1 工程概况

　　厦门第二西通道起自海沧区马青路，向东以海底隧道形式下穿厦门西海域和象屿码头后，再以暗挖+明挖形式沿兴湖路前行，与成功大道相交，并与在建的第二东通道衔接。其中，下穿兴湖路主干道段是本项目施工难度较大的项目之一，基坑最大深度28m，最大宽度33.5m，分为南北两个基坑，土石方25.7万m³，有260m的双层矩形结构和40m的单层矩形结构，整体由“三车道”逐渐变为“五车道”。

　　该段明挖深基坑根据岩层出入情况，采用“吊脚桩”或落底桩，支撑体系采用钢支撑和锚索体系。本段的主要特点:兴湖路作为双向六车道主干道，施工时要保证交通;周边建筑物林立、基岩面起伏较大，桩基施工困难，明挖控爆施工难度大，平面位置有限，明挖基坑开挖施工便道狭窄，施工工效低、周期长。

　　2 设计方案优化比选原则

　　工程设计是一个考虑工程造价、工期、风险和施工工艺等多种因素的综合优化过程。结合海沧项目的施工特点，下穿兴湖路主干道段设计优化主要考虑如下控制因素。

　　1)工期目标作为第二西通道，早日通车可以缓解海沧大桥作为第一西通道的交通压力，提升厦门岛西部交通能力。

　　2) 300m大跨、超深土石方明挖基坑，石方爆破工效低。市内施工，出碴运输能力有限。

　　3)施工方案应考虑减少对周边环境的干扰，使交通导改、管线迁改更顺畅、便利。

　　4)要能展开更多的施工作业面，多点施工，提前进入原海域向暗挖段施工。

　　5)施工风险可控。

　　2.1 原设计方案

　　结合上述控制因素，在技术设计阶段，采用明挖法施工工艺，围护结构采用钻孔灌注桩+微型钢管桩的组合形式，根据基岩面出入情况，采用内钢支撑、锚索支护形式;根据顶板覆土情况，设计双层和单层矩形主体结构;施工过程中结合兴湖路交通导改、管线迁改情况，先南后北分幅施工。明挖施工典型断面如图1所示。

　　

　　图1 明挖施工典型横断面  

　　 

　　采用上述设计和施工方案，综合评价如下。

　　1)明挖方案经多方调研类似工程施工工效，耗时至少35个月，超合同工期1年，城市明挖深基坑控爆，紧邻城市主干道(兴湖路六车道)，有效爆破时间短，且明挖大方量的爆破将对周边居民生活产生较大干扰，施工可能受阻。

　　2)受雨季、台风影响较大。

　　3)明挖方案受多种因素影响，难以提供暗挖工作面，原海域向暗挖施工滞后10个月。

　　4)大量的桩基入岩，施工成本剧增。

　　基于上述评价分析，采用明挖方案施工工效低、对周边环境的影响较大，工期长，施工投入大。

　　2.2 优化方案

　　结合加密补勘揭示的地质情况、施工工况及周边环境，在施工过程中结合既有工艺水平对原设计方案进行了优化，并在优化过程中综合考虑工期、对周边环境的影响、可控的安全风险、施工造价等因素，将原300m明挖深基坑优化160m双连拱暗挖+140m明挖段的组合方案。

　　2.2.1 优化方案的特点

　　1)采用独特的设计施工工艺，三次衬砌类型(双初支、单二衬)、复合式中隔墙设计有效消除了中隔墙接缝处渗漏水的施工风险;“中导洞+双侧壁开挖工法”，化大为小，分部开挖，双层工字钢初支，减小了开挖风险。

　　2)结构设计“双初支、单二衬”I25@50cm喷射30cm厚混凝土初支，I20@50cm喷射26cm厚混凝土二衬，C45,P12钢筋混凝土三衬，厚度80cm。

　　3)超浅埋5.9～13.4m。

　　4)大断面总开挖跨度45m，达“九车道”宽度，开挖面积559.05m²;单洞开挖跨度22.8m，断面249.35m²。

　　5)变截面本段为兴湖路地下互通，有进出口匝道，为3～5车道。

　　6)左右不对称根据左右线匝道出现的位置、渐变段的长度以及加减速车道的位置，隧道断面设计不一样。

　　7)进洞方式独特的暗挖进洞施工工艺。

　　2.2.2 优化方案施工组织

　　双连拱施工组织平面如图2所示，各导洞编号如图3所示。

　　

　　图2 双连拱施工组织平面布置 

　　 

　　

　　图3 双连拱隧道各导洞编号  

　　 

　　在140m明挖段围护结构施工的同时，借助于C匝道在明挖基坑下部施作5号通道至双连拱端部，增开2号横通道，按照由近及远、从上到下的原则分台阶、分导洞依次展开2号通道和双连拱暗挖进洞施工，如图4～6所示。

　　1号洞作为主运输通道超前施工，在45m处斜向下开挖3-1横通道至0号洞内，增开0号洞开挖面及反向落底施工(因0号洞标高较低，难以正面落底)，及时施作洞口段40m中隔墙(实现了0号洞开挖、衬砌同步施工，缩短了工期)，而后开挖3号洞，依次适时打开4～6号洞口段。

　　

　　图4 开挖5号临时交通洞  

　　 

　　

　　图5 在双连拱端部展开2号横通道  

　　 

　　

　　图6 化大为小、分部开挖、暗挖进洞  

　　 

　　3号洞超前2号洞一定步距后，遵照双侧壁开挖工法，左右导坑先行，中导坑滞后施工，并依次进行4,6,5号洞身段施工。

　　1号洞继续超前开挖施工，在100m处，适时开挖3-2横通道，迎接0号洞开挖，同时增开开挖面，为后续中隔墙衬砌施工提供运输通道。

　　2号洞开挖超前3-1通道后，开始1号洞边墙、仰拱初支及3号洞仰拱初支施工，待封闭成环后，拆除临时支撑，依次施工三衬仰拱及回填、三衬拱部衬砌(采用变截面换装台车施作)及附属结构。

　　1号洞开挖至双连拱与双侧壁交界处时，增开4号横通道迎接双连拱出洞和双侧壁段进洞施工，地上地下多点同步作业，大大缩短了施工工期，如图7所示。

　　

　　图7 中导洞+双侧壁工法开挖  

　　 

　　2.2.3 优化方案与原方案对比

　　和原设计方案相比，优化方案主要优点如下。

　　1)明挖与暗挖同步作业，工期可控，双连拱右线外侧壁先行，作为运输通道，可提前10个月进入原海域向双侧壁暗挖段施工，实现了多点施工，进一步缩短了工期，根据工筹分析，优化方案可用原方案一半工期完成原方案四分之三工程量。

　　2)减少了对周边环境的影响，暗挖施工不再受控爆、雨季等因素限制，保障了施工连续性。

　　3)暗挖施工使交通导改、管线迁改更顺畅。

　　4)减少了大量的桩基入岩和土石方开挖，节约成本。

　　3 优化方案数值模拟

　　为了进一步验证优化方案开挖过程中抵抗变形的能力和受力的安全性，本文采用FLAC3D对隧道开挖进行全程模拟。

　　3.1 建模

　　本连拱隧道长度160m，分为4个衬砌截面，分别在原有三车道的基础上加宽1.5,3,4.5,5.1m，综合考虑计算效率和最不利因素，选取最大断面建立计算模型。

　　模型在隧道洞身横断面方向每侧约取大于2倍洞宽，隧道轴线方向取实际长度20m，底部厚度约取大于1倍洞高，向上取实际埋深。模型左右设横向约束，前后设纵向约束，底部设竖向约束，上部为自由边界，即模型尺寸高53.97m，宽174m，长20m，共有177 520个单元，189 777个节点。

　　3.2 基本假设

　　为了合理简化计算，采用以下假设。

　　1)模拟分析中为简化计算模型，采用提高材料参数后的实体单元代替原有围岩来对管棚注浆区、地表注浆加固进行模拟，以获得支护结构及围岩的位移和受力特征。

　　2)隧道属于超浅埋，因此初始地应力不考虑构造应力，自重应力通过FLAC3D初始地应力平衡获得。

　　3)围岩选取本构模型中最通用的莫尔-库仑本构模型，适用于土体、岩石等松动或胶结的粒状材料，不考虑土体内部结构;中隔墙和衬砌单元采用弹性模型。

　　4)对钢拱架的模拟较为困难，以等效的方法模拟钢拱架的作用，将钢拱架弹性模量的贡献折算到衬砌的弹性模量上。

　　3.3 计算参数选择

　　地层及支护材料的参数如表1,2所示。

　　3.4 计算步骤

　　本次建模详细分析了大跨双连拱隧道在开挖过程中隧道围岩的应力场变化和支护结构的受力情况等。

　　  

　　表1 模型参数 

　　 

　　 

　　

　　表1 模型参数

　　  

　　表2 支护参数 

　　 

　　 

　　

　　表2 支护参数

　　考虑到本连拱隧道暗挖进洞施工的特殊性，按照“由近及远、由高到低”的施工顺序开挖进洞，依次为1→2→0→3→4→5→6的进洞顺序，进洞完成后，按照双侧壁工法，左右导洞超前施工。二衬钢拱架紧跟初期支护施工。开挖步序如表3所示。

　　  

　　表3 开挖步序 

　　 

　　 

　　

　　表3 开挖步序

　　4 数值模拟结果及分析

　　由于隧道开挖过程中所产生的位移变化一般比应力变化更加直观、容易被测量和控制，因此先对计算过程中的位移变化进行分析。

　　本阶段，1号洞开挖后隧道周边位移场与普通单洞小跨度隧道类似，由于本连拱隧道为超浅埋，1号洞上部影响区一直扩散至地表，1号洞底部受地应力作用有明显隆起趋势，此阶段应及时施作临时仰拱，控制其底部进一步的变形。

　　0号洞开挖后，拱顶沉降3mm左右，仰拱隆起7mm左右，此阶段须及时将中导洞封闭成环，确保底板钢花管注浆质量，控制0号洞进一步变形。中隔墙衬砌浇筑后，及时回填隔墙顶部空洞，确保与初支拱顶密贴。

　　2号洞开挖后，拱顶沉降8mm左右，临时横撑位置隆起7mm左右，导坑侧壁对底部隆起有明显的控制作用，导坑侧壁的临时支撑对1,2号洞的稳定有贡献，施工过程中应注意对导坑侧壁的保护，尽量减少对导坑侧壁的扰动与破坏。2号洞右上方出现2.7mm左右的水平位移，需加密监测。

　　3号洞开挖后，2号洞拱顶沉降、临时仰拱隆起变化不大，两处导坑侧壁的临时支撑作用明显。3号洞开挖及右线侧中导洞回填后，3号洞的临时仰拱和中隔墙的水平位移有扩大趋势，因此应及时进行左线侧中导洞回填以抵消中隔墙两侧的不平衡力的作用，条件允许时应同步进行右线3号洞、左线4号洞的开挖和中导洞两侧的回填，做到对称开挖、回填。

　　5 号洞开挖后，变形量与3号洞开挖后的变形量相差无异，由于隧道埋深较浅，5号洞上方影响区一直扩散至地表。

　　6号洞开挖支护后，对比左右线竖直位移，发现右线上方的沉降和下方的隆起比左线范围稍大，右线上方的水平位移也比左线要大一些;由此，可以看出先开挖的导洞周边围岩受到的影响大于后开挖导洞的周边围岩。

　　1,3号洞下导洞的开挖对右线拱顶沉降影响不大，竖直位移无明显发展，但上导洞和下导洞的导坑侧壁搭接后，两处上导洞导坑侧壁的水平位移由2mm左右增至3mm左右。

　　3号洞下导洞开挖后，中隔墙水平位移无明显变化，这是因为左、右线二衬与中隔墙搭接后大大提高了中隔墙的稳定性，此阶段上、下导洞的导坑侧壁搭接属于关键控制部分，施工过程中应注意对导坑侧壁、中隔墙的保护，尽量减少对扰动与破坏。

　　右线导坑侧壁破除后，右线整个隧洞上下变形明显，右线拱顶处位移达到18mm左右，拱底隆起达10mm左右，水平位移最大值分别出现在中隔墙上方和远离中隔墙一侧的边墙处，由此可以看出两处导坑侧壁对整个右线隧洞的支护贡献较大，此阶段应在2号洞下导洞开挖完毕后，尽快将支护闭合成环以控制隧道进一步变形，待受力稳定后，逐步拆除导坑侧壁部分，施作三衬仰拱，并在施工过程中密切注意拱顶、仰拱、中隔墙和边墙的位移变化，提高监控量测频率。

　　开挖4号洞下导洞时，上下导洞导坑侧壁的搭接仍属于关键控制部分，施工过程中应注意对导坑侧壁、中隔墙的保护，尽量减少扰动与破坏。

　　此阶段应在左线5号洞下导洞开挖完毕后，将支护闭合成环以控制隧道进一步变形，待受力稳定后，逐步拆除导坑侧壁部分，施作三衬仰拱。

　　左线三衬施作完毕后，对比左右线隧洞竖直位移可以发现右线上方的沉降和下方的隆起比左线范围稍大，右线边墙周围围岩的水平位移范围也比左线要大一些。

　　5数值模拟与实际工况对比分析

　　通过数值模型逐步模拟分析连拱隧道按照1→2→0→3→4→5→6导洞依次暗挖进洞，洞身段按照双侧壁工法，左右导洞超前施工;按照模拟步骤开挖，结合监控量测数据，动态调整施工工序，摸索出如下规律。

　　1)本段隧道属超浅埋，拱顶处于上软下硬，仅第1层初支钢拱架难以抵抗沉降变形，日沉降值超3mm，因此将第2层初支工字钢(二衬)随开挖紧跟施作，有效控制了沉降和收敛变形。

　　2)结合连拱隧道的自身结构特点，内侧壁3,4号洞双层拱架落底至中隔墙上，外侧壁1,6号洞双层工字钢支护先行落底、仰拱“半封闭”技术，有效控制了下导洞开挖施工中的沉降变形。

　　3)双层工字钢初支封闭成环后，拆除临时竖撑、横撑，沉降变形均很小，约为3～5mm。

　　4)由于3,4号洞对称开挖，中隔墙未产生明显的侧向位移。

　　5)左线4号洞先行开挖，减少了后续左线5,6号洞爆破开挖对右线三次衬砌的影响。

　　通过现场实际开挖验证，对比数值模型，各导洞开挖过程中受力变形趋势一致，有效指导了现场施工，具有较高的参考价值。

　　6 结语

　　1)本研究考虑工期、风险、与周边环境的影响关系、施工工艺等综合因素，对厦门第二西通道下穿兴湖路城市主干道设计方案进行了优化，优化后的设计方案明挖与暗挖同步作业，标段工期可控，同时可实现多点施工的局面，进一步缩短工期;尤其是双连拱暗挖进洞施工工艺提升了我国暗挖隧道的施工水平，也为类似工程提供了有益借鉴。

　　2)通过三维数值分析，优化后的暗挖方案虽超浅埋、大跨度，但是分部开挖顺序合理，总体沉降、变形均在可控范围内。