極淺埋連拱隧道中隔墻受力特征模型試驗(yàn)研究

袁樹成

(中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司，泰安 271000)

近年來，我國高速公路和鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼，并逐步由平原地區(qū)向山嶺地區(qū)發(fā)展。受線型指標(biāo)、地形地貌、地質(zhì)條件等因素的限制，山區(qū)高速公路建設(shè)不可避免地需要修筑隧道工程[1-5]。在某些特殊地段，為減少隧道兩端接線處的征地需求，保證線型整體順暢，特地采用了連拱隧道的形式。但是，目前對(duì)于連拱隧道因開挖引起的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)尤其是中隔墻的變形和應(yīng)力的變化規(guī)律仍缺乏一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)[6-10]。中隔墻是連拱隧道左、右洞交替施工的主要承載結(jié)構(gòu)，其受力狀況不僅關(guān)系著施工期間結(jié)構(gòu)的安全，還直接影響到工程造價(jià)，而其受力及施工中載荷的轉(zhuǎn)換十分復(fù)雜，且因施工工序限制常常受到偏壓影響[10-18]。保護(hù)中隔墻免受偏壓影響并維持其穩(wěn)定性是保證連拱隧道施工安全的關(guān)鍵，因此，有必要針對(duì)連拱隧道中隔墻的受力特征及演化規(guī)律開展相關(guān)研究。

目前，對(duì)中隔墻的受力分析主要采用數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)的方式進(jìn)行。如王少強(qiáng)等[11]通過三維數(shù)值模擬研究了地形偏壓對(duì)連拱隧道中隔墻變形與受力的影響，并分析了中隔墻的接頂時(shí)機(jī)；張志強(qiáng)等[10]建立了中隔墻作用荷載的計(jì)算力學(xué)模型，并結(jié)合數(shù)值分析提出了應(yīng)用于中隔墻設(shè)計(jì)的作用荷載計(jì)算表達(dá)式及與各類圍巖相適應(yīng)的施工工法；夏永旭等[13]對(duì)雙連拱隧道三導(dǎo)洞法施工時(shí)中隔墻的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬分析。

理論推導(dǎo)法需假定平面應(yīng)變條件，且一般不能解釋連拱隧道建設(shè)過程的三維本質(zhì)；現(xiàn)場試驗(yàn)法費(fèi)用昂貴，且難以實(shí)施和重復(fù)；數(shù)值模型法考慮隧道-襯砌的相互作用、建設(shè)工序及三維效果，故能夠進(jìn)行較為真實(shí)的分析[19]，但仍有其局限性；模型試驗(yàn)法能夠更真實(shí)地模擬分析隧道中隔墻的受力特征，其試驗(yàn)結(jié)果也能為數(shù)值分析提供參照。因此，本文采用模型試驗(yàn)的方式對(duì)中隔墻的受力特征和演化規(guī)律進(jìn)行了研究，并利用改進(jìn)的中隔墻穩(wěn)定性判斷公式對(duì)中隔墻的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算，提出了加強(qiáng)中隔墻穩(wěn)定性的方法，可為類似連拱隧道的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

本文以某高速公路極淺埋連拱隧道工程為例，該隧道為雙向六車道，其最大埋深約為4.9 m，總長度僅75 m，除去兩側(cè)明挖段，中間暗挖段長度僅為30 m，受線形強(qiáng)制要求，中隔墻為整體式設(shè)計(jì)。隧址區(qū)自上而下分布有耕土(厚度約為0.75 m)、砂礫土(厚度約為2.30 m)及全風(fēng)化-中風(fēng)化花崗巖(厚度約為17.60 m)。采用連拱隧道方式是為了保護(hù)上覆齊長城遺址(國家級(jí)重點(diǎn)文物)。

該連拱隧道結(jié)構(gòu)初支及二襯支護(hù)參數(shù)如表1所示，其最大尺寸為33.87 m×12.53 m，具體尺寸及支護(hù)方式如圖1所示。

表1 連拱隧道初支及二襯參數(shù)

圖1 連拱隧道尺寸及支護(hù)方式(單位：mm)

2 模型試驗(yàn)方案

2.1 相似比

該連拱隧道原型與模型試驗(yàn)的幾何相似比為30∶1。根據(jù)相似理論可知：其容重、泊松比、摩擦角相似比均為1∶1；抗壓強(qiáng)度、彈模、黏聚力相似比均為30∶1。

2.2 相似材料

該連拱隧道洞身主要處于全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖中，因此，選擇此三種巖石作為原巖。相似材料由鐵粉、重晶石粉、石英砂、松香和酒精等原材料配置而成，原巖和相似材料的相似性主要以重度、彈模、抗壓強(qiáng)度、摩擦角和黏聚力等參數(shù)為指標(biāo)，具體如表2所示。相似原材料具體配合比如表3所示。

表2 原巖和相似材料的物理及力學(xué)參數(shù)

注：Ⅰ為全風(fēng)化花崗巖；Ⅱ?yàn)閺?qiáng)風(fēng)化花崗巖；Ⅲ為中風(fēng)化花崗巖。

表3 相似原材料具體配合比

注：F為鐵粉含量；Z為重晶石粉含量；S為石英砂含量；F、Z、S均表示重量單位。

此外，中隔墻混凝土的相似材料選擇了石膏，水膏配合比約為1∶2.30。

2.3 試驗(yàn)框架

放置相似材料所用的模型試驗(yàn)框架如圖2所示。其整體尺寸約為2.0 m×4.5 m×1.5 m，按照幾何相似比尺擴(kuò)大30倍后，所能模擬的實(shí)際工程范圍約為60 m×135 m×45 m。

圖2 試驗(yàn)框架示意

2.4 監(jiān)測(cè)方案

本試驗(yàn)選用微型土壓力計(jì)來監(jiān)測(cè)模型試驗(yàn)中隧道周邊圍巖壓力的大小和變化規(guī)律，其監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。中隔墻底部的微型土壓力計(jì)AYM1主要用于監(jiān)測(cè)中隔墻底部圍巖壓力的大小和變化規(guī)律，中隔墻本身的應(yīng)變(或變形)則采用應(yīng)變片進(jìn)行監(jiān)測(cè)。選用千分表測(cè)量地表和拱頂位移，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖3 微型土壓力計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意(單位：cm)

圖4 千分表監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意(單位：cm)

3 模型試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.1 實(shí)際開挖工序

該連拱隧道的實(shí)際開挖工序?yàn)椋褐袑?dǎo)洞先行挖通并架設(shè)中隔墻，隨后采用CRD法開挖右洞，最后采用CRD法開挖左洞，具體開挖工序如圖5所示。在模型試驗(yàn)過程中，嚴(yán)格按照?qǐng)D5所示施工工序進(jìn)行開挖，每步開挖穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一步開挖。

圖5 實(shí)際開挖工序

3.2 結(jié)果分析

中導(dǎo)洞貫通后，將預(yù)制石膏中隔墻模型插入其中，然后分析中隔墻的受力及變形規(guī)律。中隔墻底部共埋設(shè)5個(gè)微型土壓力計(jì)(即圖3中AYM1位置處)，1#～5#微型土壓力計(jì)所得中隔墻底部壓力變化情況如圖6所示。0～30步為中導(dǎo)洞開挖，30～90步為右洞開挖，90步之后為左洞開挖。

(a) 1#

(b) 2#

(c) 3#

(d) 4#

(e) 5#

由圖6可知，5個(gè)土壓力計(jì)測(cè)得的壓力變化趨勢(shì)總體一致。中導(dǎo)洞開挖時(shí)并未設(shè)置中隔墻，故沒有相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；中導(dǎo)洞貫通、中隔墻架設(shè)后，中隔墻底部壓力隨著右洞的開挖逐漸增大，在70步左右達(dá)到最大值，約為7.6 kPa。右洞的持續(xù)開挖，導(dǎo)致中隔墻受到側(cè)向偏壓作用，產(chǎn)生一定程度的傾斜，其底部壓力在70步后開始減小，直至右洞貫通后(90步左右)，中隔墻所受偏壓最大，其底部壓力達(dá)到最小值；隨著左洞的開挖，中隔墻偏壓狀態(tài)得以改善，中隔墻底部壓力恢復(fù)(增大)，最終趨于穩(wěn)定。

4 中隔墻穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.1 最不利受載狀態(tài)

中隔墻不僅承受上方圍巖覆土壓力，還受到左右正洞襯砌結(jié)構(gòu)傳來的壓力。隧道中隔墻的最不利受載時(shí)間并非最終完工時(shí)，而是在開挖過程中[18]。本試驗(yàn)中隔墻最不利受載時(shí)間為右洞貫通時(shí)，故選擇此時(shí)進(jìn)行中隔墻穩(wěn)定性驗(yàn)算分析。

4.2 中隔墻穩(wěn)定性驗(yàn)算

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[18]，認(rèn)為中隔墻受力情況如圖7所示。其中，P為上方覆土壓力；Pgh和Pgv為初期支護(hù)傳來壓力的水平分力和垂直分力；c為中隔墻上部寬度的一半；B為中隔墻下部加寬部分的寬度；G為中隔墻自重。

圖7 中隔墻受力

文獻(xiàn)[18]中并未考慮上方覆土壓力P對(duì)中隔墻穩(wěn)定性的影響。因此，將文獻(xiàn)[18]中的中隔墻穩(wěn)定性判斷公式改進(jìn)如下：

MA= -Pgh×h+P×B/2+
Pgv×(c+B/2)+G×B/2

(1)

式中，MA為中隔墻繞A點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩(設(shè)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正)。

根據(jù)該連拱隧道設(shè)計(jì)資料并參考相關(guān)文獻(xiàn)[18]所采用的拱結(jié)構(gòu)計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算，過程如下：

① 中隔墻上方覆土壓力

=180.71(kPa)

(2)

式中，γi(i=1,2,3)分別為耕土、砂礫土和全風(fēng)化花崗巖的容重；Hi為中隔墻上方對(duì)應(yīng)各層的厚度。

② 右側(cè)拱頂圍巖壓力

=92.62(kPa)

(3)

式中，γj(j=1,2,3)分別為耕土、砂礫土和全風(fēng)化花崗巖的容重；Hj為右洞拱頂上方對(duì)應(yīng)各層的厚度。

③ 襯砌傳遞給中隔墻的壓力

襯砌傳遞給中隔墻的壓力可按照拱形計(jì)算，如圖8及式(4)所示。

圖8 右洞拱形結(jié)構(gòu)支座反力

Pgh=λql=0.487×92.62×15.18

=684.71(kN/m)

(4)

式中，λ為矢跨比系數(shù)，矢跨比為0.2和0.3時(shí)對(duì)應(yīng)的矢跨比系數(shù)分別為0.610 53和0.394 64，此處矢跨比為0.257，插值可得矢跨比系數(shù)為0.487；l為拱的跨度。

Pgv=ql/2=92.62×15.18/2

=702.99(kN/m)

(5)

④ 中隔墻自重

每延米中隔墻的體積為15.16 m3，容重按照24 kN/m3計(jì)算，中隔墻自重為：

G=γV=24×15.16

=363.84(kN)

(6)

⑤ 轉(zhuǎn)動(dòng)力矩

將式(2)～(6)的結(jié)果代入式(1)可得：

MA= -684.71×7.82+180.71×3.0/2+

702.99×(0.9+3.0/2)+363.84×3.0/2

=-2 850.43(kN·m)

(7)

MA為負(fù)值，說明中隔墻不穩(wěn)定，需要加強(qiáng)其穩(wěn)定性，同時(shí)解釋了試驗(yàn)中右洞開挖時(shí)中隔墻底部壓力先增大后減小再增大的現(xiàn)象，說明該連拱隧道中隔墻施工過程中受偏壓影響嚴(yán)重。

4.3 中隔墻加固措施

(1) 側(cè)向橫撐

可在先開挖正洞的對(duì)側(cè)增加橫撐，以此抵抗先開挖側(cè)襯砌傳來的壓力。該連拱隧道便是通過在中隔墻左側(cè)增加兩根Φ660鋼管側(cè)向橫撐來進(jìn)行中隔墻加固的。

(2) 基礎(chǔ)穩(wěn)定錨桿

為抵抗中隔墻傾覆，也可在中隔墻底布置基礎(chǔ)穩(wěn)定錨桿，與中隔墻鋼筋連接成整體，增加其穩(wěn)定性。HRB335Φ25鋼筋的抗拉強(qiáng)度為335 MPa，截面積是490.90 mm3，其可承受的最大荷載為164.45 kN。該隧道中隔墻若只考慮采用基礎(chǔ)穩(wěn)定錨桿的方式抵抗傾覆，則每延米至少需要6根HRB335Φ25鋼筋錨桿。

(3) 中隔墻頂部錨桿

可在中隔墻頂部向斜上方巖體打入錨桿，并與中隔墻鋼筋連接，既增加中隔墻上方巖土的強(qiáng)度，又能抵抗偏壓影響。

(4) 中隔墻基底加固

中隔墻基底巖體破碎時(shí)，可采用注漿加固，或采用C30混凝土回填，以提高基礎(chǔ)強(qiáng)度，提高地基承載力，防止中隔墻發(fā)生沉降或失穩(wěn)。

5 結(jié)論

(1) 由微型土壓力計(jì)測(cè)得數(shù)據(jù)可知，連拱隧道左右洞全部貫通后，中隔墻底部所受壓力最大。整個(gè)開挖過程中，中隔墻底部的壓力總體上呈現(xiàn)先增大后減小再增大，最后基本保持不變的變化趨勢(shì)。施工過程中中隔墻承受偏壓，易發(fā)生傾斜，應(yīng)注意及時(shí)采取加強(qiáng)穩(wěn)定性的措施。

(2) 改進(jìn)了中隔墻穩(wěn)定性判斷公式，并對(duì)施工中中隔墻的最不利受載狀態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)算，驗(yàn)證了模型試驗(yàn)所得的結(jié)論。

(3) 鑒于該連拱隧道圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，中隔墻承受較大的荷載，故除本身應(yīng)滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度外，本文還建議對(duì)中隔墻基底破碎巖體進(jìn)行注漿加固并增加基礎(chǔ)穩(wěn)定錨桿，以提高地基承載力，防止中隔墻發(fā)生沉降或失穩(wěn)。