薄壁面板隔墙法在特大断面隧道施工中的力学特征分析

张军伟，李泉源，易雄川，杨翔

（重庆建工市政交通工程有限责任公司，重庆400021）

薄壁面板隔墙法在特大断面隧道施工中的力学特征分析

张军伟，李泉源，易雄川，杨翔

（重庆建工市政交通工程有限责任公司，重庆400021）

以某浅埋暗挖城市地铁车站为工程背景，利用有限元数值模拟方法分析了薄壁面板隔墙法的原理和在施工过程中隧道围岩的变形和力学演化特征。分析结果表明，薄壁面板隔墙法的台阶式导坑开挖主导了隧道结构的应力集中特征和变形特征，施工时特大断面隧道的初衬、锚杆和围岩的应力、应变均沿隧道轴向方向阶段性地出现多个应力集中区和位移剧变区，各区域的分界处基本和隧道先开挖侧各导坑开挖端面平齐。而且，中隔墙和预留核心土的设置有效地改善了开挖对特大断面隧道围岩的扰动，使得隧道围岩塑性区小，隧道的拱脚水平相对净空变化指标和拱顶相对下沉指标均能满足特大断面隧道的稳定性要求。

特大断面隧道；薄壁面板隔墙法；数值模拟；隧道施工；双侧壁导坑法

0 引言

随着国家经济的飞速发展，城市轨道交通特别是地铁建设迎来了大发展的黄金时期。重庆地处西部山区城市，中风化和强风化岩石地层广泛分布，适合进行暗挖车站修建。城市地铁车站是地铁线路上最重要、最复杂的部分，车站隧道通常为超大断面隧道，其结构跨度大、地质条件和周边施工环境复杂，在开挖建设过程中极易出现地表开裂、沉降变形甚至垮塌破坏等现象[1]，造成施工进度缓慢、经济损失严重、影响城市周边环境等问题。目前解决超大断面隧道施工的方法中相对比较成熟且广为运用的方法即为双侧壁导坑法，在重庆已修建地铁中的临江门车站、大坪车站和红旗河沟车站等[2-4]均采用的是此施工方法。双侧壁导坑法以其施工稳定性好、安全性高等受到众多的青睐，但也存在着工序多、施工干扰大、施工速度较慢、管理成本较高等缺点。

为了解决上述问题，依托重庆轨道交通环线暗挖隧道车站工程进行了特大断面地铁车站快速施工技术研究，提出了在特大断面隧道施工中采用薄壁面板隔墙法施工，即在特大断面隧道开挖施工中，上部采用台阶法施工，完成后施作薄壁面板隔墙，下部按双侧壁导坑法进行施工，将台阶法、CD法和双侧壁导坑法进行有机的结合。薄壁面板隔墙法与中岩柱单边落底法有着异曲同工之处，二者除拱顶位移略大于双侧壁导坑法外，其水平收敛、地表沉降和塑性区范围均优于双侧壁导坑法和CD法[5]。薄壁面板隔墙法相较于中岩柱单边落底法，中隔墙采用混凝土结构，强度可控，解决了中岩柱单边落地法对隧道中岩柱构造和强度的限制，适用范围更广。在实际工程应用中薄壁面板隔墙法也取得了较好的社会经济效益，该方法为解决重庆地铁工程建设中存在的相似问题提供了施工经验和技术保障，促进了特大断面隧道设计理论的发展。

1 工程概况

重庆轨道交通环线涂山站位于南岸区涂山镇，车站位于涂山路及川渝卷烟厂大门处道路下方，呈西北-东南向设置。涂山车站为地下两层双岛（10+10m）双洞四线暗挖越行车站，有效站台长140m，以配线段端墙内侧计，车站起点里程为DK28+ 422.648，终点里程为DK28+848.670，车站总长为426.022m（含配线段），隧道纵坡2‰，车站主体隧道单洞标准断面为马蹄形断面，单洞开挖跨度21.56m、开挖高度20.03m、开挖断面面积376.80m2，根据国际隧道协会隧道断面划分标准[1]，此断面面积已超过100m2为超大断面隧道。隧道围岩级别为Ⅳ级，车站主体隧道埋深约29m。车站主体隧道地质情况稳定，主要有砂岩层和砂质泥岩层构成，层间结合良好，虽有局部岩体有小范围破碎，但整体岩层稳定；地表处有5～6m的填土层。

2 薄壁面板隔墙法工艺原理

薄壁面板隔墙法以新奥法为基本原理，在双侧壁导坑法的基础上结合台阶法及CD法的优点，考虑钻爆施工的影响因素，上部开挖支护采用台阶法施工，完成后施作薄壁面板隔墙，中下部开挖支护遵循双侧壁导坑法的步序与支护参数，二衬施工顺序与双侧壁法相比区别在于先取核心土，再做仰拱而后施工拱墙二衬（见图1）。

图1 薄壁面板隔墙法施工步序示意图

图2 有限元模型

起拱线以上开挖为台阶法施工，其断面大小控制在100m2以内（如果隧道总断面为200～250m2，可1次开挖成型）；开挖完成后，设置薄壁面板隔墙临时辅助支撑，代替上部核心土，施工过程中临时薄壁面板隔墙（钢筋混凝土隔墙）的混凝土中按配合比均匀加入了速凝剂，保证喷射完成8h后整体达到设计强度，有效保证了断面的刚度，减少了拱部临空时间，降低了安全风险。当混凝土强度应达到设计强度后方可进行下一步的爆破开挖，爆破时应控制最大装药量与单段最大起爆药量，尽可能降低振动，减少对中隔墙和围岩的扰动，再辅以实时的监控量测，在拱部岩石地应力二次重新分布完成后，再进行下一阶段的施工。

中下部左右幅导坑的开挖、薄壁面板隔墙和中下部核心土的拆除开挖是按照双侧壁导坑法施工，薄壁面板隔墙替代了上部核心土，在隔墙内预埋的孔洞使爆破眼的设置变得更加合理和可控，拆除过程的安全风险大大降低。

开挖完成后，及时施作仰拱，使整个断面封闭成环，更加有利于发挥岩石的自稳能力；同时，仰拱施作后再进行拱部衬砌施工可以使连接部位的混凝土质量得到更好的保证。

3 薄壁面板隔墙法施工数值模拟

为了分析薄壁面板隔墙法在特大断面隧道施工过程中的应力应变变化特征，这里针对重庆轨道交通环线涂山站主体车站左线隧道采用薄壁面板隔墙法施工的一个施工循环（不包括二衬施作）过程进行数值计算模拟。

3.1 模型建立

根据隧道所处地质条件和隧道围岩的岩体结构特征，建立图2所示有限元计算分析模型。模型共有595100个单元，305020个节点。模型长143m，宽100m，高87.95m。隧道左右两侧距离模型边界均为60.75m，隧道顶部距模型顶部28.8m，隧道底部距离模型底部39.2m。隧道主要分布在砂岩层中，隧道顶部左侧有小部分分布在砂质泥岩层中。

模型的边界条件：模型四周约束其水平方向位移；底边约束其竖向位移。隧道所处地质条件无明显地质构造应力，故初始应力场按自重应力场考虑。

模型中，初期支护采用C25早强喷射混凝土（厚度400mm）和25b工字钢架（间距为0.5m，保护混凝土厚度50mm），假设其为弹性介质；锚杆采用Φ25中空注浆锚杆，长度5.03m，环向、纵向间距1m×0.5m，梅花型布置；其他岩块假设为理想弹塑性体，符合Mohr-Coulomb强度屈服准则。

3.2 模型力学计算参数

根据车站的工程地质勘查报告和相关规范，选取模型相关物理力学参数如表1所示。

表1 相关物理力学参数

3.3 模拟分析过程

计算模拟薄壁面板隔墙法的施工工艺流程如图1所示。

第1步，起拱线上部开挖。由于隧道断面属于特大断面，为安全起见，将起拱线以上隧道断面分为拱部上导坑和下导坑2次开挖成型，拱部初支一次成型并紧跟掌子面。

第2步，薄壁面板隔墙施工。薄壁面板隔墙采用C30混凝土浇筑成型，浇筑宽度1.5m，最大高度9.28m，通长设置。

第3步，中部右、左幅导坑先后开挖。先开挖右导坑，再开挖左导坑，开挖高度4.7m，预留核心土。左右导坑掌子面前后错开15m，开挖完成后立即进行初期支护施工。

第4步，下部右、左导坑开挖。中台阶完成25m后进入下台阶开挖，采用两侧交错、纵向阶梯的方式完成两侧开挖至设计标高。开挖方法同第3步。

第5步，薄壁面板隔墙拆除与核心土台阶式开挖。先拆除薄壁面板隔墙，再开挖中部核心土，二者前后距离保持5m；最后开挖下部核心土，中部核心土和下部核心土的开挖面距离保持在10m。开挖完成后及时施作隧道底部横向临时支撑。

模拟开挖时，隧道起拱线上部、各导坑和核心土的开挖均按照每步开挖进尺2.5m循环开挖计算，直至开挖到设定距离。这里分别选取了隧道拱顶开挖25m、50m、75m和100m时的工况来分析特大断面隧道围岩在不同施工阶段时的应力应变特征。各工况下隧道的开挖状况如图3所示（图中为了方便显示隧道内的开挖状况未显示隧道上部初衬）。

图3 各工况下隧道内部开挖情况

3.4模拟结果分析

3.4.1 应力特征分析

图4-图7是薄壁面板隔墙法施工过程中，隧道围岩应力分布云图。从图4中可以看出，隧道拱顶开挖25m时，隧道围岩应力出现重新分布。隧道拱顶开挖25m时，隧道最大主应力出现在左侧拱脚的初衬上，为压应力，最大值是4.55MPa；在薄壁中隔墙和锚杆的支护作用下，隧道拱顶两侧附件出现开挖卸荷区；隧道底部出现拉应力，最大拉应力为0.39MPa；隧道中隔墙在洞口附近的上部和下部有应力集中，最大压应力为3.22MPa，最大拉应力为0.015MPa。锚杆受力具有明显的区域性特征。在隧道左侧锚杆受压，最大压应力为475.38Pa；在隧道拱顶及隧道右侧锚杆受拉，最大拉应力为725.6Pa。这表明隧道左上方的砂质泥岩由于其力学强度低、天然容重较大，使得隧道开挖后该岩层沉降变形较大，中空注浆锚杆也出现了压缩变形（见图4d）；而在隧道右侧的砂岩层，其力学强度较砂质泥岩层大，容重较小，以小沉降变形为主，锚杆能很好的发挥其对隧道围岩的悬吊和挤压作用。

图4 隧道拱顶开挖25m时应力分布云图

图5 隧道拱顶开挖50m时应力分布云图

图5是隧道拱顶开挖50m时隧道各处应力分布云图。从图中可以看出，隧道拱顶开挖50m时，隧道最大主应力出现在距离洞口25m的中隔墙顶部初衬内侧附近，为压应力，最大值是16.375MPa。并且，在距离洞口25m的初衬和中隔墙上出现了一条沿隧道横向的应力集中带，该集中带与右侧中导坑开挖端面平齐。最大拉应力也出现在该应力集中带上，最大拉应力值为2.06MPa。可见右侧中导坑的开挖引起了隧道围岩的应力重新分布。锚杆受力也发生了重新分布。除在隧道左侧顶部距洞口约25m的小部分锚杆受压外，其他部分锚杆均出现了受拉特征，而且，锚杆应力明显增大，最大压应力为2.42MPa，最大拉应力为2.25MPa。最大拉应力分布在隧道横向应力集中带和隧道中导坑左右两侧靠近洞口处。

图6是隧道拱顶开挖75m时隧道各处应力分布云图。从图中可以看出，隧道拱顶开挖75m时，在距离洞口25m和50m的初衬和中隔墙上分别出现了一条沿隧道横向的应力集中带，这两条集中带分别与右侧中导坑开挖端面和右侧下导坑开挖断面平齐。隧道初衬最大压应力和锚杆最大压应力也出现在这两条应力集中带附近。其中初衬最大压应力值为18.21MPa，锚杆最大压应力值为2.98MPa。在隧道左侧中导坑初衬距离洞口15m的范围内、隧道右侧中导坑初衬距离洞口25m的范围内和中隔墙顶部附近的初衬都出现了拉应力区，这些拉应力区与隧道锚杆的拉应力区基本吻合，其中初衬的最大拉应力值为5.11MPa，锚杆的最大拉应力为2.56MPa。可见，随着隧道的进一步开挖，隧道各处的应力扰动进一步加剧，隧道左右导坑的非对称开挖也诱发了隧道同一断面左右部分受力不对称的情况。但是，在隧道纵向，应力集中带的分布则呈现出一定的规律性。

图6 隧道拱顶开挖75m时应力分布云图

图7 隧道拱顶开挖100m时应力分布云图

图7是隧道拱顶开挖100m时隧道各处应力分布云图。从图中可以看出，隧道拱顶开挖100m时，在距离洞口25m、50m和75m的初衬和中隔墙上分别出现了一条沿隧道横向的应力集中带，这三条集中带分别与右侧中导坑开挖端面、右侧下导坑开挖断面和中隔墙拆除断面平齐。隧道初衬最大压应力和锚杆最大压（拉）应力同样出现在这两条应力集中带附近。其中初衬最大压应力值为19.1MPa，锚杆最大压应力值为3.76MPa，锚杆最大拉应力值为3.11MPa。在隧道拱顶附近、各导坑地面也都出现了区域性的拉应力区，这些拉应力区也与隧道各导坑的开挖长度基本吻合。在中隔墙和核心土分层开挖后，隧道拱顶初衬出现了明显的拉应力集中，最大值为4.99MPa，因此，在中隔墙拆除后应重点对该区域初衬及围岩的破坏情况进行监测。在隧道纵向，应力集中带的分布规律也更加明显。

图8是隧道初衬、锚杆最大应力值随拱顶开挖距离的变化特征。从图8a中可以看出，随着隧道开挖距离的增大，初衬最大压应力呈现明显的增大趋势，特别是在隧道中部导坑开挖之后，压应力增大最为明显。但在隧道拱顶开挖50m之后，初衬最大压应力增速变缓。初衬的最大拉应力也随隧道拱顶开挖距离的增加呈增大趋势，但是在开挖距离达到75m后初衬的最大拉应力有降低趋势。从图8b中可以看出，随着隧道开挖距离的增大，锚杆的最大压应力和最大拉应力均不断增大，可见开挖对隧道围岩的扰动不断加剧。结合本节隧道应力分布规律可知，在采用薄壁面板隔墙法施工时，随着隧道开挖距离的增加，要特别注意增大导坑开挖端面附近的初衬、中隔墙和锚杆的支护强度，以确保隧道施工安全。

图8 隧道初衬、锚杆应力随拱顶开挖距离的变化曲线

3.4.2 变形特征分析

（1）竖向变形特征

采用薄壁面板隔墙法对隧道开挖过程中，隧道围岩出现了不均匀沉降，如图9所示。在不同的开挖距离下，隧道的最大下沉区均分布在左侧导坑上部围岩，这主要是由于该处围岩是较为软弱的砂质泥岩（见图2），变形能力较隧道右侧砂岩强。并且随着隧道开挖距离的增加，拱顶围岩最大下沉量从6.12mm增大到了8.02mm，但是最大下沉位置均在靠近洞口的左侧导坑上部。而在导坑底部，由于隧道开挖卸荷，导坑底部均出现隆起现象。受中隔墙和预留核心土的影响，坑底最大隆值均分布在各导坑中心处。随开挖距离的增加，最大隆起值从3.46mm增大到了6.98mm。中隔墙的变形特征呈现上下不同的特征：中隔墙上部位移向下，出现压缩变形；中隔墙下部位移向上，也出现压缩变形。这是由于在隧道开挖过程中中隔墙作为隧道中部临时支护体，既承担了隧道上部围岩的自重又承担了隧道下部围岩在地应力作用下对隧道底部的挤压作用。

图9 隧道开挖过程中围岩竖向位移云图

此外，隧道变形区在隧道轴向上也具有明显的规律性。这里以隧道拱顶开挖75m为例说明，如图10。从图10中可以看出，隧道左侧拱顶初衬沿隧道轴向出现了间断性的剧烈下沉区，剧烈下沉区的大小距离洞口越远越小，相邻剧烈下沉区的分界处基本和隧道右侧各导坑开挖端面平齐。隧道隆起区在隧道轴向上随各导坑开挖距离呈现阶段性特征。可见，导坑台阶式开挖主导了隧道结构的应力集中特征和变形特征。

图10 隧道拱顶开挖75m时隧道竖向位移云图

（2）水平收敛特征

水平位移最大值是在隧道左侧拱顶靠近砂质泥岩处，该处围岩在隧道开挖后有明显的向隧道临空面水平移动的趋势。当隧道拱顶开挖25m时，隧道左侧拱顶和左侧墙腰均向隧道临空方向水平收敛，最大水平位移为2.38mm，隧道右侧拱顶和右侧墙腰也向隧道临空方向收敛。但是隧道左侧拱脚初衬则逆向隧道临空方向水平移动，右侧拱脚初衬也逆向隧道临空方向水平移动。拱脚水平相对净空变化最大值为0.006%。当隧道拱顶开挖50m、75m和100m时，隧道初期支护的水平位移趋势相同，只是左侧拱顶最大水平位移分别增加为2.91mm、3.51mm和3.31mm，期间拱脚水平相对净空变化最大值为0.01%。

4 隧道稳定性分析

图11 隧道开挖过程中水平位移云图

4.1 塑性区分布

隧道开挖过程中会对隧道围岩产生强烈的扰动作用。采用薄壁面板隔墙法对特大断面隧道施工时，虽尽量降低了施工开挖对围岩的扰动影响，但仍有部分围岩在开挖过程中出现了塑性破坏，如图12。从图中可以看出，在隧道开挖25m之前，塑性区主要分布在隧道左侧拱脚初衬外的砂岩与砂质泥岩交界处，以及隧道左侧开挖断面上部。破坏形式主要是张拉破坏。当隧道拱顶开挖从25m增加到75m时，隧道围岩的主要破坏位置基本相同，但是隧道内部的上导坑底部、核心土顶部和拱顶砂质泥岩与砂岩交界处开始零星出现拉应力破坏区。当隧道中隔墙和核心土部分拆除时（隧道拱顶开挖100m时），中隔墙顶部和底部开始出现了剪切破坏区，并且在中隔墙拆除区域的中部核心土顶面出现了较大范围的张拉破坏区，在核心土底部也出现了张拉破坏区。这些塑性区的出现不会引起隧道的整体失稳，但是施工过程中仍应加强对这些局部破坏区的支护和观测，预防塑性区的扩大。

图12 隧道开挖过程中塑性区分布图

4.2 隧道变形

隧道拱顶下沉直接反应了隧道围岩应力发展趋势，不但影响隧道本身的稳定性还将对隧道上部地表建筑物的安全带来隐患。根据《城市轨道交通工程监测技术规范》GB50911-2013[6]对矿山法地铁车站隧道支护结构变形监测项目控制值要求，结合数值模拟计算结果，可以得到采用薄壁面板隔墙法施工的特大断面隧道各项变形指标如表2。

表2 特大断面地铁车站初期支护结构变形值

从表2中可以看出，隧道最大拱顶沉降和最大净空收敛均小于规范控制值，表明采用薄壁面板隔墙法对特大断面隧道开挖能保证开挖过程中隧道的稳定性。

5 结语

薄壁面板隔墙法综合了双侧壁导坑法、台阶法和CD法的优点，减少了开挖工序和隧道拱部临空时间，大大加快了施工速度。通过数值模式计算分析发现，在特大断面隧道施工中，采用薄壁面板隔墙法施工，隧道围岩、初衬呈现出以下的应力应变特征。

（1）隧道初衬、中隔墙和锚杆应力会在隧道轴向方向出现多个应力集中带，各个应力集中带分别与隧道先开挖一侧上、中、下各导坑的开挖端面或中隔墙的拆除断面平齐。

（2）受中隔墙和预留核心土的影响，左右导坑的竖向位移互不影响，最大隆值均分布在各导坑中心处；隧道剧烈下沉区沿隧道轴向呈现阶段性特征，剧烈下沉区的大小距离洞口越远越小，相邻剧烈下沉区的分界处基本和隧道先开挖侧各导坑开挖端面平齐。

此外，数值模拟计算结果表明，薄壁面板隔墙法施工过程中特大断面隧道的塑性区小，隧道的拱脚水平相对净空变化指标和拱顶相对下沉指标均远小于规范要求的极限值。因此，采用薄壁面板隔墙法对特大断面隧道开挖能保证开挖过程中隧道的稳定性。

[1]喻海军.浅埋特大断面地铁车站暗挖施工关键技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2014.

[2]黄伦海，程崇国，蒋树屏，等.轻轨地下车站主体结构设计与施工研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（10）：1715-1721.

[3]朱泽兵，刘新荣，张永兴.大跨超浅埋轻轨车站隧道开挖方法研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（2）：290-295.

[4]王国欣，肖龙鸽，王玉岭.城市浅埋超大断面隧道的开挖方法探讨[J].隧道建设，2009，29（6）：658-663.

[5]任仕国，张卫彪.大断面隧道中岩柱单边落底施工方法的数值模拟[J].桥隧工程，2012，9：260-262.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.GB50911-2013城市轨道交通工程监测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2013.

责任编辑：孙苏，李红

Study on MechanicalCharacteristics of Thin Mid-partition Wall Method in Super-large Section Tunnel Construction

Based on the construction of tunneling urban subway station,theories of the thin mid-partition wallmethod is introduced and the transformation and mechanical evolution characteristics are analyzed with the finite element numerical simulation analysis method.The results show thatthe pilot tunnelexcavation dominates the tunnelstructure stress concentration and deformation characteristics.The stress and strain ofthe surrounding rock,initial liner and rock boltin the super large section tunnelhave multiple stress clusters and displacementupheavalzones along the axialdirection of the tunnel. The boundaries of differentstress clusters and displacementupheavalzones are almostatthe end face of the pilottunnels.Meanwhile,the setting of the middle walland the reserved core soileffectively improves the excavation disturbance of superlarge section tunnelsurrounding rock,narrowing the plastic zones ofthe surrounding rocks.The horizontalrelative clearance index oftunnelarch footand the relative sinking index ofvaultcan also meetthe stability requirements ofthe superlarge section tunnel.

super large section tunnel;thin mid-partition wallmethod;numericalsimulation;tunnelconstruction;double-side-driftmethod

TU94+1

A

1671-9107（2017）02-0055-05

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.02.055

2016-11-28

张军伟（1986-），男，河南项城人，博士，工程师，主要从事岩石力学工程研究工作。