.0－0.2－0.4y/ 10-3m 左右洞间距 / m

图3 右洞C部施工对左洞的影响随两工序 间隔的关系曲线(单位：m)

Fig.3 Relation curve along with the distance of two working procedure between part C of right tunnel and left tunnel (unit：m)

yy// mm －0.6－0.8－1.0－1.2

－20 －10 0 10 20

x/ m

－0.1 －0.3 －0.5 y/ 10-3m y/ m －0.7 －0.9 －1.1 －1.3

－20 －10 0 10 20

x/ m

图7 间距小于20m时对向施工引起的拱顶

沉降横向分布(单位：m)

Fig.7 Transverse distribution of crown settlement brought by construction in face to face when the space

is less than 20 meters (unit：m)

从以上方案的数值模拟中得知，就主洞而言，C部开挖是整个隧道开挖中的关键工序，C部开挖完成后，引起的拱顶下沉占本侧主洞施工过程中引起拱顶下沉值的75 ％左右。因此，不论采用哪种方案施工，其关键工序就是上半断面的开挖。因此，本文对左洞C部开挖进行了如下情况的数值模拟：（1）开挖进尺2 m，支护紧跟工作面；（2）开挖进尺4 m，支护滞后一个开挖进尺。在泥岩段，前者比后者引起的拱顶下沉要小15 ％。在埋深只有5 m多的洞口段，不采用管棚加固比采用管棚加固引起的拱顶及地表沉降大35 ％左右。因此，当隧道穿越泥岩段开挖上半断面C部时，应采用短进尺、支

图4 左右洞C部间隔16 m同向开挖(单位：m)

Fig.4 Isochronous excavation between the left tunnel’s C part

and the right one with a distance of 16 meter (unit：m)

－0.0 －0.2 －0.4 －0.6 y/ 10-3m y/ m －0.8 －1.0 －1.2 －1.4

－20 －10 0 10 20

x/ m

图5 先完成左洞C部后施工右洞C部(单位：m) Fig.5 Construction of the right tunnel’s C part

after the left one (unit：m)

530 岩 土 力 学 2007年

护紧跟工作面。其目的在于控制围岩的初始位移，这一点在埋深小、围岩差的情况下，尤其重要[6]。通过上述模拟看出：仅靠改善支护时机及提高支护强度来控制沉降是不够的，还应该注重超前管棚及小导管的运用。在隧道开挖后初期支护未封闭成环的阶段，上半断面C部与下半断面掌子面距离越大，塌落范围就越大，相对较短的台阶更有利于隧道施工过程中的洞室稳定。因此，应尽量缩短这一阶段的时间和纵向不封闭段的长度。考虑到施工的可操作性，建议台阶长度以保留的核心土能够稳定和便于施工操作为宜。 2.3.2 地表沉降

由于不同的施工方法及同一施工方法、不同施工方案，各沉降段内沉降量占其总沉降量的精确比有所不同[7]，但却有表4所列的大致规律：中导洞开挖完成后引起地表下沉值占总下沉值的20 ％左右；左右洞施工完成后引起的地表沉降值各占总沉

降值的40 ％左右。当埋深大于0.5D(D为单洞洞径)时，地表下沉的最大值基本上在中墙顶地表面处，而当埋深小于0.5D时，地表下沉最大值偏向于主洞拱顶对应的地表面处。表4为施工阶段引起的地表下沉，从表中看出，围岩条件越差，地表下沉就越大。尽管以上各种方案引起的地表沉降最大值有所不同，但当隧道的直径、埋深、围岩条件一定时，地表沉降在横向上的影响范围基本上相同。表5为不同埋深施工阶段引起的地表下沉横向影响范围，以各施工阶段中最大地表沉降的20 ％作为影响范围的起终点，则两边墙之外的地表下沉横向分布基本上呈线性变化。通过表5分析得出：在2倍开挖洞径内，随埋深的增加，两边墙之外的地表下沉的范围也呈比例的增加，对于该双连拱隧道，地表沉降的影响范围为两隧道中心线以外1.5倍开挖洞径。因此，应注重该范围内的地表监控量测，以确保上覆建筑的安全。

表4 不同施工方法典型施工阶段地表沉降及其占总沉降的比重

Table 4 Ground settlement and proportion in typical construction phases with different methods

完成中洞施工

围岩 埋深/ m

施工方法

沉降 / mm

11 11 9 5 5 9

完成左洞施工

沉降 / mm 1.069 1.045 0.966 0.856 0.615 0.683

完成右洞施工 沉降 / mm 1.393 1.234 0.812 0.629 0.924

地表沉降

/％

总沉降

17.9 18.2 21.0 29.0 25.0 18.9

地表沉降

/％

总沉降

41.3 40.6 36.5 32.5 33.6 37.4

地表沉降

/％

总沉降

40.8 41.2 43.5 38.5 41.4 43.7

方案1 0.253 6 中导洞半断面法 0.253 6

方案1 0.260 4 方案1 0.235 8 方案1 0.158 2 方案1 0.174 9

1.420

泥岩

砂岩

表5 地表下沉横向影响范围(m)

Table 5 Transverse incidence of ground settlement

埋深/ m 11 9 9 5 5

围岩

横向影响范围/ m

完成中导洞

完成左右洞

40 40 42 31 32

泥岩 27 砂岩 28 泥岩 28 砂岩 16 泥岩 17

3 结 论

通过对彭家花园隧道三维数值模拟并结合现 场监控得到以下结论：

（1）该隧道采用的最终施工方案为：中导洞采用全断面施工；左洞采用CD法施工；右洞采用半断面法相向施工。

（2）Ⅳ级围岩条件宜采用中导洞半断面法施 工。从拱顶及地表沉降来看，中导洞半断面法<中

导洞CD法。

（3）采用中导洞CD法施工，不管采用何种方案开挖，上半断面核心土的开挖是整个隧道施工中的 关键工序。因此，在开挖上半断面C部时，应采用 短进尺、支护紧跟工作面。上半断面C部与下半断 面掌子面距离不易太大，尽量缩短这一阶段的时间和纵向不封闭段的长度。

（4）采用相向或同向施工时，要合理控制左右洞开挖的间隔，一般控制在2倍开挖洞径左右。 （5）在浅埋隧道的情况下，地表有结构物存在时，为把隧道开挖的影响在最小范围内，应在掌子面前方的围岩进行加固施工。本隧道洞口采用管棚工法，洞身采用超前小导管进行预加固。 （6）在监控量测中，应重点对左洞核心土（右洞上半断面）开挖进行监控。按照本文所给定的监控基准进行地表沉降监控，保证了隧道的正常施工及上覆建筑的安全。

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增刊 杜菊红等：偏压小间距公路隧道施工的三维数值模拟 535

要抓住主要控制因素对掌子面距离来确定。

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