隱式中墻連拱隧道對稱中隔壁工法設計與分析

李海軍

(中鐵二院工程集團有限責任公司，重慶 400023)

0 引言

對于城市地下工程而言，連拱隧道對于有效利用寶貴的地下空間、減小對環境和居民的影響、改善線路順直性、隧道運營舒適性、節約工程投資有著重要意義。目前國內外連拱隧道采用的結構型式主要有整體式中墻連拱隧道[2]和復合式中墻連拱隧道[3]。目前連拱隧道工法存在施工工藝復雜、施工難度大、施工效率低、中墻臨時支護材料浪費多、中墻臨時支護拆除時安全隱患大、投資高、防排水效果差和結構耐久性差等問題，目前一般用于短隧，嚴重制約了連拱隧道的廣泛應用。優化中墻結構，采用合理工序，提高施工效率，減少臨時支護是連拱隧道研究和發展的一個重要方向。

1 連拱隧道施工工法研究現狀

由于中墻的存在，中墻成為連拱隧道施工的關鍵，目前的施工方法可以分為中導洞法、三導洞法、無中導洞法和前三類的擴展方法，且向無中導洞法轉化。

中導洞法[4]是連拱隧道最早采用和應用最多的方法，也是研究最多的方法。由于中墻與兩側隧道結構相連，中導洞法在臨時支護保護下，先開挖中墻部分，施作中墻結構后，再進行其他步序的開挖。中導洞法中墻施工造成其他步序開挖嚴重滯后，造成施工效率非常低。

國內外廣大技術人員研究了很多改進的施工方法以提高連拱隧道的施工效率。魏建華[5]等研究了三導洞法。三導洞法的兩側導洞與中導洞同步開挖，一定程度提高了連拱隧道的施工效率，但中導洞相鄰步序開挖仍然需要在中墻結構施工后才能開挖，沒有從根本上解決中墻施工對連拱隧道施工效率的影響。

賴金星[6]等研究無中導洞法，在施工先開挖隧道時將中墻同步施工，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洞，減小了中墻施工對其他步序施工的影響。但這些方法均考慮先開挖側隧道二次襯砌施工后才能進行另一側隧道開挖，施工效率較低；同時靠先開挖側二次襯砌的強剛度抵抗后開挖側隧道施工帶來的圍巖荷載釋放，這造成了先開挖側隧道二次襯砌經歷多次應力狀態，易破壞防水系統和造成二次襯砌開裂，從而影響防排水效果、結構耐久性和長期安全性。

2 隱式中墻連拱隧道對稱中隔壁法設計

某城市樞紐綜合改造工程位于城市繁華區道路下方，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[1]，具體結構見圖1。該段淺埋暗挖段長210m，隧道圍巖級別為Ⅴ級，埋深約3～8m，基巖為泥巖、砂巖，覆土1～6m。隱式中墻復合式連拱隧道設計參數為：初期支護采用厚27cm的 C25噴射混凝土（中墻部分為鋼纖維混凝土），設全環工22a型鋼鋼架，鋼架間距0.5m，拱墻設20cm×20cm雙層Φ8鋼筋網，邊墻采用3.5m長Φ22砂漿錨桿，二次襯砌為65cm厚C35鋼筋混凝土。

為了解決連拱隧道防排水效果差、結構耐久性差和施工效率低的問題，隱式中墻復合式連拱隧道采用復合式襯砌結構和完整獨立防排水系統，中墻異化于先行洞初期支護中，可適用于長大隧道和城市隧道。結合該結構型式，提出了一種新的連拱隧道施工方法，即對稱中隔壁法，具體設計見圖1。

圖1 隱式中墻復合式連拱隧道結構和對稱中隔壁法

對稱中隔壁法施工工序如下：

（1）利用上一循環支護，開挖右洞①部，施作①部初期支護和臨時支護；

（2）開挖右洞②部，施作②部初期支護和臨時支護；

（3）架設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）開挖左洞⑤部，施作⑤部初期支護和臨時支護；

（6）開挖右洞⑥部，施作⑥部初期支護和臨時支護；

（7）開挖左右洞⑦部，施作⑦部初期支護；

（8）開挖左右洞⑧部，施作⑧部初期支護；

（9）待變形穩定后，拆除⑼部臨時中墻；

（10）清理基底，鋪設仰拱及邊墻下部防水板，整幅灌注Ⅹ部仰拱襯砌；

（11）仰拱混凝土初凝后，灌注Ⅺ部仰拱填充；

（12）清理初期支護基面和基座表面，鋪設縱、環向和橫向排水系統，鋪設防水卷材，利用襯砌模板臺車，一次模筑施作Ⅻ部拱墻二次襯砌。

隱式中墻復合式連拱隧道采用對稱中隔壁法施工，打破了連拱隧道僅適用于短隧道的瓶頸，實現了連拱隧道的快捷施工，使連拱隧道應用于長、大隧道成為可能。對稱中隔壁法具有以下優點：

（1）中墻與右隧左導坑同步開挖，無需專門開辟中導洞進行中墻施工，可減少施工步序；

（2）中墻與先開挖隧道同步開挖和施作，左右洞兩側導洞可同時開挖，盡可能減小了中墻施工對其他步序的影響，大幅提高連拱隧道施工效率；

（3）連拱隧道按從中間后兩側逐漸開挖，圍巖應力逐步釋放，減小應力突變，有利于結構體系安全；

（4）可大幅縮短工期，減少對城市環境的影響時間，有利于環境保護；

（5）無施工中墻的臨時支護，可大幅減少臨時支護用量，降低工程造價；

（6）雙洞初期支護完成后，再施作兩洞的獨立防水系統，二次襯砌具有良好的防水效果；

（7）雙洞初期支護完成后施作二次襯砌，二次襯砌不經歷多次應力狀態，結構具有較好的耐久性和長期安全性。

3 隱式中墻連拱隧道對稱中隔壁法安全分析

為了研究隱式中墻復合式連拱隧道對稱中隔壁法對隧道變形和安全性的影響，進行了數值模擬，拱頂最大沉降量和最大地表沉降量模擬結果見圖2，對應施工步序同圖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第④部，且不含施作襯砌和仰拱填充。

圖2 對稱中隔壁法隧道變形模擬結果

從圖2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大體相同，且累計值均較小；

（2）各上臺階開挖和拆撐時對應隧道的最大拱頂沉降量和最大地表沉降量增加相對較多，左洞⑤、右洞①部開挖時豎向變形量約占總變形量的40.0%～43.1%，左、右洞⑦部開挖約占總變形量的23.9%～25.3%，拆撐（9）部約占總變形量的18.6%～19.8%。各上臺階開挖和拆撐造成的豎向變形量約占總的豎向變形量的85%左右。

初期支護各部位安全系數模擬結果見表1。

表1 各部位安全系數

從表1中可以看出：

（1）初期支護各部位安全系數均滿足規范要求，對稱中隔壁法能夠保證隱式中墻復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安全系數最小，為薄弱環節，施工時應注意有效連接和質量控制；

（3）各上臺階開挖是應注意變形控制，確保鋼架和噴混凝土落在穩定的基巖上；

（4）施工時應加強監控量測，特別是左洞拱腰與中墻連接處和左洞仰拱與中墻連接處的監測，一旦發現問題，及時進行處理。

4 結論

（1）對稱中隔壁法無需中墻臨時支護，從中間向兩側逐漸開挖，圍巖應力逐步釋放，減小應力突變，有利于結構體系安全。

（2）對稱中隔壁法一定程度上減小了中墻對其他施工步序的影響，大幅提高連拱隧道施工效率，實現了連拱隧道的快捷施工，減小對環境的影響。

（3）各上臺階步序開挖和拆撐為控制對應隧道豎向變形的關鍵工序，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薄弱環節，施工時應注意及時支護和保證施工質量。

[1]張萬斌,李海軍,王明年.噴筑隱式異型中墻復合式連拱隧道的設計分析[J].現代隧道技術，2013(12):147-151.

[2]時亞昕,王明年,李強.深埋連拱隧道兩種中墻的施工力學行為分析[J].現代隧道技術，2006(06):1-5.

[3]李德宏,金文星.復合式中墻連拱隧道設計施工分析[J].現代隧道技術，2007(12):55-61.

[4]蘇江川.羅漢山雙向八車道連拱隧道結構設計研究[J].現代隧道技術，2009(02):22-28.

[5]魏建華,李亞利.高速公路雙連拱隧道三導洞施工技術研究[J].西部探礦工程，2008(10):186-188.

[6]賴金星,謝永利,李華.連拱隧道無中導洞施工技術探討[J].鐵道建筑，2006（04）:34-35.