偏压作用下超大断面双连拱隧道中隔墙受力变形特性分析*

李玉华

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

0 引言

近年来，双连拱隧道凭借其占地少、洞口设计选择性多、地下空间利用率高、建造成本低等特点在隧道工程中得到了广泛应用。中隔墙作为双连拱隧道的核心结构，其力学变形特性是影响整个隧道工程安全稳定的重要因素，合理的施工方法是双连拱隧道设计施工的难题之一。国内外已有较多学者对双连拱隧道中隔墙力学变形特性展开了研究，并取得了较多成果。

1)施工工序 林刚等[1]结合室内模型试验对不同围岩等级条件下不同施工方法对中隔墙力学变形的影响展开了研究，提出了三导洞法、中导洞全断面法和中导洞正洞台阶法的适用范围；任尚强[2]结合现场实际工程，提出了利用中导洞+单侧壁导坑法对IV级围岩隧道开挖的方法；许崇帮等[3]采用数值模拟的方法对不同地质条件下双连拱隧道的施工方法进行了分析，研究了不同施工工序对中隔墙受力变形特性的影响，并结合得到的规律对施工工序进行了优化；彭定超等[4]依托某实际工程，利用三维数值模拟方法，对不同施工阶段下双连拱隧道中隔墙受力特点进行了分析，研究了中隔墙应力和位移的变化规律；王先堂[5]通过现场测量得到了双连拱隧道施工过程中周边地表沉降和拱顶竖向沉降。

2)中隔墙断面形式 杨德春等[6]利用数值模拟方法对不同厚度的曲中墙受力变形特性进行了分析，得到了能够使中隔墙变形最优化的厚度值；时亚昕[7]利用数值分析的方法对深埋双连拱隧道在II，III，IV级围岩条件下整体式和分离式直中墙的受力变形特性展开了研究，得到了中隔墙受力变形分布及薄弱部位；陈贵红等[8]通过研究表明中隔墙厚度超过2m后，其应力减小幅度不明显。

3)中隔墙受力计算 申玉生等[9]利用数值模拟的方法对双连拱隧道中隔墙的受力变形特性进行了研究，研究表明中隔墙在施工过程中承担了隧道的大部分荷载，因此中隔墙是保证整个隧道施工过程安全稳定的重要因素；姜玉松等[10]结合拱理论计算得到了双连拱隧道中隔墙的受力大小，并采用力矩平衡法分析了中隔墙的稳定性，提出了保障其稳定性的措施；李建宇等[11]结合理论分析、数值模拟和现场实测数据对中隔墙受力机理进行了深入分析，探讨了对称和不对称形式中隔墙受力特点及稳定性；夏永旭等[12]利用数值模拟方法对双连拱隧道三导洞法施工时中隔墙的变形和稳定性进行了详细分析；胡志平等[13]利用大型商用软件ABAQUS对双连拱隧道施工引起的地表沉降、衬砌应力变化及变形规律进行了分析，研究了双连拱隧道施工过程中的力学特性。

上述成果对于双连拱隧道中隔墙的设计和施工起到了较好的指导作用，但上述研究多集中于等压隧道，对于偏压隧道较少涉及，同时对于超大断面且地质条件非对称条件下双连拱隧道的受力变形特性也鲜有涉及。超浅埋、超大断面、偏压、地质条件不均匀的耦合作用使得中隔墙受力变形特性较为复杂[14]，但鲜有理论研究和工程经验，不同施工方法对此类条件下中隔墙力学变形特性的影响也不得而知。因此，开展此类条件下不同施工工序对中隔墙力学特性的影响研究具有重要理论意义和实践价值。

本文结合厦门地质条件不均匀区域某超浅埋、超大断面、偏压双连拱隧道实际工程[15-16]，对比分析了三导洞、中导洞正洞台阶法、中导洞全断面法施工过程中中隔墙力学变形特性，得到了适宜此类条件的最优施工方法，结合现场实测数据对施工方法进行进一步优化。研究成果可为复杂条件下双连拱隧道中隔墙设计和施工提供借鉴。

1 工程概况

厦门第二西通道(海沧隧道)工程起于海沧区马青路与海沧大道交叉口，为连接海沧区和本岛的重要通道。其中兴湖路地下互通段有160m超浅埋、偏压、超大跨度隧道，隧道位于“土石二元”地层，是典型的上软下硬地层：隧道覆盖层为杂填土及残积土，隧道洞身及洞顶地层主要为覆盖层及全～强风化岩，局部为微风化岩。BZK16+790—BZK16+850区段存在偏压现象，且土层自稳能力较差。

隧道采用双连拱暗挖形式进行设计和施工，隧道最小埋深为5.61m，最大跨度为45.73m，是目前开挖断面最大的双连拱隧道(见图1)。隧道采用3层衬砌类型：初期支护采用H25型钢@50cm+30cm厚C25喷射混凝土、初支加强层采用格栅钢架@50cm+30cm厚C25喷射混凝土、三次衬砌采用C45，P12防水钢筋混凝土，厚度80cm。中隔墙采用复合式结构类型，确保三次衬砌结构的完整性。

图1 双连拱隧道断面(单位：m)

由于施工工序和施工方法会对中隔墙力学变形特性产生较大影响，故对中导洞全断面法、中导洞正洞台阶法和三导洞法进行比选，以中隔墙受力及变形为指标，确定最优施工工序。

2 中隔墙受力机理分析

2.1 中隔墙受力机理

选取单位厚度的中隔墙进行分析，如图2所示。

图2 中隔墙受力分析

图2中，Fx为中隔墙受到的水平荷载，Fy为中隔墙受到的竖向荷载，M为弯矩。通过分析可知，施工过程中中隔墙主要受到墙上方传递下来的竖向荷载Fy，左右洞开挖引起的水平荷载Fx和弯矩M。由于施工工序不同，因此传递至中隔墙上的荷载Fx，Fy和M是不断变化的，且在施工结束后达到最大值，因此在中隔墙结构形式和左右洞结构形式不变的条件下，中隔墙最终应力变形状态较为接近，但由于不同施工工序造成的塑性变形、应力释放不同，最终状态会有一定的差异。施工过程中，由于左右洞非实时对称开挖，各阶段支护荷载作用也非对称施加，因此在施工过程中中隔墙将长期处于偏压状态，当施工断面本身就为偏压界面且地质条件不均匀时，该偏压现象更为严重，故需要注意中隔墙在施工过程中位移和应力变化。

2.2 中导洞全断面法

该方法是指先开挖中洞，再修筑中隔墙，随后采用全断面法进行开挖，最后进行二次衬砌施工。由于该方法中左洞和右洞均为全断面一次成型，故在施工过程中围岩受到扰动较少，有利于隧道整体稳定。但由于左洞或者右洞为一次性开挖成形，故会对中隔墙产生较大的不平衡力和弯矩，并使其产生较大变形。

2.3 中导洞正洞台阶法

该方法是指先开挖中导洞并进行中隔墙浇筑，随后利用上下台阶法进行正洞的开挖施工，并进行相关支护和衬砌施工，该方法对中隔墙产生的不平衡力和弯矩较小。采用该方法进行施工对围岩影响较小，但当围岩较为软弱时，采用该方法施工可能会产生较大变形等工程灾害。

2.4 三导洞法

该方法前期与上述两种方法相同，修筑完中隔墙后，在正洞开挖侧导洞，导洞掘进一定距离后，采用上下台阶法对正洞进行开挖。由于该方法中采用了多次支护，施工初期由于两次不对称开挖产生的不平衡力和弯矩较小，中隔墙应力和变形均相对较小。

3 不同施工工序中隔墙受力变形特性数值分析

3.1 模型建立及参数选取

采用有限元软件对厦门第二西通道双连拱隧道施工过程进行模拟。由于沿开挖方向隧道结构无较大变化，故采用二维模型进行模拟。隧道跨度为45.73m，左洞跨度为19.37m，高度为12.37m；右洞跨度为19.32m，高度为12.32m；中隔墙最小宽度为2.46m，高度为7.8m。为了消除数值模拟过程中边界效应的影响，模拟土体长度为150m，深度为80m，其中，顶部斜坡斜率为1∶20，如图3所示。

图3 数值分析模型

岩体分层及参数根据现场勘查结果确定，其中采用莫尔-库伦本构关系对围岩进行模拟，采用线弹性本构关系对衬砌、中隔墙等进行模拟，具体参数如表1所示。模拟中只考虑围岩的自重应力，不考虑围岩的构造应力。为了简化计算，不对支护结构中的钢筋等进行具体模拟，仅对其进行等刚度折算。为监测中隔墙的典型应力状态，在中隔墙中设置1根刚度较小的钢筋，对中隔墙应力状态无较大影响。

表1 物理力学参数

3.2 模拟过程

模拟分为地应力平衡阶段和施工模拟阶段，施工模拟阶段采用“生死单元”模块对中导洞全断面法、中导洞正洞台阶法和三导洞法进行模拟，为更清晰说明模拟步骤，对隧道进行分区，具体如图4所示。

图4 双连拱隧道断面分区

根据中导洞全断面法、中导洞正洞台阶法和三导洞法施工工序，确定3组模拟顺序如下。

3.3 结果分析

3.3.1中隔墙竖向应力变化

提取埋置在中隔墙内的钢筋顶端竖向应力随施工步骤变化如图5所示，图中负值表示受压。

图5 中隔墙竖向应力变化曲线

由图5可知，3种施工方法引起中隔墙最终应力较为接近，但由于施工工序不同，中隔墙应力变化过程不同。中导洞正洞台阶法在施工过程中，由于最后一步开挖右洞区域，故其竖向应力前期较小，而三导洞法前期就对左右洞进行落地施工，故前期应力较大。

根据施工至第7步时(即图4中应力出现差异处)，中隔墙大主应力云图可知，不同施工方法在施工过程中中隔墙大、小主应力分布规律较为接近，但具体数值上存在较大差异。3种方法产生的大主应力均主要集中在中隔墙角位置，受到偏压影响，中隔墙左侧顶部位置出现小范围应力集中现象，而墙中部位置应力较小。小主应力分布规律如下：中导洞全断面法和三导洞法较为接近，均出现在中隔墙左侧顶部和中部，而中导洞正洞台阶法出现在右侧中部。

3.3.2中隔墙变形特性

提取中隔墙顶部水平位移随施工步骤变化如图6所示。

图6 中隔墙水平位移变化曲线

由图6可知，施工结束后，中隔墙顶端水平位移较为接近，但在施工过程中三导洞法位移最大，发生在区域⑤开挖完成后；中导洞全断面法和中导洞正洞台阶法位移较小。

提取中隔墙顶部竖向沉降随施工步骤变化如图7所示，图中正值为向下位移。

图7 中隔墙顶端竖向位移变化曲线

由图7可知，施工结束后，中隔墙顶端竖向位移较为接近，但在施工过程中三导洞法产生竖向沉降最大，发生在区域⑩开挖完成后；中导洞全断面法和中导洞正洞台阶法位移较小。

提取不同施工方法中中隔墙左墙角、右墙角、左墙顶和右墙顶竖向位移，如图8所示。

由图8可知，3种方法中隔墙位移规律较为接近：墙顶产生的竖向位移较大，超过墙角位移，且竖向位移均为先增大后减小，右侧位移稍大于中隔墙左侧位移。结合大小主应力分布云图可知，受到偏压荷载和非对称开挖卸荷影响，中隔墙会产生向先期开挖侧旋转的趋势。

图8 中隔墙不同位置处竖向位移变化曲线

3.3.3施工方法对中隔墙应力变形特性对比

3种施工方法中中隔墙最大应力及变形如表2所示。

对比表2中数据可知，在偏压条件下，中导洞正洞台阶法施工过程中中隔墙应力和位移均较小，而三导洞法最大。且由于三导洞法工期较长，因此，选择中导洞正洞台阶法较为合理。但中隔墙左右侧变形不同，需在施工工程中防止非对称开挖和偏压作用引起的中隔墙倾覆问题。

表2 中隔墙最大应力及变形

4 优化方案与现场监测分析

4.1 优化方案

为了降低非对称开挖引起中隔墙变形并降低中隔墙应力，实际工程中采用“中导洞+双侧壁开挖”方法进行施工，开挖顺序为②超前开挖施工，提供主运输通道，为后续①洞反向落底开挖提供通道，中隔墙衬砌施作一定距离后，坚持②，④先行，③滞后封闭，再按照⑤，⑦，⑥的顺序进行落地施工，之后按照同样顺序对右洞进行开挖，即施工顺序为：②→①→④→③→⑤⑦→⑥→⑧⑩→⑨→→。

4.2 现场监测分析

为了监测双连拱隧道开挖过程中中隔墙的变形情况，BYK16+960截面布置4个变形监测点，分别监测各位置的位移变形情况，如图9所示。初读数在开挖后12h内采用数显示收敛计采集，最迟不超过24h，而且在下一循环开挖前，完成初期变形值读数。

图9 中隔墙位移监测点布置

提取该截面施工过程中中隔墙左墙顶及左墙角竖向位移变化如图10所示。

图10 中隔墙位移实测值

由图10可知，施工过程中隔墙位移值随开挖区域先增大后降低，具有一定的波动性，但波动范围较小，说明施工过程中中隔墙变形较小，工程较为安全可靠。对比数值模拟结果和实测值可知，两者较为接近，数值模拟能够较好反映开挖卸荷对中隔墙的影响。

5 结语

本文结合厦门地质条件不均匀区域某超浅埋、超大断面、偏压双连拱隧道实际工程，对比分析了三导洞、中导洞正洞台阶法、中导洞全断面法施工过程中中隔墙力学变形特性，得到了适宜此类条件的最优施工方法，主要得到以下结论。

1)双连拱隧道结构形式一定时，不同施工方法得到的中隔墙最终应力变形量较为接近，但由于施工过程中应力和变形随开挖区域不同而存在较大差异；中隔墙顶产生的竖向位移大于墙角位移，且竖向位移均为先增大后减小，右侧位移稍大于中隔墙左侧位移。

2)三导洞法由于较早对左右洞进行落地施工，故前期应力和变形均较大；中导洞全断面法次之；中导洞正洞台阶法最后进行落地施工，其后期变形和应力较小，可作为该工况的首选方案。

3)受到偏压作用和开挖顺序的综合影响，中隔墙会产生向先期开挖侧旋转的趋势，且在靠近偏压一侧会出现较大的应力集中区域，施工中应防止该部位发生局部坍塌。

4)实际工程中采用优化的“中导洞+双侧壁开挖”施工方法能保证围岩的稳定且各项监测指标合理。