隱式中墻連拱隧道平行中隔壁工法設(shè)計(jì)與分析

李海軍，張萬斌，王明年

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，重慶 400023；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

隱式中墻連拱隧道平行中隔壁工法設(shè)計(jì)與分析

李海軍1，張萬斌1，王明年2

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，重慶 400023；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

分析連拱隧道工法研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)，結(jié)合隱式中墻復(fù)合式連拱隧道[1-2]結(jié)構(gòu)形式，提出一種新的連拱隧道施工方法—平行中隔壁法，其無需中墻臨時(shí)支護(hù)，預(yù)留巖體保護(hù)中墻，減小對(duì)環(huán)境的影響，大幅提高連拱隧道的施工效率，實(shí)現(xiàn)連拱隧道的快捷施工。對(duì)平行中隔壁法進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與分析，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：平行中隔壁法可保證隱式中墻復(fù)合式連拱隧道施工安全，各上臺(tái)階步序開挖和拆撐為控制豎向變形的關(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是初期支護(hù)的安全控制點(diǎn)。

隱式中墻連拱隧道；施工方法；平行中隔壁法；設(shè)計(jì)；安全分析

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(yíng)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)形式主要有整體式中墻連拱隧道[3]和復(fù)合式中墻連拱隧道[4]。目前連拱隧道工法存在結(jié)構(gòu)線路適應(yīng)性差、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、投資高和防排水效果差和結(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)是連拱隧道的研究和發(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，目前研究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[5-6]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。一些學(xué)者研究了三導(dǎo)洞法[7-10]，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。還有一些學(xué)者研究無中導(dǎo)洞法[11-12]等，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，從而影響隧道防排水效果、結(jié)構(gòu)耐久性和長(zhǎng)期安全性。

2 隱式中墻連拱隧道平行中隔壁法設(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[1-2]，具體結(jié)構(gòu)見圖1。該段淺埋暗挖段長(zhǎng)210 m，隧道圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，埋深3～8 m，基巖為泥巖、砂巖，覆土1～6 m。隱式中墻復(fù)合式連拱隧道設(shè)計(jì)參數(shù)為：中墻采用厚100 cm的CF25鋼纖維混凝土，其余初期支護(hù)采用厚27 cm的 C25噴射混凝土，設(shè)全環(huán)I22a型鋼鋼架，鋼架間距0.5 m，拱墻設(shè)20 cm×20 cm雙層φ8 mm鋼筋網(wǎng)，邊墻采用3.5 m長(zhǎng)φ22 mm砂漿錨桿，二次襯砌為65 cm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(zhǎng)大隧道和城市隧道。結(jié)合該結(jié)構(gòu)形式，提出了一種新的連拱隧道施工方法，即平行中隔壁法，具體設(shè)計(jì)見圖1，圖2。

圖1 隱式中墻復(fù)合式連拱隧道結(jié)構(gòu)和平行中隔壁法

圖2 中墻鋼架連接

平行中隔壁法施工工序如下：

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

(2)開挖左右洞②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)開挖左右洞⑤部，施作⑤部初期支護(hù)；

(6)開挖右洞⑥部，施作⑥部初期支護(hù)；

(7)開挖左洞⑦部，施作⑦部初期支護(hù)；

(8)待變形穩(wěn)定后，拆除⑻部臨時(shí)中墻；

(9)清理基底，整幅灌筑Ⅸ部仰拱襯砌；

(10)仰拱混凝土初凝后，灌筑Ⅹ部仰拱填充；

(11)利用襯砌模板臺(tái)車，一次模筑施作Ⅺ部拱墻二次襯砌。

3 隱式中墻連拱隧道平行中隔壁法優(yōu)缺點(diǎn)分析

針對(duì)中導(dǎo)洞法、三導(dǎo)洞法和平行中隔壁法進(jìn)行了比較分析，具體結(jié)果見表1。其中中導(dǎo)洞法和三導(dǎo)洞法左右洞均采用中隔壁法施工，中導(dǎo)洞法先施工中導(dǎo)洞和中墻，再施工中隔壁法其他步序；三導(dǎo)洞法按中導(dǎo)洞和兩側(cè)上臺(tái)階同步開挖，兩側(cè)下臺(tái)階緊跟，中導(dǎo)洞和中墻完成后，再進(jìn)行中隔壁法其他步序施工。表中施工長(zhǎng)度為210 m，施工進(jìn)度指標(biāo)按單導(dǎo)洞50 m/月考慮，各相鄰步序間臺(tái)階間隔長(zhǎng)度按15 m控制，且不含施工準(zhǔn)備、拆撐、二次襯砌、仰拱填充和站后設(shè)施安裝調(diào)試等；臨時(shí)支護(hù)鋼架按50%重復(fù)利用率考慮。

表1 3種工法比較

從表1可以看出，平行中隔壁法與中導(dǎo)洞法、三導(dǎo)洞法相比，綜合進(jìn)度指標(biāo)分別提高94.5%、77.6%，臨時(shí)支護(hù)材料用量分別減少47.0%、47.0%。

隱式中墻復(fù)合式連拱隧道采用平行中隔壁法施工，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(zhǎng)、大隧道成為可能。平行中隔壁法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)無需專門進(jìn)行中導(dǎo)洞施工中墻，中墻與先開挖隧道同步開挖和施作，可減少施工步序；

(2)左、右雙洞可同時(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)左隧道的臨近中墻的下臺(tái)階最后開挖，作為預(yù)留保護(hù)中墻的巖體，保證結(jié)構(gòu)體系的施工安全性；

(4)可大幅縮短工期，減少對(duì)環(huán)境的影響時(shí)間，以利于環(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，節(jié)約投資；

(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(zhǎng)期安全性。

4 隱式中墻連拱隧道平行中隔壁法施工安全性分析

為了研究平行中隔壁法對(duì)隧道變形和安全性的影響，采用有限元軟件進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，計(jì)算參數(shù)見文獻(xiàn)[1]，模擬施工過程按照第2節(jié)的施工步序和圖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1步模擬，且不含施作襯砌和仰拱填充。拱頂最大沉降量和最大地表沉降量模擬結(jié)果見圖3。

圖3 平行中壁法隧道變形模擬結(jié)果

從圖3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)值均較小；

(2)各上臺(tái)階開挖和拆撐時(shí)最大拱頂沉降量和最大地表沉降量增加相對(duì)較多，左、右洞①部開挖時(shí)豎向變形量約占總變形量的40%，左、右洞⑤部開挖約占總變形量的24%，拆撐(8)部約占總變形量的19%。

初期支護(hù)各部位內(nèi)力模擬結(jié)果見表2，按C25噴射素混凝土檢算安全見表2。

表2 各部位內(nèi)力和安全系數(shù)

從表2中可以看出：

(1)初期支護(hù)各部位安全系數(shù)均大于1，平行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。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合隱式中墻復(fù)合式連拱隧道結(jié)構(gòu)形式，提出了一種新的連拱隧道施工方法，即平行中隔壁法。

(2)平行中隔壁法無需中墻臨時(shí)支護(hù)，預(yù)留巖體保護(hù)，可保證結(jié)構(gòu)施工安全。

(3)平行中隔壁法盡可能減小了中墻對(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，減少對(duì)環(huán)境的影響。

(4)各上臺(tái)階步序開挖和拆撐為控制隧道豎向變形的關(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)和保證質(zhì)量。

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Design and Analysis of Parallel Temporary Middle Wall Method for Double-arch Tunnel with Concealed Center Wall

LI Hai-jun1， ZHANG Wan-bin1， WANG Ming-nian2

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chongqing 400015， China;2.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Based on the analysis of current construction method and trend of double-arch tunnel， this paper presents a new construction method for a double-arch tunnel with concealed center wall， namely parallel temporary middle wall method， in which no temporary support of middle wall is provided and rock protection middle wall is reserved to reduce the impact on the environment， greatly improve construction efficiency and achieves fast construction of double-arch tunnel. This method is put into design and analysis with numerical simulation. The results show that the parallel temporary middle wall method ensures construction safety of a double-arch tunnel with concealed center wall， and the upper step excavation and support removing are the key processes for vertical deformation control， and the junction of left hole arch waist and middle wall， and the junction of l left hole invert and middle wall are the key points to the safety of preliminary lining.

Double-arch tunnel with concealed center wall; Construction method; Parallel temporary middle wall method; Design; Safety analysis

2014-12-23

中國中鐵股份有限公司重點(diǎn)科技開發(fā)計(jì)劃(引導(dǎo)-40-2011)；重慶市應(yīng)用開發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(cstc2014yykfB30003)

李海軍(1980—)，男，工程師，E-mail：448138343@qq.com。

1004-2954(2015)09-0118-03

U455.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.026