冯世杰 高 鑫 李清菲 王文娟 吴 琦

(中铁第六勘察设计院集团有限公司， 300308， 天津∥第一作者， 工程师)

常规暗挖大跨隧道所采用的施工方法主要有双侧壁导坑法[1]、洞桩法[2]及拱盖法[3]等。其中，采用双层初支叠合拱盖法修筑的无内支撑的单拱大跨隧道不仅可以避免爆破施工对内支撑的扰动，还可以实现大型机械快速施工、构筑宽敞地下空间的目的。该方法受到业界结构工程师的青睐[4]，目前已在青岛、成都、重庆及贵阳等岩质地区得以成功应用[5-7]。其设计、施工经验比较成熟，尤其在确定隧道的合理埋深、覆岩厚度、施工工艺等方面有较为深入的研究[8]，并取得了不菲的经济效益[9]。

上述文献的研究结论及应用情况均是基于拱部“外层等厚初支+内层初支拱盖”组合形式得出的，而对初支拱盖与等厚初支组合的研究相对匮乏。考虑到初支拱盖的结构刚度和强度远大于等厚初支结构，本文认为隧道结构稳定性的控制与双层初支结构的先后施作顺序有关，很有必要对双层初支叠合拱盖结构的组合形式进行研究，以期为后续类似工程提供参考。

1 工程概况

青岛地铁1号线某站采用明暗挖结合法施工，其暗挖区段横断面如图1所示。该隧道所处地貌类型属剥蚀残丘，地势较平坦，拱顶埋深仅有7 m左右，属典型的暗挖大跨超浅埋施工项目。该项目采用双层初支叠合拱盖法施工，拱部采用CD(中隔壁)法施工。

单位：mm图1 案例车站主体结构的横断面Fig.1 Typical cross-section of case station main structure

2 双层初支叠合拱盖法施工的组合形式比选

本文拟定了两种拱部初支结构组合方案。方案一为“外层初支拱盖+内层等厚初支”；方案二为“外层等厚初支+内层初支拱盖”。二者的主要区别在于：① 方案一以刚度较弱的等厚初支置换竖撑，而方案二则是以刚度较强的初支拱盖置换竖撑。② 方案一拱墙交界处初支结构过渡圆顺、受力均匀、施工方便，而方案二拱墙交界处初支结构刚度突变、受力复杂。

绘制两种方案下结构的刚度比曲线，如图2所示。由图2可知，初支拱盖结构刚度是等厚初支结构刚度的数倍甚至数十倍，由此可以断定：结构施作的顺序对隧道结构的稳定性控制起到关键作用。

图2 两种双层叠合结构的刚度比曲线Fig.2 Stiffness ratio curves of two double-layer compositestructures

3 数值计算及结果分析

采用MIDAS GTS NX软件建立了这两种组合方案的地层-结构计算模型。其中：岩土体本构关系采用D-P屈服准则，锚杆、喷射混凝土及二次衬砌采用线弹性本构关系；模型尺寸的高度为48 m、宽度为122 m、长度为30 m。岩土体的物理力学参数及支护结构材料参数分别如表1—2所示。

表1 计算模型的岩土体物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil and rock in calculation model

3.1 地表及拱顶沉降

两种方案引起的地表、拱顶沉降值分别如图3、图4所示。由图3—4可看出：先行施作初支拱盖对控制地层变形有利(尤其是拱部岩体施工阶段)，这是因为初支拱盖刚度大于等厚初支结构刚度，提供给隧道围岩的支护反力较大，能够及时地约束并限制围岩的继续松动变形。

表2 计算模型的支护结构材料参数Tab.2 Material parameters of supporting structure in calculation model

图3 两种方案下施作各典型施工步的拱顶沉降对比Fig.3 Comparison of vault settlement at each typical construction step in the two schemes

图4 两种方案下施作各典型施工步的地表沉降对比Fig.4 Comparison of ground surface settlement at each typical construction step in the two schemes

3.2 初支结构安全系数

选择最危险控制截面的强度安全系数(以下简称“安全系数”)作为隧道结构的安全性评价指标。分别计算出两种方案在各典型施工步下的初支结构的安全系数，结果如表3所示。

表3 两种方案在各典型施工步下初支结构的安全系数Tab.3 Safety factor of primary support structure under each typical construction step of two schemes

由表3可知：① 内层初支施作前，方案一的外层初支安全系数明显大于方案二。② 拆撑前内层初支结构基本不承受外部荷载，仍以外层初支+内支撑结构作为主要承载体系；拆撑后拱部地层荷载按照叠合结构刚度比重新分配，初支拱盖代替等厚初支成为主要承载结构。其中：方案一等厚初支结构作为安全储备，起到约束、控制外层初支变形的作用；方案二等厚初支结构仅起到将地层荷载传递至初支拱盖的作用，基本无承载效应可言。③ 全断面贯通后，两种方案内外层初支的结构安全系数均略有下降，这说明下部岩体施工对拱部叠合初支结构安全性的影响较小。

3.3 拱脚岩体塑性区

拱盖法隧道施工成败的关键在于拱脚岩体能否给上部桥拱结构提供稳定的持力地基。图5、图6分别为方案一、方案二在典型施工步下拱脚岩体塑性区的分布等值线。

由图5—6可知，在隧道拱部施工过程中，两种方案的拱脚岩体均未发生塑性屈服或破坏；隧道下部岩体开挖卸荷后，与方案二相比，方案一侧墙塑性区水平破坏深度增大约0.10 m，竖向破坏区深度增大约0.15 m，可见拱脚设置在外侧对侧墙岩体的强度、刚度要求相对较高。

a) 外层初支

a) 外层初支

3.4 二衬结构内力

图7为两种方案的二衬结构弯矩图，可见二衬结构内力控制部位基本一致，其大小、分布也近似相同。方案一、方案二下的侧墙二衬控制弯矩分别为17.89 kNm、16.84 kNm，前者较后者增加约6.24%，远大于二衬其它部位的控制内力差值。这进一步印证了上文侧墙围岩塑性影响区分布规律的正确性。

a) 方案一

4 施工验证

选择方案一作为最终实施方案，各监测项目的实测值与模拟值对比曲线如图8所示。最终隧道拱顶沉降、地表沉降、拱脚水平收敛的实测值分别为21.65 mm、16.67 mm、7.61 mm，约占模拟值的87.76%、84.83%、91.47%，均能满足结构变形控制要求。

图8 结构变形实测值与模拟值对比曲线Fig.8 Comparison curve between measured value and simulated value of structural deformation

5 结语

1) 在隧道施工阶段，两种叠合形式初支拱盖法的荷载主要由初支拱盖结构承担，内外层初支结构的荷载承担比例服从内外层结构刚度比原则，与二者的组合形式关系不大，这与拱盖法隧道桥拱的设计理念一致。

2) 方案一在隧道地表沉降、拱顶沉降及围岩松散变形上的控制效果要优于方案二；而在控制拱脚岩体塑性区发展及二衬结构内力分布方面，方案一比方案二略差。

3) 方案一内层等厚初支可在拱墙交界处圆滑过渡，不会形成阴阳角，其结构受力也更为合理；方案二内层初支拱盖与侧墙初支存在明显的变截面及阴阳角转角过渡，施工时不易操作，施工后容易导致结构受力不均。

综上所述，建议优先考虑采用方案一“外层初支拱盖+内层等厚初支”的双层初支组合形式，其工程性价较高。本文的研究结论是基于强-中风化岩地质条件，在保证2层叠合结构总刚度不变、仅改变相对位置关系的前提下得出的，建议后续对2层初支结构在不同地层条件下的合理厚度进行深入研究，进一步提高双层叠合初支拱盖结构对地层的适应性及工程经济性。