隐式中墙连拱隧道平行中隔壁工法设计与分析

李海军，张万斌，王明年

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，重庆 400023；2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

隐式中墙连拱隧道平行中隔壁工法设计与分析

李海军1，张万斌1，王明年2

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，重庆 400023；2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

分析连拱隧道工法研究现状和趋势，结合隐式中墙复合式连拱隧道[1-2]结构形式，提出一种新的连拱隧道施工方法—平行中隔壁法，其无需中墙临时支护，预留岩体保护中墙，减小对环境的影响，大幅提高连拱隧道的施工效率，实现连拱隧道的快捷施工。对平行中隔壁法进行详细设计与分析，并对其进行数值模拟。结果表明：平行中隔壁法可保证隐式中墙复合式连拱隧道施工安全，各上台阶步序开挖和拆撑为控制竖向变形的关键工序，左洞拱腰与中墙连接处和左洞仰拱与中墙连接处是初期支护的安全控制点。

隐式中墙连拱隧道；施工方法；平行中隔壁法；设计；安全分析

对于城市地下工程而言，连拱隧道对于有效利用宝贵的地下空间、减小对环境和居民的影响、改善线路顺直性、隧道运营舒适性、节约工程投资有着重要意义。目前国内外连拱隧道采用的结构形式主要有整体式中墙连拱隧道[3]和复合式中墙连拱隧道[4]。目前连拱隧道工法存在结构线路适应性差、施工工艺复杂、施工难度大、施工效率低、中墙临时支护材料浪费多、中墙临时支护拆除时安全隐患大、投资高和防排水效果差和结构耐久性差等问题，目前一般用于短隧，严重制约了连拱隧道的广泛应用。优化中墙结构，采用合理工序，提高施工效率，减少临时支护是连拱隧道的研究和发展的一个重要方向。

1 连拱隧道施工工法研究现状

由于中墙的存在，中墙成为连拱隧道施工的关键，目前研究的施工方法可以分为中导洞法、三导洞法、无中导洞法和前三类的扩展方法，且向无中导洞法转化。

中导洞法[5-6]是连拱隧道最早采用和应用最多的方法，也是研究最多的方法。由于中墙与两侧隧道结构相连，中导洞法在临时支护保护下，先开挖中墙部分，施作中墙结构后，再进行其他步序的开挖。中导洞法中墙施工造成其他步序开挖严重滞后，造成施工效率非常低。

国内外技术人员研究了很多改进的施工方法，以提高连拱隧道的施工效率。一些学者研究了三导洞法[7-10]，三导洞法的两侧导洞与中导洞同步开挖，一定程度提高了连拱隧道的施工效率，但中导洞相邻步序开挖仍然需要在中墙结构施工后才能开挖，没有从根本上解决中墙施工对连拱隧道施工效率的影响。还有一些学者研究无中导洞法[11-12]等，在施工先开挖隧道时将中墙同步施工，再施工先开挖隧道二次衬砌，最后施工后开挖隧道。这些方法没有专门施工中墙的中导洞，减小了中墙施工对其他步序施工的影响。但这些方法均考虑先开挖侧隧道二次衬砌施工后才能进行另一侧隧道开挖，施工效率较低；同时靠先开挖侧二次衬砌的强刚度抵抗后开挖侧隧道施工带来的围岩荷载释放，这造成了先开挖侧隧道二次衬砌经历多次应力状态，易破坏防水系统和造成二次衬砌开裂，从而影响隧道防排水效果、结构耐久性和长期安全性。

2 隐式中墙连拱隧道平行中隔壁法设计

某城市枢纽综合改造工程位于城市繁华区道路下方，周边高楼林立，可利用空间狭窄，为远离周边房屋，保证地面交通疏解和线路的顺直性，隧道设计为隐式中墙复合式连拱隧道[1-2]，具体结构见图1。该段浅埋暗挖段长210 m，隧道围岩级别为Ⅴ级，埋深3～8 m，基岩为泥岩、砂岩，覆土1～6 m。隐式中墙复合式连拱隧道设计参数为：中墙采用厚100 cm的CF25钢纤维混凝土，其余初期支护采用厚27 cm的 C25喷射混凝土，设全环I22a型钢钢架，钢架间距0.5 m，拱墙设20 cm×20 cm双层φ8 mm钢筋网，边墙采用3.5 m长φ22 mm砂浆锚杆，二次衬砌为65 cm厚C35钢筋混凝土。

为了解决连拱隧道防排水效果差、结构耐久性差和施工效率低的问题，隐式中墙复合式连拱隧道采用复合式衬砌结构和完整独立防排水系统，中墙异化于先行洞初期支护中，可适用于长大隧道和城市隧道。结合该结构形式，提出了一种新的连拱隧道施工方法，即平行中隔壁法，具体设计见图1，图2。

图1 隐式中墙复合式连拱隧道结构和平行中隔壁法

图2 中墙钢架连接

平行中隔壁法施工工序如下：

(1)利用上一循环支护，开挖左右洞①部，施作①部初期支护和临时支护；

(2)开挖左右洞②部，施作②部初期支护和临时支护；

(3)架设③部中墙钢架，即图1中阴影部分钢架；

(4)浇筑④部中墙混凝土，即图1中阴影部分；

(5)开挖左右洞⑤部，施作⑤部初期支护；

(6)开挖右洞⑥部，施作⑥部初期支护；

(7)开挖左洞⑦部，施作⑦部初期支护；

(8)待变形稳定后，拆除⑻部临时中墙；

(9)清理基底，整幅灌筑Ⅸ部仰拱衬砌；

(10)仰拱混凝土初凝后，灌筑Ⅹ部仰拱填充；

(11)利用衬砌模板台车，一次模筑施作Ⅺ部拱墙二次衬砌。

3 隐式中墙连拱隧道平行中隔壁法优缺点分析

针对中导洞法、三导洞法和平行中隔壁法进行了比较分析，具体结果见表1。其中中导洞法和三导洞法左右洞均采用中隔壁法施工，中导洞法先施工中导洞和中墙，再施工中隔壁法其他步序；三导洞法按中导洞和两侧上台阶同步开挖，两侧下台阶紧跟，中导洞和中墙完成后，再进行中隔壁法其他步序施工。表中施工长度为210 m，施工进度指标按单导洞50 m/月考虑，各相邻步序间台阶间隔长度按15 m控制，且不含施工准备、拆撑、二次衬砌、仰拱填充和站后设施安装调试等；临时支护钢架按50%重复利用率考虑。

表1 3种工法比较

从表1可以看出，平行中隔壁法与中导洞法、三导洞法相比，综合进度指标分别提高94.5%、77.6%，临时支护材料用量分别减少47.0%、47.0%。

隐式中墙复合式连拱隧道采用平行中隔壁法施工，打破了连拱隧道仅适用于短隧道的瓶颈，实现了连拱隧道的快捷施工，使连拱隧道应用于长、大隧道成为可能。平行中隔壁法具有以下优点：

(1)无需专门进行中导洞施工中墙，中墙与先开挖隧道同步开挖和施作，可减少施工步序；

(2)左、右双洞可同时开挖，尽可能减小了中墙施工对其他步序的影响，大幅提高连拱隧道施工效率；

(3)左隧道的临近中墙的下台阶最后开挖，作为预留保护中墙的岩体，保证结构体系的施工安全性；

(4)可大幅缩短工期，减少对环境的影响时间，以利于环境保护；

(5)无施工中墙的临时支护，可大幅减少临时支护用量，节约投资；

(6)双洞初期支护完成后，再施作两洞的独立防水系统，二次衬砌具有良好的防水效果；

(7)双洞初期支护完成后施作二次衬砌，二次衬砌不经历多次应力状态，结构具有较好的耐久性和长期安全性。

4 隐式中墙连拱隧道平行中隔壁法施工安全性分析

为了研究平行中隔壁法对隧道变形和安全性的影响，采用有限元软件进行了三维数值模拟，计算参数见文献[1]，模拟施工过程按照第2节的施工步序和图1，其中第③部架立中墙钢架和第④部浇筑中墙混凝土合为1步模拟，且不含施作衬砌和仰拱填充。拱顶最大沉降量和最大地表沉降量模拟结果见图3。

图3 平行中壁法隧道变形模拟结果

从图3中可以看出：

(1)左右洞拱顶最大沉降量和最大地表沉降量随开挖步序变化趋势大体相同，且累计值均较小；

(2)各上台阶开挖和拆撑时最大拱顶沉降量和最大地表沉降量增加相对较多，左、右洞①部开挖时竖向变形量约占总变形量的40%，左、右洞⑤部开挖约占总变形量的24%，拆撑(8)部约占总变形量的19%。

初期支护各部位内力模拟结果见表2，按C25喷射素混凝土检算安全见表2。

表2 各部位内力和安全系数

从表2中可以看出：

(1)初期支护各部位安全系数均大于1，平行中隔壁法能够保证隐式中墙复合式连拱隧道施工安全；

(2)左洞拱腰与中墙连接处和左洞仰拱与中墙连接处初期支护安全系数最小，为薄弱环节，施工时应注意有效连接和质量控制。

5 结论

(1)结合隐式中墙复合式连拱隧道结构形式，提出了一种新的连拱隧道施工方法，即平行中隔壁法。

(2)平行中隔壁法无需中墙临时支护，预留岩体保护，可保证结构施工安全。

(3)平行中隔壁法尽可能减小了中墙对其他施工步序的影响，大幅提高连拱隧道施工效率，实现了连拱隧道的快捷施工，减少对环境的影响。

(4)各上台阶步序开挖和拆撑为控制隧道竖向变形的关键工序，左洞拱腰与中墙连接处和左洞仰拱与中墙连接处为初期支护薄弱环节，施工时应注意及时支护和保证质量。

[1] 张万斌，李海军，王明年.喷筑隐式异型中墙复合式连拱隧道的设计分析[J].现代隧道技术，2013(12) :147-151.

[2]张万斌，李海军，曹林卫，等.喷筑隐式异型中墙复合式连拱隧道衬砌结构:中国，ZL2013008481994[P].2014-07-02.

[3]时亚昕，王明年，李强.深埋连拱隧道两种中墙的施工力学行为分析[J].现代隧道技术，2006(6):1-5.

[4]李德宏，金文星.复合式中墙连拱隧道设计施工分析[J].现代隧道技术，2007(12) :55-61.

[5]苏江川.罗汉山双向八车道连拱隧道结构设计研究[J].现代隧道技术，2009(2):22-28.

[6]邬泽，朱恺.双连拱浅埋暗挖隧道下穿高速公路沉降影响分析[J].铁道标准设计，2012(12):74-77.

[7]魏建华，李亚利.高速公路双连拱隧道三导洞施工技术研究[J].西部探矿工程，2008(10):186-188.

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[9]李二兵，王镝，王源，等.城市复杂条件下浅埋大跨双连拱隧道施工变形监测与控制[J].岩石力学与工程学报，2007(4):833-839.

[10]朱正国，乔春生，高保彬.浅埋偏压连拱隧道的施工优化及支护受力特征分析[J].岩土力学，2008(10):2747-2752.

[11]王亚琼，张国庆，王万平.连拱隧道结构设计与施工技术演变[J].公路，2010(10):254-259.

[12]孙忠成.叠合式中墙双连拱隧道施工技术[J].隧道建设，2008(8):460-464.

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

中国中铁股份有限公司重点科技开发计划(引导-40-2011)；重庆市应用开发计划重点项目(cstc2014yykfB30003)

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

1004-2954(2015)09-0118-03

U455.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.026