薄壁面板隔墻法在特大斷面隧道施工中的力學特征分析

張軍偉，李泉源，易雄川，楊翔

（重慶建工市政交通工程有限責任公司，重慶400021）

薄壁面板隔墻法在特大斷面隧道施工中的力學特征分析

張軍偉，李泉源，易雄川，楊翔

（重慶建工市政交通工程有限責任公司，重慶400021）

以某淺埋暗挖城市地鐵車站為工程背景，利用有限元數值模擬方法分析了薄壁面板隔墻法的原理和在施工過程中隧道圍巖的變形和力學演化特征。分析結果表明，薄壁面板隔墻法的臺階式導坑開挖主導了隧道結構的應力集中特征和變形特征，施工時特大斷面隧道的初襯、錨桿和圍巖的應力、應變均沿隧道軸向方向階段性地出現多個應力集中區和位移劇變區，各區域的分界處基本和隧道先開挖側各導坑開挖端面平齊。而且，中隔墻和預留核心土的設置有效地改善了開挖對特大斷面隧道圍巖的擾動，使得隧道圍巖塑性區小，隧道的拱腳水平相對凈空變化指標和拱頂相對下沉指標均能滿足特大斷面隧道的穩定性要求。

特大斷面隧道；薄壁面板隔墻法；數值模擬；隧道施工；雙側壁導坑法

0 引言

隨著國家經濟的飛速發展，城市軌道交通特別是地鐵建設迎來了大發展的黃金時期。重慶地處西部山區城市，中風化和強風化巖石地層廣泛分布，適合進行暗挖車站修建。城市地鐵車站是地鐵線路上最重要、最復雜的部分，車站隧道通常為超大斷面隧道，其結構跨度大、地質條件和周邊施工環境復雜，在開挖建設過程中極易出現地表開裂、沉降變形甚至垮塌破壞等現象[1]，造成施工進度緩慢、經濟損失嚴重、影響城市周邊環境等問題。目前解決超大斷面隧道施工的方法中相對比較成熟且廣為運用的方法即為雙側壁導坑法，在重慶已修建地鐵中的臨江門車站、大坪車站和紅旗河溝車站等[2-4]均采用的是此施工方法。雙側壁導坑法以其施工穩定性好、安全性高等受到眾多的青睞，但也存在著工序多、施工干擾大、施工速度較慢、管理成本較高等缺點。

為了解決上述問題，依托重慶軌道交通環線暗挖隧道車站工程進行了特大斷面地鐵車站快速施工技術研究，提出了在特大斷面隧道施工中采用薄壁面板隔墻法施工，即在特大斷面隧道開挖施工中，上部采用臺階法施工，完成后施作薄壁面板隔墻，下部按雙側壁導坑法進行施工，將臺階法、CD法和雙側壁導坑法進行有機的結合。薄壁面板隔墻法與中巖柱單邊落底法有著異曲同工之處，二者除拱頂位移略大于雙側壁導坑法外，其水平收斂、地表沉降和塑性區范圍均優于雙側壁導坑法和CD法[5]。薄壁面板隔墻法相較于中巖柱單邊落底法，中隔墻采用混凝土結構，強度可控，解決了中巖柱單邊落地法對隧道中巖柱構造和強度的限制，適用范圍更廣。在實際工程應用中薄壁面板隔墻法也取得了較好的社會經濟效益，該方法為解決重慶地鐵工程建設中存在的相似問題提供了施工經驗和技術保障，促進了特大斷面隧道設計理論的發展。

1 工程概況

重慶軌道交通環線涂山站位于南岸區涂山鎮，車站位于涂山路及川渝卷煙廠大門處道路下方，呈西北-東南向設置。涂山車站為地下兩層雙島（10+10m）雙洞四線暗挖越行車站，有效站臺長140m，以配線段端墻內側計，車站起點里程為DK28+ 422.648，終點里程為DK28+848.670，車站總長為426.022m（含配線段），隧道縱坡2‰，車站主體隧道單洞標準斷面為馬蹄形斷面，單洞開挖跨度21.56m、開挖高度20.03m、開挖斷面面積376.80m2，根據國際隧道協會隧道斷面劃分標準[1]，此斷面面積已超過100m2為超大斷面隧道。隧道圍巖級別為Ⅳ級，車站主體隧道埋深約29m。車站主體隧道地質情況穩定，主要有砂巖層和砂質泥巖層構成，層間結合良好，雖有局部巖體有小范圍破碎，但整體巖層穩定；地表處有5～6m的填土層。

2 薄壁面板隔墻法工藝原理

薄壁面板隔墻法以新奧法為基本原理，在雙側壁導坑法的基礎上結合臺階法及CD法的優點，考慮鉆爆施工的影響因素，上部開挖支護采用臺階法施工，完成后施作薄壁面板隔墻，中下部開挖支護遵循雙側壁導坑法的步序與支護參數，二襯施工順序與雙側壁法相比區別在于先取核心土，再做仰拱而后施工拱墻二襯（見圖1）。

圖1 薄壁面板隔墻法施工步序示意圖

圖2 有限元模型

起拱線以上開挖為臺階法施工，其斷面大小控制在100m2以內（如果隧道總斷面為200～250m2，可1次開挖成型）；開挖完成后，設置薄壁面板隔墻臨時輔助支撐，代替上部核心土，施工過程中臨時薄壁面板隔墻（鋼筋混凝土隔墻）的混凝土中按配合比均勻加入了速凝劑，保證噴射完成8h后整體達到設計強度，有效保證了斷面的剛度，減少了拱部臨空時間，降低了安全風險。當混凝土強度應達到設計強度后方可進行下一步的爆破開挖，爆破時應控制最大裝藥量與單段最大起爆藥量，盡可能降低振動，減少對中隔墻和圍巖的擾動，再輔以實時的監控量測，在拱部巖石地應力二次重新分布完成后，再進行下一階段的施工。

中下部左右幅導坑的開挖、薄壁面板隔墻和中下部核心土的拆除開挖是按照雙側壁導坑法施工，薄壁面板隔墻替代了上部核心土，在隔墻內預埋的孔洞使爆破眼的設置變得更加合理和可控，拆除過程的安全風險大大降低。

開挖完成后，及時施作仰拱，使整個斷面封閉成環，更加有利于發揮巖石的自穩能力；同時，仰拱施作后再進行拱部襯砌施工可以使連接部位的混凝土質量得到更好的保證。

3 薄壁面板隔墻法施工數值模擬

為了分析薄壁面板隔墻法在特大斷面隧道施工過程中的應力應變變化特征，這里針對重慶軌道交通環線涂山站主體車站左線隧道采用薄壁面板隔墻法施工的一個施工循環（不包括二襯施作）過程進行數值計算模擬。

3.1 模型建立

根據隧道所處地質條件和隧道圍巖的巖體結構特征，建立圖2所示有限元計算分析模型。模型共有595100個單元，305020個節點。模型長143m，寬100m，高87.95m。隧道左右兩側距離模型邊界均為60.75m，隧道頂部距模型頂部28.8m，隧道底部距離模型底部39.2m。隧道主要分布在砂巖層中，隧道頂部左側有小部分分布在砂質泥巖層中。

模型的邊界條件：模型四周約束其水平方向位移；底邊約束其豎向位移。隧道所處地質條件無明顯地質構造應力，故初始應力場按自重應力場考慮。

模型中，初期支護采用C25早強噴射混凝土（厚度400mm）和25b工字鋼架（間距為0.5m，保護混凝土厚度50mm），假設其為彈性介質；錨桿采用Φ25中空注漿錨桿，長度5.03m，環向、縱向間距1m×0.5m，梅花型布置；其他巖塊假設為理想彈塑性體，符合Mohr-Coulomb強度屈服準則。

3.2 模型力學計算參數

根據車站的工程地質勘查報告和相關規范，選取模型相關物理力學參數如表1所示。

表1 相關物理力學參數

3.3 模擬分析過程

計算模擬薄壁面板隔墻法的施工工藝流程如圖1所示。

第1步，起拱線上部開挖。由于隧道斷面屬于特大斷面，為安全起見，將起拱線以上隧道斷面分為拱部上導坑和下導坑2次開挖成型，拱部初支一次成型并緊跟掌子面。

第2步，薄壁面板隔墻施工。薄壁面板隔墻采用C30混凝土澆筑成型，澆筑寬度1.5m，最大高度9.28m，通長設置。

第3步，中部右、左幅導坑先后開挖。先開挖右導坑，再開挖左導坑，開挖高度4.7m，預留核心土。左右導坑掌子面前后錯開15m，開挖完成后立即進行初期支護施工。

第4步，下部右、左導坑開挖。中臺階完成25m后進入下臺階開挖，采用兩側交錯、縱向階梯的方式完成兩側開挖至設計標高。開挖方法同第3步。

第5步，薄壁面板隔墻拆除與核心土臺階式開挖。先拆除薄壁面板隔墻，再開挖中部核心土，二者前后距離保持5m；最后開挖下部核心土，中部核心土和下部核心土的開挖面距離保持在10m。開挖完成后及時施作隧道底部橫向臨時支撐。

模擬開挖時，隧道起拱線上部、各導坑和核心土的開挖均按照每步開挖進尺2.5m循環開挖計算，直至開挖到設定距離。這里分別選取了隧道拱頂開挖25m、50m、75m和100m時的工況來分析特大斷面隧道圍巖在不同施工階段時的應力應變特征。各工況下隧道的開挖狀況如圖3所示（圖中為了方便顯示隧道內的開挖狀況未顯示隧道上部初襯）。

圖3 各工況下隧道內部開挖情況

3.4模擬結果分析

3.4.1 應力特征分析

圖4-圖7是薄壁面板隔墻法施工過程中，隧道圍巖應力分布云圖。從圖4中可以看出，隧道拱頂開挖25m時，隧道圍巖應力出現重新分布。隧道拱頂開挖25m時，隧道最大主應力出現在左側拱腳的初襯上，為壓應力，最大值是4.55MPa；在薄壁中隔墻和錨桿的支護作用下，隧道拱頂兩側附件出現開挖卸荷區；隧道底部出現拉應力，最大拉應力為0.39MPa；隧道中隔墻在洞口附近的上部和下部有應力集中，最大壓應力為3.22MPa，最大拉應力為0.015MPa。錨桿受力具有明顯的區域性特征。在隧道左側錨桿受壓，最大壓應力為475.38Pa；在隧道拱頂及隧道右側錨桿受拉，最大拉應力為725.6Pa。這表明隧道左上方的砂質泥巖由于其力學強度低、天然容重較大，使得隧道開挖后該巖層沉降變形較大，中空注漿錨桿也出現了壓縮變形（見圖4d）；而在隧道右側的砂巖層，其力學強度較砂質泥巖層大，容重較小，以小沉降變形為主，錨桿能很好的發揮其對隧道圍巖的懸吊和擠壓作用。

圖4 隧道拱頂開挖25m時應力分布云圖

圖5 隧道拱頂開挖50m時應力分布云圖

圖5是隧道拱頂開挖50m時隧道各處應力分布云圖。從圖中可以看出，隧道拱頂開挖50m時，隧道最大主應力出現在距離洞口25m的中隔墻頂部初襯內側附近，為壓應力，最大值是16.375MPa。并且，在距離洞口25m的初襯和中隔墻上出現了一條沿隧道橫向的應力集中帶，該集中帶與右側中導坑開挖端面平齊。最大拉應力也出現在該應力集中帶上，最大拉應力值為2.06MPa。可見右側中導坑的開挖引起了隧道圍巖的應力重新分布。錨桿受力也發生了重新分布。除在隧道左側頂部距洞口約25m的小部分錨桿受壓外，其他部分錨桿均出現了受拉特征，而且，錨桿應力明顯增大，最大壓應力為2.42MPa，最大拉應力為2.25MPa。最大拉應力分布在隧道橫向應力集中帶和隧道中導坑左右兩側靠近洞口處。

圖6是隧道拱頂開挖75m時隧道各處應力分布云圖。從圖中可以看出，隧道拱頂開挖75m時，在距離洞口25m和50m的初襯和中隔墻上分別出現了一條沿隧道橫向的應力集中帶，這兩條集中帶分別與右側中導坑開挖端面和右側下導坑開挖斷面平齊。隧道初襯最大壓應力和錨桿最大壓應力也出現在這兩條應力集中帶附近。其中初襯最大壓應力值為18.21MPa，錨桿最大壓應力值為2.98MPa。在隧道左側中導坑初襯距離洞口15m的范圍內、隧道右側中導坑初襯距離洞口25m的范圍內和中隔墻頂部附近的初襯都出現了拉應力區，這些拉應力區與隧道錨桿的拉應力區基本吻合，其中初襯的最大拉應力值為5.11MPa，錨桿的最大拉應力為2.56MPa。可見，隨著隧道的進一步開挖，隧道各處的應力擾動進一步加劇，隧道左右導坑的非對稱開挖也誘發了隧道同一斷面左右部分受力不對稱的情況。但是，在隧道縱向，應力集中帶的分布則呈現出一定的規律性。

圖6 隧道拱頂開挖75m時應力分布云圖

圖7 隧道拱頂開挖100m時應力分布云圖

圖7是隧道拱頂開挖100m時隧道各處應力分布云圖。從圖中可以看出，隧道拱頂開挖100m時，在距離洞口25m、50m和75m的初襯和中隔墻上分別出現了一條沿隧道橫向的應力集中帶，這三條集中帶分別與右側中導坑開挖端面、右側下導坑開挖斷面和中隔墻拆除斷面平齊。隧道初襯最大壓應力和錨桿最大壓（拉）應力同樣出現在這兩條應力集中帶附近。其中初襯最大壓應力值為19.1MPa，錨桿最大壓應力值為3.76MPa，錨桿最大拉應力值為3.11MPa。在隧道拱頂附近、各導坑地面也都出現了區域性的拉應力區，這些拉應力區也與隧道各導坑的開挖長度基本吻合。在中隔墻和核心土分層開挖后，隧道拱頂初襯出現了明顯的拉應力集中，最大值為4.99MPa，因此，在中隔墻拆除后應重點對該區域初襯及圍巖的破壞情況進行監測。在隧道縱向，應力集中帶的分布規律也更加明顯。

圖8是隧道初襯、錨桿最大應力值隨拱頂開挖距離的變化特征。從圖8a中可以看出，隨著隧道開挖距離的增大，初襯最大壓應力呈現明顯的增大趨勢，特別是在隧道中部導坑開挖之后，壓應力增大最為明顯。但在隧道拱頂開挖50m之后，初襯最大壓應力增速變緩。初襯的最大拉應力也隨隧道拱頂開挖距離的增加呈增大趨勢，但是在開挖距離達到75m后初襯的最大拉應力有降低趨勢。從圖8b中可以看出，隨著隧道開挖距離的增大，錨桿的最大壓應力和最大拉應力均不斷增大，可見開挖對隧道圍巖的擾動不斷加劇。結合本節隧道應力分布規律可知，在采用薄壁面板隔墻法施工時，隨著隧道開挖距離的增加，要特別注意增大導坑開挖端面附近的初襯、中隔墻和錨桿的支護強度，以確保隧道施工安全。

圖8 隧道初襯、錨桿應力隨拱頂開挖距離的變化曲線

3.4.2 變形特征分析

（1）豎向變形特征

采用薄壁面板隔墻法對隧道開挖過程中，隧道圍巖出現了不均勻沉降，如圖9所示。在不同的開挖距離下，隧道的最大下沉區均分布在左側導坑上部圍巖，這主要是由于該處圍巖是較為軟弱的砂質泥巖（見圖2），變形能力較隧道右側砂巖強。并且隨著隧道開挖距離的增加，拱頂圍巖最大下沉量從6.12mm增大到了8.02mm，但是最大下沉位置均在靠近洞口的左側導坑上部。而在導坑底部，由于隧道開挖卸荷，導坑底部均出現隆起現象。受中隔墻和預留核心土的影響，坑底最大隆值均分布在各導坑中心處。隨開挖距離的增加，最大隆起值從3.46mm增大到了6.98mm。中隔墻的變形特征呈現上下不同的特征：中隔墻上部位移向下，出現壓縮變形；中隔墻下部位移向上，也出現壓縮變形。這是由于在隧道開挖過程中中隔墻作為隧道中部臨時支護體，既承擔了隧道上部圍巖的自重又承擔了隧道下部圍巖在地應力作用下對隧道底部的擠壓作用。

圖9 隧道開挖過程中圍巖豎向位移云圖

此外，隧道變形區在隧道軸向上也具有明顯的規律性。這里以隧道拱頂開挖75m為例說明，如圖10。從圖10中可以看出，隧道左側拱頂初襯沿隧道軸向出現了間斷性的劇烈下沉區，劇烈下沉區的大小距離洞口越遠越小，相鄰劇烈下沉區的分界處基本和隧道右側各導坑開挖端面平齊。隧道隆起區在隧道軸向上隨各導坑開挖距離呈現階段性特征。可見，導坑臺階式開挖主導了隧道結構的應力集中特征和變形特征。

圖10 隧道拱頂開挖75m時隧道豎向位移云圖

（2）水平收斂特征

水平位移最大值是在隧道左側拱頂靠近砂質泥巖處，該處圍巖在隧道開挖后有明顯的向隧道臨空面水平移動的趨勢。當隧道拱頂開挖25m時，隧道左側拱頂和左側墻腰均向隧道臨空方向水平收斂，最大水平位移為2.38mm，隧道右側拱頂和右側墻腰也向隧道臨空方向收斂。但是隧道左側拱腳初襯則逆向隧道臨空方向水平移動，右側拱腳初襯也逆向隧道臨空方向水平移動。拱腳水平相對凈空變化最大值為0.006%。當隧道拱頂開挖50m、75m和100m時，隧道初期支護的水平位移趨勢相同，只是左側拱頂最大水平位移分別增加為2.91mm、3.51mm和3.31mm，期間拱腳水平相對凈空變化最大值為0.01%。

4 隧道穩定性分析

圖11 隧道開挖過程中水平位移云圖

4.1 塑性區分布

隧道開挖過程中會對隧道圍巖產生強烈的擾動作用。采用薄壁面板隔墻法對特大斷面隧道施工時，雖盡量降低了施工開挖對圍巖的擾動影響，但仍有部分圍巖在開挖過程中出現了塑性破壞，如圖12。從圖中可以看出，在隧道開挖25m之前，塑性區主要分布在隧道左側拱腳初襯外的砂巖與砂質泥巖交界處，以及隧道左側開挖斷面上部。破壞形式主要是張拉破壞。當隧道拱頂開挖從25m增加到75m時，隧道圍巖的主要破壞位置基本相同，但是隧道內部的上導坑底部、核心土頂部和拱頂砂質泥巖與砂巖交界處開始零星出現拉應力破壞區。當隧道中隔墻和核心土部分拆除時（隧道拱頂開挖100m時），中隔墻頂部和底部開始出現了剪切破壞區，并且在中隔墻拆除區域的中部核心土頂面出現了較大范圍的張拉破壞區，在核心土底部也出現了張拉破壞區。這些塑性區的出現不會引起隧道的整體失穩，但是施工過程中仍應加強對這些局部破壞區的支護和觀測，預防塑性區的擴大。

圖12 隧道開挖過程中塑性區分布圖

4.2 隧道變形

隧道拱頂下沉直接反應了隧道圍巖應力發展趨勢，不但影響隧道本身的穩定性還將對隧道上部地表建筑物的安全帶來隱患。根據《城市軌道交通工程監測技術規范》GB50911-2013[6]對礦山法地鐵車站隧道支護結構變形監測項目控制值要求，結合數值模擬計算結果，可以得到采用薄壁面板隔墻法施工的特大斷面隧道各項變形指標如表2。

表2 特大斷面地鐵車站初期支護結構變形值

從表2中可以看出，隧道最大拱頂沉降和最大凈空收斂均小于規范控制值，表明采用薄壁面板隔墻法對特大斷面隧道開挖能保證開挖過程中隧道的穩定性。

5 結語

薄壁面板隔墻法綜合了雙側壁導坑法、臺階法和CD法的優點，減少了開挖工序和隧道拱部臨空時間，大大加快了施工速度。通過數值模式計算分析發現，在特大斷面隧道施工中，采用薄壁面板隔墻法施工，隧道圍巖、初襯呈現出以下的應力應變特征。

（1）隧道初襯、中隔墻和錨桿應力會在隧道軸向方向出現多個應力集中帶，各個應力集中帶分別與隧道先開挖一側上、中、下各導坑的開挖端面或中隔墻的拆除斷面平齊。

（2）受中隔墻和預留核心土的影響，左右導坑的豎向位移互不影響，最大隆值均分布在各導坑中心處；隧道劇烈下沉區沿隧道軸向呈現階段性特征，劇烈下沉區的大小距離洞口越遠越小，相鄰劇烈下沉區的分界處基本和隧道先開挖側各導坑開挖端面平齊。

此外，數值模擬計算結果表明，薄壁面板隔墻法施工過程中特大斷面隧道的塑性區小，隧道的拱腳水平相對凈空變化指標和拱頂相對下沉指標均遠小于規范要求的極限值。因此，采用薄壁面板隔墻法對特大斷面隧道開挖能保證開挖過程中隧道的穩定性。

[1]喻海軍.淺埋特大斷面地鐵車站暗挖施工關鍵技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2014.

[2]黃倫海，程崇國，蔣樹屏，等.輕軌地下車站主體結構設計與施工研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（10）：1715-1721.

[3]朱澤兵，劉新榮，張永興.大跨超淺埋輕軌車站隧道開挖方法研究[J].巖石力學與工程學報，2005，24（2）：290-295.

[4]王國欣，肖龍鴿，王玉嶺.城市淺埋超大斷面隧道的開挖方法探討[J].隧道建設，2009，29（6）：658-663.

[5]任仕國，張衛彪.大斷面隧道中巖柱單邊落底施工方法的數值模擬[J].橋隧工程，2012，9：260-262.

[6]中華人民共和國住房和城鄉建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50911-2013城市軌道交通工程監測技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2013.

責任編輯：孫蘇，李紅

Study on MechanicalCharacteristics of Thin Mid-partition Wall Method in Super-large Section Tunnel Construction

Based on the construction of tunneling urban subway station,theories of the thin mid-partition wallmethod is introduced and the transformation and mechanical evolution characteristics are analyzed with the finite element numerical simulation analysis method.The results show thatthe pilot tunnelexcavation dominates the tunnelstructure stress concentration and deformation characteristics.The stress and strain ofthe surrounding rock,initial liner and rock boltin the super large section tunnelhave multiple stress clusters and displacementupheavalzones along the axialdirection of the tunnel. The boundaries of differentstress clusters and displacementupheavalzones are almostatthe end face of the pilottunnels.Meanwhile,the setting of the middle walland the reserved core soileffectively improves the excavation disturbance of superlarge section tunnelsurrounding rock,narrowing the plastic zones ofthe surrounding rocks.The horizontalrelative clearance index oftunnelarch footand the relative sinking index ofvaultcan also meetthe stability requirements ofthe superlarge section tunnel.

super large section tunnel;thin mid-partition wallmethod;numericalsimulation;tunnelconstruction;double-side-driftmethod

TU94+1

A

1671-9107（2017）02-0055-05

10.3969/j.issn.1671-9107.2017.02.055

2016-11-28

張軍偉（1986-），男，河南項城人，博士，工程師，主要從事巖石力學工程研究工作。