三联拱黄土隧道施工方案及力学特性研究

史军强

（山西省公路工程监理技术咨询公司，山西 太原 030006）

近年来，随着我国城市建设的不断发展，地铁逐步成为国内大中城市交通系统的重要组成部分，且随着地铁线路的不断增多，普通的单洞断面区间隧道已难以满足，需要建设大量的联络线、渡线以满足其需求，因此以三联拱隧道为代表的复杂断面结构型式越来越多。由于三联拱隧道具有断面较大、施工工序多、受力体系复杂等特点，尤其在城市繁华地段施作三联拱隧道时，伴随有施工风险大、技术难度高等特点[1-3]。在黄土地区城市地铁建设过程中，黄土特殊的工程性质又进一步增加了其施工难度、风险。以某三联拱黄土隧道断面为例，结合其工程地质情况，研究其施工方案，并利用数值模拟分析三联拱黄土隧道力学特性，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

某地铁区间隧道单渡线从地铁隧道左线（断面里程K17+028.5）开始，与隧道右线（断面里程K17+167.3）相接。单渡线隧道全长138.8 m，渡线区分折返线、正线隧道合建，单渡线采用三联拱隧道断面型式，其具体情况如图1所示。

该隧址区位于黄土梁洼区，地表分布有厚度不等的全新统人工填土（Q4ml），其下为上更新统风积（Q3eol）新黄土及残积（Q31el）古土壤；古土壤下部在黄土梁区为中更新统风积（Q2eol）老黄土、残积（Q2el）古土壤及冲积（Q2al）粉质黏土、砂土等，其物理性质参数如表1所示。

图1 三联拱隧道横断面图

表1 大有山隧道土体参数表

2 三联拱黄土隧道施工方案

2.1 双侧洞法简介

在三联拱黄土隧道施工方法中，双侧洞法应用最为广泛[4-5]，其将隧道断面分为3部分，即左右侧洞和中洞，并利用CRD法分别开挖。该技术优势在于利用侧洞、中洞分块开挖，分块施作衬砌，当两侧洞具备相应条件时尽快封闭成环，从而充分利用两侧洞承受围岩压力，最大限度发挥二衬支护作用，减小隧道施工引起的地表沉降。同时，可利用超前小导管、管棚对掌子面前方土体进行加固，并间隔拆除临时支护，从而有效提高施工安全系数[6-7]。

按照施工先后顺序，双侧洞法施工流程可分为以下几个步骤：

a）在掌子面拱顶部位施作超前小导管，其导管长为5 m，环向间距0.3 m，纵向叠合长度2 m。

b）按照图2所示的顺序，采用CRD法对右侧洞进行开挖，开挖完成后，及时利用初期支护进行封闭成环，待其变形稳定后，间隔拆除侧洞内的临时支护，一次拆除长度不应大于3 m。

c）施作右侧洞仰拱，其采用C30混凝土进行浇注，其施工缝处应预留结构防水层；全面铺设防水板，其次安装模板，浇注拱部二次衬砌混凝土。

d）重复上述a～c步骤，对左侧洞进行开挖及内部衬砌结构的施作。

e）待两侧洞衬砌混凝土达到90%设计强度后，按照图2中9～12的顺序开挖中洞，并及时施作初期支护，尽快封闭成环。

f）中洞全部施工完成后，间隔5 m拆除中洞临时支护，每次拆除长度不大于3 m。

g）施作中洞仰拱，其采用C30混凝土进行浇注；全面铺设防水板，安装模板，浇注中洞拱部二次衬砌混凝土。

h）待二衬混凝土达到设计强度后，拆除模板支架体系，形成三联拱结构。

图2 双侧洞法施工步序示意图

2.2 双侧洞法重要工序的施工方法

在上述施工步骤中，重点工序决定了整体工程的成败，因此应针对重点工序进行全面监控，严格把控，以下为部分重要工序的具体施工方法。

2.2.1 左右侧洞开挖

左右侧洞采用CRD法开挖，利用临时支护将开挖断面分为4部分，在各部分开挖过程中应采用台阶法，其中各部之间台阶长5 m，循环进尺0.6 m。侧洞具体施工步骤为：

a）施作超前小导管，进行预注浆。

b）开挖右侧导坑上台阶①，并预留核心土，施作初期支护及临时仰拱。

c）开挖右侧导坑下台阶②，施作初期支护及侧壁临时支护。

d）参照上述步骤，开挖③～⑧部分。为避免群洞效应，③部分和⑤部分应间隔10 m开挖。

2.2.2 中洞开挖

待左右侧洞衬砌强度达到设计强度后，进行中洞开挖，其施工步骤如下：

a）施作超前小导管，进行预注浆。

b）开挖右侧导坑上台阶⑨，并预留核心土，施作初期支护及临时仰拱。

c）开挖右侧导坑下台阶⑩，施作初期支护及侧壁临时支护。

d）开挖左右侧导坑下台阶。

2.2.3 超前小导管施作

为保证该地铁隧道掌子面的稳定，控制其地表沉降量，减小隧道施工对地表建筑物的影响，应采用超前支护法对掌子面围岩进行超前加固。针对本项目中的黄土地层，采用长度为5 m，直径为42 mm长的导管，首先利用风钻成孔，再利用风镐将小导管顶进，最后进行超前注浆作业。

2.2.4 临时支护的间隔拆除

为减小临时支护的拆除对已稳定隧道支护结构产生的不良影响，应采用间隔拆除法，即将连续的隧道临时支护沿纵向分成若干段，根据本项目的地质情况、支护结构情况，间隔拆除的每段应不大于3 m。首先，拆除拱部临时中隔墙，沿纵向开槽，凿除混凝土；其次，对其进行持续监测，如6 d内结构基本稳定，可继续拆除钢筋格栅及临时仰拱上方的临时中隔墙，若监测发现其结构不稳定，应增设临时竖撑，继续维持支护结构的稳定。

3 三联拱黄土隧道力学特性

利用大型有限元软件建模分析三联拱黄土隧道力学特性，首先应假设该计算模型符合弹塑性理论，隧道围岩变形是各向同性的，该模型分析为平面应变问题[8]。在边界条件方面，水平方向取两倍的隧道净宽，模型底部取至仰拱下30 m的范围，模型上方取地表实际情况，该隧道模型衬砌结构型式如图3所示。

图3 三联拱黄土隧道模型

在图3隧道模型中，初期支护采用梁单元（Beam3）模拟，二次衬砌及围岩采用二维平面单元（Plane42）模拟。假定初期支护与二次衬砌荷载分担比为60%、40%，按照上述施工步骤，逐项进行工序模拟，所得二次衬砌施作完成后的轴力图和弯矩图如图4、图5所示。

图4 三联拱黄土隧道初期支护轴力图（单位：N）

图5 三联拱黄土隧道初期支护弯矩图（单位：N·m）

从图4中可以看出，左右侧洞初期支护结构轴力呈对称状分布，在左右洞中隔墙底部出现较大拉应力，最大值为791 kN，因此在施工过程中，应对该处初期支护结构进行加强。在隧道左右洞及中洞的拱顶部位，由于此处支护结构对围岩变形的抑制起主要作用，因此在该处产生较大压应力，最大值为388 kN。在中洞靠近左、右侧洞中隔墙部位和左、右侧洞仰拱部位初期支护结构轴力最大，为536 kN。右侧洞中隔墙底部受力略大于左侧洞中隔墙，其主要原因与左、右侧洞中隔墙的施工顺序有关。

从图5中可以看出，左右侧洞弯矩值基本呈对称状态，右侧洞弯矩值略大于左侧洞弯矩值。在左右侧洞及中洞拱顶、仰拱部位，初期支护承受较大的弯矩值，最大负弯矩出现在中洞仰拱处，其值为108 N·m，在施工过程中应加强此处的初期支护结构强度。初期支护左右侧洞拱肩部位承受较大负弯矩，为避免此处初期支护应力集中，减小其弯矩值，因此应尽量使该处曲线平滑。

4 结论

依托某地铁区间隧道单渡线三联拱黄土隧道作为工程案例，结合其工程地质情况，研究其施工方案，并利用数值模拟分析三联拱黄土隧道力学特性，得出以下几点结论：

a）三联拱黄土隧道宜采用双侧洞法进行开挖，在开挖过程中，应重点注意超前小导管施作及临时支护的间隔拆除，从而保证隧道掌子面的稳定，控制其地表沉降量，减小隧道施工对地表建筑物的影响。

b）利用数值模拟分析初期支护轴力情况后可知，左右洞中隔墙底部出现较大拉应力，隧道左右洞及中洞的拱顶部位产生较大压应力。受施工顺序影响，右侧洞中隔墙底部应力略大于左侧洞中隔墙底部应力。

c）利用数值模拟分析初期支护弯矩情况后可知，左右侧洞弯矩值基本呈对称状态，右侧洞弯矩值略大于左侧洞弯矩值。中洞仰拱部位承受较大的负弯矩值，同时初期支护左右侧洞拱肩部位负弯矩也较大，为避免此处初期支护应力集中，因此应尽量使该处曲线平滑。