偏壓作用下超大斷面雙連拱隧道中隔墻受力變形特性分析*

李玉華

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

0 引言

近年來，雙連拱隧道憑借其占地少、洞口設計選擇性多、地下空間利用率高、建造成本低等特點在隧道工程中得到了廣泛應用。中隔墻作為雙連拱隧道的核心結構，其力學變形特性是影響整個隧道工程安全穩定的重要因素，合理的施工方法是雙連拱隧道設計施工的難題之一。國內外已有較多學者對雙連拱隧道中隔墻力學變形特性展開了研究，并取得了較多成果。

1)施工工序 林剛等[1]結合室內模型試驗對不同圍巖等級條件下不同施工方法對中隔墻力學變形的影響展開了研究，提出了三導洞法、中導洞全斷面法和中導洞正洞臺階法的適用范圍；任尚強[2]結合現場實際工程，提出了利用中導洞+單側壁導坑法對IV級圍巖隧道開挖的方法；許崇幫等[3]采用數值模擬的方法對不同地質條件下雙連拱隧道的施工方法進行了分析，研究了不同施工工序對中隔墻受力變形特性的影響，并結合得到的規律對施工工序進行了優化；彭定超等[4]依托某實際工程，利用三維數值模擬方法，對不同施工階段下雙連拱隧道中隔墻受力特點進行了分析，研究了中隔墻應力和位移的變化規律；王先堂[5]通過現場測量得到了雙連拱隧道施工過程中周邊地表沉降和拱頂豎向沉降。

2)中隔墻斷面形式 楊德春等[6]利用數值模擬方法對不同厚度的曲中墻受力變形特性進行了分析，得到了能夠使中隔墻變形最優化的厚度值；時亞昕[7]利用數值分析的方法對深埋雙連拱隧道在II，III，IV級圍巖條件下整體式和分離式直中墻的受力變形特性展開了研究，得到了中隔墻受力變形分布及薄弱部位；陳貴紅等[8]通過研究表明中隔墻厚度超過2m后，其應力減小幅度不明顯。

3)中隔墻受力計算 申玉生等[9]利用數值模擬的方法對雙連拱隧道中隔墻的受力變形特性進行了研究，研究表明中隔墻在施工過程中承擔了隧道的大部分荷載，因此中隔墻是保證整個隧道施工過程安全穩定的重要因素；姜玉松等[10]結合拱理論計算得到了雙連拱隧道中隔墻的受力大小，并采用力矩平衡法分析了中隔墻的穩定性，提出了保障其穩定性的措施；李建宇等[11]結合理論分析、數值模擬和現場實測數據對中隔墻受力機理進行了深入分析，探討了對稱和不對稱形式中隔墻受力特點及穩定性；夏永旭等[12]利用數值模擬方法對雙連拱隧道三導洞法施工時中隔墻的變形和穩定性進行了詳細分析；胡志平等[13]利用大型商用軟件ABAQUS對雙連拱隧道施工引起的地表沉降、襯砌應力變化及變形規律進行了分析，研究了雙連拱隧道施工過程中的力學特性。

上述成果對于雙連拱隧道中隔墻的設計和施工起到了較好的指導作用，但上述研究多集中于等壓隧道，對于偏壓隧道較少涉及，同時對于超大斷面且地質條件非對稱條件下雙連拱隧道的受力變形特性也鮮有涉及。超淺埋、超大斷面、偏壓、地質條件不均勻的耦合作用使得中隔墻受力變形特性較為復雜[14]，但鮮有理論研究和工程經驗，不同施工方法對此類條件下中隔墻力學變形特性的影響也不得而知。因此，開展此類條件下不同施工工序對中隔墻力學特性的影響研究具有重要理論意義和實踐價值。

本文結合廈門地質條件不均勻區域某超淺埋、超大斷面、偏壓雙連拱隧道實際工程[15-16]，對比分析了三導洞、中導洞正洞臺階法、中導洞全斷面法施工過程中中隔墻力學變形特性，得到了適宜此類條件的最優施工方法，結合現場實測數據對施工方法進行進一步優化。研究成果可為復雜條件下雙連拱隧道中隔墻設計和施工提供借鑒。

1 工程概況

廈門第二西通道(海滄隧道)工程起于海滄區馬青路與海滄大道交叉口，為連接海滄區和本島的重要通道。其中興湖路地下互通段有160m超淺埋、偏壓、超大跨度隧道，隧道位于“土石二元”地層，是典型的上軟下硬地層：隧道覆蓋層為雜填土及殘積土，隧道洞身及洞頂地層主要為覆蓋層及全～強風化巖，局部為微風化巖。BZK16+790—BZK16+850區段存在偏壓現象，且土層自穩能力較差。

隧道采用雙連拱暗挖形式進行設計和施工，隧道最小埋深為5.61m，最大跨度為45.73m，是目前開挖斷面最大的雙連拱隧道(見圖1)。隧道采用3層襯砌類型：初期支護采用H25型鋼@50cm+30cm厚C25噴射混凝土、初支加強層采用格柵鋼架@50cm+30cm厚C25噴射混凝土、三次襯砌采用C45，P12防水鋼筋混凝土，厚度80cm。中隔墻采用復合式結構類型，確保三次襯砌結構的完整性。

圖1 雙連拱隧道斷面(單位：m)

由于施工工序和施工方法會對中隔墻力學變形特性產生較大影響，故對中導洞全斷面法、中導洞正洞臺階法和三導洞法進行比選，以中隔墻受力及變形為指標，確定最優施工工序。

2 中隔墻受力機理分析

2.1 中隔墻受力機理

選取單位厚度的中隔墻進行分析，如圖2所示。

圖2 中隔墻受力分析

圖2中，Fx為中隔墻受到的水平荷載，Fy為中隔墻受到的豎向荷載，M為彎矩。通過分析可知，施工過程中中隔墻主要受到墻上方傳遞下來的豎向荷載Fy，左右洞開挖引起的水平荷載Fx和彎矩M。由于施工工序不同，因此傳遞至中隔墻上的荷載Fx，Fy和M是不斷變化的，且在施工結束后達到最大值，因此在中隔墻結構形式和左右洞結構形式不變的條件下，中隔墻最終應力變形狀態較為接近，但由于不同施工工序造成的塑性變形、應力釋放不同，最終狀態會有一定的差異。施工過程中，由于左右洞非實時對稱開挖，各階段支護荷載作用也非對稱施加，因此在施工過程中中隔墻將長期處于偏壓狀態，當施工斷面本身就為偏壓界面且地質條件不均勻時，該偏壓現象更為嚴重，故需要注意中隔墻在施工過程中位移和應力變化。

2.2 中導洞全斷面法

該方法是指先開挖中洞，再修筑中隔墻，隨后采用全斷面法進行開挖，最后進行二次襯砌施工。由于該方法中左洞和右洞均為全斷面一次成型，故在施工過程中圍巖受到擾動較少，有利于隧道整體穩定。但由于左洞或者右洞為一次性開挖成形，故會對中隔墻產生較大的不平衡力和彎矩，并使其產生較大變形。

2.3 中導洞正洞臺階法

該方法是指先開挖中導洞并進行中隔墻澆筑，隨后利用上下臺階法進行正洞的開挖施工，并進行相關支護和襯砌施工，該方法對中隔墻產生的不平衡力和彎矩較小。采用該方法進行施工對圍巖影響較小，但當圍巖較為軟弱時，采用該方法施工可能會產生較大變形等工程災害。

2.4 三導洞法

該方法前期與上述兩種方法相同，修筑完中隔墻后，在正洞開挖側導洞，導洞掘進一定距離后，采用上下臺階法對正洞進行開挖。由于該方法中采用了多次支護，施工初期由于兩次不對稱開挖產生的不平衡力和彎矩較小，中隔墻應力和變形均相對較小。

3 不同施工工序中隔墻受力變形特性數值分析

3.1 模型建立及參數選取

采用有限元軟件對廈門第二西通道雙連拱隧道施工過程進行模擬。由于沿開挖方向隧道結構無較大變化，故采用二維模型進行模擬。隧道跨度為45.73m，左洞跨度為19.37m，高度為12.37m；右洞跨度為19.32m，高度為12.32m；中隔墻最小寬度為2.46m，高度為7.8m。為了消除數值模擬過程中邊界效應的影響，模擬土體長度為150m，深度為80m，其中，頂部斜坡斜率為1∶20，如圖3所示。

圖3 數值分析模型

巖體分層及參數根據現場勘查結果確定，其中采用莫爾-庫倫本構關系對圍巖進行模擬，采用線彈性本構關系對襯砌、中隔墻等進行模擬，具體參數如表1所示。模擬中只考慮圍巖的自重應力，不考慮圍巖的構造應力。為了簡化計算，不對支護結構中的鋼筋等進行具體模擬，僅對其進行等剛度折算。為監測中隔墻的典型應力狀態，在中隔墻中設置1根剛度較小的鋼筋，對中隔墻應力狀態無較大影響。

表1 物理力學參數

3.2 模擬過程

模擬分為地應力平衡階段和施工模擬階段，施工模擬階段采用“生死單元”模塊對中導洞全斷面法、中導洞正洞臺階法和三導洞法進行模擬，為更清晰說明模擬步驟，對隧道進行分區，具體如圖4所示。

圖4 雙連拱隧道斷面分區

根據中導洞全斷面法、中導洞正洞臺階法和三導洞法施工工序，確定3組模擬順序如下。

3.3 結果分析

3.3.1中隔墻豎向應力變化

提取埋置在中隔墻內的鋼筋頂端豎向應力隨施工步驟變化如圖5所示，圖中負值表示受壓。

圖5 中隔墻豎向應力變化曲線

由圖5可知，3種施工方法引起中隔墻最終應力較為接近，但由于施工工序不同，中隔墻應力變化過程不同。中導洞正洞臺階法在施工過程中，由于最后一步開挖右洞區域，故其豎向應力前期較小，而三導洞法前期就對左右洞進行落地施工，故前期應力較大。

根據施工至第7步時(即圖4中應力出現差異處)，中隔墻大主應力云圖可知，不同施工方法在施工過程中中隔墻大、小主應力分布規律較為接近，但具體數值上存在較大差異。3種方法產生的大主應力均主要集中在中隔墻角位置，受到偏壓影響，中隔墻左側頂部位置出現小范圍應力集中現象，而墻中部位置應力較小。小主應力分布規律如下：中導洞全斷面法和三導洞法較為接近，均出現在中隔墻左側頂部和中部，而中導洞正洞臺階法出現在右側中部。

3.3.2中隔墻變形特性

提取中隔墻頂部水平位移隨施工步驟變化如圖6所示。

圖6 中隔墻水平位移變化曲線

由圖6可知，施工結束后，中隔墻頂端水平位移較為接近，但在施工過程中三導洞法位移最大，發生在區域⑤開挖完成后；中導洞全斷面法和中導洞正洞臺階法位移較小。

提取中隔墻頂部豎向沉降隨施工步驟變化如圖7所示，圖中正值為向下位移。

圖7 中隔墻頂端豎向位移變化曲線

由圖7可知，施工結束后，中隔墻頂端豎向位移較為接近，但在施工過程中三導洞法產生豎向沉降最大，發生在區域⑩開挖完成后；中導洞全斷面法和中導洞正洞臺階法位移較小。

提取不同施工方法中中隔墻左墻角、右墻角、左墻頂和右墻頂豎向位移，如圖8所示。

由圖8可知，3種方法中隔墻位移規律較為接近：墻頂產生的豎向位移較大，超過墻角位移，且豎向位移均為先增大后減小，右側位移稍大于中隔墻左側位移。結合大小主應力分布云圖可知，受到偏壓荷載和非對稱開挖卸荷影響，中隔墻會產生向先期開挖側旋轉的趨勢。

圖8 中隔墻不同位置處豎向位移變化曲線

3.3.3施工方法對中隔墻應力變形特性對比

3種施工方法中中隔墻最大應力及變形如表2所示。

對比表2中數據可知，在偏壓條件下，中導洞正洞臺階法施工過程中中隔墻應力和位移均較小，而三導洞法最大。且由于三導洞法工期較長，因此，選擇中導洞正洞臺階法較為合理。但中隔墻左右側變形不同，需在施工工程中防止非對稱開挖和偏壓作用引起的中隔墻傾覆問題。

表2 中隔墻最大應力及變形

4 優化方案與現場監測分析

4.1 優化方案

為了降低非對稱開挖引起中隔墻變形并降低中隔墻應力，實際工程中采用“中導洞+雙側壁開挖”方法進行施工，開挖順序為②超前開挖施工，提供主運輸通道，為后續①洞反向落底開挖提供通道，中隔墻襯砌施作一定距離后，堅持②，④先行，③滯后封閉，再按照⑤，⑦，⑥的順序進行落地施工，之后按照同樣順序對右洞進行開挖，即施工順序為：②→①→④→③→⑤⑦→⑥→⑧⑩→⑨→→。

4.2 現場監測分析

為了監測雙連拱隧道開挖過程中中隔墻的變形情況，BYK16+960截面布置4個變形監測點，分別監測各位置的位移變形情況，如圖9所示。初讀數在開挖后12h內采用數顯示收斂計采集，最遲不超過24h，而且在下一循環開挖前，完成初期變形值讀數。

圖9 中隔墻位移監測點布置

提取該截面施工過程中中隔墻左墻頂及左墻角豎向位移變化如圖10所示。

圖10 中隔墻位移實測值

由圖10可知，施工過程中隔墻位移值隨開挖區域先增大后降低，具有一定的波動性，但波動范圍較小，說明施工過程中中隔墻變形較小，工程較為安全可靠。對比數值模擬結果和實測值可知，兩者較為接近，數值模擬能夠較好反映開挖卸荷對中隔墻的影響。

5 結語

本文結合廈門地質條件不均勻區域某超淺埋、超大斷面、偏壓雙連拱隧道實際工程，對比分析了三導洞、中導洞正洞臺階法、中導洞全斷面法施工過程中中隔墻力學變形特性，得到了適宜此類條件的最優施工方法，主要得到以下結論。

1)雙連拱隧道結構形式一定時，不同施工方法得到的中隔墻最終應力變形量較為接近，但由于施工過程中應力和變形隨開挖區域不同而存在較大差異；中隔墻頂產生的豎向位移大于墻角位移，且豎向位移均為先增大后減小，右側位移稍大于中隔墻左側位移。

2)三導洞法由于較早對左右洞進行落地施工，故前期應力和變形均較大；中導洞全斷面法次之；中導洞正洞臺階法最后進行落地施工，其后期變形和應力較小，可作為該工況的首選方案。

3)受到偏壓作用和開挖順序的綜合影響，中隔墻會產生向先期開挖側旋轉的趨勢，且在靠近偏壓一側會出現較大的應力集中區域，施工中應防止該部位發生局部坍塌。

4)實際工程中采用優化的“中導洞+雙側壁開挖”施工方法能保證圍巖的穩定且各項監測指標合理。