隱式中墻連拱隧道對(duì)稱中隔壁工法設(shè)計(jì)與分析

李海軍

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，重慶 400023)

0 引言

對(duì)于城市地下工程而言，連拱隧道對(duì)于有效利用寶貴的地下空間、減小對(duì)環(huán)境和居民的影響、改善線路順直性、隧道運(yùn)營舒適性、節(jié)約工程投資有著重要意義。目前國內(nèi)外連拱隧道采用的結(jié)構(gòu)型式主要有整體式中墻連拱隧道[2]和復(fù)合式中墻連拱隧道[3]。目前連拱隧道工法存在施工工藝復(fù)雜、施工難度大、施工效率低、中墻臨時(shí)支護(hù)材料浪費(fèi)多、中墻臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí)安全隱患大、投資高、防排水效果差和結(jié)構(gòu)耐久性差等問題，目前一般用于短隧，嚴(yán)重制約了連拱隧道的廣泛應(yīng)用。優(yōu)化中墻結(jié)構(gòu)，采用合理工序，提高施工效率，減少臨時(shí)支護(hù)是連拱隧道研究和發(fā)展的一個(gè)重要方向。

1 連拱隧道施工工法研究現(xiàn)狀

由于中墻的存在，中墻成為連拱隧道施工的關(guān)鍵，目前的施工方法可以分為中導(dǎo)洞法、三導(dǎo)洞法、無中導(dǎo)洞法和前三類的擴(kuò)展方法，且向無中導(dǎo)洞法轉(zhuǎn)化。

中導(dǎo)洞法[4]是連拱隧道最早采用和應(yīng)用最多的方法，也是研究最多的方法。由于中墻與兩側(cè)隧道結(jié)構(gòu)相連，中導(dǎo)洞法在臨時(shí)支護(hù)保護(hù)下，先開挖中墻部分，施作中墻結(jié)構(gòu)后，再進(jìn)行其他步序的開挖。中導(dǎo)洞法中墻施工造成其他步序開挖嚴(yán)重滯后，造成施工效率非常低。

國內(nèi)外廣大技術(shù)人員研究了很多改進(jìn)的施工方法以提高連拱隧道的施工效率。魏建華[5]等研究了三導(dǎo)洞法。三導(dǎo)洞法的兩側(cè)導(dǎo)洞與中導(dǎo)洞同步開挖，一定程度提高了連拱隧道的施工效率，但中導(dǎo)洞相鄰步序開挖仍然需要在中墻結(jié)構(gòu)施工后才能開挖，沒有從根本上解決中墻施工對(duì)連拱隧道施工效率的影響。

賴金星[6]等研究無中導(dǎo)洞法，在施工先開挖隧道時(shí)將中墻同步施工，再施工先開挖隧道二次襯砌，最后施工后開挖隧道。這些方法沒有專門施工中墻的中導(dǎo)洞，減小了中墻施工對(duì)其他步序施工的影響。但這些方法均考慮先開挖側(cè)隧道二次襯砌施工后才能進(jìn)行另一側(cè)隧道開挖，施工效率較低；同時(shí)靠先開挖側(cè)二次襯砌的強(qiáng)剛度抵抗后開挖側(cè)隧道施工帶來的圍巖荷載釋放，這造成了先開挖側(cè)隧道二次襯砌經(jīng)歷多次應(yīng)力狀態(tài)，易破壞防水系統(tǒng)和造成二次襯砌開裂，從而影響防排水效果、結(jié)構(gòu)耐久性和長期安全性。

2 隱式中墻連拱隧道對(duì)稱中隔壁法設(shè)計(jì)

某城市樞紐綜合改造工程位于城市繁華區(qū)道路下方，周邊高樓林立，可利用空間狹窄，為遠(yuǎn)離周邊房屋，保證地面交通疏解和線路的順直性，隧道設(shè)計(jì)為隱式中墻復(fù)合式連拱隧道[1]，具體結(jié)構(gòu)見圖1。該段淺埋暗挖段長210m，隧道圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，埋深約3～8m，基巖為泥巖、砂巖，覆土1～6m。隱式中墻復(fù)合式連拱隧道設(shè)計(jì)參數(shù)為：初期支護(hù)采用厚27cm的 C25噴射混凝土（中墻部分為鋼纖維混凝土），設(shè)全環(huán)工22a型鋼鋼架，鋼架間距0.5m，拱墻設(shè)20cm×20cm雙層Φ8鋼筋網(wǎng)，邊墻采用3.5m長Φ22砂漿錨桿，二次襯砌為65cm厚C35鋼筋混凝土。

為了解決連拱隧道防排水效果差、結(jié)構(gòu)耐久性差和施工效率低的問題，隱式中墻復(fù)合式連拱隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)和完整獨(dú)立防排水系統(tǒng)，中墻異化于先行洞初期支護(hù)中，可適用于長大隧道和城市隧道。結(jié)合該結(jié)構(gòu)型式，提出了一種新的連拱隧道施工方法，即對(duì)稱中隔壁法，具體設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 隱式中墻復(fù)合式連拱隧道結(jié)構(gòu)和對(duì)稱中隔壁法

對(duì)稱中隔壁法施工工序如下：

（1）利用上一循環(huán)支護(hù)，開挖右洞①部，施作①部初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

（2）開挖右洞②部，施作②部初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

（3）架設(shè)③部中墻鋼架，即圖1中陰影部分鋼架；

（4）澆筑④部中墻混凝土，即圖1中陰影部分；

（5）開挖左洞⑤部，施作⑤部初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

（6）開挖右洞⑥部，施作⑥部初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

（7）開挖左右洞⑦部，施作⑦部初期支護(hù)；

（8）開挖左右洞⑧部，施作⑧部初期支護(hù)；

（9）待變形穩(wěn)定后，拆除⑼部臨時(shí)中墻；

（10）清理基底，鋪設(shè)仰拱及邊墻下部防水板，整幅灌注Ⅹ部仰拱襯砌；

（11）仰拱混凝土初凝后，灌注Ⅺ部仰拱填充；

（12）清理初期支護(hù)基面和基座表面，鋪設(shè)縱、環(huán)向和橫向排水系統(tǒng)，鋪設(shè)防水卷材，利用襯砌模板臺(tái)車，一次模筑施作Ⅻ部拱墻二次襯砌。

隱式中墻復(fù)合式連拱隧道采用對(duì)稱中隔壁法施工，打破了連拱隧道僅適用于短隧道的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了連拱隧道的快捷施工，使連拱隧道應(yīng)用于長、大隧道成為可能。對(duì)稱中隔壁法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）中墻與右隧左導(dǎo)坑同步開挖，無需專門開辟中導(dǎo)洞進(jìn)行中墻施工，可減少施工步序；

（2）中墻與先開挖隧道同步開挖和施作，左右洞兩側(cè)導(dǎo)洞可同時(shí)開挖，盡可能減小了中墻施工對(duì)其他步序的影響，大幅提高連拱隧道施工效率；

（3）連拱隧道按從中間后兩側(cè)逐漸開挖，圍巖應(yīng)力逐步釋放，減小應(yīng)力突變，有利于結(jié)構(gòu)體系安全；

（4）可大幅縮短工期，減少對(duì)城市環(huán)境的影響時(shí)間，有利于環(huán)境保護(hù)；

（5）無施工中墻的臨時(shí)支護(hù)，可大幅減少臨時(shí)支護(hù)用量，降低工程造價(jià)；

（6）雙洞初期支護(hù)完成后，再施作兩洞的獨(dú)立防水系統(tǒng)，二次襯砌具有良好的防水效果；

（7）雙洞初期支護(hù)完成后施作二次襯砌，二次襯砌不經(jīng)歷多次應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)具有較好的耐久性和長期安全性。

3 隱式中墻連拱隧道對(duì)稱中隔壁法安全分析

為了研究隱式中墻復(fù)合式連拱隧道對(duì)稱中隔壁法對(duì)隧道變形和安全性的影響，進(jìn)行了數(shù)值模擬，拱頂最大沉降量和最大地表沉降量模擬結(jié)果見圖2，對(duì)應(yīng)施工步序同圖1，其中第③部架立中墻鋼架和第④部澆筑中墻混凝土合為第④部，且不含施作襯砌和仰拱填充。

圖2 對(duì)稱中隔壁法隧道變形模擬結(jié)果

從圖2中可以看出：

（1）左右洞拱頂最大沉降量和最大地表沉降量隨開挖步序變化趨勢(shì)大體相同，且累計(jì)值均較?。?/p>

（2）各上臺(tái)階開挖和拆撐時(shí)對(duì)應(yīng)隧道的最大拱頂沉降量和最大地表沉降量增加相對(duì)較多，左洞⑤、右洞①部開挖時(shí)豎向變形量約占總變形量的40.0%～43.1%，左、右洞⑦部開挖約占總變形量的23.9%～25.3%，拆撐（9）部約占總變形量的18.6%～19.8%。各上臺(tái)階開挖和拆撐造成的豎向變形量約占總的豎向變形量的85%左右。

初期支護(hù)各部位安全系數(shù)模擬結(jié)果見表1。

表1 各部位安全系數(shù)

從表1中可以看出：

（1）初期支護(hù)各部位安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，對(duì)稱中隔壁法能夠保證隱式中墻復(fù)合式連拱隧道施工安全；

（2）左洞拱腰與中墻連接處和左洞仰拱與中墻連接處初期支護(hù)安全系數(shù)最小，為薄弱環(huán)節(jié)，施工時(shí)應(yīng)注意有效連接和質(zhì)量控制；

（3）各上臺(tái)階開挖是應(yīng)注意變形控制，確保鋼架和噴混凝土落在穩(wěn)定的基巖上；

（4）施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，特別是左洞拱腰與中墻連接處和左洞仰拱與中墻連接處的監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)進(jìn)行處理。

4 結(jié)論

（1）對(duì)稱中隔壁法無需中墻臨時(shí)支護(hù)，從中間向兩側(cè)逐漸開挖，圍巖應(yīng)力逐步釋放，減小應(yīng)力突變，有利于結(jié)構(gòu)體系安全。

（2）對(duì)稱中隔壁法一定程度上減小了中墻對(duì)其他施工步序的影響，大幅提高連拱隧道施工效率，實(shí)現(xiàn)了連拱隧道的快捷施工，減小對(duì)環(huán)境的影響。

（3）各上臺(tái)階步序開挖和拆撐為控制對(duì)應(yīng)隧道豎向變形的關(guān)鍵工序，左洞拱腰與中墻連接處和左洞仰拱與中墻連接處為初期支護(hù)薄弱環(huán)節(jié)，施工時(shí)應(yīng)注意及時(shí)支護(hù)和保證施工質(zhì)量。

[1]張萬斌,李海軍,王明年.噴筑隱式異型中墻復(fù)合式連拱隧道的設(shè)計(jì)分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013(12):147-151.

[2]時(shí)亞昕,王明年,李強(qiáng).深埋連拱隧道兩種中墻的施工力學(xué)行為分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006(06):1-5.

[3]李德宏,金文星.復(fù)合式中墻連拱隧道設(shè)計(jì)施工分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007(12):55-61.

[4]蘇江川.羅漢山雙向八車道連拱隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009(02):22-28.

[5]魏建華,李亞利.高速公路雙連拱隧道三導(dǎo)洞施工技術(shù)研究[J].西部探礦工程，2008(10):186-188.

[6]賴金星,謝永利,李華.連拱隧道無中導(dǎo)洞施工技術(shù)探討[J].鐵道建筑，2006（04）:34-35.