硬巖地層中扁平大跨隧道拱蓋法施工優化分析

陳萬麗，張魯明，陳立鵬，黃海濱，張 朋

(青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島 266000)

近年來拱蓋法[1-2]在青島、廈門、大連等城市廣泛運用，是上軟下硬淺埋地層中大跨隧道開挖的典型工法。拱蓋法包括二次初砌拱蓋法[3-4]和初期支護拱蓋法。二次初砌拱蓋法由于拱墻分步澆筑，施工縫處預留的拱部防水層在隧道下部開挖過程中容易破壞，故拱墻結合部位滲漏水嚴重。在此基礎上，經過工序優化，在地層較好的地段形成了初期支護拱蓋法，即先分部開挖拱部，充分發揮圍巖自身的承載力，通過拱部初期支護與圍巖形成整體支護體系，然后開挖下臺階，最終二次襯砌一次澆筑成型。

地鐵暗挖車站隧道采用初期支護拱蓋法施工已有較多研究。文獻[5]依托青島地鐵3號線車站工程運用三維有限元數值方法模擬拱部采用雙側壁導坑法開挖過程，得到了拱頂初期支護主要以受拉為主，側壁初期支護主要以受壓為主。文獻[6]依托青島地鐵2號線海川路站，通過數值模擬和模型試驗，分析了不同圍巖等級條件下初期支護拱蓋法的合理覆巖厚度。文獻[7-9]依托實際工程分析得出采用二次初砌拱蓋法施工過程中，拱部采用CD法(中隔壁法)開挖能夠更充分發揮圍巖自身承載能力，具有較好的經濟效益。

以往研究主要依托車站工程，相比于區間大跨隧道，車站具有更大的高跨比及矢跨比，且拱部開挖大多采用雙側壁導坑法。本文依托實際工程，采用三維數值模擬和現場實測方法，研究硬巖地層中扁平大跨隧道應用初期支護拱蓋法的可行性，以及拱部采用CD法開挖的適應性，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 區間隧道情況

青島地鐵1號線人(民廣場站)—衡(山路站)區間隧道位于青島市黃島區，區間由人民廣場站出發，沿長江東路向東敷設，下穿丁家河橋后，途徑丁家河小區、青島理工大學、福瀛大廈、長江新苑小區、福瀛天麓湖售樓中心等建(構)筑物后到達衡山路站，全長約1.5 km。其中小里程段約1.2 km為單洞單線圓形隧道，采用TBM法施工；大里程段約300 m為站前折返線，為單洞四線大斷面隧道。

1.2 工程地質條件

人衡區間站前折返線拱頂覆土厚度22～29 m，洞身位于微風化花崗斑巖中，圍巖等級為Ⅱ～Ⅳ級，大里程段約100 m洞身多處穿越破碎帶，地質情況較差，其余部分圍巖較完整。地下水以基巖裂隙水為主，富水性較差，透水性弱，水量較小。站前折返線地質縱斷面見圖1。

圖1 站前折返線地質縱斷面(單位：m)

2 設計方案

2.1 原設計方案

站前折返線開挖斷面較大，開挖跨度達到22.94 m，高度達到12.89 m，高跨比僅為0.56，Ⅱ,Ⅲ級圍巖段拱頂覆巖較厚，采用二次初砌拱蓋法施工，拱部采用CD法開挖，采用系統錨桿+格柵鋼架+噴混凝土的支護體系。拱部施工步序如圖2所示。

圖2 二次初砌拱蓋法施工工序

2.2 優化方案

本區間小里程段拱頂覆巖較厚，圍巖等級Ⅱ,Ⅲ級，地質情況較好，采用二次初砌拱蓋法施工稍顯保守。另外受前期爆破手續辦理延誤的影響，本段工期壓力較大，為充分發揮拱蓋法施工工效，按時為小里程段TBM法施工提供空間，對原方案進行了優化。

優化后施工方法改為初期支護拱蓋法，拱部依然采用系統錨桿+格柵鋼架+噴混凝土的支護體系。取消了拱腳梁，拱部豎向荷載全部由拱部初期支護傳至拱腳處圍巖，因此拱腳下方3 m增加系統錨桿。系統錨桿采用φ25中空注漿錨桿，長3.5 m，間距1 m(環向)×0.75 m(縱向)，梅花形布置。原來錨入拱腳梁的2根長錨桿改為錨入拱腳初期支護內，作為拱腳的鎖腳錨桿。拱部依然采用CD法開挖，施工步序如圖3所示。拱部左導洞超前右導洞15 m，同側導洞上臺階超前下臺階5 m，隧道下部中間導洞落后拱部右導洞下臺階15 m，隧道下部左右導洞落后中間導洞15 m。

圖3 初期支護拱蓋法施工工序

對比圖2和圖3可以發現，2種工法的主要區別在于開挖下斷面時拱部二次初砌是否完成。與二次初砌拱蓋法相比，初期支護拱蓋法最大的風險在于：二次初砌拱蓋法拱部中隔壁的拆除及拱蓋二次初砌施作幾乎是同時進行的，拱頂初期支護頂只有幾米的懸空，而初期支護拱蓋法拱部中隔壁的拆除與下臺階的分部開挖同時進行，拱頂初期支護將有幾十米甚至幾百米的懸空，因此施工風險更高。但這也是初期支護拱蓋法的優點所在，充分發揮硬巖的自身承載能力，減少初期支護與二次初砌施工交叉作業，節約人力物力，縮短工期，二次初砌澆筑一次成型，防水質量更加可靠。

下面結合該區間隧道實際情況，分析優化方案的可行性。

3 數值分析

3.1 模型建立及參數確定

由于拱部CD法開挖過程中，各導洞及導洞內上下臺階掌子面存在一定間距，二維模型無法準確反映各工況下地面沉降、圍巖應變等的變化情況，因此本文采用三維模型進行分析。本次計算采用MIDAS/NX軟件，模型為彈塑性模型，塑性屈服準則選用Mohr-Coulomb準則，地層采用實體單元進行三維模擬。依據地勘報告選取參數，初期支護及中隔壁采用殼單元進行模擬。模型尺寸為50 m(x)×80 m(y)×50 m(z)，計算模型見圖4。

圖4 計算模型

該區間地層主要為雜填土、強風化花崗斑巖、中風化花崗斑巖和微風化花崗斑巖。巖土體及支護結構物理力學參數依照地勘資料及試驗數據確定，見表1。

表1 巖土體及支護結構物理力學參數

3.2 計算結果分析

嚴格按照圖3所示的施工工序進行模擬，選取具有代表性的9個施工工況，對其變形值進行分析。工況1：拱部左上導洞開挖5 m；工況2：拱部左上導洞開挖10 m，左下導洞開挖5 m；工況3：拱部左上導洞開挖20 m，左下導洞開挖15 m，右上導洞開挖5 m；工況4：拱蓋左上導洞開挖25 m，左下導洞開挖20 m，右上導洞開挖10 m，右下導洞開挖5 m；工況5：拱部開挖支護完成；工況6：中隔壁拆除9 m；工況7：中隔壁拆除18 m，隧道下部中導洞開挖3 m；工況8：中隔壁拆除完成；工況9：隧道下部開挖完成。

工況9沉降云圖見圖5。可以看出：地面最大沉降為6.68 mm，拱頂最大沉降為9.73 mm，拱腳最大位移為3.65 mm，均滿足規范要求。

圖5 工況9沉降云圖

地面沉降、拱頂沉降和拱腳位移曲線見圖6。可以看出：三者的變化趨勢基本一致，并且工況5之前拱頂沉降與地面沉降隨著開挖的進行變化較小，從工況5開始沉降急劇增加，曲線斜率明顯變大，直至工況8，之后沉降明顯變小。工況5到工況8對應的工況是拆除中隔壁，說明保證中隔壁拆除過程的安全是初期支護拱蓋法施工的關鍵。與文獻[10]結論相符。

圖6 地面沉降、拱頂沉降和拱腳位移曲線

整個開挖過程中初期支護所受最大彎矩(153.7 kN·m)出現在工況9拱頂處。初期支護為350 mm 厚的C25噴射混凝土，經過計算每延米初期支護需要配筋的面積為 1 531 mm2。本工程采用φ22 mm 的HRB格柵鋼架，縱向間距0.75 m，實際每延米初期支護配筋面積為 1 901 mm2，因此初期支護滿足要求。

圖7 工況9圍巖等效應變云圖

工況9圍巖等效應變云圖見圖7。可以看出：圍巖應變在隧道拱部左上導洞、右上導洞上方呈駝峰狀分布，拱頂由于有中隔壁支撐圍巖應變較小，并且在拱腳處有明顯的應力集中。優化方案通過在拱頂設置系統錨桿有效控制了隧道拱部左上導洞、右上導洞上方圍巖應變，拱腳處增加鎖腳錨桿及拱腳下方3 m增加系統錨桿有效控制了拱腳處圍巖應變。

4 現場監測

4.1 測點布設

為了解施工過程中圍巖及初期支護的變形情況，布設了監測斷面和監測點，其中地面沉降測點間距3～10 m，在拱頂、左右導洞頂部以及仰拱中部布置初期支護位移監測點，在兩側拱腳及中隔壁下端布置水平位移監測點。

4.2 監測結果

根據現場實測數據，繪制地面沉降、拱頂沉降和拱腳位移實測曲線見圖8。對比圖6和圖8可以發現：兩者變化趨勢及數值大體一致，由此可以驗證數值計算的準確性。

圖8 地面沉降、拱頂沉降和拱腳位移實測曲線

5 結論

1)采用初期支護拱蓋法施工的區間隧道拱頂及地面沉降、初期支護結構受力、圍巖應變等指標均滿足規范要求，且有一定的安全系數，因此在硬巖地層中扁平大跨區間隧道采用初期支護拱蓋法開挖能夠滿足施工安全的要求。

2)初期支護拱蓋法整個施工過程中的最大風險在中隔壁拆除這一環節，因此確定合理的拆撐長度及拆撐過程中加強施工監測尤為重要。

3)在開挖過程中拱腳處圍巖存在明顯的應力集中現象，因此有必要采取措施加強此處圍巖承載力。本工程在拱腳處增設了系統錨桿，效果良好。

4)本工程施工時拱部采用了中隔壁法開挖，滿足了施工安全及工期要求，但拱部開挖能否采用工效更優的臺階法開挖，圍巖及初期支護受力如何變化，還有待進一步研究。