三聯拱黃土隧道施工方案及力學特性研究

史軍強

（山西省公路工程監理技術咨詢公司，山西 太原 030006）

近年來，隨著我國城市建設的不斷發展，地鐵逐步成為國內大中城市交通系統的重要組成部分，且隨著地鐵線路的不斷增多，普通的單洞斷面區間隧道已難以滿足，需要建設大量的聯絡線、渡線以滿足其需求，因此以三聯拱隧道為代表的復雜斷面結構型式越來越多。由于三聯拱隧道具有斷面較大、施工工序多、受力體系復雜等特點，尤其在城市繁華地段施作三聯拱隧道時，伴隨有施工風險大、技術難度高等特點[1-3]。在黃土地區城市地鐵建設過程中，黃土特殊的工程性質又進一步增加了其施工難度、風險。以某三聯拱黃土隧道斷面為例，結合其工程地質情況，研究其施工方案，并利用數值模擬分析三聯拱黃土隧道力學特性，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

某地鐵區間隧道單渡線從地鐵隧道左線（斷面里程K17+028.5）開始，與隧道右線（斷面里程K17+167.3）相接。單渡線隧道全長138.8 m，渡線區分折返線、正線隧道合建，單渡線采用三聯拱隧道斷面型式，其具體情況如圖1所示。

該隧址區位于黃土梁洼區，地表分布有厚度不等的全新統人工填土（Q4ml），其下為上更新統風積（Q3eol）新黃土及殘積（Q31el）古土壤；古土壤下部在黃土梁區為中更新統風積（Q2eol）老黃土、殘積（Q2el）古土壤及沖積（Q2al）粉質黏土、砂土等，其物理性質參數如表1所示。

圖1 三聯拱隧道橫斷面圖

表1 大有山隧道土體參數表

2 三聯拱黃土隧道施工方案

2.1 雙側洞法簡介

在三聯拱黃土隧道施工方法中，雙側洞法應用最為廣泛[4-5]，其將隧道斷面分為3部分，即左右側洞和中洞，并利用CRD法分別開挖。該技術優勢在于利用側洞、中洞分塊開挖，分塊施作襯砌，當兩側洞具備相應條件時盡快封閉成環，從而充分利用兩側洞承受圍巖壓力，最大限度發揮二襯支護作用，減小隧道施工引起的地表沉降。同時，可利用超前小導管、管棚對掌子面前方土體進行加固，并間隔拆除臨時支護，從而有效提高施工安全系數[6-7]。

按照施工先后順序，雙側洞法施工流程可分為以下幾個步驟：

a）在掌子面拱頂部位施作超前小導管，其導管長為5 m，環向間距0.3 m，縱向疊合長度2 m。

b）按照圖2所示的順序，采用CRD法對右側洞進行開挖，開挖完成后，及時利用初期支護進行封閉成環，待其變形穩定后，間隔拆除側洞內的臨時支護，一次拆除長度不應大于3 m。

c）施作右側洞仰拱，其采用C30混凝土進行澆注，其施工縫處應預留結構防水層；全面鋪設防水板，其次安裝模板，澆注拱部二次襯砌混凝土。

d）重復上述a～c步驟，對左側洞進行開挖及內部襯砌結構的施作。

e）待兩側洞襯砌混凝土達到90%設計強度后，按照圖2中9～12的順序開挖中洞，并及時施作初期支護，盡快封閉成環。

f）中洞全部施工完成后，間隔5 m拆除中洞臨時支護，每次拆除長度不大于3 m。

g）施作中洞仰拱，其采用C30混凝土進行澆注；全面鋪設防水板，安裝模板，澆注中洞拱部二次襯砌混凝土。

h）待二襯混凝土達到設計強度后，拆除模板支架體系，形成三聯拱結構。

圖2 雙側洞法施工步序示意圖

2.2 雙側洞法重要工序的施工方法

在上述施工步驟中，重點工序決定了整體工程的成敗，因此應針對重點工序進行全面監控，嚴格把控，以下為部分重要工序的具體施工方法。

2.2.1 左右側洞開挖

左右側洞采用CRD法開挖，利用臨時支護將開挖斷面分為4部分，在各部分開挖過程中應采用臺階法，其中各部之間臺階長5 m，循環進尺0.6 m。側洞具體施工步驟為：

a）施作超前小導管，進行預注漿。

b）開挖右側導坑上臺階①，并預留核心土，施作初期支護及臨時仰拱。

c）開挖右側導坑下臺階②，施作初期支護及側壁臨時支護。

d）參照上述步驟，開挖③～⑧部分。為避免群洞效應，③部分和⑤部分應間隔10 m開挖。

2.2.2 中洞開挖

待左右側洞襯砌強度達到設計強度后，進行中洞開挖，其施工步驟如下：

a）施作超前小導管，進行預注漿。

b）開挖右側導坑上臺階⑨，并預留核心土，施作初期支護及臨時仰拱。

c）開挖右側導坑下臺階⑩，施作初期支護及側壁臨時支護。

d）開挖左右側導坑下臺階。

2.2.3 超前小導管施作

為保證該地鐵隧道掌子面的穩定，控制其地表沉降量，減小隧道施工對地表建筑物的影響，應采用超前支護法對掌子面圍巖進行超前加固。針對本項目中的黃土地層，采用長度為5 m，直徑為42 mm長的導管，首先利用風鉆成孔，再利用風鎬將小導管頂進，最后進行超前注漿作業。

2.2.4 臨時支護的間隔拆除

為減小臨時支護的拆除對已穩定隧道支護結構產生的不良影響，應采用間隔拆除法，即將連續的隧道臨時支護沿縱向分成若干段，根據本項目的地質情況、支護結構情況，間隔拆除的每段應不大于3 m。首先，拆除拱部臨時中隔墻，沿縱向開槽，鑿除混凝土；其次，對其進行持續監測，如6 d內結構基本穩定，可繼續拆除鋼筋格柵及臨時仰拱上方的臨時中隔墻，若監測發現其結構不穩定，應增設臨時豎撐，繼續維持支護結構的穩定。

3 三聯拱黃土隧道力學特性

利用大型有限元軟件建模分析三聯拱黃土隧道力學特性，首先應假設該計算模型符合彈塑性理論，隧道圍巖變形是各向同性的，該模型分析為平面應變問題[8]。在邊界條件方面，水平方向取兩倍的隧道凈寬，模型底部取至仰拱下30 m的范圍，模型上方取地表實際情況，該隧道模型襯砌結構型式如圖3所示。

圖3 三聯拱黃土隧道模型

在圖3隧道模型中，初期支護采用梁單元（Beam3）模擬，二次襯砌及圍巖采用二維平面單元（Plane42）模擬。假定初期支護與二次襯砌荷載分擔比為60%、40%，按照上述施工步驟，逐項進行工序模擬，所得二次襯砌施作完成后的軸力圖和彎矩圖如圖4、圖5所示。

圖4 三聯拱黃土隧道初期支護軸力圖（單位：N）

圖5 三聯拱黃土隧道初期支護彎矩圖（單位：N·m）

從圖4中可以看出，左右側洞初期支護結構軸力呈對稱狀分布，在左右洞中隔墻底部出現較大拉應力，最大值為791 kN，因此在施工過程中，應對該處初期支護結構進行加強。在隧道左右洞及中洞的拱頂部位，由于此處支護結構對圍巖變形的抑制起主要作用，因此在該處產生較大壓應力，最大值為388 kN。在中洞靠近左、右側洞中隔墻部位和左、右側洞仰拱部位初期支護結構軸力最大，為536 kN。右側洞中隔墻底部受力略大于左側洞中隔墻，其主要原因與左、右側洞中隔墻的施工順序有關。

從圖5中可以看出，左右側洞彎矩值基本呈對稱狀態，右側洞彎矩值略大于左側洞彎矩值。在左右側洞及中洞拱頂、仰拱部位，初期支護承受較大的彎矩值，最大負彎矩出現在中洞仰拱處，其值為108 N·m，在施工過程中應加強此處的初期支護結構強度。初期支護左右側洞拱肩部位承受較大負彎矩，為避免此處初期支護應力集中，減小其彎矩值，因此應盡量使該處曲線平滑。

4 結論

依托某地鐵區間隧道單渡線三聯拱黃土隧道作為工程案例，結合其工程地質情況，研究其施工方案，并利用數值模擬分析三聯拱黃土隧道力學特性，得出以下幾點結論：

a）三聯拱黃土隧道宜采用雙側洞法進行開挖，在開挖過程中，應重點注意超前小導管施作及臨時支護的間隔拆除，從而保證隧道掌子面的穩定，控制其地表沉降量，減小隧道施工對地表建筑物的影響。

b）利用數值模擬分析初期支護軸力情況后可知，左右洞中隔墻底部出現較大拉應力，隧道左右洞及中洞的拱頂部位產生較大壓應力。受施工順序影響，右側洞中隔墻底部應力略大于左側洞中隔墻底部應力。

c）利用數值模擬分析初期支護彎矩情況后可知，左右側洞彎矩值基本呈對稱狀態，右側洞彎矩值略大于左側洞彎矩值。中洞仰拱部位承受較大的負彎矩值，同時初期支護左右側洞拱肩部位負彎矩也較大，為避免此處初期支護應力集中，因此應盡量使該處曲線平滑。