三聯(lián)拱黃土隧道施工方案及力學(xué)特性研究

史軍強

（山西省公路工程監(jiān)理技術(shù)咨詢公司，山西 太原 030006）

近年來，隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展，地鐵逐步成為國內(nèi)大中城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，且隨著地鐵線路的不斷增多，普通的單洞斷面區(qū)間隧道已難以滿足，需要建設(shè)大量的聯(lián)絡(luò)線、渡線以滿足其需求，因此以三聯(lián)拱隧道為代表的復(fù)雜斷面結(jié)構(gòu)型式越來越多。由于三聯(lián)拱隧道具有斷面較大、施工工序多、受力體系復(fù)雜等特點，尤其在城市繁華地段施作三聯(lián)拱隧道時，伴隨有施工風(fēng)險大、技術(shù)難度高等特點[1-3]。在黃土地區(qū)城市地鐵建設(shè)過程中，黃土特殊的工程性質(zhì)又進(jìn)一步增加了其施工難度、風(fēng)險。以某三聯(lián)拱黃土隧道斷面為例，結(jié)合其工程地質(zhì)情況，研究其施工方案，并利用數(shù)值模擬分析三聯(lián)拱黃土隧道力學(xué)特性，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

某地鐵區(qū)間隧道單渡線從地鐵隧道左線（斷面里程K17+028.5）開始，與隧道右線（斷面里程K17+167.3）相接。單渡線隧道全長138.8 m，渡線區(qū)分折返線、正線隧道合建，單渡線采用三聯(lián)拱隧道斷面型式，其具體情況如圖1所示。

該隧址區(qū)位于黃土梁洼區(qū)，地表分布有厚度不等的全新統(tǒng)人工填土（Q4ml），其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積（Q3eol）新黃土及殘積（Q31el）古土壤；古土壤下部在黃土梁區(qū)為中更新統(tǒng)風(fēng)積（Q2eol）老黃土、殘積（Q2el）古土壤及沖積（Q2al）粉質(zhì)黏土、砂土等，其物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

圖1 三聯(lián)拱隧道橫斷面圖

表1 大有山隧道土體參數(shù)表

2 三聯(lián)拱黃土隧道施工方案

2.1 雙側(cè)洞法簡介

在三聯(lián)拱黃土隧道施工方法中，雙側(cè)洞法應(yīng)用最為廣泛[4-5]，其將隧道斷面分為3部分，即左右側(cè)洞和中洞，并利用CRD法分別開挖。該技術(shù)優(yōu)勢在于利用側(cè)洞、中洞分塊開挖，分塊施作襯砌，當(dāng)兩側(cè)洞具備相應(yīng)條件時盡快封閉成環(huán)，從而充分利用兩側(cè)洞承受圍巖壓力，最大限度發(fā)揮二襯支護(hù)作用，減小隧道施工引起的地表沉降。同時，可利用超前小導(dǎo)管、管棚對掌子面前方土體進(jìn)行加固，并間隔拆除臨時支護(hù)，從而有效提高施工安全系數(shù)[6-7]。

按照施工先后順序，雙側(cè)洞法施工流程可分為以下幾個步驟：

a）在掌子面拱頂部位施作超前小導(dǎo)管，其導(dǎo)管長為5 m，環(huán)向間距0.3 m，縱向疊合長度2 m。

b）按照圖2所示的順序，采用CRD法對右側(cè)洞進(jìn)行開挖，開挖完成后，及時利用初期支護(hù)進(jìn)行封閉成環(huán)，待其變形穩(wěn)定后，間隔拆除側(cè)洞內(nèi)的臨時支護(hù)，一次拆除長度不應(yīng)大于3 m。

c）施作右側(cè)洞仰拱，其采用C30混凝土進(jìn)行澆注，其施工縫處應(yīng)預(yù)留結(jié)構(gòu)防水層；全面鋪設(shè)防水板，其次安裝模板，澆注拱部二次襯砌混凝土。

d）重復(fù)上述a～c步驟，對左側(cè)洞進(jìn)行開挖及內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)的施作。

e）待兩側(cè)洞襯砌混凝土達(dá)到90%設(shè)計強度后，按照圖2中9～12的順序開挖中洞，并及時施作初期支護(hù)，盡快封閉成環(huán)。

f）中洞全部施工完成后，間隔5 m拆除中洞臨時支護(hù)，每次拆除長度不大于3 m。

g）施作中洞仰拱，其采用C30混凝土進(jìn)行澆注；全面鋪設(shè)防水板，安裝模板，澆注中洞拱部二次襯砌混凝土。

h）待二襯混凝土達(dá)到設(shè)計強度后，拆除模板支架體系，形成三聯(lián)拱結(jié)構(gòu)。

圖2 雙側(cè)洞法施工步序示意圖

2.2 雙側(cè)洞法重要工序的施工方法

在上述施工步驟中，重點工序決定了整體工程的成敗，因此應(yīng)針對重點工序進(jìn)行全面監(jiān)控，嚴(yán)格把控，以下為部分重要工序的具體施工方法。

2.2.1 左右側(cè)洞開挖

左右側(cè)洞采用CRD法開挖，利用臨時支護(hù)將開挖斷面分為4部分，在各部分開挖過程中應(yīng)采用臺階法，其中各部之間臺階長5 m，循環(huán)進(jìn)尺0.6 m。側(cè)洞具體施工步驟為：

a）施作超前小導(dǎo)管，進(jìn)行預(yù)注漿。

b）開挖右側(cè)導(dǎo)坑上臺階①，并預(yù)留核心土，施作初期支護(hù)及臨時仰拱。

c）開挖右側(cè)導(dǎo)坑下臺階②，施作初期支護(hù)及側(cè)壁臨時支護(hù)。

d）參照上述步驟，開挖③～⑧部分。為避免群洞效應(yīng)，③部分和⑤部分應(yīng)間隔10 m開挖。

2.2.2 中洞開挖

待左右側(cè)洞襯砌強度達(dá)到設(shè)計強度后，進(jìn)行中洞開挖，其施工步驟如下：

a）施作超前小導(dǎo)管，進(jìn)行預(yù)注漿。

b）開挖右側(cè)導(dǎo)坑上臺階⑨，并預(yù)留核心土，施作初期支護(hù)及臨時仰拱。

c）開挖右側(cè)導(dǎo)坑下臺階⑩，施作初期支護(hù)及側(cè)壁臨時支護(hù)。

d）開挖左右側(cè)導(dǎo)坑下臺階。

2.2.3 超前小導(dǎo)管施作

為保證該地鐵隧道掌子面的穩(wěn)定，控制其地表沉降量，減小隧道施工對地表建筑物的影響，應(yīng)采用超前支護(hù)法對掌子面圍巖進(jìn)行超前加固。針對本項目中的黃土地層，采用長度為5 m，直徑為42 mm長的導(dǎo)管，首先利用風(fēng)鉆成孔，再利用風(fēng)鎬將小導(dǎo)管頂進(jìn)，最后進(jìn)行超前注漿作業(yè)。

2.2.4 臨時支護(hù)的間隔拆除

為減小臨時支護(hù)的拆除對已穩(wěn)定隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不良影響，應(yīng)采用間隔拆除法，即將連續(xù)的隧道臨時支護(hù)沿縱向分成若干段，根據(jù)本項目的地質(zhì)情況、支護(hù)結(jié)構(gòu)情況，間隔拆除的每段應(yīng)不大于3 m。首先，拆除拱部臨時中隔墻，沿縱向開槽，鑿除混凝土；其次，對其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，如6 d內(nèi)結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，可繼續(xù)拆除鋼筋格柵及臨時仰拱上方的臨時中隔墻，若監(jiān)測發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，應(yīng)增設(shè)臨時豎撐，繼續(xù)維持支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3 三聯(lián)拱黃土隧道力學(xué)特性

利用大型有限元軟件建模分析三聯(lián)拱黃土隧道力學(xué)特性，首先應(yīng)假設(shè)該計算模型符合彈塑性理論，隧道圍巖變形是各向同性的，該模型分析為平面應(yīng)變問題[8]。在邊界條件方面，水平方向取兩倍的隧道凈寬，模型底部取至仰拱下30 m的范圍，模型上方取地表實際情況，該隧道模型襯砌結(jié)構(gòu)型式如圖3所示。

圖3 三聯(lián)拱黃土隧道模型

在圖3隧道模型中，初期支護(hù)采用梁單元（Beam3）模擬，二次襯砌及圍巖采用二維平面單元（Plane42）模擬。假定初期支護(hù)與二次襯砌荷載分擔(dān)比為60%、40%，按照上述施工步驟，逐項進(jìn)行工序模擬，所得二次襯砌施作完成后的軸力圖和彎矩圖如圖4、圖5所示。

圖4 三聯(lián)拱黃土隧道初期支護(hù)軸力圖（單位：N）

圖5 三聯(lián)拱黃土隧道初期支護(hù)彎矩圖（單位：N·m）

從圖4中可以看出，左右側(cè)洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力呈對稱狀分布，在左右洞中隔墻底部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，最大值為791 kN，因此在施工過程中，應(yīng)對該處初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強。在隧道左右洞及中洞的拱頂部位，由于此處支護(hù)結(jié)構(gòu)對圍巖變形的抑制起主要作用，因此在該處產(chǎn)生較大壓應(yīng)力，最大值為388 kN。在中洞靠近左、右側(cè)洞中隔墻部位和左、右側(cè)洞仰拱部位初期支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力最大，為536 kN。右側(cè)洞中隔墻底部受力略大于左側(cè)洞中隔墻，其主要原因與左、右側(cè)洞中隔墻的施工順序有關(guān)。

從圖5中可以看出，左右側(cè)洞彎矩值基本呈對稱狀態(tài)，右側(cè)洞彎矩值略大于左側(cè)洞彎矩值。在左右側(cè)洞及中洞拱頂、仰拱部位，初期支護(hù)承受較大的彎矩值，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在中洞仰拱處，其值為108 N·m，在施工過程中應(yīng)加強此處的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)強度。初期支護(hù)左右側(cè)洞拱肩部位承受較大負(fù)彎矩，為避免此處初期支護(hù)應(yīng)力集中，減小其彎矩值，因此應(yīng)盡量使該處曲線平滑。

4 結(jié)論

依托某地鐵區(qū)間隧道單渡線三聯(lián)拱黃土隧道作為工程案例，結(jié)合其工程地質(zhì)情況，研究其施工方案，并利用數(shù)值模擬分析三聯(lián)拱黃土隧道力學(xué)特性，得出以下幾點結(jié)論：

a）三聯(lián)拱黃土隧道宜采用雙側(cè)洞法進(jìn)行開挖，在開挖過程中，應(yīng)重點注意超前小導(dǎo)管施作及臨時支護(hù)的間隔拆除，從而保證隧道掌子面的穩(wěn)定，控制其地表沉降量，減小隧道施工對地表建筑物的影響。

b）利用數(shù)值模擬分析初期支護(hù)軸力情況后可知，左右洞中隔墻底部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，隧道左右洞及中洞的拱頂部位產(chǎn)生較大壓應(yīng)力。受施工順序影響，右側(cè)洞中隔墻底部應(yīng)力略大于左側(cè)洞中隔墻底部應(yīng)力。

c）利用數(shù)值模擬分析初期支護(hù)彎矩情況后可知，左右側(cè)洞彎矩值基本呈對稱狀態(tài)，右側(cè)洞彎矩值略大于左側(cè)洞彎矩值。中洞仰拱部位承受較大的負(fù)彎矩值，同時初期支護(hù)左右側(cè)洞拱肩部位負(fù)彎矩也較大，為避免此處初期支護(hù)應(yīng)力集中，因此應(yīng)盡量使該處曲線平滑。