隐式中墙连拱隧道工法探讨

李海军, 王明年, 张万斌

(1. 中铁二院工程集团有限责任公司， 重庆　400023； 2. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都　610031)



隐式中墙连拱隧道工法探讨

李海军1, 王明年2, 张万斌1

(1. 中铁二院工程集团有限责任公司， 重庆400023； 2. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都610031)

摘要：为了选择合理的施工方案，针对隐式中墙复合式连拱隧道，对多种施工方案进行了数值模拟。分析结果表明： 在多种施工方案条件下,隐式中墙复合式连拱隧道结构均能保证施工安全；对称中隔壁法和平行中隔壁法在结构安全和变形控制上较为有利。平行中隔壁法中的主辅洞间隔、同步并行施工方案是最经济、最快捷、最环保的方案，其综合进度指标比普通中导洞法提高107%，比三导洞法提高79%，可大幅提高连拱隧道的施工效率。上台阶开挖和拆撑为控制变形的关键工序，辅洞拱部与中墙搭接处、辅洞仰拱与中墙搭接处为结构安全控制部位。

关键词：连拱隧道； 隐式中墙； 工法比选； 平行中隔墙法

0引言

中墙是连拱隧道[1-2]施工的关键，中导洞法[3]是连拱隧道最早采用和应用最多的方法。中墙与两侧隧道结构相连，严重影响了其他步序的施工，造成中导洞法施工效率很低，为此，国内外学者做了大量的研究来提高连拱隧道的施工效率。在相关研究中: 魏建华等[4]通过研究三导洞法提高了连拱隧道的施工效率；丁文其等[5]从施工工序与施工力学角度对浅埋条件下的三导洞法进行了优化分析；李二兵等[6]提出了控制大变形的工程措施；朱正国等[7]对浅埋偏压条件下的三导洞法进行了优化和分析。

三导洞法一定程度地提高了连拱隧道的施工效率，但是存在中墙临时支护，没有从根本上解决中墙施工对两洞施工的影响。无中导洞法一般也存在中墙临时支护，利用先开挖隧道强大的二次衬砌去抵抗后开挖隧道施工时的围岩荷载释放，先开挖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。

隐式中墙复合式连拱隧道的中墙隐藏于先开挖侧隧道，无需专门进行中导洞开挖和中墙开挖的临时支护，中墙与先开挖隧道同步开挖和施作，中墙施工不对整个连拱隧道施工造成干扰，可大幅提高连拱隧道的施工效率[8-10]。隐式中墙复合式连拱隧道在双洞初期支护完成后再施作两洞的独立防水系统和二次衬砌结构，使其具有良好的衬砌防水效果和耐久性。与传统连拱隧道相比，隐式中墙复合式连拱隧道结构可节约投资，具有良好的防水系统、施工安全性、结构耐久性和长期安全性。

1工程概况

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，具体结构见图1。采用浅埋暗挖施工，暗挖段长度170 m，隧道围岩级别为Ⅴ级，埋深3～8 m，基岩为泥岩、砂岩，覆土1～5 m。结构和岩土物理力学参数见表1。隐式中墙复合式连拱隧道的设计参数为： 初期支护采用厚27 cm的 C25喷射混凝土(中墙部分为钢纤维混凝土)，设全环I22a型钢钢架，钢架间距0.5 m，拱墙设20 cm×20 cm双层φ8钢筋网，边墙采用3.5 m长φ22砂浆锚杆，二次衬砌为65 cm厚C35钢筋混凝土。

图1　隐式中墙复合式连拱隧道结构设计图

类别重度/(kN/m3)变形模量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/(°)面层土层180.60.40.01518中风化岩层231.00.370.230围岩加固圈242.00.330.435初期支护2527.00.2临时支护2527.00.2

2隐式中墙复合式连拱隧道工法分析

为了研究隐式中墙复合式连拱隧道开挖顺序对结构变形和施工安全性的影响，应选择安全快捷、经济合理的施工方案。本文针对双台阶法、对称中隔壁法和平行中隔壁法进行了模拟分析，具体开挖步序见图2。图2中，(a)为双台阶法，(b)为对称中隔壁法，(c)～(f)为平行中隔壁法，1—8为各部开挖和支护，(5)和(9)为中隔壁拆撑，Ⅴ、Ⅹ为施作仰拱和仰拱填充，Ⅵ、Ⅺ为施作拱墙二次衬砌。模拟结果见表2。表2中a～f对应为图2中的各施工方案，不含施作衬砌和仰拱填充。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Fig. 2Construction schemes of double-arch tunnel with concealed central wall

根据隧道设计资料，隧道洞身所处地层均为Ⅴ级围岩，计算模拟范围为水平方向隧道外边缘到模型边界大于3倍开挖跨度，隧道底部距模型下边界大于3倍开挖高度。计算时围岩岩体按弹塑性材料考虑，并服从Mohr-Coulomb屈服准则，隧道支护结构按弹性材料考虑，其弹性模量E按喷射混凝土和钢架截面面积折算，弹性模量E的折算公式为E=(EsAs+EcAc)/A。其中：Es、Ec分别为喷射混凝土和钢材弹性模量；As、Ac分别为喷射混凝土和钢架截面积；A为截面总面积，A=As+Ac。

隧道围岩、初期支护和临时支护均采用三维四面体四节点实体单元，模型的边界条件通过限制模型4个侧面和底面法向的位移来实现，计算荷载包括地层、隧道结构自重、房屋荷载和地表车辆荷载。地表车辆荷载通过在路面施加压力来体现,路面车辆荷载按20 kPa考虑，房屋荷载按20 kPa/层考虑。模拟结果见表2。

表2　各施工方案模拟结果

从表2可以看出：

1)各方案施工后，初期支护第一主应力均未超过C25喷射混凝土抗拉极限强度2.0MPa，第三主应力值均未超过C25混凝土抗压极限强度19.0MPa,各方案均能保证施工安全。

2)双台阶法的最大拱顶沉降和最大地表沉降最大，约为对称中隔壁法和平行中隔壁法的2倍，对称中隔壁法和平行中隔壁法更有利于控制结构变形和地面沉降。

3)对称中隔壁法和平行中隔壁法各方案施工后，初期支护内力、最大拱顶沉降和最大地表沉降总体上差异不大。

4)平行中隔壁法c方案施工后，初期支护内力、最大拱顶沉降和最大地表沉降均最小，从保证施工安全和环境角度来说，是最为有利的方案，但相对于其他平行中隔壁法和对称中壁法来说，优势并不明显。

结合普通复合式中墙连拱隧道常用的中导洞法和三导洞法与本文分析的双台阶法(a方案)、对称中隔壁法(b方案)和平行中隔壁法(c～f方案)，从施工进度指标、土石方开挖量、临时材料数量等方面进行比较，比较结果见表3。中导洞法先施工中导洞和中墙，再施工中隔壁法其他步序。三导洞法按中导洞和两侧上台阶同步开挖，两侧下台阶紧跟，中导洞和中墙完成后，再进行中隔壁法其他步序施工。表3中施工长度为170m，施工进度指标按单导洞50m/月考虑，各相邻步序间台阶间隔长度按15m控制，综合进度指标指暗挖段的长度除以施工总工期(不含施工准备、拆撑、二次衬砌、仰拱填充和站后相关设施安装调试等)，按一般经验和设计文件，临时支护钢架按50%重复利用率考虑。

表3　各施工方案比较

从表3可以看出：

1)隐式中墙复合式连拱隧道比普通复合式中墙连拱隧道少开挖土石约2.6%。

2)普通复合式中墙连拱隧道的临时支护材料用量约为隐式中墙复合式连拱隧道的1.90倍，隐式中墙复合式连拱隧道可大幅减少临时支护材料的用量。

3)施工效率最高的方案为平行中隔壁法f方案，其综合进度指标为普通复合式中墙连拱隧道中导洞法的2.07倍，三导洞法的1.79倍，对称中隔壁法和其他平行中隔壁法的1.35倍。

依托工程位于城市繁华区，周边高楼林立，影响因素众多，在保证施工安全和结构安全的前提下，为减小对周边环境的影响和节约投资，选择平行中隔壁法f方案，即主辅洞间隔、同步并行掘进方案，比普通复合式中墙连拱隧道减少土石开挖量，大幅减少临时支护材料的用量，缩短工期，节约投资，减少对环境和居民的影响。

3平行中隔壁法关键工序和关键部位

针对最大拱顶沉降量和最大地表沉降量，平行中隔壁法f方案模拟结果见图3。

从图3可以看出，竖向变形量随开挖步序变化趋势大体相同，各上台阶开挖和拆撑时最大拱顶沉降量和最大地表沉降量较大，因此，各上台阶开挖和拆撑为关键工序。

施工后初期支护各关键截面安全系数模拟结果见表4(其中，各截面位置见图1)。

图3　f方案模拟结果

截面号初期支护混凝土安全系数A7.4B2.7C3.3D2.2截面号初期支护混凝土安全系数E1.7F5.5G1.7p.0

从表4可以看出，初期支护安全系数较小的位置为E和G截面，分别为辅洞拱部与中墙搭接处、辅洞仰拱与中墙搭接处，这2个部位为结构安全关键控制部位。

4结论与讨论

1)隐式中墙复合式连拱隧道对称中隔壁法和平行中隔壁法在结构安全和变形控制上均比双台阶法有利，对称中隔壁法和平行中隔壁法各方案施工后初期支护内力和变形差异不大。

2)平行中隔壁法无需中墙临时支护，可大幅减小临时支护用量。平行中隔壁法主辅洞间隔、同步并行掘进方案的综合进度指标比普通复合式中墙连拱隧道中导洞法提高107%，比三导洞法提高79%，可大幅提高连拱隧道的施工效率，实现连拱隧道的快捷施工。

3)各上台阶开挖和拆撑为控制变形的关键工序，施工时应注意及时支护，以减小隧道变形。辅洞拱部与中墙搭接处、辅洞仰拱与中墙搭接处为结构安全控制部位，应保证该部位的施工质量。

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Discussion on Construction Method for Double-arch

Tunnel with Concealed Central Wall

LI Haijun1, WANG Mingnian2, ZHANG Wanbin1

(1.ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chongqing400023,China;

2.SchoolofCivilEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:Several construction schemes are studied for a double-arch tunnel with concealed central wall by means of numerical simulation, so as to select reasonable construction scheme. Conclusions drawn are as follows: The tunnel structure with concealed central wall can maintain the construction safety; The symmetrical temporary central wall method and the parallel temporary central wall method are more favorable in structural safety and deformation control; In the case of parallel temporary central wall method, the scheme of driving the main tunnel and secondary tunnel simultaneously with some distance delay is the most cost-effective, the quickest and the most environment-friendly scheme, which can greatly improve the construction efficiency of double-arch tunnels; The comprehensive tunneling index of the mentioned scheme is increased by 107% compared to the conventional central pilot method，and by 79% compared to three-pilot method. Analysis also shows that the excavation and support removing of the top heading is the key process in deformation control, and the joint between the arch of the secondary tunnel and the central wall and the joint between the invert of the secondary tunnel and the central wall are critical points in structural safety control.

Keywords:double-arch tunnel; concealed central wall; selection of construction method; parallel temporary central wall

中图分类号：U 455

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2015)12-1271-04

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.006

作者简介：第一 李海军(1980—)，男，四川岳池人，2009年毕业于西南交通大学，桥梁与隧道工程专业，硕士，工程师，主要从事地下和隧道工程设计与研究工作。

基金项目：中国中铁重点科技开发计划(2011年度引导40)； 重庆市应用开发计划重点项目(cstc2014yykfB30003)

收稿日期：2015-03-05; 修回日期: 2015-07-07