无中导洞连拱隧道设计施工技术探讨

陈力华

【摘 要】分析目前连拱隧道设计、施工中容易出现的质量及安全问题,提出对连拱隧道施工工艺的改进措施——无中导洞连拱隧道施工工艺,通过有限元计算将传统施工工艺与该改进工艺进行对比,结果表明,在各种计算参数相同的情况下,采用改进工艺位移变化值更小,其为更合理的施工工艺.建议在有条件的山岭隧道中对该工艺进行深入研究与现场试验,以为我国连拱隧道建设积累宝贵经验. 【期刊名称】《公路交通技术》 【年(卷),期】2012(000)001 【总页数】5页(P94-98)

【关键词】连拱隧道;中隔墙;中导洞;施工技术 【作 者】陈力华

【作者单位】招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆400067 【正文语种】中 文 【中图分类】U459.2

目前，公路连拱隧道因其占地少、有利于路线穿越不良地形、开挖量小、对环境破坏小等诸多优点越来越受到设计和建设单位的青睐，在公路工程中得到广泛应用［1－2］。

虽然连拱隧道有很多不可替代的优点，但也存在一些缺陷，导致工程界对采用连拱

隧道还有一些争议。从目前国内已建成的连拱隧道工程看，施工中常常不同程度地出现了围岩坍塌、衬砌产生大面积裂缝、衬砌接头处严重渗漏水等问题，且随着连拱隧道工程的增多，新问题也不断涌现，许多方面仍待优化、完善和改进。 针对以上问题，国内许多学者对连拱隧道设计、施工和监控方面进行过大量研究［3－15］，但这些研究主要是针对现行规范设定的连拱隧道结构形式来进行的，而目前连拱隧道结构形式是否合理，还有待隧道建设者考虑。笔者认为，传统连拱隧道结构形式复杂，施工步骤繁琐，存在安全隐患的步骤较多，导致隧道施工进度慢，运营过程中病害严重。本文将简要分析传统工艺存在的问题，提出更安全、经济、合理的施工设计方法。 1 连拱隧道施工流程比选 1.1 传统工艺

传统连拱隧道施工主要按照以下几个步序进行，如图1所示。

第1步:开挖中导洞;第2步:中导洞支护;第3步:全隧道中导洞贯通后修建中隔墙;第4步:中隔墙墙背回填;第5步:开挖及支护先行主洞(根据围岩情况选取开挖方式);第6步:先行洞2次衬砌(与后行洞掌子面保持一定的距离);第7步:开挖及支护后行主洞;第8步:后行主洞2次衬砌(施工完成)。 传统施工方法的不利因素如下:

1)中隔墙与中导洞顶部衬砌不密贴，中隔墙基本在中导洞应力完全释放的条件下施工，最终导致松散土体范围较大。这些土体都是作为荷载作用于衬砌上，未能充分发挥围岩的自稳能力，对隧道受力不利。

2)开挖一侧主洞时，土体夯击不够密实，木楔没有紧塞，在主洞拱架推力的作用下可能导致中隔墙失稳。在夯填土石和钢管紧塞过程中，施工作业空间狭小，施工质量难以得到保证。

3)中隔墙顶部与中导洞支护之间一般难以达到回填密实要求，若施工中未对该位置

的土体采取有效堵水措施，则后期运营过程中最容易出现漏水等现象。图2为京珠高速公路五龙岭隧道漏水情况，这种现象在其他隧道中也非常普遍。 图1 连拱隧道传统施工步序

4)施工中临时支护费用高，特别是中导洞修建时大量临时支护最终被拆除，存在一定程度的浪费。 1.2 优化方案

图2 京珠高速公路五龙岭隧道中隔墙位置漏水

针对传统连拱隧道施工工艺出现的施工质量和安全问题，提出改进工艺，即无中导洞连拱隧道设计施工技术。优化工艺主要采取2种施工方案，见图3。 1.2.1 方案1主要施工步 图3 无中导洞连拱隧道施工方案

第1步:采取分布开挖方式将中导洞和先行主洞开挖，并完成初期支护的施工;第2步:中隔墙与先行主洞2次衬砌1次浇筑完成(与后行主洞掌子面保持一定距离);第3步:后行主洞的开挖和支护;第4步:后行主洞2次衬砌(施工完成)。 1.2.2 方案2主要施工步

第1步:开挖中导洞及主洞的一部分并支护;第2步:施作中隔墙;第3步:开挖并支护先行主洞;第4步:拆除临时支护;第5步:先行主洞2次衬砌浇筑完成(与后行主洞掌子面保持一定距离);第6步:后行主洞的开挖及支护;第7步:后行主洞2次衬砌(施工完成)。

从图3中可以看出，无中导洞连拱隧道设计施工技术主要有以下优点:

1)中导洞和一侧主洞一起开挖和支护，可减少施工步，提高施工进度;整个施工过程中不存在明显的薄弱环节，施工安全性得到提高。

2)省工、省料，如中导洞的支护材料，浇筑中隔墙的模板材料，中隔墙墙背回填材料，若采用这种工艺则更为经济。

3)中隔墙顶部与围岩能密贴，可避免大范围的松动土体，施工质量容易得到保证。 4)方案2相对于方案1的改进主要体现在中导洞先行浇筑上，采取这种方式可使先行主洞开挖断面减小，对施工过程中先行洞衬砌结构的受力比较有利，但施工组织相对麻烦，实际工程中可根据围岩情况选取其中一种开挖方式。若围岩条件较好，建议选用方案1;反之，选用方案2。 2 无中导洞连拱隧道结构数值模拟分析

以上主要定性分析了无中导洞连拱隧道设计施工技术在施工组织上的优越性，下面将通过有限元计算模型的计算结果来说明受力方面哪种更优。

图4为有限元计算模型，其中(a)为按照传统施工方法建模的隧道，为曲墙隧道;(b)为按照改进后的2种方法建模的隧道，为直墙隧道。整个隧道模型埋深30 m，距离左右边界90.5 m，距离下边界20 m。采用3节点三角形单元进行划分，2次衬砌及中隔墙采用弹性模型。计算参数如表1所示。

图5～7为连拱隧道分别按照传统的开挖方式、优化方案1、优化方案2施工得到的有限元计算结果。将这些结果进行汇总(表2)可以发现，采用优化方案2变形及位移值最小，其为较安全的施工方案。

计算结果中，传统方案的2次衬砌及中隔墙的第一主应力值最大，因为采用曲墙的断面结构形式，可减少中隔墙的受力面积。传统施工工艺和2种改进后的工艺的第一主应力值均较小，材料强度能满足受力要求。

优化方案2位移值小于优化方案1，但受力大于优化方案1。因为优化方案2及早施作了中隔墙，开挖过程中产生的应力释放可有效作用于中隔墙上，使衬砌及时受力，可较好地控制位移，但受力较大。 3 结论与展望 图4 有限元计算模型

表1 计算参数注:C30混凝土2次衬砌厚度为60 cm，中空注浆锚杆的截面积为

0.00038 m2。/kPaⅣ级围岩类别 密度/(kg·m－3) 弹性模量/GP 泊松比 粘聚力/kPa 摩擦角/(°) 抗拉强度2200 4 0.32 600 35 40 C20喷射混凝土 2300 21 0.22 1500 45 －C30混凝土2次衬砌 2500 30 0.2 － － －中空注浆锚杆 7800 200 0.3 － － －中隔墙2300 21 0.22 － － － 图5 中隔墙偏移－施工步关系曲线 图6 拱顶沉降－施工步关系曲线

图7 隧道2次衬砌及中隔墙第一主应力云图(软件中默认拉为正)

表2 传统开挖方法及优化计算结果对比项目 传统方法 优化方案1 优化方案2/mm 3.44 3.23 3.03地表最大下沉/mm 2.09 2.03 1.84中隔墙最大偏移/mm 0.30 －0.29 0.232次衬砌及中隔墙最大主应力拱顶最大沉降/MPa 9.75 4.38 6.85 1)研究表明，无中导洞连拱隧道设计施工技术无论从施工组织还是施工安全方面较传统连拱隧道施工方法都有明显改善。建议在有条件的山岭隧道中对该工法进行深入研究与现场试验，以为我国连拱隧道的建设积累宝贵的经验。

2)相对于传统施工方法，采用优化方案1与优化方案2可使隧道性能得到改善，实际施工过程中究竟采用哪种方案可视围岩状况确定。当围岩条件较好时，可按照优化方案1进行，即主洞及中导洞开挖支护完成后，1次浇筑先行洞中隔墙及2次衬砌;围岩条件较差时，先开挖部分主洞及中导洞后，再浇筑中隔墙，然后再进行后续工作，对围岩的稳定较为有利。

3)无中导洞连拱隧道施工时将主洞与导洞1次开挖成型，减少了施工步和围岩的扰动，更有利于隧道施工安全。连拱隧道传统施工方法初期支护搭接在中隔墙上，此接头位置最容易产生漏水、开裂等病害，而本文提出的无中导洞连拱隧道施工技术可有效避免这种病害。 参考文献

【相关文献】

［1］朱汉华，傅鹤林，潘明军，等.连拱隧道设计施工研究与实践［C］//第一届全国公路科技创新高层论坛论文集(公路设计与施工卷).北京:外文出版社，2002.

［2］刘 伟.公路隧道建设中应注意的几个问题［J］.公路，1999(9):40－42.

［3］蒲春平，刘 可，胡占荣.京珠高速公路粤境南段五龙岭大跨、连拱隧道的施工［J］.世界隧道，2000(6):34－37.

［4］刘洪洲，黄伦海.连拱隧道设计施工技术研究现状［J］.西部探矿工程，2001(1):54 －55. ［5］周 晖，曹德洪.连拱隧道施工方法及渗漏水整治对策建议［J］.浙江交通科技，2002(4):48－49.

［6］李德宏.连拱隧道施工监测与分析［J］.现代隧道技术，2003，40(1):59 －64.

［7］周玉宏，赵燕明，程崇国.偏压连拱隧道施工过程的优化研究［J］.岩石力学与工程学报，2002，21(5):679 －684.

［8］刘招伟，何满潮，肖红渠.浅埋大跨连拱隧道施工中变形的监测与控制措施［J］.岩土工程学报，2003，25(3):339－343.

［9］朱有元，蒲春平.浅埋大跨双连拱隧道的施工［J］.湖南交通科技，2001，27(3):72 －74. ［10］郝景文.浅埋段连拱隧道施工中的关键环节［J］.山西交通科技，2003(3):70－71. ［11］汪俊民.软弱围岩地段双连拱隧道施工技术［J］.西部探矿工程，2003(6):95－97.

［12］余晓琳，黄小华，彭立敏.软弱围岩条件下连拱隧道施工阶段的受力分析［J］.西部探矿工程，2002(4):66－68.

［13］赵玉光，张焕新，林志远，等.双连拱隧道施工力学数值模拟与施工方法比选［J］.广西交通科技，2003，28(4):25－30.

［14］昝成忠，熊四华，李国礼.水磨房2#连拱隧道施工方案探讨［J］.重庆交通学院学报，2002，21(4):20 －23.

［15］卢耀宗，杨文武.莲花山大跨度连拱隧道施工方法研究［J］.中国公路学报，2001，14(2):75－77.