隐式中墙连拱隧道对称中隔壁工法设计与分析

李海军

(中铁二院工程集团有限责任公司，重庆 400023)

0 引言

对于城市地下工程而言，连拱隧道对于有效利用宝贵的地下空间、减小对环境和居民的影响、改善线路顺直性、隧道运营舒适性、节约工程投资有着重要意义。目前国内外连拱隧道采用的结构型式主要有整体式中墙连拱隧道[2]和复合式中墙连拱隧道[3]。目前连拱隧道工法存在施工工艺复杂、施工难度大、施工效率低、中墙临时支护材料浪费多、中墙临时支护拆除时安全隐患大、投资高、防排水效果差和结构耐久性差等问题，目前一般用于短隧，严重制约了连拱隧道的广泛应用。优化中墙结构，采用合理工序，提高施工效率，减少临时支护是连拱隧道研究和发展的一个重要方向。

1 连拱隧道施工工法研究现状

由于中墙的存在，中墙成为连拱隧道施工的关键，目前的施工方法可以分为中导洞法、三导洞法、无中导洞法和前三类的扩展方法，且向无中导洞法转化。

中导洞法[4]是连拱隧道最早采用和应用最多的方法，也是研究最多的方法。由于中墙与两侧隧道结构相连，中导洞法在临时支护保护下，先开挖中墙部分，施作中墙结构后，再进行其他步序的开挖。中导洞法中墙施工造成其他步序开挖严重滞后，造成施工效率非常低。

国内外广大技术人员研究了很多改进的施工方法以提高连拱隧道的施工效率。魏建华[5]等研究了三导洞法。三导洞法的两侧导洞与中导洞同步开挖，一定程度提高了连拱隧道的施工效率，但中导洞相邻步序开挖仍然需要在中墙结构施工后才能开挖，没有从根本上解决中墙施工对连拱隧道施工效率的影响。

赖金星[6]等研究无中导洞法，在施工先开挖隧道时将中墙同步施工，再施工先开挖隧道二次衬砌，最后施工后开挖隧道。这些方法没有专门施工中墙的中导洞，减小了中墙施工对其他步序施工的影响。但这些方法均考虑先开挖侧隧道二次衬砌施工后才能进行另一侧隧道开挖，施工效率较低；同时靠先开挖侧二次衬砌的强刚度抵抗后开挖侧隧道施工带来的围岩荷载释放，这造成了先开挖侧隧道二次衬砌经历多次应力状态，易破坏防水系统和造成二次衬砌开裂，从而影响防排水效果、结构耐久性和长期安全性。

2 隐式中墙连拱隧道对称中隔壁法设计

某城市枢纽综合改造工程位于城市繁华区道路下方，周边高楼林立，可利用空间狭窄，为远离周边房屋，保证地面交通疏解和线路的顺直性，隧道设计为隐式中墙复合式连拱隧道[1]，具体结构见图1。该段浅埋暗挖段长210m，隧道围岩级别为Ⅴ级，埋深约3～8m，基岩为泥岩、砂岩，覆土1～6m。隐式中墙复合式连拱隧道设计参数为：初期支护采用厚27cm的 C25喷射混凝土（中墙部分为钢纤维混凝土），设全环工22a型钢钢架，钢架间距0.5m，拱墙设20cm×20cm双层Φ8钢筋网，边墙采用3.5m长Φ22砂浆锚杆，二次衬砌为65cm厚C35钢筋混凝土。

为了解决连拱隧道防排水效果差、结构耐久性差和施工效率低的问题，隐式中墙复合式连拱隧道采用复合式衬砌结构和完整独立防排水系统，中墙异化于先行洞初期支护中，可适用于长大隧道和城市隧道。结合该结构型式，提出了一种新的连拱隧道施工方法，即对称中隔壁法，具体设计见图1。

图1 隐式中墙复合式连拱隧道结构和对称中隔壁法

对称中隔壁法施工工序如下：

（1）利用上一循环支护，开挖右洞①部，施作①部初期支护和临时支护；

（2）开挖右洞②部，施作②部初期支护和临时支护；

（3）架设③部中墙钢架，即图1中阴影部分钢架；

（4）浇筑④部中墙混凝土，即图1中阴影部分；

（5）开挖左洞⑤部，施作⑤部初期支护和临时支护；

（6）开挖右洞⑥部，施作⑥部初期支护和临时支护；

（7）开挖左右洞⑦部，施作⑦部初期支护；

（8）开挖左右洞⑧部，施作⑧部初期支护；

（9）待变形稳定后，拆除⑼部临时中墙；

（10）清理基底，铺设仰拱及边墙下部防水板，整幅灌注Ⅹ部仰拱衬砌；

（11）仰拱混凝土初凝后，灌注Ⅺ部仰拱填充；

（12）清理初期支护基面和基座表面，铺设纵、环向和横向排水系统，铺设防水卷材，利用衬砌模板台车，一次模筑施作Ⅻ部拱墙二次衬砌。

隐式中墙复合式连拱隧道采用对称中隔壁法施工，打破了连拱隧道仅适用于短隧道的瓶颈，实现了连拱隧道的快捷施工，使连拱隧道应用于长、大隧道成为可能。对称中隔壁法具有以下优点：

（1）中墙与右隧左导坑同步开挖，无需专门开辟中导洞进行中墙施工，可减少施工步序；

（2）中墙与先开挖隧道同步开挖和施作，左右洞两侧导洞可同时开挖，尽可能减小了中墙施工对其他步序的影响，大幅提高连拱隧道施工效率；

（3）连拱隧道按从中间后两侧逐渐开挖，围岩应力逐步释放，减小应力突变，有利于结构体系安全；

（4）可大幅缩短工期，减少对城市环境的影响时间，有利于环境保护；

（5）无施工中墙的临时支护，可大幅减少临时支护用量，降低工程造价；

（6）双洞初期支护完成后，再施作两洞的独立防水系统，二次衬砌具有良好的防水效果；

（7）双洞初期支护完成后施作二次衬砌，二次衬砌不经历多次应力状态，结构具有较好的耐久性和长期安全性。

3 隐式中墙连拱隧道对称中隔壁法安全分析

为了研究隐式中墙复合式连拱隧道对称中隔壁法对隧道变形和安全性的影响，进行了数值模拟，拱顶最大沉降量和最大地表沉降量模拟结果见图2，对应施工步序同图1，其中第③部架立中墙钢架和第④部浇筑中墙混凝土合为第④部，且不含施作衬砌和仰拱填充。

图2 对称中隔壁法隧道变形模拟结果

从图2中可以看出：

（1）左右洞拱顶最大沉降量和最大地表沉降量随开挖步序变化趋势大体相同，且累计值均较小；

（2）各上台阶开挖和拆撑时对应隧道的最大拱顶沉降量和最大地表沉降量增加相对较多，左洞⑤、右洞①部开挖时竖向变形量约占总变形量的40.0%～43.1%，左、右洞⑦部开挖约占总变形量的23.9%～25.3%，拆撑（9）部约占总变形量的18.6%～19.8%。各上台阶开挖和拆撑造成的竖向变形量约占总的竖向变形量的85%左右。

初期支护各部位安全系数模拟结果见表1。

表1 各部位安全系数

从表1中可以看出：

（1）初期支护各部位安全系数均满足规范要求，对称中隔壁法能够保证隐式中墙复合式连拱隧道施工安全；

（2）左洞拱腰与中墙连接处和左洞仰拱与中墙连接处初期支护安全系数最小，为薄弱环节，施工时应注意有效连接和质量控制；

（3）各上台阶开挖是应注意变形控制，确保钢架和喷混凝土落在稳定的基岩上；

（4）施工时应加强监控量测，特别是左洞拱腰与中墙连接处和左洞仰拱与中墙连接处的监测，一旦发现问题，及时进行处理。

4 结论

（1）对称中隔壁法无需中墙临时支护，从中间向两侧逐渐开挖，围岩应力逐步释放，减小应力突变，有利于结构体系安全。

（2）对称中隔壁法一定程度上减小了中墙对其他施工步序的影响，大幅提高连拱隧道施工效率，实现了连拱隧道的快捷施工，减小对环境的影响。

（3）各上台阶步序开挖和拆撑为控制对应隧道竖向变形的关键工序，左洞拱腰与中墙连接处和左洞仰拱与中墙连接处为初期支护薄弱环节，施工时应注意及时支护和保证施工质量。

[1]张万斌,李海军,王明年.喷筑隐式异型中墙复合式连拱隧道的设计分析[J].现代隧道技术，2013(12):147-151.

[2]时亚昕,王明年,李强.深埋连拱隧道两种中墙的施工力学行为分析[J].现代隧道技术，2006(06):1-5.

[3]李德宏,金文星.复合式中墙连拱隧道设计施工分析[J].现代隧道技术，2007(12):55-61.

[4]苏江川.罗汉山双向八车道连拱隧道结构设计研究[J].现代隧道技术，2009(02):22-28.

[5]魏建华,李亚利.高速公路双连拱隧道三导洞施工技术研究[J].西部探矿工程，2008(10):186-188.

[6]赖金星,谢永利,李华.连拱隧道无中导洞施工技术探讨[J].铁道建筑，2006（04）:34-35.