Optimized Design优化设计厦门机场路隧道双连拱与小间距工法设计比选 柴文书 杜朝伟 李曙光 中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院 河南省交通运输厅【摘 要】小间距隧道是双洞隧道净距介于连拱隧道与规范要求上下行分离式隧道最小净距之间的一种特殊隧道结构形式。
文章以厦门机场路高速公路隧道为依托，对隧道双连拱、小间距工法进行了施工过程的动态数值模拟。
以地表沉降作为主要控制目标，对不同的施工方案进行了优化分析，得出采用小间距断面的方案优于双连拱方案，数值模拟过程中地下结构和周围环境没有安全隐患。
这为工程的顺利实施提供了依据和指导，可供类似工程参考。
【关键词】双连拱隧道；小间距隧道；施工过程；数值模拟【Abstract 】With the Xiamen airport line highway tunnel as a practical example,the paper studies dynamic numerical simulation during construction of double-arch and little neighboring space tunnel. Different construction projects are optimized based on ground settlement, the scheme of little neighboring space is better than that of double-arch,The important conclusion that under-ground configuration and ambience are safe is arrived. The basis and guidance are supplied for real engineering and some meaningful conclusions are gotten as the reference for similar engineering.【Key words 】 double-arch tunnel; little neighboring space tunnel; construction process; numerical simulationDOUBLE-ARCH TUNNEL A ND LITTLE NEIGHBOR-引言由于连拱隧道的工程造价、施工难度、施工周期均比双线双洞隧道大的多，为此，在工程实践中多采用小间距隧道。
在公路隧道的结构分析中，按平面应变问题所建立的模型，仅适用于已建成的隧道或者远离掌子面的洞身。
而对于开挖掌子面附近的结构分析，不得不采用三维空间模型。
空间计算模型不但可以较为真实地模拟初期支护，尤其锚杆与拱架格栅的物理力学参数与它们在实际隧道中的位置，而且可以模拟真正的开挖过程，体现施工各工序在空间上的安排。
文章以厦门机场路高速公路隧道为背景，为了在施工之前了解施工过程中所可能产生地层变位和应力的影响，明确这种影响的大小量级和范围，明确危险可能发生的部位、方式及应采取的施工对策，同时为现场监控量测提供管理基准和依据，对隧道双连拱、小间距断面进行了施工过程的动态分析，主要模拟隧道施工过程中对地表沉降的影响。
１ 工程概况厦门市机场路一期（仙岳路～演武大桥）工程ＪＣ３合同段，起始里程为ＹＫ７＋０１８，终点里程为ＹＫ８＋１５０，其中梧村山隧道从洞口到斜井长６５０ｍ，桩号为ＹＫ７＋５００～ＹＫ８＋１５０，属于浅埋暗挖大跨隧道，该段平面布置为分岔式结构，从进口到出口由连拱隧道过渡为小净距隧道。
该段地形较平缓，隧道埋深仅９～２７ｍ。
沿线地表建筑物复杂，为密集的居住区、军管用房，楼层多为３～７层，基础多为扩大条形基础或独立基础，主体结构为砖混结构。
根据现场房屋调查及房屋现状安全性评价成果（厦门市房屋鉴定所），该路段施工期间受影响的房屋（隧道开挖线两侧３倍单洞跨度以内的房屋）有６７栋，其中房屋完全坐落于线路上方的有１３栋，局部坐落在线路上方的有２３栋，其余房屋坐落在线路两侧；影响范围内房屋基本完好的３１栋，一般损坏的有２４栋，严重损坏的有３栋。
本区段水文地质单元主要为第四系松散类岩孔隙水分布区，全区段无统一融水层，地下水属潜水类型，地下水位埋深３～５米，补给来源主要为基岩裂隙水的上托补给。
双连拱隧道本段桩号ＹＫ７＋５５０～ＹＫ７＋６５５（ＺＫ７＋５３５～ＺＫ７＋６４０）、ＹＫ７＋６８５～ＹＫ７＋８０７．４（ＺＫ７＋６７０～ＺＫ７＋７９２．４）段为Ⅴ、Ⅵ级围岩，ＹＫ７＋８０７．４～ＹＫ７＋８２４．８（ＺＫ７＋７９２．４～ＺＫ７＋８０９．８）段为Ⅲ级围岩，ＹＫ７＋８４４．８～ＹＫ７＋９１５（ＺＫ７＋８０９．２～ＺＫ７＋９００）为Ⅳ级围岩。
设计纵坡为－２．４４％。
分别为双连拱隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ型衬砌形式。
原设计开挖采用双连拱三导洞法进行开挖，现将此段的双连拱隧道变更为小净距隧道进行施工。
隧道洞身结构设计根据隧道所处的工程地质和环境条件，采用复合式衬砌。
根据围岩条件和地面结构物的不同，将该洞口浅埋暗挖段分为６段进行设计。
文章选取ＹＫ７＋８４４．８～ＹＫ７＋８８４．８段进行数值模拟分析。
隧道埋深２４．５～２９．７ｍ，围岩总体上为Ⅳ级。
隧道洞顶围岩以全风化～微风化花岗岩为主，洞顶５ｍ以内为碎块状强风化花岗岩，其上为５ｍ左右的全风化～砂砾状强风化花岗岩。
洞身围岩主要为碎块状强风化花岗岩，局部为微风化花岗岩；基底围岩也以碎块状强风化花岗岩为主，局部为微风化花岗岩。
该段虽然地面建筑物较多，但由于隧道埋深较大，围岩条件较好，未对房屋进行预加固，施工中的主要设计参数为：（１） 超前小导管预支护，φ４２小导管长５ｍ，环向间距４０ｃｍ，排距２．４ｍ。
（２） 初期支护拱部采用２４ｃｍ厚Ｃ２０喷射混凝土，内设单层钢筋网结构，网格间距２０ｃｍ×２０ｃｍ，并以格栅拱架作为初期支护的加强措施，格栅拱架间距８０ｃｍ。
（３） 锚杆采用φ２２普通砂浆锚杆，锚杆长３．５ｍ，按照１００×８０ｃｍ梅花形布设。
２ 模型建立计算中小导管超前支护采用块体单元模拟，原理为提高土层参数，小导管形成近１ｍ厚的加固圈。
锚杆采用Ｆｌａｃ３Ｄ里专门模拟锚杆作用效果的。
Ｃａｂｌｅ单元，初喷混凝土层采用壳体（ｓｈｅｌｌ）单元模拟，初期支护衬砌及二次衬砌均采用块体单元模拟、隧道计算尺寸模拟设计要求。
各单元体计算参数参照《公路隧道设计规范》。
模型计算范围向上计算到地表，两边各取１００ｍ，向下取近４０ｍ，固定约束除地表以外各方向边界面。
地面在影响范围内的房屋建筑按房建荷载规范计算后以面荷载（２５ＭＰａ）的形式施加于地面。
计算采用的计算步骤和实际施工步骤相同，模拟循环进尺１ｍ，各洞室开挖错开步距及计算模拟施工进度如图１、２所示，模拟开挖隧道开挖长度４０ｍ。
地层和地质参数按照勘查报告选取。
地层从上到下划分三层：分别是（１）填筑土（２）残积亚粘土（３）全风化花岗岩。
主要计算参数如表２所示。
３ 计算结果及分析３．１ 双连拱隧道双连拱隧道各洞室开挖对地表沉降值影响效应如图３。
由计算数据可知：开挖左洞弧形导坑时对地表沉文章编号：ＺＫＳ０２２１０３８Optimized Design优化设计降影响最大，达３０．５ｍｍ；其次是开挖左洞侧导坑和右洞侧导坑，分别为１０．２ｍｍ、９．８ｍｍ；拆除临时支撑对地表沉降影响也较大，为８ｍｍ。
３．２ 小间距隧道小间距隧道各洞室开挖对地表沉降值影响效应图１ 双连拱断面施工进度图图２ 小间距断面施工进度图表１ 计算输入支护参数表２ 计算输入土层参数图３ 各洞室开挖对地表沉降影响效应柱状图图４ 各洞室开挖对地表沉降影响效应柱状图图５ 双连拱及小间距隧道模拟施工地表沉降对比作者简介柴文书（１９８３－ ）男，岩土工程，工学硕士，任职于中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院。
杜朝伟（１９７３－ ）男，高级工程师，主要从事桥梁与隧道工程的建设与科研工作，任职于河南省交通运输厅公路管理局。
李曙光（１９８１－ ）男，工程师，工学硕士，任职于中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院。
如图４。
由计算结果可得：在开挖２导洞和６导洞时对地表沉降影响最大，分别为１４ｍｍ、１５ｍｍ，即开挖过程中两侧洞及左洞外侧上台阶开挖造成的沉降影响比例较大。
为了严格控制地表沉降，不影响地面建筑物，施工中要做好导管超前支护，短进尺开挖，锚喷支护紧跟等工作。
其次是拆除临时支护的影响也较大，为７ｍｍ。
鉴于这种情况，对临时支撑的拆除需要进行仔细研究，施工中严格控制临时支撑的拆除时机和拆除长度。
３．３ 对比分析双连拱及小间距断面隧道模拟施工累积地表沉降值折线图如图５。
从中可以得出双连拱隧道开挖中导洞时地表沉降并不大，为２．８ｍｍ，当开挖侧导洞时和小间距隧道开挖左洞下台阶时的沉降量大致相当。
之后双连拱隧道明显比小间距隧道地表沉降量大。
采用双连拱隧道，地面沉降为８２ｍｍ，采用小间距隧道地面沉降则为５７ｍｍ，双连拱隧道地面沉降比小间距隧道地面沉降大４３．９％。
４ 结论及建议施工方案通过对两种工法对比计算得到以下结论及施工建议方案：（１）同等地质及支护条件下双连拱隧道比小间距隧道对地表沉降的影响大。
（２）采用双连拱隧道，施工工序比较复杂，造价较高，施工周期较长，改用小间距隧道施工工序较简单，并且施工进度快。
（３）施工过程中应严格控制临时支撑的拆除时机和拆除长度。
（４）严格控制施工监控量测，特别是地表沉降，发现有较大幅度沉降，应立即停止施工或采取应急措施，防止地面建筑发生事故。
