双连拱隧道施工技术

1双连拱隧道施工技术2双连拱隧道形式正在建设中的铜陵－黄山的汪王岭隧道3主要内容1引言2开挖方案3中导洞的设置与施工4各部分之间的施工顺序5中隔墙的稳定性6洞口施工7建议与结论4近几年快速发展的公路、铁路工程中，双连拱形式的隧道越来越多，尤其在丘陵山区中更为常见，如：广环公路白云隧道广邻公路冯家垭口隧道沪蓉公路金竹林隧道宁波329国道于家岭隧道铜汤高速公路汪王岭隧道、焦家山隧道沿江高速公路大尖山隧道等我国起步较晚，尚有很多施工工艺技术问题不够成熟，甚至存在着争议，如：开挖方案的确定中导洞的设置各部分的施工顺序中隔墙的稳定性保护等1引言5特点：▲平面线路流畅、占地面积少、便于运营管理。▲断面比较大，整体跨度大（20～30m）、结构复杂▲长度比较短（大多在600m以内）▲施工工序多、施工难度大、效率低▲造价高▲开挖方案既定性——中导洞施工法，广泛采用62双连拱隧道的开挖方案首先在中隔墙位置开凿中导洞，并进行临时支护，待中导洞贯通后，再开挖两侧正洞。正洞开挖视围岩稳定性状况可采用全断面施工法或两侧导坑开挖法或者台阶法等。（1）正洞全断面施工方案在中导洞贯通后利用凿岩台架钻眼，全断面一次爆破开挖两侧正洞，并进行初次支护。该法适用于比较稳定的Ⅱ、Ⅲ类围岩中导洞施工法78（2）正洞台阶施工方案正洞开挖采用正台阶分层开挖，先拱后墙进行初次支护。分层数一般为2～3个。考虑到正洞支护与中隔墙的连接施工，顶层台阶的底板应低于中隔墙顶面。（3）双侧导洞施工方案又称“三导洞法”。即在两个正洞的外侧各开一个导洞，导洞超前正洞一定深度或整个不良围岩。侧导洞按初次支护设计施工。导洞的尺寸以装渣、运渣方便为度。视围岩稳定性状况，导洞也可全断面开挖或短台阶开挖。使用最为广泛。但由于多次开挖对围岩的扰动大，次数多。9侧导洞施工10（4）正洞台阶＋两侧导洞施工方案该法是上述台阶法和两侧导洞法的组合方案，即在两侧导洞基础上，正洞剩余部分再采用台阶法，先进行拱部支撑，再开挖下部。该法适用于围岩稳定性较差的隧道。113中导洞的设置与施工（1）中导洞的位置根据与中隔墙的位置关系，中导洞位置有:对称布置:中导洞的垂直中线与中隔墙的中线重合。缺点是当中隔墙浇筑好后，两侧的通道宽度比较狭窄，影响前方施工。非对称布置:二者的中线相错一定距离。两侧通道宽度不同，较宽的一侧作为施工通道，通行比较便利；较窄的一侧作回填用，可减少回填工作量。中导洞高度相同情况下，非对称式有利于降低中隔墙位置的顶板高度，减少无效开挖量和污工充填量。因此认为，一般情况下采用非对称布置比较有利。12（2）中导洞顶板岩层稳定性的保护中导洞最先施工，顶板岩石将受到中导洞及左右正洞开挖的多次爆破扰动，中导洞顶板的稳定是一个关键。施工的基本要求：▲搞好光面爆破，少装药，浅孔爆破，减少初次炮震的影响，减少围岩松动范围▲适当加强顶板支护，保证支护质量▲施工正洞时要及时做好中隔墙的接顶（3）中导洞的宽度与高度宽度应根据中隔墙的宽度并考虑掘进出渣、通行及回填的要求确定。高度主要依据中隔墙的高度以及正洞施工时的接顶要求而定。应尽量减少中隔墙顶部与中导洞顶板之间的高度，以减少污工充填。13（4）中导洞顶部的防水中隔墙与拱结构之间存在着纵向施工缝，是隧道防水的薄弱环节，在施工中应保证防水质量。中隔墙顶部要充填密实。所有施工缝位置要设置橡胶止水带和止水条。必要时可预埋导管将渗水引至隧道底板排水沟内。目前，比较好的作法是中隔墙分两次（三层）砌筑，两边的中隔墙（两外层）与两隧道拱墙二次衬砌一次浇筑完成，拱圈衬砌与中隔墙没有纵向施工缝，所以在结构整体受力与中隔墙防排水等方面有了根本的改善。14154各部分之间的施工顺序4.1中导洞与中隔墙的施工顺序中隔墙一般在中导洞贯通之后施工（运渣方便）。中隔墙施做方法：一是一次全厚浇注钢筋混凝土。二是分次浇筑钢筋混凝土。两侧留出正洞二次衬砌的厚度，待二衬时浇筑。二衬的整体性好，有利于防水。4.2中隔墙与正洞的施工顺序中导洞贯通之后即可施工两侧正洞和中隔墙。中隔墙一般从洞口开始由外向里施工，并超前正洞30～50m，以保证中隔墙混凝土有一定的养护时间，达到一定的承载能力。164.3左右正洞的施工顺序●两侧同时开挖，同时扣拱，同步进行，齐头并进●两侧正洞先完成一洞，再施工另一洞●两正洞掌子面错开一定距离，同时推进第一种顺序是《铁路工程设计技术手册（隧道）》的要求，但实际上很难做到。因为不宜两个掌子面同时爆破，所以至少两个掌子面相差1～2个循环。有的人认为，第二种顺序比较好，不仅两洞要分别施工，而且在一洞施工完成后还要滞后20d左右再施工另一洞。左右洞的开挖顺序应是先难后易，岩体较差的一侧正洞要先开挖，这样变形和位移较小；对偏压隧道应先外侧后内侧。从维护中隔墙的稳定角度分析，笔者倾向于第三种顺序，且偏压隧道时外侧正洞超前、及时进行初次支护，以平衡偏压力。17左洞右洞中隔墙中导洞施工顺序平面图侧导洞184.4左右侧导洞的施工顺序●左右侧导洞两侧同步进行两侧不同步进行，以免引起围岩有较大变形和应力的急剧释放。特别是浅埋地段，容易引起塌方。●侧导洞与正洞施工超前一次掘完：不良岩层段长度不大时（数十米），可将侧导洞一次掘完，再施工正洞；分段超前交替施工。●开挖顺序全断面开挖：围岩比较好时台阶法开挖：围岩极不稳定时194.5初次支护与二次衬砌的顺序▲初次支护肯定在二次支护之前。▲二次衬砌的时机要通过隧道变形监测确定。▲单行作业：正洞掘砌完后再施工内衬（二衬）。▲平行作业：长段平行作业：围岩不太稳定时采用，在掘进工作面的后方及时进行二次衬砌；短段平行作业：围岩很不稳定时，二次衬砌要紧跟初次支护进行。205中隔墙的稳定性5.1受力分析▲在正洞开挖时，中隔墙处于垂直悬臂状态。▲隧道中墙的最不利受载时间是在开挖过程之中，并不是出现在最终完工时，。▲中隔墙主要承受隧道左右正洞由衬砌结构传来的压力。▲如果左右正洞同步开挖、同步衬砌，中隔墙将受到对称的外荷载，可以认为中墙是稳定的；▲如果左右正洞非对称开挖，中隔墙就会受到来自先施工正洞的非对称压力，中隔墙的稳定性就会受到偏压影响。▲当隧道处于傍山地段时，隧道还会受到来自右高左低（或左高右低）的上覆倾斜山体的不均衡压力，叫着山体偏压。山体偏压一般发生在浅埋地段，深埋隧道由于围岩具有“成拱作用”，其作用荷载主要来自隧道周边一定破坏范围内的岩体压力。因此，中隔墙会产生倾倒力矩和水平位移，隧道底板不好时，可能还伴随有沉降。21受到山体偏压的隧道22中隔墙在由拱部衬砌结构传来的外荷载Pg作用下，将受到水平分力Pgh和垂直分力Pgv的影响。水平推力可能会使中墙发生水平位移、产生倾倒力矩（绕墙趾A点发生转动）、沿墙身产生纵向弯矩；垂直分力由于不作用于轴线上，将使中墙偏心受压，同时也产生纵向偏心弯矩。理论分析和现场实测都证明了这些现象的存在。235.2隧道顶部岩体垂直压力的计算对于施工过程中的中墙，主要承受来自正洞拱顶岩体的垂直压力。垂直压力与隧道的埋深有关:浅埋隧道：地面水平或接近水平，且隧道覆盖厚度小于（2.0～2.5）倍的自然平衡拱高度时或者参考文献[8、9]的规定时，应按浅埋隧道计算；深埋隧道：当大于时按深埋隧道计算。偏压隧道：当隧道处于Ⅳ～Ⅵ级围岩中、地面倾斜，隧道外侧拱肩至地表的垂直距离小于参考文献[8]的规定时，应按偏压计算。大多数偏压隧道处于洞口段，属于地形性浅埋偏压，在洞身段偏压较少，且多属于地质构造偏压。下面主要按深埋隧道计算。深埋隧道围岩压力按松动压力计算。计算方法有经验法和普氏法。由于不进行衬砌结构计算，仅考虑中墙的稳定问题，故只计算垂直压力。24（1）经验法根据公路、铁路隧道的施工经验统计，垂直均布压力集度按下式计算q＝γhaKN/m（1）式中，γ——为围岩重度（KN/m3），ha为计算围岩高度（m）。根据《公路隧道设计规范》ha=0.45×2B-S×ω（2）ω=1+i（B－5）（3）式中，B—坑道的开挖宽度，m；S—为围岩的类别，如Ⅲ级围岩，S＝3；ω—开挖宽度影响系数；i为B每增减1m时的围岩压力增减率。当B＜5m时，i＝0.2；B≥5m时，取i＝0.1。以上公式的适用条件为：采用钻爆法施工；隧道的高度与宽度之比小于1.7；不产生明显地形偏压及膨胀性压力的一般围岩；整体式混凝土衬砌，不适用于喷射混凝土衬砌锚杆支护的隧道。25在2001年版《铁路隧道设计规范》中提出了下面的计算方法单线隧道ha=0.41×1.79S双线隧道ha=0.45×2S-1×ω（2）普氏法根据普洛托季雅可诺夫的自然平衡拱理论，垂直地压为：q＝γb/f式中，γ—围岩重度，f—岩体的坚固性系数。b—为自然平衡拱的半跨度，m；在坚硬岩体中，隧道侧壁较稳定，自然平衡拱的跨度即隧道的宽度，b为隧道净宽的一半。在松散破碎岩体中，b按下式计算b＝B/2＋tan(45°-φ¤/2)φ¤＝arctanf式中φ¤为岩体的似摩擦角。265.3中墙外荷载的计算不管外部压力来自哪个方面，终将通过衬砌结构转嫁到中隔墙上。因此，只要确定了围岩压力，中隔墙的稳定问题就成为静力结构问题，就可用结构力学方法分析其稳定性。中墙外荷载即由拱部垂直地压引起的水平分力Pgh和垂直分力Pgv。隧道一般均为拱形结构，故可按拱结构进行计算。拱式结构有无绞拱、两绞拱和三绞拱之分，根据隧道支护的实际情况可将其视为两绞拱，计算简图如图所示。27两绞拱是一次超静定结构，根据结构力学推导，支座反力为Va=Pgv=ql/2Ha=Pgh=λql式中，λ为根据矢跨比确定的系数，当矢跨比f/l为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5时，λ分别为1.24298、0.61053、0.39464、0.28269、0.21221。285.4稳定性判断根据下图，假定中墙的自重为G，则中隔墙绕A点的转动力矩（设顺时针转动为正）为：Ma=-Pgh×h＋Pgv×（c+B/2)+G×B/2若MA为负值，则说明中墙不稳定，有逆时针转动的趋势，此时就要采取措施使其稳定。假定中墙为下端固定的悬臂压杆。由于墙体下部的扩大部分高度不大，可将其简化为等截面直杆。则沿杆长任意截面上的弯矩为：Mx=Pgv×c+Pgh×hx如果加支撑的方式，则应设在弯矩为零的位置h0。令上式等于零，可得h0=hx=cPgv/Pgh29算例：某公路双连拱隧道，深埋Ⅲ级围岩，坚固性系数f＝6。采用分离式中隔墙结构，即中隔墙分成3层，3次施工完成。首次先砌筑厚度1.2m的独立墙体，用以支撑初期支护的压力，以后再在二次衬砌的同时套砌两边的内层墙，这样有利于二次衬砌的整体防水。正洞的初次支护为型钢拱架＋锚网喷。初次砌筑的独立墙体结构、尺寸如图。中墙为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C30。单侧正洞净宽10.09m，二次衬砌后的顶底板内缘高8.49m。开挖宽度11.89m，开挖高度9.59m，矢高3.68m，矢跨10.97m。围岩重度23KN/m3。（1）顶部垂直地压力的计算由于采用分离式中墙，首先进行两侧正洞的初次支护，以后再进行二次衬砌，所以应按初次支护计算顶部的垂直地压力。隧道的净尺寸高跨比为：8.49/10.09=0.84＜1.7。B＝11.89m＞5m，取i＝0.1，按计算得ω＝1＋0.1（11.89－5）＝1.689双连拱隧道的一个侧洞相当于铁路的双线隧道，故参照现行铁路隧道设计规范，计算得30q＝23×0.45×23－1×1.689＝69.92KN/m（2）中墙外荷载按式（9）计算垂直荷载Pgv＝ql/2=69.92×10.97/2=383.51KN确定水平荷载时首先确定矢跨比：f/l＝3.68/10.97＝0.335，按插值法得λ＝0.3571Pgh＝λql＝0.3571×69.92×10.97＝273.90KN（3）转动力矩已知每延米中墙及基础的体积8.6m3，按24KN/m3计算，墙的自重G为206.4KN。MA＝－273.90×5.91＋383.51×（0.51＋1.75）＋206.4×1.75＝－390.81KN－mMA为负值，说明中墙是不稳定的，需要采取有关措施。（4）支撑位置假设采用