复杂偏压地形下交叉隧道群合理进洞技术研究

文献标识码：B

No．5（TotalNo．239）

October2019

文章编号：1001－7291（2019）05－0097－04

复杂偏压地形下交叉隧道群合理进洞技术研究121

张洋洋，朱星宇，高筠涵

（1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031；2.西南交通大学力学与工程学院，四川成都610031）

摘要：依托深圳地铁十号线凉帽山车辆段工程项目，依据洞口段工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的施工功能等因素综合考虑比较进洞方式，认为较优进洞方案是斜井横通道进洞。斜井横通道进洞能提供3个掌子面，可以同时施工2牵出线，出入线和三线隧道，有利于提高施工效率，保证工期，利用Flac3D等数值分析软件验证施工工序、工法及支护的合理性。计算结果显示斜井及横通道现有设计工法及支护设计合理可行，结构安全稳定。

关键词：复杂环境；交叉隧道；进洞技术；横通道；数值模拟

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随着我国社会经济的快速发展，隧道的建设越来越多，尤其城市轨道交通隧道，常常埋深浅，地形、地质条件复杂，周边环境敏感因素多，工作面多交叉影响大，隧道施工难度大。洞口段一直被视为隧道的咽喉，与其他段相比具有埋深浅，围岩一般较差的特点，隧道进洞施工过程中，极易引起洞口坍塌、大变形等工程事故。怎样合理选择进洞方式，在确保安全的前提下，降低工程造价，缩短工期，是隧道进洞施工急需解决的。提出护拱法及半护拱法是应对正交进洞和斜交进洞的微开挖进洞施工方法；针对地表处于临近稳定状态的浅埋、偏压隧道进洞施工，给出了一种型桩式复合管棚套拱结构；提出了临时框架式洞门直接进洞法，将套拱设置成贴壁套拱，施作临时框架式洞门保护斜向贴壁套拱稳定，在超前预支护措施的保护下进行进洞开挖；对偏压隧道群的进洞技术进行了全面总结，并形成了一整套的进洞技术措施。纵观国内外研究现状，我国对复杂条件下隧道进洞技术已经积累了一定经验，但对涉及多作业面、交叉隧道进洞研究还不够丰富。本文以深圳地铁十号线凉帽山车辆段出入线段施工工程为依托，以数值模拟的方法对其进洞技术进行研究，其结果一方面可指导

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09-01收稿日期：2019-

该工程施工，另一方面也可为今后类似工程的设计与

施工提供借鉴。1

依托工程概况

深圳市城市轨道交通10号线工程凉帽山车辆段出入线区间右线由甘坑站站后接出，左线由凉帽山站站前接出，左右线以“人”字形交汇后并行为单洞双线隧道，自北向南敷设，与2号牵出线隧道交汇并行为单洞三线隧道，最后进入出入线明挖隧道段左右线汇合后并行为单洞双线隧道，继而以Ｒ=200m半径自北向东转入凉帽山车辆段。

图1出入线三线平面图

—98—华东出入线隧道与明挖基坑连接段为三线大跨隧道，隧道尺寸为21.6×15.6m，单洞三线隧道长53.8m，

地质大多为Ⅴ级围岩，最大埋深27m，通过2#

斜井横通道形成进洞施工，施工工法采用中洞法，地下水

丰富，施工难度较大。

隧道采用矿山法施作。单洞三线隧道最大跨度为21.6m，高度为15.6m，采用中洞法开挖。出入线隧道总长1933.4m，其中单洞单线断面长度为1802.4m（采用台阶法、全断面爆破开挖法），单洞双线隧道长131m（采用全断面爆破开挖法、三台阶

法、中隔壁法），2#

牵出线隧道长176.086m，采用台阶法施工。

2#斜井由明槽段+横通道组成，其中明槽段长76m，底宽8m，最深约7.5m，下坡率为10%；横通道长24.2m。横通道设置于出入线、2号牵出线两隧道剖面汇合处，即为单洞3线大剖面处，中心里程LCDk1+328.3。横通道通过设置明挖基槽作为施工道路。其中横通道长24.2m，开挖轮廓线尺寸24.2m×7.6m×15.55m（长×宽×高），横通道净宽7.0m，净空高14.95m，初支在距底板12.95m处起拱，拱顶矢高2m。2进洞方式优化分析

针对本次工程，依据工程特点可供考虑的较优进洞方案主要是斜井横通道从Y型交叉点斜井进洞和从明挖深基坑处进洞。斜井横通道进洞能提供3个掌子面，可以同时施工2#牵出线，出入线和三线隧道，而明挖基坑进洞只能提供三线隧道的施工作业。考虑到工期的影响最终建议采用斜井横通道进洞的方式。横通道与三线大断面隧道、单洞双线隧道和单洞单线隧道相连，施工过程彼此存在交叉和影响，根据现场实际地质，结合横通道临时横撑设计（距离横通道底板8.38m、4.28m，标高分别为92.0m、87.9m处），横通道分三层开挖（对应分层高度7.87m、4.1m、3.58m）。结合横通道开挖进展，分部、分序开挖明挖基槽及出入线三线隧道。现场通过2#斜井形成3个作业面进入正线隧道施工，开挖施工顺序为由中间向两端掘进。进洞段为Ⅳ级围岩，采用台阶法爆破开挖，根据台阶包含的正洞范围，先进行三线隧道掘进，再双线隧道掘进，最后进行单线隧道掘进，每步序间爆破开挖安全距离不小于30m。斜井断面采用直墙圆拱形，净空尺寸为7.0m×14.95m，横通道支护断面图如图3所示。

公路2019年第5期

图2

隧道开挖平面示意

图3

横通道支护断面示意

3数值计算3.1

模型建立

根据深圳地铁10号线凉帽山车辆出入线暗埋段施工图纸建立横通道和隧道三维整体模型。隧道结构、地层均采用3D单元模拟，并赋予不同的材料参数。利用改变单元格的本构模型及参数，动态模拟工程施工过程。地层采用Mohr－Coulomb本构模型进行模拟，混凝土、钢支撑、锚杆等材料均采用线弹性本构进行模拟。

模型边界沿X轴方向长度取170m；沿Y轴方向模型宽度取110m。地基的下表面为全约束，四周表面均为法向约束。主体模型如图4所示。

图4

整体模型示意图

2019年第5期张洋洋等：复杂偏压地形下交叉隧道群合理进洞技术研究—99—

3.2

斜井计算结果分析

依据结构特点提取重点结果进行分析：对斜井实体单元整体提取最大最小主应力，判断其安全性；对桩单元提取法向应力和剪切应力，判断桩的安全性；分析整体及监测点位移状态，判断整体结构稳定性。

图5为实体单元应力状态。

图5实体单元应力状态

由图5结构应力状态可以知道，主体结构（箱涵、路面、横支撑等）最大压应力不超过1.2MPa，远低于混凝土抗压极限，最大压应力主要产生在箱涵结构上；最大拉应力不超过0.6MPa，也低于混凝土抗拉极限，最大拉应力产生在箱涵结构和路面进入箱涵段。整体均处于安全状态。

由图6可知，结构纵向位移最大为0.86mm，这是由于结构整体上覆土层大部被开挖，Z向位移不再是主要控制条件，Z向位移可忽略不计。整体结构横向收敛值很小，结构稳定性较好。因地形原因，右侧收敛值整体大于左侧，最大值分别不超过3.5mm和2.5mm最大位移产生在两侧土体面靠下部位，可以判断斜井整体结构稳定性较好。

图6结构及土层位移

3.3

横通道计算分析

提取应力云图分析结构应力状态，为清楚观察应力的分布，选取典型断面1靠近斜井，断面2、3、4

依次远离，大致平均分布，如图7所示。位移云图单位为m，应力场云图单位为Pa。

图7横通道结构最大主应力云图

由图7可知，横通道主体施做完成后，支护结构最大主应力（拉应力）主要集中在结构顶部右侧拱脚，因为右同时进行3线隧道的开挖左侧暂时没有施工，以及地形等的影响，左右两侧应力状态不均衡。但最大拉应力不超过1.65MPa，应力水平较小，低于混凝土抗拉强度，表明支护结构拉应力处于安全状态。

图8为横通道结构最大主应力云图。

图8横通道结构最大主应力云图

由图9可知，横通道主体施做完成后，支护结构最小主应力（压应力）主要集中在结构中部左侧，因为进行3线隧道以及地形等的影响，左右两侧应力状态不均衡。但最大压应力不超过4.1MPa，应力水平较小，远低于混凝土抗压强度。表明支护结构拉压力处于安全状态。

可以判断，横通道施工完成后的应力状态处于安全状态，且较极限状态有一定富余量，整体处于安全状态。

—100—华东图9

横通道结构最小主应力云图

提取位移数据值分析结构变形，为分析各点状态，检测点布置如图10所示。

图10横通道位移监控点布置

由表1可知，横通道顶部沉降值较小，最大约

2mm左右，远小于控制基准。因斜井施工的影响，横通道进口较远端沉降值略大。

横向收敛值也小，量值在1mm左右，小于控制值，稳定性可靠。因横通道右侧同时进行3线隧道开挖施工，因此不做横向收敛记录。

表1

横通道位移计算结果

拱顶沉降1拱顶沉降2拱顶沉降3拱顶沉降4－1．94E－03－1．77E－03－1．29E－03－9．60E－04左侧收敛1左侧收敛2左侧收敛3－8．69E－041．12E－037．26E－044

结论

（1）针对本次工程，依据洞口段工程地质和水

文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的施工功能等因素综合考虑比较进洞方式，认为较优进洞方案是斜井横通道进洞。斜井横通道进洞能提供3个掌子面，可以同时施工2#

牵出线，出入线和三线隧道，有利于提高施工效率，保证工期。

公路2019年第5期

（2）依据数值结果分析，在现有设计工况下，斜井整体拉压应力不超过2MPa及收敛位移3mm左右，应力及位移分布因地形而左右不对称。横通道支护结构最大拉应力不超过1.65MPa，最大压应力不超过4.1MPa，应力状态分布受前期斜井开挖及地形影响左右不对称；横通道沉降不足2mm，横向收敛1mm多，均处于稳定状态。结果证明斜井及横通道现有设计工法及支护设计合理可行，结构安全稳定，

可为类似隧道进洞提供参考方案。

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