硬岩地层中扁平大跨隧道拱盖法施工优化分析

陈万丽，张鲁明，陈立鹏，黄海滨，张 朋

(青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 青岛 266000)

近年来拱盖法[1-2]在青岛、厦门、大连等城市广泛运用，是上软下硬浅埋地层中大跨隧道开挖的典型工法。拱盖法包括二次初砌拱盖法[3-4]和初期支护拱盖法。二次初砌拱盖法由于拱墙分步浇筑，施工缝处预留的拱部防水层在隧道下部开挖过程中容易破坏，故拱墙结合部位渗漏水严重。在此基础上，经过工序优化，在地层较好的地段形成了初期支护拱盖法，即先分部开挖拱部，充分发挥围岩自身的承载力，通过拱部初期支护与围岩形成整体支护体系，然后开挖下台阶，最终二次衬砌一次浇筑成型。

地铁暗挖车站隧道采用初期支护拱盖法施工已有较多研究。文献[5]依托青岛地铁3号线车站工程运用三维有限元数值方法模拟拱部采用双侧壁导坑法开挖过程，得到了拱顶初期支护主要以受拉为主，侧壁初期支护主要以受压为主。文献[6]依托青岛地铁2号线海川路站，通过数值模拟和模型试验，分析了不同围岩等级条件下初期支护拱盖法的合理覆岩厚度。文献[7-9]依托实际工程分析得出采用二次初砌拱盖法施工过程中，拱部采用CD法(中隔壁法)开挖能够更充分发挥围岩自身承载能力，具有较好的经济效益。

以往研究主要依托车站工程，相比于区间大跨隧道，车站具有更大的高跨比及矢跨比，且拱部开挖大多采用双侧壁导坑法。本文依托实际工程，采用三维数值模拟和现场实测方法，研究硬岩地层中扁平大跨隧道应用初期支护拱盖法的可行性，以及拱部采用CD法开挖的适应性，为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 区间隧道情况

青岛地铁1号线人(民广场站)—衡(山路站)区间隧道位于青岛市黄岛区，区间由人民广场站出发，沿长江东路向东敷设，下穿丁家河桥后，途径丁家河小区、青岛理工大学、福瀛大厦、长江新苑小区、福瀛天麓湖售楼中心等建(构)筑物后到达衡山路站，全长约1.5 km。其中小里程段约1.2 km为单洞单线圆形隧道，采用TBM法施工；大里程段约300 m为站前折返线，为单洞四线大断面隧道。

1.2 工程地质条件

人衡区间站前折返线拱顶覆土厚度22～29 m，洞身位于微风化花岗斑岩中，围岩等级为Ⅱ～Ⅳ级，大里程段约100 m洞身多处穿越破碎带，地质情况较差，其余部分围岩较完整。地下水以基岩裂隙水为主，富水性较差，透水性弱，水量较小。站前折返线地质纵断面见图1。

图1 站前折返线地质纵断面(单位：m)

2 设计方案

2.1 原设计方案

站前折返线开挖断面较大，开挖跨度达到22.94 m，高度达到12.89 m，高跨比仅为0.56，Ⅱ,Ⅲ级围岩段拱顶覆岩较厚，采用二次初砌拱盖法施工，拱部采用CD法开挖，采用系统锚杆+格栅钢架+喷混凝土的支护体系。拱部施工步序如图2所示。

图2 二次初砌拱盖法施工工序

2.2 优化方案

本区间小里程段拱顶覆岩较厚，围岩等级Ⅱ,Ⅲ级，地质情况较好，采用二次初砌拱盖法施工稍显保守。另外受前期爆破手续办理延误的影响，本段工期压力较大，为充分发挥拱盖法施工工效，按时为小里程段TBM法施工提供空间，对原方案进行了优化。

优化后施工方法改为初期支护拱盖法，拱部依然采用系统锚杆+格栅钢架+喷混凝土的支护体系。取消了拱脚梁，拱部竖向荷载全部由拱部初期支护传至拱脚处围岩，因此拱脚下方3 m增加系统锚杆。系统锚杆采用φ25中空注浆锚杆，长3.5 m，间距1 m(环向)×0.75 m(纵向)，梅花形布置。原来锚入拱脚梁的2根长锚杆改为锚入拱脚初期支护内，作为拱脚的锁脚锚杆。拱部依然采用CD法开挖，施工步序如图3所示。拱部左导洞超前右导洞15 m，同侧导洞上台阶超前下台阶5 m，隧道下部中间导洞落后拱部右导洞下台阶15 m，隧道下部左右导洞落后中间导洞15 m。

图3 初期支护拱盖法施工工序

对比图2和图3可以发现，2种工法的主要区别在于开挖下断面时拱部二次初砌是否完成。与二次初砌拱盖法相比，初期支护拱盖法最大的风险在于：二次初砌拱盖法拱部中隔壁的拆除及拱盖二次初砌施作几乎是同时进行的，拱顶初期支护顶只有几米的悬空，而初期支护拱盖法拱部中隔壁的拆除与下台阶的分部开挖同时进行，拱顶初期支护将有几十米甚至几百米的悬空，因此施工风险更高。但这也是初期支护拱盖法的优点所在，充分发挥硬岩的自身承载能力，减少初期支护与二次初砌施工交叉作业，节约人力物力，缩短工期，二次初砌浇筑一次成型，防水质量更加可靠。

下面结合该区间隧道实际情况，分析优化方案的可行性。

3 数值分析

3.1 模型建立及参数确定

由于拱部CD法开挖过程中，各导洞及导洞内上下台阶掌子面存在一定间距，二维模型无法准确反映各工况下地面沉降、围岩应变等的变化情况，因此本文采用三维模型进行分析。本次计算采用MIDAS/NX软件，模型为弹塑性模型，塑性屈服准则选用Mohr-Coulomb准则，地层采用实体单元进行三维模拟。依据地勘报告选取参数，初期支护及中隔壁采用壳单元进行模拟。模型尺寸为50 m(x)×80 m(y)×50 m(z)，计算模型见图4。

图4 计算模型

该区间地层主要为杂填土、强风化花岗斑岩、中风化花岗斑岩和微风化花岗斑岩。岩土体及支护结构物理力学参数依照地勘资料及试验数据确定，见表1。

表1 岩土体及支护结构物理力学参数

3.2 计算结果分析

严格按照图3所示的施工工序进行模拟，选取具有代表性的9个施工工况，对其变形值进行分析。工况1：拱部左上导洞开挖5 m；工况2：拱部左上导洞开挖10 m，左下导洞开挖5 m；工况3：拱部左上导洞开挖20 m，左下导洞开挖15 m，右上导洞开挖5 m；工况4：拱盖左上导洞开挖25 m，左下导洞开挖20 m，右上导洞开挖10 m，右下导洞开挖5 m；工况5：拱部开挖支护完成；工况6：中隔壁拆除9 m；工况7：中隔壁拆除18 m，隧道下部中导洞开挖3 m；工况8：中隔壁拆除完成；工况9：隧道下部开挖完成。

工况9沉降云图见图5。可以看出：地面最大沉降为6.68 mm，拱顶最大沉降为9.73 mm，拱脚最大位移为3.65 mm，均满足规范要求。

图5 工况9沉降云图

地面沉降、拱顶沉降和拱脚位移曲线见图6。可以看出：三者的变化趋势基本一致，并且工况5之前拱顶沉降与地面沉降随着开挖的进行变化较小，从工况5开始沉降急剧增加，曲线斜率明显变大，直至工况8，之后沉降明显变小。工况5到工况8对应的工况是拆除中隔壁，说明保证中隔壁拆除过程的安全是初期支护拱盖法施工的关键。与文献[10]结论相符。

图6 地面沉降、拱顶沉降和拱脚位移曲线

整个开挖过程中初期支护所受最大弯矩(153.7 kN·m)出现在工况9拱顶处。初期支护为350 mm 厚的C25喷射混凝土，经过计算每延米初期支护需要配筋的面积为 1 531 mm2。本工程采用φ22 mm 的HRB格栅钢架，纵向间距0.75 m，实际每延米初期支护配筋面积为 1 901 mm2，因此初期支护满足要求。

图7 工况9围岩等效应变云图

工况9围岩等效应变云图见图7。可以看出：围岩应变在隧道拱部左上导洞、右上导洞上方呈驼峰状分布，拱顶由于有中隔壁支撑围岩应变较小，并且在拱脚处有明显的应力集中。优化方案通过在拱顶设置系统锚杆有效控制了隧道拱部左上导洞、右上导洞上方围岩应变，拱脚处增加锁脚锚杆及拱脚下方3 m增加系统锚杆有效控制了拱脚处围岩应变。

4 现场监测

4.1 测点布设

为了解施工过程中围岩及初期支护的变形情况，布设了监测断面和监测点，其中地面沉降测点间距3～10 m，在拱顶、左右导洞顶部以及仰拱中部布置初期支护位移监测点，在两侧拱脚及中隔壁下端布置水平位移监测点。

4.2 监测结果

根据现场实测数据，绘制地面沉降、拱顶沉降和拱脚位移实测曲线见图8。对比图6和图8可以发现：两者变化趋势及数值大体一致，由此可以验证数值计算的准确性。

图8 地面沉降、拱顶沉降和拱脚位移实测曲线

5 结论

1)采用初期支护拱盖法施工的区间隧道拱顶及地面沉降、初期支护结构受力、围岩应变等指标均满足规范要求，且有一定的安全系数，因此在硬岩地层中扁平大跨区间隧道采用初期支护拱盖法开挖能够满足施工安全的要求。

2)初期支护拱盖法整个施工过程中的最大风险在中隔壁拆除这一环节，因此确定合理的拆撑长度及拆撑过程中加强施工监测尤为重要。

3)在开挖过程中拱脚处围岩存在明显的应力集中现象，因此有必要采取措施加强此处围岩承载力。本工程在拱脚处增设了系统锚杆，效果良好。

4)本工程施工时拱部采用了中隔壁法开挖，满足了施工安全及工期要求，但拱部开挖能否采用工效更优的台阶法开挖，围岩及初期支护受力如何变化，还有待进一步研究。