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摘要：本文根据工程实际，通过建立室内试验模型，对大断面连拱隧道V级围岩三导洞分步施工方法进行了施工方案研究，总结了一套关于大断面连拱隧道V级围岩中导洞施工方法的具体步骤，指导实际工程施工。
关键词：隧道，施工方法
Abstract: according to the engineering practice, by building indoor test model, and large sections of multi-arch highway tunnel surrounding rock by three grade V drift construction methods construction plan research, finally summarized a set of large sections of surrounding rock tunnels grade V drift construction method of the specific steps, guide practical engineering construction.
Key words: the tunnel, the construction methods
中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：
1.前言
根据国内目前的施工技术现状，大断面连拱隧道施工方法归纳起来大致可分为以下三种：1）三导洞分步施工法；2）中导洞施工法；3）左右分修复合式中墙施工法。本文根据二广高速公路（G55）怀集至三水段工程项目沙塘坑隧道工程的施工图纸、工程地质资料及相关参数，通过建立室内试验模型，对大断面连拱隧道V级围岩三导洞分步施工方法进行了施工方案研究，总结了一套关于大断面连拱隧道V级围岩中导洞施工方法的具体步骤，指导实际工程施工。
2.模拟施工方案
方案I：侧壁导坑上下台阶法，即侧壁导坑按上下台阶法施工完成后，剩余岩土体按台阶法施工。包括先开挖浅埋侧方案I1和先开挖深埋侧方案I2。
方案II：侧壁导坑全断面法，即侧壁导坑全断面法施工完成后，剩余岩土体按台阶法施工。包括先开挖浅埋侧方案II1和先开挖深埋侧方案II2。
3．建立模型分析
依据工程地质详勘报告，根据隧道施工图V级围岩两阶段施工图设计，建立的数值分析模型如图4.1所示。弹塑性数值分析采用的屈服准则为M-C准则，个别施工步采用D-P准则（M-C准则不收敛）。模型左右边界水平位移约束，下边界竖向位移约束，上边界为自由边界。初始模型划分8节点6面体单元7350个，节点36064个；最后模型划分8节点6面体单元6674个，节点34409个。
(a) 初始模型 (b) 最后模型
图1 分析模型
4.模拟施工步骤
4.1施工方案I
V级围岩大断面连拱隧道施工方案I，分22个施工步，具体过程如下：（1）初始应力状态模拟；（2）中导洞第一次全断面开挖3m；（3）中导洞第一次开挖初期支护；中导洞第二次全断面开挖3m；中导洞第二次开挖初期支护。（4）中隔墙修筑施作（含钢板厚15mm）；（5）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道侧导洞上台阶第一次开挖3m； （6）浅埋侧（方案I1）、深埋側（方案I2）隧道侧导洞上台阶第一次开挖初期支护；浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道侧导洞上台阶第二次开挖3m；（7）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道侧导洞上台阶第二次开挖初期支护；下台阶第一次开挖3m；（8）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道侧导洞下台阶第一次开挖初期支护；下台阶第二次开挖3m；（9）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道侧导洞下台阶第二次开挖初期支护；浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道核心土上台阶第一次开挖3m；（10）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道核心土上台阶第一次开挖初期支护；浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道核心土上台阶第二次开挖3m；（11）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道核心土上台阶第二次开挖初期支护；核心土下台阶第一次开挖3m；（12）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道核心土下台阶第一次开挖初期支护；下台阶第二次开挖；下台阶第二次开挖初期支护；（13）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道仰拱、二次衬砌施作；（14）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道侧导洞上台阶第一次开挖3m；（15）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道侧导洞上台阶第一次开挖初期支护；上台阶第二次开挖3m；（16）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道侧导洞上台阶第二次开挖初期支护；下台阶第一次开挖3m；（17）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道侧导洞下台阶第一次开挖初期支护；下台阶第二次开挖3m；（18）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道侧导洞下台阶第二次开挖初期支护；左隧道核心土上台阶第一次开挖3m；（19）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道核心土上台阶第一次开挖初期支护；左隧道核心土上台阶第二次开挖3m；(20)深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道核心土上台阶第二次开挖初期支护；核心土下台阶第一次开挖3m；（21）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道核心土下台阶第一次开挖初期支护；下台阶第二次开挖；下台阶第二次开挖初期支护；(22)深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道仰拱、二次衬砌施作。
4.2施工方案II
V级围岩大断面连拱隧道施工方案II，分18个施工步，具体过程如下：(1)初始应力状态模拟；（2）中导洞第一次全断面开挖3m；（3）中导洞第一次开挖初期支护；中导洞第二次全断面开挖3m；中导洞第二次开挖初期支护。（4）中隔墙修筑施作（含钢板厚15mm）；（5）浅埋侧（方案II1）、深埋侧（方案II2）隧道侧导洞开挖3m； （6）浅埋侧（方案II1）、深埋侧（方案II2）隧道侧导洞第一次开挖初期支护，侧导洞第二次开挖3m；（7）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道侧导洞第二次开挖初期支护，核心土上台阶第一次开挖3m；（8）浅埋侧（方案II1）、深埋侧（方案II2）隧道核心土上台阶第一次开挖初期支护，核心土上台阶第二次开挖3m；（9）浅埋侧（方案II1）、深埋侧（方案II2）隧道核心土上台阶第二次开挖初期支护，核心土下台阶第一次开挖3m；（10）浅埋侧（方案II1）、深埋侧（方案II2）隧道核心土下台阶第一次开挖初期支护，下台阶第二次开挖3m，下台阶第二次开挖初期支护；（11）浅埋侧（方案II1）、深埋侧（方案II2）隧道仰拱、二次衬砌施作。（12）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道侧导洞第一次开挖3m；（13）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道侧导洞第一次开挖初期支护，侧导洞第二次开挖3m；（14）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道侧导洞第二次开挖初期支护，隧道核心土上台阶第一次开挖3m；（15）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道核心土上台阶第一次开挖初期支护，核心土上台阶第二次开挖3m；（16）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道核心土上台阶第二次开挖初期支护；核心土下台阶第一次开挖3m；（17）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道核心土下台阶第一次开挖初期支护，下台阶第二次开挖，下台阶第二次开挖初期支护；（18）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道仰拱、二次衬砌施作。
5．施工方案I1与施工方案I2的比较
5.1位移特征分析
通过对1~22施工步的位移特征监测结果进行分析（图2为第17施工步的位移特征模型），得出以下结论：在施工方案I1中，隧道主要施工步拱顶的最大竖向位移Uy为-3mm～-9mm，拱底的最大竖向位移Uy为6mm～11mm；X方向最大水平位移为4mm，-X方向最大水平位移为-4mm～-7mm。在施工方案I2中，隧道主要施工步拱顶的最大竖向位移Uy为-5mm～-8mm，拱底的最大竖向位移Uy为6mm～8mm；X方向最大水平位移为5mm，-X方向最大水平位移为-3mm～-6mm。可以看出，相同位移值对应的分布范围在方案I1中较小。因此，从围岩位移方面考虑，方案I1优于方案I2。
图2 位移特征监测模型Uy/m（第17施工步）
I1 （MC准则）I2 （DP准则；MC准则不收敛）
5.2屈服接近度特征分析
通过对1~22施工步的屈服接近度特征監测结果进行分析（图3为第8施工步的屈服接近度特征模型），得出以下结论：在施工方案I1中，隧道主要施工步（8、17、22）围岩最大屈服接近度值为1.162～1.281～1.588；在施工方案I2中，隧道主要施工步（8、17、22）围岩最大屈服接近度值为1.236～1.492～1.589。屈服接近度大于1的范围皆在锚杆支护结构范围之内，施工方案I1优于施工方案I2。
I1 I2
图3 （第8施工步）屈服接近度特征模型
5.3应力特征分析（限于篇幅表略）
通过对1~22施工步的应力特征监测结果进行分析（图4为第12施工步的应力特征模型），得出以下结论：在第8施工步，方案I1、I2围岩应力比较接近；在第12、22施工步，方案I1、I2围岩应力有一定的差别。从其应力大小和分布范围来看，方案I1优于方案I2。
6.施工方案II1与施工方案II2的比较
采用施工方案I1与施工方案I2的同样的比较方法，得出以下结论：
6.1位移特征分析：方案II1优于方案II2。
6.2屈服接近度特征：方案II1优于方案II2。
6.3应力特征：方案II1优于方案II2。
7施工方案I1与施工方案II1的比较
采用施工方案I1与施工方案II1的同样的比较方法，得出以下结论：
7.1位移特征：两种方案基本一致。
7.2屈服接近度特征：方案I1稍优于方案II1，但两方案均未出现大面积连通的屈服区，围岩与结构是基本稳定的。
7.3应力特征：在前期施工步，两方案应力数量基本一致，但到后期施工步，方案I1 应力大于方案Ⅱ1。从其应力大小和分布范围来看，方案Ⅱ1稍优于方案I1。
8．结语
根据工程实际设计图纸及工程地质勘察资料，通过在试验室建立的模拟施工模型，对拟定的施工方法进行研究，得出以下结论：
1） 对大断面连拱隧道开挖施工，可采用施工方法I1或者施工方法II1，但施工方法II1略优于施工方法I1。
2） 在实际施工过程中，必须对位移特征、屈服接近度特征及应力特征等进行监测，发现异常，必须进行预警，研究处理方案。
3） 根据本文研究的结论，在二广高速公路（G55）怀集至三水段工程项目沙塘坑隧道工程施工的过程中已实际采用，实际施工过程中监测的各项数据与模型吻合较好，达到了良好的施工指导作用。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：隧道，施工方法
Abstract: according to the engineering practice, by building indoor test model, and large sections of multi-arch highway tunnel surrounding rock by three grade V drift construction methods construction plan research, finally summarized a set of large sections of surrounding rock tunnels grade V drift construction method of the specific steps, guide practical engineering construction.
Key words: the tunnel, the construction methods
中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：
1.前言
根据国内目前的施工技术现状，大断面连拱隧道施工方法归纳起来大致可分为以下三种：1）三导洞分步施工法；2）中导洞施工法；3）左右分修复合式中墙施工法。本文根据二广高速公路（G55）怀集至三水段工程项目沙塘坑隧道工程的施工图纸、工程地质资料及相关参数，通过建立室内试验模型，对大断面连拱隧道V级围岩三导洞分步施工方法进行了施工方案研究，总结了一套关于大断面连拱隧道V级围岩中导洞施工方法的具体步骤，指导实际工程施工。
2.模拟施工方案
方案I：侧壁导坑上下台阶法，即侧壁导坑按上下台阶法施工完成后，剩余岩土体按台阶法施工。包括先开挖浅埋侧方案I1和先开挖深埋侧方案I2。
方案II：侧壁导坑全断面法，即侧壁导坑全断面法施工完成后，剩余岩土体按台阶法施工。包括先开挖浅埋侧方案II1和先开挖深埋侧方案II2。
3．建立模型分析
依据工程地质详勘报告，根据隧道施工图V级围岩两阶段施工图设计，建立的数值分析模型如图4.1所示。弹塑性数值分析采用的屈服准则为M-C准则，个别施工步采用D-P准则（M-C准则不收敛）。模型左右边界水平位移约束，下边界竖向位移约束，上边界为自由边界。初始模型划分8节点6面体单元7350个，节点36064个；最后模型划分8节点6面体单元6674个，节点34409个。
(a) 初始模型 (b) 最后模型
图1 分析模型
4.模拟施工步骤
4.1施工方案I
V级围岩大断面连拱隧道施工方案I，分22个施工步，具体过程如下：（1）初始应力状态模拟；（2）中导洞第一次全断面开挖3m；（3）中导洞第一次开挖初期支护；中导洞第二次全断面开挖3m；中导洞第二次开挖初期支护。（4）中隔墙修筑施作（含钢板厚15mm）；（5）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道侧导洞上台阶第一次开挖3m； （6）浅埋侧（方案I1）、深埋側（方案I2）隧道侧导洞上台阶第一次开挖初期支护；浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道侧导洞上台阶第二次开挖3m；（7）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道侧导洞上台阶第二次开挖初期支护；下台阶第一次开挖3m；（8）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道侧导洞下台阶第一次开挖初期支护；下台阶第二次开挖3m；（9）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道侧导洞下台阶第二次开挖初期支护；浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道核心土上台阶第一次开挖3m；（10）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道核心土上台阶第一次开挖初期支护；浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道核心土上台阶第二次开挖3m；（11）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道核心土上台阶第二次开挖初期支护；核心土下台阶第一次开挖3m；（12）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道核心土下台阶第一次开挖初期支护；下台阶第二次开挖；下台阶第二次开挖初期支护；（13）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道仰拱、二次衬砌施作；（14）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道侧导洞上台阶第一次开挖3m；（15）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道侧导洞上台阶第一次开挖初期支护；上台阶第二次开挖3m；（16）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道侧导洞上台阶第二次开挖初期支护；下台阶第一次开挖3m；（17）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道侧导洞下台阶第一次开挖初期支护；下台阶第二次开挖3m；（18）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道侧导洞下台阶第二次开挖初期支护；左隧道核心土上台阶第一次开挖3m；（19）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道核心土上台阶第一次开挖初期支护；左隧道核心土上台阶第二次开挖3m；(20)深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道核心土上台阶第二次开挖初期支护；核心土下台阶第一次开挖3m；（21）深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道核心土下台阶第一次开挖初期支护；下台阶第二次开挖；下台阶第二次开挖初期支护；(22)深埋侧（方案I2）、浅埋侧（方案I1）隧道仰拱、二次衬砌施作。
4.2施工方案II
V级围岩大断面连拱隧道施工方案II，分18个施工步，具体过程如下：(1)初始应力状态模拟；（2）中导洞第一次全断面开挖3m；（3）中导洞第一次开挖初期支护；中导洞第二次全断面开挖3m；中导洞第二次开挖初期支护。（4）中隔墙修筑施作（含钢板厚15mm）；（5）浅埋侧（方案II1）、深埋侧（方案II2）隧道侧导洞开挖3m； （6）浅埋侧（方案II1）、深埋侧（方案II2）隧道侧导洞第一次开挖初期支护，侧导洞第二次开挖3m；（7）浅埋侧（方案I1）、深埋侧（方案I2）隧道侧导洞第二次开挖初期支护，核心土上台阶第一次开挖3m；（8）浅埋侧（方案II1）、深埋侧（方案II2）隧道核心土上台阶第一次开挖初期支护，核心土上台阶第二次开挖3m；（9）浅埋侧（方案II1）、深埋侧（方案II2）隧道核心土上台阶第二次开挖初期支护，核心土下台阶第一次开挖3m；（10）浅埋侧（方案II1）、深埋侧（方案II2）隧道核心土下台阶第一次开挖初期支护，下台阶第二次开挖3m，下台阶第二次开挖初期支护；（11）浅埋侧（方案II1）、深埋侧（方案II2）隧道仰拱、二次衬砌施作。（12）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道侧导洞第一次开挖3m；（13）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道侧导洞第一次开挖初期支护，侧导洞第二次开挖3m；（14）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道侧导洞第二次开挖初期支护，隧道核心土上台阶第一次开挖3m；（15）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道核心土上台阶第一次开挖初期支护，核心土上台阶第二次开挖3m；（16）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道核心土上台阶第二次开挖初期支护；核心土下台阶第一次开挖3m；（17）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道核心土下台阶第一次开挖初期支护，下台阶第二次开挖，下台阶第二次开挖初期支护；（18）深埋侧（方案II2）、浅埋侧（方案II1）隧道仰拱、二次衬砌施作。
5．施工方案I1与施工方案I2的比较
5.1位移特征分析
通过对1~22施工步的位移特征监测结果进行分析（图2为第17施工步的位移特征模型），得出以下结论：在施工方案I1中，隧道主要施工步拱顶的最大竖向位移Uy为-3mm～-9mm，拱底的最大竖向位移Uy为6mm～11mm；X方向最大水平位移为4mm，-X方向最大水平位移为-4mm～-7mm。在施工方案I2中，隧道主要施工步拱顶的最大竖向位移Uy为-5mm～-8mm，拱底的最大竖向位移Uy为6mm～8mm；X方向最大水平位移为5mm，-X方向最大水平位移为-3mm～-6mm。可以看出，相同位移值对应的分布范围在方案I1中较小。因此，从围岩位移方面考虑，方案I1优于方案I2。
图2 位移特征监测模型Uy/m（第17施工步）
I1 （MC准则）I2 （DP准则；MC准则不收敛）
5.2屈服接近度特征分析
通过对1~22施工步的屈服接近度特征監测结果进行分析（图3为第8施工步的屈服接近度特征模型），得出以下结论：在施工方案I1中，隧道主要施工步（8、17、22）围岩最大屈服接近度值为1.162～1.281～1.588；在施工方案I2中，隧道主要施工步（8、17、22）围岩最大屈服接近度值为1.236～1.492～1.589。屈服接近度大于1的范围皆在锚杆支护结构范围之内，施工方案I1优于施工方案I2。
I1 I2
图3 （第8施工步）屈服接近度特征模型
5.3应力特征分析（限于篇幅表略）
通过对1~22施工步的应力特征监测结果进行分析（图4为第12施工步的应力特征模型），得出以下结论：在第8施工步，方案I1、I2围岩应力比较接近；在第12、22施工步，方案I1、I2围岩应力有一定的差别。从其应力大小和分布范围来看，方案I1优于方案I2。
6.施工方案II1与施工方案II2的比较
采用施工方案I1与施工方案I2的同样的比较方法，得出以下结论：
6.1位移特征分析：方案II1优于方案II2。
6.2屈服接近度特征：方案II1优于方案II2。
6.3应力特征：方案II1优于方案II2。
7施工方案I1与施工方案II1的比较
采用施工方案I1与施工方案II1的同样的比较方法，得出以下结论：
7.1位移特征：两种方案基本一致。
7.2屈服接近度特征：方案I1稍优于方案II1，但两方案均未出现大面积连通的屈服区，围岩与结构是基本稳定的。
7.3应力特征：在前期施工步，两方案应力数量基本一致，但到后期施工步，方案I1 应力大于方案Ⅱ1。从其应力大小和分布范围来看，方案Ⅱ1稍优于方案I1。
8．结语
根据工程实际设计图纸及工程地质勘察资料，通过在试验室建立的模拟施工模型，对拟定的施工方法进行研究，得出以下结论：
1） 对大断面连拱隧道开挖施工，可采用施工方法I1或者施工方法II1，但施工方法II1略优于施工方法I1。
2） 在实际施工过程中，必须对位移特征、屈服接近度特征及应力特征等进行监测，发现异常，必须进行预警，研究处理方案。
3） 根据本文研究的结论，在二广高速公路（G55）怀集至三水段工程项目沙塘坑隧道工程施工的过程中已实际采用，实际施工过程中监测的各项数据与模型吻合较好，达到了良好的施工指导作用。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。