1. 引言
近年来随着国民经济的快速发展，城市人口出现明显增加。为了很好地解决城市公共交通问题，以城市地铁建设为主的地下交通和地下空间的综合利用进入了飞速发展时期。为了能够在城市复杂环境及空间的制约下，合理高效地利用宝贵的地下空间资源，必然会出现大量隧道同时穿越同一狭窄地下空间的情况，形成大规模、高密度的城市隧道群。如何解决城市大规模、髙密度隧道群的设计，以及在施工过程中对边仰坡和周围建筑物影响的难题，是在我国城市化进程中面临的紧迫课题。
隧道群的施工具有强烈的空间效应，隧道之间的相互影响不能忽略 [1] ，而影响隧道群空间效应主要有以下几个因素：隧道群的开挖方法、施工顺序和隧道之间的间距 [2] [3] [4]。
近年来，诸多学者和工程技术人员已在群洞隧道相互影响、隧道施工对边仰坡影响和对周围建筑物的影响等方面做了很多研究。万涛，林刚 [5] 利用有限差分软件对超小净距三洞隧道群的施工性态开展了研究，得到不同开挖方法及加固方式下的地表沉降的特点和初期支护结构的受力特征，并与现场实测数据相印证。李为洁 [6] 数值模拟不同开挖顺序下浅埋小净距隧道的力学行为，对比不同开挖顺序下的洞身沉降、地表沉降。同时，研究了最终围岩位移、应力以及中墙岩体位移。王腊梅 [7] 从隧道洞口施工扰动因素出发，研究其对隧道边仰坡的稳定性影响。李伟 [8] 等基于正交试验设计方法和数值模拟计算手段，对净距、埋深、围岩级别和隧道群掌子面错距等因素对隧道群开挖稳定性的影响进行了研究。李涵宇 [9] 针对地下洞室群围岩稳定性的研究中涉及小净距多孔洞开挖方法的研究较少问题，开展对小净距地下洞室群围岩稳定性进行研究。
尽管对这一问题已有许多研究成果，但是仍然存在有待解决的问题。很少有从隧道群单独开挖时的施工顺序方面去研究群洞开挖对隧道仰坡的影响。本论文依托重庆市红岩村隧道群工程，通过资料收集、地质资料勘查以及数值模拟的方法，对隧道群开挖顺序对隧道仰坡的影响开展研究。
2. 工程概况
如图1，三纵线隧道与轨道交通五号线共用红岩村大桥跨越嘉陵江，受红岩村大桥高程及平面线位限制，三纵线4座隧道：红岩村左线隧道(长3723.54 m，洞口群洞段埋深14~64 m)、右线隧道(长3715 m，群洞段埋深14~53 m)、歇台子连接线X-A隧道(1490.23 m，群洞段埋深24~63 m)和X-B隧道(1383.66 m，群洞段埋深28~55 m)，位于轨道五号线红岩村车站隧道(暗挖隧道长40.8 m，埋深24~42 m)之上。
其中红岩村三车道大断面隧道位于轨道五号线红岩村车站隧道左右拱肩，最小净距分别为2.04 m和3.40 m，三隧依次呈交错关系，且长距离紧贴、并行。梨菜铁路隧道(已经暂停运营)红岩村隧道位于五号线红岩村车站隧道暗挖段下方，与五号线车站隧道仰拱净距约1.3 m，与五号线车站明挖底部边墙最小净距约为4.7 m。左右线隧道中心线距离为31.1 m。
重庆轨道九号线(后建)位于轨道五号线红岩村车站及梨菜铁路隧道下方，其站后区间斜下穿五号线西南侧风道和区间隧道，与五号线风道结构净距13 m左右。
Figure 1. Front view of Hongyan Village group caves superimposed
图1. 红岩村群洞叠加正面图
3. 数值模型的建立
本文采用Abaqus通用有限元软件进行三维数值模拟，计算红岩村隧道群的施工过程并分析其产生的影响。
3.1. 计算模型
如图2和图3。模型尺寸：根据实际工程情况沿纵向取60 m (其中包括三纵向主洞和地铁车站主洞)；在左右线隧道外各取3.5倍洞径(约45米)为隧道左右边界，模型宽度总宽为140 m；取上水平地表面为模型上边界，下边界取3.5倍洞高(约49米)为下边界，模型总高度为100米。
边界条件：前后、左右方向施加水平约束，垂直方向底面施加竖向约束，顶面和仰坡坡面为自由面。
荷载确定：对于岩土体，主要考虑土体单元的重力；对于地表建筑物，将其荷载视为作用在10 m × 32 m面积上的均布荷载，大小为15 kN/m2∙层，通过基础传递给地基。建筑物共12层楼，因此均布荷载换算到15根桩基础顶部0.785 m2大小的面积上，基础顶部轴向荷载约为4892 kN/m2。
3.2. 计算步骤
隧道群施工步序参照实际设计施工步序确定。左右线隧道采用CRD开挖法，隧道断面共分为4个开挖面；车站隧道采用双侧壁导坑法开挖，隧道断面共分为9个开挖面。每一个开挖面依次开挖6米。初期支护结构滞后一个分析步施作，二次衬砌施作与各隧道最后施工的掌子面前后距离为12米，二次衬砌在拆除临时支护的后一个分析步再施作。
4. 隧道群开挖顺序的影响研究
本章通过数值模拟的方法，分析比较以下三种不同施工顺序下对群洞开挖对隧道仰坡的影响：① 先开挖车站隧道，再开挖右线隧道，最后开挖左线隧道；② 先开挖右线隧道，再开挖车站隧道，最后开挖左线隧道；③ 先开挖右线隧道，再开挖左线隧道，最后开挖车站隧道。
为了定量了解隧道开挖过程对仰坡垂直方向变形的影响，调用仰坡监控点。如图4所示，断面1~断面4依次为仰坡的坡脚线、一级边坡坡顶线、二级边坡坡顶线和三级边坡坡顶线所在的横断面，起始位置从仰坡前缘至仰坡后缘，各级边坡的高差均为10米。每个监测断面在仰坡上布置5个监测点，它们从左到右依次布置在左线隧道拱顶上方、左线隧道与车站隧道之间、车站隧道拱顶、右线隧道与车站隧道之间以及右线隧道拱顶上方，整个仰坡布设20个监测点。
Figure 4. Schematic diagram of monitoring section and measuring point layout
图4. 监测断面及测点布置示意图
4.1. 方案一：先开挖车站隧道
在车站隧道开挖后，如图5所示，仰坡形成以车站隧道拱顶为中心的沉降槽曲线。各级仰坡上，越靠近沉降槽中心的测点的沉降值越大，断面1~断面4上仰坡沉降最大值分别为11.44 mm、9.81 mm、8.71 mm和7.96 mm。且在左右两侧断面距离中心线15米的范围内，仰坡前缘的沉降值大于后缘的沉降值。
Figure 5. Supine slope displacement of the station tunnel through
图5. 车站隧道贯通后仰坡位移
右侧隧道开挖完成后，如图6，仰坡沉降最大值依然在断面1的坡脚上，位于车站隧道中心右侧8.75米，沉降值达到18.72 mm。
Figure 6. Vertical slope displacement of right-line tunnel through
图6. 右线隧道贯通后仰坡位移
最终各隧道贯通后，如图7，在车站隧道中心左右各10米范围内，仰坡坡脚上的沉降值较为接近，最大值为中心线左侧8.75米处的23 mm。车站隧道拱顶上部，断面2上的仰坡沉降量与坡脚线上非常接近，这是因为三洞的对岩体的影响在车站隧道拱顶上部产生了叠加效应。左右线隧道开挖对仰坡前缘的影响程度不大，仅在其两拱腰附近范围内。
Figure 7. Lateral slope displacement of left line tunnel through
图7. 左线隧道贯通后仰坡位移
4.2. 方案二：先开挖右线隧道
由图8(a)，右线隧道开挖完成后，各断面仰坡沉降槽中心均在距中心线14.65米，即右线隧道拱顶上部。仰坡前缘沉降量大于后缘沉降量，各断面最大沉降量分别为6.05 mm、3.83 mm、3.34 mm和3.05 mm，可见右线隧道开挖对仰坡的影响范围较小。由于地层影响范围呈一定角度，因此右线隧道左右两侧各9米范围外，仰坡后缘的沉降量大于仰坡前缘。
由图8(b)，车站隧道开挖完成后，各断面最大沉降量分别为18.43 mm、16.40 mm、14.62 mm和13.28 mm差异量较上一阶段小，并且各断面沉降槽中心均向左移动，但断面1沉降槽中心较后缘断面偏移量较小。这是因为仰坡后缘在车站隧道拱顶上部的位置，受到车站隧道和右线隧道开挖的叠加影响，因此对断面2~断面4，靠近中心线位置的沉降量较大；而对仰坡近坡脚线处，车站隧道拱顶处上部主要受车站隧道开挖的影响，右线隧道对其影响不大。
由图8(c)，左线隧道开挖完成后，随着左侧围岩的应力释放，其上部岩体位移量大于右侧岩体，因此仰坡横向沉降曲线的沉降槽中心左移至车站隧道拱顶上部。但同一断面上中心线左侧的仰坡沉降量大于右侧，这是因为车站隧道和右线隧道的先行开挖恶化了围岩条件，后行洞开挖的影响程度更大。各断面仰坡中心线处沉降量分别为23.21 mm、22.97 mm、21.62 mm和19.93 mm，断面2上仰坡沉降与仰坡坡脚线较为接近，其原因同前所述，仰坡后缘受各隧道开挖的叠加影响。
(a) 右线隧道贯通后 
(b) 车站隧道贯通后 
(c) 左线隧道贯通后
Figure 8. Lateral settlement curve of the vertical slope of each tunnel in Scheme 2
图8. 方案二各隧道贯通后仰坡横向沉降曲线图
(a) 右线隧道贯通后 
(b) 左线隧道贯通后 
(c) 车站隧道贯通后
Figure 9. Lateral settlement curve of the vertical slope of each tunnel in Scheme 3
图9. 方案三各隧道贯通后仰坡横向沉降曲线图
4.3. 方案三：最后开挖车站隧道
由图9(a)，右线隧道开挖完成后，在右线隧道处形成了一个“V”形沉降槽，最大沉降量达到了6 mm左右，位于仰坡坡脚处。
由图9(b)，左线隧道开挖完成后，断面1和断面2上的仰坡横向沉降曲线呈“W”型，左右线隧道间距较远，因此会形成了各自的沉降槽，其中心即为左右线隧道的中心线位置。
由图9(c)在车站隧道开挖完成后，最终沉降曲线图与方案一形态相似，但是最大沉降值达到24.56 mm，大于方案一。坡脚线上的沉降曲线呈“凹”形，从左线隧道右拱腰上部至右线隧道左拱腰上部沉降较为接近。仰坡后缘沉降曲线呈“V”形，中心线处沉降量大于两侧。
4.4. 方案比选
由以上的分析结果可得，方案三在各个横断面上的整体仰坡沉降量均大于方案一与方案二，方案一下仰坡沉降量最小。可见，方案一下隧道群的开挖对仰坡的影响程度最小，方案二其次，方案三影响最大。
5. 结语
本文采用数值模拟方法，分别对“车站隧道、右线隧道、左线隧道”、“右线隧道、车站隧道、左线隧道”和“右线隧道、左线隧道、车站隧道”三种开挖顺序进行了模拟，分析了隧道群开挖后的仰坡、隧道拱顶沉降，得出以下结论：
1) 隧道群开挖后，车站隧道左右两侧各15米左右的范围内，仰坡前缘的沉降值大于后缘的沉降值，在此范围外，仰坡前缘的沉降量小于仰坡后缘的沉降量。在同一横断面上，距洞口7.5米前的仰坡沉降量在中心线左右10米范围内沉降量接近；距洞口7.5米后，车站隧道拱顶上部的仰坡沉降量最大。同一横断面上，仰坡后缘各部位沉降量差值较仰坡前缘更小。
2) 在方案一下，各隧道开挖对仰坡的影响程度相对接近；在方案二与方案三下，车站隧道作为后行洞时其开挖对仰坡的影响程度远大于左右隧道的开挖。对比三方案在各观测断面上的仰坡沉降量，方案一最小，方案三最大。