隱式中墻連拱隧道工法探討

李海軍, 王明年, 張萬斌

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 重慶　400023； 2. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都　610031)

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隱式中墻連拱隧道工法探討

李海軍1, 王明年2, 張萬斌1

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 重慶400023； 2. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都610031)

摘要：為了選擇合理的施工方案，針對隱式中墻復合式連拱隧道，對多種施工方案進行了數(shù)值模擬。分析結(jié)果表明： 在多種施工方案條件下,隱式中墻復合式連拱隧道結(jié)構(gòu)均能保證施工安全；對稱中隔壁法和平行中隔壁法在結(jié)構(gòu)安全和變形控制上較為有利。平行中隔壁法中的主輔洞間隔、同步并行施工方案是最經(jīng)濟、最快捷、最環(huán)保的方案，其綜合進度指標比普通中導洞法提高107%，比三導洞法提高79%，可大幅提高連拱隧道的施工效率。上臺階開挖和拆撐為控制變形的關(guān)鍵工序，輔洞拱部與中墻搭接處、輔洞仰拱與中墻搭接處為結(jié)構(gòu)安全控制部位。

關(guān)鍵詞：連拱隧道； 隱式中墻； 工法比選； 平行中隔墻法

0引言

中墻是連拱隧道[1-2]施工的關(guān)鍵，中導洞法[3]是連拱隧道最早采用和應用最多的方法。中墻與兩側(cè)隧道結(jié)構(gòu)相連，嚴重影響了其他步序的施工，造成中導洞法施工效率很低，為此，國內(nèi)外學者做了大量的研究來提高連拱隧道的施工效率。在相關(guān)研究中: 魏建華等[4]通過研究三導洞法提高了連拱隧道的施工效率；丁文其等[5]從施工工序與施工力學角度對淺埋條件下的三導洞法進行了優(yōu)化分析；李二兵等[6]提出了控制大變形的工程措施；朱正國等[7]對淺埋偏壓條件下的三導洞法進行了優(yōu)化和分析。

三導洞法一定程度地提高了連拱隧道的施工效率，但是存在中墻臨時支護，沒有從根本上解決中墻施工對兩洞施工的影響。無中導洞法一般也存在中墻臨時支護，利用先開挖隧道強大的二次襯砌去抵抗后開挖隧道施工時的圍巖荷載釋放，先開挖隧道二次襯砌經(jīng)歷多次應力狀態(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。

隱式中墻復合式連拱隧道的中墻隱藏于先開挖側(cè)隧道，無需專門進行中導洞開挖和中墻開挖的臨時支護，中墻與先開挖隧道同步開挖和施作，中墻施工不對整個連拱隧道施工造成干擾，可大幅提高連拱隧道的施工效率[8-10]。隱式中墻復合式連拱隧道在雙洞初期支護完成后再施作兩洞的獨立防水系統(tǒng)和二次襯砌結(jié)構(gòu)，使其具有良好的襯砌防水效果和耐久性。與傳統(tǒng)連拱隧道相比，隱式中墻復合式連拱隧道結(jié)構(gòu)可節(jié)約投資，具有良好的防水系統(tǒng)、施工安全性、結(jié)構(gòu)耐久性和長期安全性。

1工程概況

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，為遠離周邊房屋，保證地面交通疏解和線路的順直性，隧道設計為隱式中墻復合式連拱隧道，具體結(jié)構(gòu)見圖1。采用淺埋暗挖施工，暗挖段長度170 m，隧道圍巖級別為Ⅴ級，埋深3～8 m，基巖為泥巖、砂巖，覆土1～5 m。結(jié)構(gòu)和巖土物理力學參數(shù)見表1。隱式中墻復合式連拱隧道的設計參數(shù)為： 初期支護采用厚27 cm的 C25噴射混凝土(中墻部分為鋼纖維混凝土)，設全環(huán)I22a型鋼鋼架，鋼架間距0.5 m，拱墻設20 cm×20 cm雙層φ8鋼筋網(wǎng)，邊墻采用3.5 m長φ22砂漿錨桿，二次襯砌為65 cm厚C35鋼筋混凝土。

圖1　隱式中墻復合式連拱隧道結(jié)構(gòu)設計圖

類別重度/(kN/m3)變形模量/GPa泊松比黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)面層土層180.60.40.01518中風化巖層231.00.370.230圍巖加固圈242.00.330.435初期支護2527.00.2臨時支護2527.00.2

2隱式中墻復合式連拱隧道工法分析

為了研究隱式中墻復合式連拱隧道開挖順序?qū)Y(jié)構(gòu)變形和施工安全性的影響，應選擇安全快捷、經(jīng)濟合理的施工方案。本文針對雙臺階法、對稱中隔壁法和平行中隔壁法進行了模擬分析，具體開挖步序見圖2。圖2中，(a)為雙臺階法，(b)為對稱中隔壁法，(c)～(f)為平行中隔壁法，1—8為各部開挖和支護，(5)和(9)為中隔壁拆撐，Ⅴ、Ⅹ為施作仰拱和仰拱填充，Ⅵ、Ⅺ為施作拱墻二次襯砌。模擬結(jié)果見表2。表2中a～f對應為圖2中的各施工方案，不含施作襯砌和仰拱填充。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

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

根據(jù)隧道設計資料，隧道洞身所處地層均為Ⅴ級圍巖，計算模擬范圍為水平方向隧道外邊緣到模型邊界大于3倍開挖跨度，隧道底部距模型下邊界大于3倍開挖高度。計算時圍巖巖體按彈塑性材料考慮，并服從Mohr-Coulomb屈服準則，隧道支護結(jié)構(gòu)按彈性材料考慮，其彈性模量E按噴射混凝土和鋼架截面面積折算，彈性模量E的折算公式為E=(EsAs+EcAc)/A。其中：Es、Ec分別為噴射混凝土和鋼材彈性模量；As、Ac分別為噴射混凝土和鋼架截面積；A為截面總面積，A=As+Ac。

隧道圍巖、初期支護和臨時支護均采用三維四面體四節(jié)點實體單元，模型的邊界條件通過限制模型4個側(cè)面和底面法向的位移來實現(xiàn)，計算荷載包括地層、隧道結(jié)構(gòu)自重、房屋荷載和地表車輛荷載。地表車輛荷載通過在路面施加壓力來體現(xiàn),路面車輛荷載按20 kPa考慮，房屋荷載按20 kPa/層考慮。模擬結(jié)果見表2。

表2　各施工方案模擬結(jié)果

從表2可以看出：

1)各方案施工后，初期支護第一主應力均未超過C25噴射混凝土抗拉極限強度2.0MPa，第三主應力值均未超過C25混凝土抗壓極限強度19.0MPa,各方案均能保證施工安全。

2)雙臺階法的最大拱頂沉降和最大地表沉降最大，約為對稱中隔壁法和平行中隔壁法的2倍，對稱中隔壁法和平行中隔壁法更有利于控制結(jié)構(gòu)變形和地面沉降。

3)對稱中隔壁法和平行中隔壁法各方案施工后，初期支護內(nèi)力、最大拱頂沉降和最大地表沉降總體上差異不大。

4)平行中隔壁法c方案施工后，初期支護內(nèi)力、最大拱頂沉降和最大地表沉降均最小，從保證施工安全和環(huán)境角度來說，是最為有利的方案，但相對于其他平行中隔壁法和對稱中壁法來說，優(yōu)勢并不明顯。

結(jié)合普通復合式中墻連拱隧道常用的中導洞法和三導洞法與本文分析的雙臺階法(a方案)、對稱中隔壁法(b方案)和平行中隔壁法(c～f方案)，從施工進度指標、土石方開挖量、臨時材料數(shù)量等方面進行比較，比較結(jié)果見表3。中導洞法先施工中導洞和中墻，再施工中隔壁法其他步序。三導洞法按中導洞和兩側(cè)上臺階同步開挖，兩側(cè)下臺階緊跟，中導洞和中墻完成后，再進行中隔壁法其他步序施工。表3中施工長度為170m，施工進度指標按單導洞50m/月考慮，各相鄰步序間臺階間隔長度按15m控制，綜合進度指標指暗挖段的長度除以施工總工期(不含施工準備、拆撐、二次襯砌、仰拱填充和站后相關(guān)設施安裝調(diào)試等)，按一般經(jīng)驗和設計文件，臨時支護鋼架按50%重復利用率考慮。

表3　各施工方案比較

從表3可以看出：

1)隱式中墻復合式連拱隧道比普通復合式中墻連拱隧道少開挖土石約2.6%。

2)普通復合式中墻連拱隧道的臨時支護材料用量約為隱式中墻復合式連拱隧道的1.90倍，隱式中墻復合式連拱隧道可大幅減少臨時支護材料的用量。

3)施工效率最高的方案為平行中隔壁法f方案，其綜合進度指標為普通復合式中墻連拱隧道中導洞法的2.07倍，三導洞法的1.79倍，對稱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華區(qū)，周邊高樓林立，影響因素眾多，在保證施工安全和結(jié)構(gòu)安全的前提下，為減小對周邊環(huán)境的影響和節(jié)約投資，選擇平行中隔壁法f方案，即主輔洞間隔、同步并行掘進方案，比普通復合式中墻連拱隧道減少土石開挖量，大幅減少臨時支護材料的用量，縮短工期，節(jié)約投資，減少對環(huán)境和居民的影響。

3平行中隔壁法關(guān)鍵工序和關(guān)鍵部位

針對最大拱頂沉降量和最大地表沉降量，平行中隔壁法f方案模擬結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，豎向變形量隨開挖步序變化趨勢大體相同，各上臺階開挖和拆撐時最大拱頂沉降量和最大地表沉降量較大，因此，各上臺階開挖和拆撐為關(guān)鍵工序。

施工后初期支護各關(guān)鍵截面安全系數(shù)模擬結(jié)果見表4(其中，各截面位置見圖1)。

圖3　f方案模擬結(jié)果

截面號初期支護混凝土安全系數(shù)A7.4B2.7C3.3D2.2截面號初期支護混凝土安全系數(shù)E1.7F5.5G1.7p.0

從表4可以看出，初期支護安全系數(shù)較小的位置為E和G截面，分別為輔洞拱部與中墻搭接處、輔洞仰拱與中墻搭接處，這2個部位為結(jié)構(gòu)安全關(guān)鍵控制部位。

4結(jié)論與討論

1)隱式中墻復合式連拱隧道對稱中隔壁法和平行中隔壁法在結(jié)構(gòu)安全和變形控制上均比雙臺階法有利，對稱中隔壁法和平行中隔壁法各方案施工后初期支護內(nèi)力和變形差異不大。

2)平行中隔壁法無需中墻臨時支護，可大幅減小臨時支護用量。平行中隔壁法主輔洞間隔、同步并行掘進方案的綜合進度指標比普通復合式中墻連拱隧道中導洞法提高107%，比三導洞法提高79%，可大幅提高連拱隧道的施工效率，實現(xiàn)連拱隧道的快捷施工。

3)各上臺階開挖和拆撐為控制變形的關(guān)鍵工序，施工時應注意及時支護，以減小隧道變形。輔洞拱部與中墻搭接處、輔洞仰拱與中墻搭接處為結(jié)構(gòu)安全控制部位，應保證該部位的施工質(zhì)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

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2015)12-1271-04

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

作者簡介：第一 李海軍(1980—)，男，四川岳池人，2009年畢業(yè)于西南交通大學，橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事地下和隧道工程設計與研究工作。

基金項目：中國中鐵重點科技開發(fā)計劃(2011年度引導40)； 重慶市應用開發(fā)計劃重點項目(cstc2014yykfB30003)

收稿日期：2015-03-05; 修回日期: 2015-07-07