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摘要: 本文主要介绍双连拱隧道施工方法四种类型，并结合实际工程来介绍隧道双连拱结构的设计及施工方法，总结经验给同行一些借鉴。
关键词:双连拱隧道；施工技术；施工方法
中图分类号： TN312+.2 文献标识码：A
目前，国内单洞隧道施工技术已十分成熟,而双连拱隧道这种隧道结构形式，其受力结构复杂,可供借鉴的施工经验还不多，其施工技术尚在探讨和摸索之中。在双连拱隧道施工中，应针对不同围岩情况，分别采取相应的施工方法,以便在实际施工中取得成功。
一、双连拱施工方法
双连拱隧道施工方法归纳起来可分为以下4种:三导洞分步施工法；中导洞施工法；单洞施工法；双洞全断面平行施工法。
1.三导洞分步施工法
三导洞分步施工法其工序流程为:中导洞开挖及支护；中墙衬砌；左导洞开挖及支护；左侧边墙衬砌；右导洞开挖及支护；右侧边墙衬砌；左洞上半断面开挖及支护；左洞拱部衬砌；右洞上半断面开挖及支护；右洞拱部衬砌；左洞下半断面开挖及仰拱衬砌；右洞下半断面开挖及仰拱衬砌。
这种施工方法的优点是:
（1)采用三导洞分步施工,确实安全可靠,特别是很好地处理了左右拱部施工由不对称性到左右洞拱部均施工完毕后的对称结构体系转换,确保了结构在施工过程中的安全；
（2)对于地质情况很差、埋深较浅的软弱围岩(Ⅰ类、Ⅱ类)可采用了这种方法。
缺点是:
（1)由于施工工序多,对围岩和已建结构存在多次扰动,不同部位衬砌间隔时间长,使得施工缝更加明显化；
（2)拱墙衬砌分步施工,防水系统施工质量难以保证；
（3)从经济上考虑,由于多导洞开挖和支护,加大了成本,隧道造价高；
（4)多导洞施工工序多,耗时长,施工断面小,不利于大型机械作业。
2.中导洞施工法
对于Ⅲ类或Ⅲ类以上围岩,可以考虑不设两侧导洞，而是中导洞中墙施工后,直接进行左、右正洞的开挖,开挖方法可采取全断面法、正台阶法等。中导洞施工法的施工工序流程为:中导洞开挖及支护；中隔墙浇筑；左洞开挖及初期支护；左洞二次衬砌；右洞开挖及初期支护；右洞二次衬砌。
相对于三导洞分步施工法,采用中导洞施工法减少了两个边导洞的施工,拱墙采取整体一次衬砌,具有工序较简单、机械化程度较高、临时初期支护工作量小、施工进度较快,节约成本的特点；而且中导洞先施工,起到了超前探明隧道地质情况的作用,为左右正洞施工创造了条件。
3.单洞施工法
单洞施工法的工序流程为:左(或右)洞开挖、初期支护及中墙浇筑；左(或右)洞二次衬砌施工；右(或左)洞开挖及初期支护；右(或左)洞二次衬砌。
单洞施工法的特点是:减少了工序,降低了对围岩的扰动,缩短了全断面结构建成时间；采取了单洞防水系统,保证防、排水施工质量；减少了导坑开挖支护,降低了工程造价；工程进度快,工期较短。
4.双洞平行施工法
双洞平行施工法工序流程为:左、右洞开挖及初期支护；中墙开挖及中墙衬砌；中墙顶部开挖及支护；左、右洞衬砌。
双洞平行施工法的特点是:保留中墙岩柱,左、右正洞同步掘进.这种方法适用于Ⅳ类或Ⅴ类以上围岩的硬岩隧道。双洞平行施工法开挖左右洞时,要特别注意中隔墙岩柱的稳定,使之能平衡左右洞围岩传递来的应力，开挖中隔墙岩柱采取跳槽式开挖。
二、工程实例概况
南通市某隧道,由于区间穿越路段车流量比较大,并且路下管线密布,因此该段区间采用矿山法施工,设计为双连拱结构。隧道埋深大约10米。隧道穿越的土层为粉质粘土和粉土层。根据地勘报告,结构已进入潜水位,施工前需人工降水。根据本区间的水文地质情况,采用大口井“抽渗结合”的方法降水,将潜水位降低到结构底板以下约1米处。
1.隧道施工方法
双连拱隧道常用的施工方法为中导洞法,即先施工中导洞,然后浇筑中隔墙,在中隔墙形成承载能力后,再进行侧洞开挖,最后施作侧洞衬砌以形成双连拱结构。根据本段隧道的情况,要求先将中导洞贯通,然后再开挖两侧洞,这样既可以通过中导洞了解该隧道的土层地质状况,又能更好保证两侧洞施工安全。其施工步骤如下:
（1）打超前小导管对拱顶土层预支护；上、下台阶法开挖中导洞,并施作初期支护；
（2）铺设防水层浇筑中隔墙；
（3）上、下台阶法分别开挖左右两侧洞,并施作初期支护；
（4）分段拆除内部临时支护,施作防水层,浇筑二次衬砌,完成结构施工。
2.初衬支护参数
初衬采用C20喷射混凝土,小导管Φ42@300,L=3500mm,外倾角5°,纵向间距为1500mm。钢格栅由4根Φ25钢筋焊接而成,每榀格栅间距500mm,钢筋网Φ6@200mm×200mm,双侧布置。格栅纵向拉结筋22,环向间距500mm,单侧布置。
3.结构设计
3.1荷载组合
采用的荷载组合如下:
①基本组合构件强度计算；②短期效应组合构件抗裂验算；③抗震偶然组合构件强度验算；④人防偶然组合构件强度验算。
3.2主要荷载取值
1)结构自重:钢筋混凝土重度γ=25kN/m3。
2)地层竖向压力:本隧道覆土厚度为9m,为浅埋暗挖隧道,因此按计算截面以上全部土柱重量考虑;地层水平压力:采用朗肯土压力理论,施工阶段外侧取主动土压力,使用阶段取静止土压力。
3)地面超载:20kPa。
4)地震荷载:按8度地震烈度考虑。
5)人防荷载:5级人防,地面空气冲击波超压峰值ΔPm=0.1MPa。
3.3结构计算
计算方法采用荷载—结构法。对施工阶段和使用阶段分别进行内力计算,初期支护单独承载时,采用符合文克尔假定的弹性支承链杆来体现围岩的弹性抗力。弹性支承的一端与支护在节点处铰接,只传递轴向压力。侧向支承链杆水平方向布置,仰拱底面的支承链杆垂直布置。
初期支护与二次衬砌共同承载时,两层衬砌之间的相互传力作用以桁架单元模拟,每一桁架单元的两端与其相应的内外层梁单元节点相铰接。桁架单元只考虑承受压力,桁架单元径向设置。同时考虑在长期使用过程中,外部荷载因初期支护材料性能退化和刚度下降向二次衬砌转移。
3.3.1初衬计算
初衬的计算按照施工步骤对每一工况分别进行计算,然后将所有工况的计算结果进行比较,确定控制截面的内力。初衬计算时,水土压力按水土合算考虑。
3.3.2二衬计算
按初期支护与二次衬砌共同承载计算二次衬砌内力时,由于初衬不考虑防水,因此由二次衬砌承受全部水压力,而土压力则作用在初衬上,考虑到在长期作用下,初期支护材料性能会逐渐退化,刚度会下降,以初衬的刚度乘以0.5倍的系数进行折减,。
经过计算发现:底部墙脚外侧、底板跨中内侧、拱背外侧及拱顶内侧为最不利控制点,通过对该部分控制点进行配筋计算,可以确定初衬、二次衬砌结构断面所需的钢筋数量。
3.4地震与人防设计
目前,地下结构的抗震设计是将地震作用等代的静力荷载代替,按静力计算模型求结构的内力,人防设计是将人防荷载等效为静荷载作用在结构上,从而求出结构的内力反应。由于抗震设计时结构安全系数降低,不考虑裂缝控制,人防设计时材料的强度系数提高,以及不考虑裂缝的控制。通过试算,在地震荷载和人防荷载作用下的结构产生的内力对结构断面配筋不起控制作用。这样地震与人防设计的重点是采取满足规范要求的一些构造措施。
4.监控量测
利用监控量测获得的信息指导施工,这是浅埋暗挖法施工中必不可少的一个组成部分。通过监测对地层稳定性和支护系统可靠性做出判断,及时采取相应措施,以确保施工的安全。本工程将地表位移、拱顶下沉、隧道周边收敛等量测项目定为监控量测的必测项目,将土压力、土体位移、支护应力等作为选测项目。当测点的位移时间曲线变化率呈明显收敛趋势,隧道水平收敛变化率<0.12mm/d,拱顶下沉变化率<0.1mm/d,而且所测的位移值大于预计总位移值的80%时,可以认为隧道已达到基本稳定。
三、总结经验与体会
1.由于双连拱结构施工对周边围巖存在着多次扰动,特别是在中隔墙顶部存在着受力复杂的塑性区,因此,在设计、施工时应特别重视中隔墙的受力平衡及其稳定。
2.双连拱隧道中导洞的宽度在满足受力要求的情况下可适当加大,这样既能使中隔墙施工时有足够的操作空间,同时根据计算中导洞宽度加大使中隔墙的受力减小。
3.在施工二次衬砌时,应分段拆除临时支护,一次不宜超过10m,拆除过多会产生较大沉降变形。
4.双连拱隧道的结构特点决定了这种隧道形式在防水上的弱点,连拱上部低凹成槽,水易在槽中滞留。因此该部位初衬背后须注浆回填密实就显得尤为重要,通过在拱顶预埋注浆管进行补充注浆,既可以防止初衬背后存在空洞,又可以有效地阻挡凹槽中的水向结构内部渗透。
5.中导洞初衬施作完后,应尽快施作中隔墙,中隔墙的底部应做出一扩大脚,可以有效控制沉降。
关键词:双连拱隧道；施工技术；施工方法
中图分类号： TN312+.2 文献标识码：A
目前，国内单洞隧道施工技术已十分成熟,而双连拱隧道这种隧道结构形式，其受力结构复杂,可供借鉴的施工经验还不多，其施工技术尚在探讨和摸索之中。在双连拱隧道施工中，应针对不同围岩情况，分别采取相应的施工方法,以便在实际施工中取得成功。
一、双连拱施工方法
双连拱隧道施工方法归纳起来可分为以下4种:三导洞分步施工法；中导洞施工法；单洞施工法；双洞全断面平行施工法。
1.三导洞分步施工法
三导洞分步施工法其工序流程为:中导洞开挖及支护；中墙衬砌；左导洞开挖及支护；左侧边墙衬砌；右导洞开挖及支护；右侧边墙衬砌；左洞上半断面开挖及支护；左洞拱部衬砌；右洞上半断面开挖及支护；右洞拱部衬砌；左洞下半断面开挖及仰拱衬砌；右洞下半断面开挖及仰拱衬砌。
这种施工方法的优点是:
（1)采用三导洞分步施工,确实安全可靠,特别是很好地处理了左右拱部施工由不对称性到左右洞拱部均施工完毕后的对称结构体系转换,确保了结构在施工过程中的安全；
（2)对于地质情况很差、埋深较浅的软弱围岩(Ⅰ类、Ⅱ类)可采用了这种方法。
缺点是:
（1)由于施工工序多,对围岩和已建结构存在多次扰动,不同部位衬砌间隔时间长,使得施工缝更加明显化；
（2)拱墙衬砌分步施工,防水系统施工质量难以保证；
（3)从经济上考虑,由于多导洞开挖和支护,加大了成本,隧道造价高；
（4)多导洞施工工序多,耗时长,施工断面小,不利于大型机械作业。
2.中导洞施工法
对于Ⅲ类或Ⅲ类以上围岩,可以考虑不设两侧导洞，而是中导洞中墙施工后,直接进行左、右正洞的开挖,开挖方法可采取全断面法、正台阶法等。中导洞施工法的施工工序流程为:中导洞开挖及支护；中隔墙浇筑；左洞开挖及初期支护；左洞二次衬砌；右洞开挖及初期支护；右洞二次衬砌。
相对于三导洞分步施工法,采用中导洞施工法减少了两个边导洞的施工,拱墙采取整体一次衬砌,具有工序较简单、机械化程度较高、临时初期支护工作量小、施工进度较快,节约成本的特点；而且中导洞先施工,起到了超前探明隧道地质情况的作用,为左右正洞施工创造了条件。
3.单洞施工法
单洞施工法的工序流程为:左(或右)洞开挖、初期支护及中墙浇筑；左(或右)洞二次衬砌施工；右(或左)洞开挖及初期支护；右(或左)洞二次衬砌。
单洞施工法的特点是:减少了工序,降低了对围岩的扰动,缩短了全断面结构建成时间；采取了单洞防水系统,保证防、排水施工质量；减少了导坑开挖支护,降低了工程造价；工程进度快,工期较短。
4.双洞平行施工法
双洞平行施工法工序流程为:左、右洞开挖及初期支护；中墙开挖及中墙衬砌；中墙顶部开挖及支护；左、右洞衬砌。
双洞平行施工法的特点是:保留中墙岩柱,左、右正洞同步掘进.这种方法适用于Ⅳ类或Ⅴ类以上围岩的硬岩隧道。双洞平行施工法开挖左右洞时,要特别注意中隔墙岩柱的稳定,使之能平衡左右洞围岩传递来的应力，开挖中隔墙岩柱采取跳槽式开挖。
二、工程实例概况
南通市某隧道,由于区间穿越路段车流量比较大,并且路下管线密布,因此该段区间采用矿山法施工,设计为双连拱结构。隧道埋深大约10米。隧道穿越的土层为粉质粘土和粉土层。根据地勘报告,结构已进入潜水位,施工前需人工降水。根据本区间的水文地质情况,采用大口井“抽渗结合”的方法降水,将潜水位降低到结构底板以下约1米处。
1.隧道施工方法
双连拱隧道常用的施工方法为中导洞法,即先施工中导洞,然后浇筑中隔墙,在中隔墙形成承载能力后,再进行侧洞开挖,最后施作侧洞衬砌以形成双连拱结构。根据本段隧道的情况,要求先将中导洞贯通,然后再开挖两侧洞,这样既可以通过中导洞了解该隧道的土层地质状况,又能更好保证两侧洞施工安全。其施工步骤如下:
（1）打超前小导管对拱顶土层预支护；上、下台阶法开挖中导洞,并施作初期支护；
（2）铺设防水层浇筑中隔墙；
（3）上、下台阶法分别开挖左右两侧洞,并施作初期支护；
（4）分段拆除内部临时支护,施作防水层,浇筑二次衬砌,完成结构施工。
2.初衬支护参数
初衬采用C20喷射混凝土,小导管Φ42@300,L=3500mm,外倾角5°,纵向间距为1500mm。钢格栅由4根Φ25钢筋焊接而成,每榀格栅间距500mm,钢筋网Φ6@200mm×200mm,双侧布置。格栅纵向拉结筋22,环向间距500mm,单侧布置。
3.结构设计
3.1荷载组合
采用的荷载组合如下:
①基本组合构件强度计算；②短期效应组合构件抗裂验算；③抗震偶然组合构件强度验算；④人防偶然组合构件强度验算。
3.2主要荷载取值
1)结构自重:钢筋混凝土重度γ=25kN/m3。
2)地层竖向压力:本隧道覆土厚度为9m,为浅埋暗挖隧道,因此按计算截面以上全部土柱重量考虑;地层水平压力:采用朗肯土压力理论,施工阶段外侧取主动土压力,使用阶段取静止土压力。
3)地面超载:20kPa。
4)地震荷载:按8度地震烈度考虑。
5)人防荷载:5级人防,地面空气冲击波超压峰值ΔPm=0.1MPa。
3.3结构计算
计算方法采用荷载—结构法。对施工阶段和使用阶段分别进行内力计算,初期支护单独承载时,采用符合文克尔假定的弹性支承链杆来体现围岩的弹性抗力。弹性支承的一端与支护在节点处铰接,只传递轴向压力。侧向支承链杆水平方向布置,仰拱底面的支承链杆垂直布置。
初期支护与二次衬砌共同承载时,两层衬砌之间的相互传力作用以桁架单元模拟,每一桁架单元的两端与其相应的内外层梁单元节点相铰接。桁架单元只考虑承受压力,桁架单元径向设置。同时考虑在长期使用过程中,外部荷载因初期支护材料性能退化和刚度下降向二次衬砌转移。
3.3.1初衬计算
初衬的计算按照施工步骤对每一工况分别进行计算,然后将所有工况的计算结果进行比较,确定控制截面的内力。初衬计算时,水土压力按水土合算考虑。
3.3.2二衬计算
按初期支护与二次衬砌共同承载计算二次衬砌内力时,由于初衬不考虑防水,因此由二次衬砌承受全部水压力,而土压力则作用在初衬上,考虑到在长期作用下,初期支护材料性能会逐渐退化,刚度会下降,以初衬的刚度乘以0.5倍的系数进行折减,。
经过计算发现:底部墙脚外侧、底板跨中内侧、拱背外侧及拱顶内侧为最不利控制点,通过对该部分控制点进行配筋计算,可以确定初衬、二次衬砌结构断面所需的钢筋数量。
3.4地震与人防设计
目前,地下结构的抗震设计是将地震作用等代的静力荷载代替,按静力计算模型求结构的内力,人防设计是将人防荷载等效为静荷载作用在结构上,从而求出结构的内力反应。由于抗震设计时结构安全系数降低,不考虑裂缝控制,人防设计时材料的强度系数提高,以及不考虑裂缝的控制。通过试算,在地震荷载和人防荷载作用下的结构产生的内力对结构断面配筋不起控制作用。这样地震与人防设计的重点是采取满足规范要求的一些构造措施。
4.监控量测
利用监控量测获得的信息指导施工,这是浅埋暗挖法施工中必不可少的一个组成部分。通过监测对地层稳定性和支护系统可靠性做出判断,及时采取相应措施,以确保施工的安全。本工程将地表位移、拱顶下沉、隧道周边收敛等量测项目定为监控量测的必测项目,将土压力、土体位移、支护应力等作为选测项目。当测点的位移时间曲线变化率呈明显收敛趋势,隧道水平收敛变化率<0.12mm/d,拱顶下沉变化率<0.1mm/d,而且所测的位移值大于预计总位移值的80%时,可以认为隧道已达到基本稳定。
三、总结经验与体会
1.由于双连拱结构施工对周边围巖存在着多次扰动,特别是在中隔墙顶部存在着受力复杂的塑性区,因此,在设计、施工时应特别重视中隔墙的受力平衡及其稳定。
2.双连拱隧道中导洞的宽度在满足受力要求的情况下可适当加大,这样既能使中隔墙施工时有足够的操作空间,同时根据计算中导洞宽度加大使中隔墙的受力减小。
3.在施工二次衬砌时,应分段拆除临时支护,一次不宜超过10m,拆除过多会产生较大沉降变形。
4.双连拱隧道的结构特点决定了这种隧道形式在防水上的弱点,连拱上部低凹成槽,水易在槽中滞留。因此该部位初衬背后须注浆回填密实就显得尤为重要,通过在拱顶预埋注浆管进行补充注浆,既可以防止初衬背后存在空洞,又可以有效地阻挡凹槽中的水向结构内部渗透。
5.中导洞初衬施作完后,应尽快施作中隔墙,中隔墙的底部应做出一扩大脚,可以有效控制沉降。