武關(guān)驛隧道中隔壁法施工中臨時中隔壁選型分析*

薛 山，孟堯堯，鄧祥輝，王 睿，武 君

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021；2.中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，西寧 810008)

軟弱圍巖通常具有強度低、穩(wěn)定性差和變形持續(xù)時間長等特點，在隧道施工中常引起大變形、崩塌等破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)強烈變形甚至破壞，嚴(yán)重影響隧道施工安全[1].中隔壁(Center Diaphragm,CD)法各部封閉成環(huán)時間短，每部開挖對圍巖擾動范圍相對較小，且臨時仰拱和中隔壁能起到增大結(jié)構(gòu)剛度的作用，可有效控制地表沉降[2].因此，在軟弱圍巖中經(jīng)常選用CD法進行施工.

近年來學(xué)者們分別利用數(shù)值模擬[3-7]、模型試驗[8]和現(xiàn)場實測[9-11]等方法對中隔壁的變形進行了研究.文獻[12]結(jié)合廈門東通道海底隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對施工過程中中隔壁的變形及其規(guī)律進行了分析，為隧道安全施工提供了依據(jù)；文獻[13]采用有限元軟件MIDAS和現(xiàn)場監(jiān)測，對隧道臨時支撐拆除與二襯施工相互間的影響進行分析及現(xiàn)場實測，得出可先行拆除2個施工段的所有臨時支撐，然后再隔段拆撐隨后二襯施工.但對于CD法施工中臨時中隔壁選型方面的研究鮮有報道.武關(guān)驛隧道洞口段斷面面積大、埋深淺和圍巖破碎，施工中難度大易發(fā)生安全事故，擬采用CD法施工，臨時中隔壁設(shè)計為弧形，施工單位為加快施工進度將YK158+579～YK158+634.1斷面中隔壁做成斜線形，導(dǎo)致該段發(fā)生初支噴射混凝土開裂，局部塌方.后將YK158+634.1～YK158+784斷面改回弧形臨時中隔壁后，順利施工通過，未出現(xiàn)工程事故.從目前隧道CD法施工情況看，臨時中隔壁采用弧形較大，但由于弧形相對斜線形費時費工，從理論上看，施工單位更偏向于斜線形的臨時中隔壁.且隨著公路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的提高，目前修建雙向六車道、八車道的高等級公路越來越多，斜線形臨時中隔壁能否應(yīng)用于大斷面公路隧道也缺乏系統(tǒng)的理論研究.因此文中依托武關(guān)驛大斷面隧道，對CD法施工中臨時中隔壁的選型進行了研究.

1 工程概況

武關(guān)驛隧道，位于留壩縣武關(guān)驛鎮(zhèn)武關(guān)驛村南側(cè)，G316國道西側(cè)，屬寶漢高速PH-09合同段.隧道為分離式單向3車道，左線隧道進口樁號ZK158+598，出口樁號ZK158+788，長190 m；右線隧道進口樁號YK158+579，出口樁號YK158+784，長205 m，均屬短隧道.右洞洞口段YK158+579～YK158+634.1段為Ⅴ類圍巖，屬強風(fēng)化片麻巖，呈灰白色-淺灰色，中粗粒似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎屑及碎塊狀，圍巖較穩(wěn)定.

YK158+579～YK158+634.1段屬洞口淺埋段，圍巖軟弱破碎，施工方法擬采用CD法，中隔壁設(shè)計為弧形，施工步驟如下：① 開挖左上部分；② 左上部分拱部和中隔壁支護；③ 開挖左下部分；④ 左下部分拱部和中隔壁支護；⑤ 開挖右上部分；⑥ 右上部分拱部支護；⑦ 開挖右下部分；⑧ 右下部分拱部支護；⑨ 仰拱施工；⑩ 拱、邊墻二次襯砌.

為方便施工，將本斷面區(qū)間中隔壁制作成75°斜線形，如圖1～2所示.導(dǎo)致右洞YK158+634.1斷面頂部噴射混凝土大面積掉落，并造成局部垮塌冒頂，如圖3～4所示.

1-左上部；2-左下部；3-右上部；4-右下部；5-噴射混凝土；6-鋼架；7-二次襯砌

圖2 施工中隔壁

圖3 YK158+634.1斷面噴射混凝土開裂Fig.3 Shotcrete cracking of YK158+634.1 section

圖4 YK158+634.1斷面右上部分塌方

2 有限元數(shù)值模擬分析

分別選取武關(guān)驛隧道CD法施工中臨時中隔壁設(shè)計為斜線形和弧形的典型斷面，運用數(shù)值模擬的方法，分析圍巖水平位移、豎向位移和支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力.

2.1 參數(shù)選取與模型建立

計算采用Midas GTS NX有限元分析軟件，計算時作如下假定.

2.1.1 計算假定

圍巖和支護都是均質(zhì)、連續(xù)和各向同性；由于隧道埋深較淺，地應(yīng)力計算時不考慮構(gòu)造應(yīng)力，只考慮自重應(yīng)力；將拱架、鋼筋網(wǎng)統(tǒng)一考慮在初期支護中；計算時不考慮左、右洞之間的相關(guān)影響[14]；隧道采用CD法逐步開挖施工.

2.1.2 邊界、本構(gòu)模型和參數(shù)選取

隧道開挖僅對一定范圍內(nèi)的巖體造成擾動，擾動范圍約為3～5倍的洞徑，計算模型選取二維有限元模型，左右各取60 m，下部取60 m，上部依據(jù)實際情況，取為隧道埋深30 m.本構(gòu)模型選取莫爾-庫倫模型[15-21]，圍巖和初期支護等效參數(shù)的選取見表1.

對本工程中斜線臨時中隔壁和弧形臨時中隔壁進行數(shù)值模擬計算，具體網(wǎng)格劃分如圖5所示.有限單元劃分采用三角形和四邊形混合的劃分形式.模型邊界條件為左右兩邊限制水平方向的移動，底部限制水平方向與豎直方向的移動.

表1 數(shù)值模擬等效參數(shù)

圖5 有限元模型網(wǎng)格劃分

2.2 計算結(jié)果對比分析

圍巖位移與初期支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化能夠直觀的反映出隧道施工的安全性，是評價與指導(dǎo)隧道安全施工的重要指標(biāo)之一[22-24]，故對圍巖水平位移、豎向位移和支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行分析.

2.2.1 位移對比分析

1) 水平位移

經(jīng)計算，兩種形狀臨時中隔壁開挖完成圍巖水平位移云圖如圖6所示.

從圖6(a)～(b)可見，左、右拱腰處產(chǎn)生較大的水平位移.斜線和弧形選型下各施工步下對應(yīng)的左、右拱腰水平位移如圖7～8所示.

圖6 圍巖水平位移云圖

圖7 左拱腰水平位移Fig.7 Horizontal displacement of the left arch waist

圖8 右拱腰水平位移

采用斜線臨時中隔壁時，左、右拱腰水平位移最大值分別為13 mm和17 mm.采用弧形臨時中隔壁時，左、右拱腰水平位移最大值分別為4.36 mm和4.31 mm，斜線選型下拱腰處水平位移遠(yuǎn)大于弧形選型下拱腰水平位移.根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F60—2009)[15]的規(guī)定，周邊水平位移允許值為60 mm.在弧形和斜線形臨時中隔壁選型下拱腰水平位移均符合規(guī)范規(guī)定，但是在斜線形選型下，拱腰處存在安全隱患.因此，從拱腰水平位移看，弧形選型優(yōu)于斜線形選型.

2) 豎向位移

兩種選型下圍巖豎向位移云圖如圖9所示.

兩種不同選型下，圍巖豎向位移出現(xiàn)了相似的規(guī)律.兩種選型下拱頂處均產(chǎn)生較大的沉降值.斜線和弧形選型下各施工步對應(yīng)的拱頂沉降值如圖10所示.

從圖10可以得出，斜線選型時拱頂位移最大值為23.22 mm，弧形選型時最大值為3.30 mm，斜線選型時拱頂沉降值遠(yuǎn)大于弧形時拱頂沉降值.根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F60—2009)，拱頂下沉允許值為60 mm.斜線和弧形選型時拱頂沉降都符合規(guī)范規(guī)定，但斜線選型時拱頂存在安全隱患.因此，從拱頂沉降來看，弧形選型優(yōu)于斜線形選型.

2.2.2 噴射混凝土剪應(yīng)力分析

圖11為噴射混凝土剪應(yīng)力云圖.斜線和弧形條件下，噴射混凝土均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，斜線時應(yīng)力集中出現(xiàn)在拱頂處，弧形時應(yīng)力集中出現(xiàn)在拱頂和左拱肩處.斜線時剪應(yīng)力最大值為4.78 MPa，位于拱頂處；弧形時剪應(yīng)力最大值為0.79 MPa，位于左拱肩處.按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[16]中規(guī)定求得C25混凝土抗剪強度為2.5 MPa，所以斜線時最大剪應(yīng)力超過混凝土的抗剪強度，拱頂混凝土將發(fā)生剪切破壞，而弧形時最大剪應(yīng)力小于混凝土抗剪強度，不會破壞.

圖9 圍巖豎向位移云圖

圖10 拱頂沉降值

弧形臨時中隔壁剪應(yīng)力最大值為0.54 MPa，位于臨時中隔壁中部，斜線臨時中隔壁剪應(yīng)力最大值為1.37 MPa，位于中隔壁頂部.斜線時中隔壁最大剪應(yīng)力值比弧形時增加了154%，兩者均未達到混凝土抗剪強度，但斜線時存在一定的安全隱患.因此，從噴射混凝土應(yīng)力和中隔壁應(yīng)力來看，弧形形式優(yōu)于斜線形式的中隔壁.

通過數(shù)值模擬的結(jié)果可以得出，同弧形選型相比，斜線中隔壁選型容易導(dǎo)致隧道圍巖拱頂產(chǎn)生較大的沉降值，拱腰處產(chǎn)生較大的水平位移值和拱頂噴射混凝土發(fā)生剪切破壞.因此，弧形選型要優(yōu)于斜線選型.在YK158+634.1斷面選用斜線臨時中隔壁是導(dǎo)致斷面發(fā)生工程事故的主要原因.

圖11 噴射混凝土剪應(yīng)力云圖

3 監(jiān)控量測

隧道圍巖周邊收斂是指在預(yù)設(shè)點的斷面隧道開挖爆破以后，盡早地在每個隧道開挖區(qū)塊內(nèi)，沿著隧道周邊的拱腰或邊墻部位分別埋設(shè)帶掛鉤的錨樁.采用鋼尺式周邊收斂儀，使用一根在重錘作用下被拉緊的普通鋼尺作為傳遞位移的媒介，通過百分表測得隧道周邊某兩點相對位置的變化.拱頂沉降是指在同一斷面的拱頂處埋設(shè)帶掛鉤的錨樁，用PENTAX/R-422NM型高精度全站儀量測拱頂下沉.為對斜線和弧形選型下圍巖變形和混凝土應(yīng)力特征進行分析，有必要對隧道圍巖拱頂沉降及周邊收斂進行現(xiàn)場監(jiān)控量測(拱頂沉降值取四個測點的平均值).周邊收斂設(shè)4個測樁，2條測線.其中A、B、E、F分別為四個測樁位點，AB和EF為周邊收斂基線.要求4個測樁埋設(shè)在同一垂直平面內(nèi)；A和B、E和F測樁分別在同一水平線上；A、B測樁在隧道左上部I開挖后埋設(shè)在開挖底面(如圖12中虛線所示)之上1.5 m處左右；E、F測樁在隧道右上部III開挖后埋設(shè)在開挖底面之上1.5 m處左右.拱頂沉降測點與周邊收斂測樁在同一垂直平面內(nèi)，且為保證數(shù)據(jù)可靠布設(shè)4個測點，測點1，2在隧道左上部I開挖后埋設(shè)于左側(cè)拱頂處，測點3，4在隧道右上部III開挖后埋設(shè)于右側(cè)拱頂處.其中測點布置如圖12所示.

圖12 監(jiān)控量測測點布置圖

選取斜線選型區(qū)段YK158+579～YK158+634.1中的典型斷面YK158+594.5斷面和弧形選型區(qū)段YK158+634.1～YK158+784中的典型斷面YK158+647斷面進行對比分析，周邊收斂-時間曲線圖如圖13～14所示.

圖13 斷面周邊收斂-時間曲線圖(YK158+594.5)

由圖13～14可以看出，當(dāng)隧道周邊收斂達到穩(wěn)定時，YK158+594.5斷面左拱腰收斂最大值為14.8 mm，YK158+647斷面左拱腰收斂最大值為2 mm.YK158+594.5斷面右拱腰收斂最大值為10.61 mm，YK158+647斷面右拱腰收斂最大值為1.89 mm.同時，數(shù)值模擬和監(jiān)控量測的結(jié)果比較接近.可以得出，斜線選型時周邊收斂值遠(yuǎn)大于弧形選型時，弧形中隔壁選型要優(yōu)于斜線形選型.

YK158+594.5斷面和YK158+647斷面拱頂沉降監(jiān)控量測如圖15～16所示.從監(jiān)控量測結(jié)果可以看出，當(dāng)拱頂沉降達到穩(wěn)定時，YK158+594.5斷面拱頂沉降最大值為29.4 mm，YK158+647斷面拱頂沉降最大值為7.95 mm.同時，數(shù)值模擬和監(jiān)控量測的結(jié)果比較接近.因此，斜線選型時拱頂沉降值遠(yuǎn)大于弧形選型，弧形中隔壁選型優(yōu)于斜線選型.

圖14 斷面周邊收斂-時間曲線圖(YK158+647)

圖15 斷面拱頂沉降值(YK158+594.5)Fig.15 Settlement values of the vault at the section(YK158+594.5)

圖16 斷面拱頂沉降值(YK158+647)

4 結(jié) 論

針對武關(guān)驛隧道YK158+579～YK158+634.1斷面施工中將臨時中隔壁制作成斜線形，導(dǎo)致YK158+634.1斷面頂部噴射混凝土大面積掉落，并造成局部垮塌，后YK158+634.1～YK158+784斷面在施工中改用弧形臨時中隔壁，未出現(xiàn)上述工程事故.采用Midas GTS NX有限元分析軟件，模擬分析了斜線和弧形的臨時中隔壁選型下隧道施工，并從隧道結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力兩方面對模擬結(jié)果進行對比分析.結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果，所得主要結(jié)論為

1) 斜線和弧形時，圍巖均在左、右拱腰處產(chǎn)生較大的水平位移，斜線選型時拱腰水平收斂值遠(yuǎn)大于弧形選型時拱腰水平收斂值，未超過規(guī)范容許值，但存在很大的安全隱患.斜線選型下拱腰產(chǎn)生更大的水平收斂值，弧形選型優(yōu)于斜線選型.斜線和弧形時，圍巖均在拱頂處產(chǎn)生較大的豎向位移，斜線選型時拱頂豎向位移遠(yuǎn)大于弧形時拱頂豎向位移，未超過規(guī)范容許值，但存在很大的安全隱患.斜線選型下拱頂產(chǎn)生更大的豎向位移值，弧形選型優(yōu)于斜線選型.

2) 斜線選型時噴射混凝土剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱頂處，最大剪應(yīng)力值為4.78 MPa，超過混凝土的抗剪強度，導(dǎo)致混凝土發(fā)生剪切破壞；弧形時最大剪應(yīng)力值出現(xiàn)在左拱肩處，最大剪應(yīng)力值為0.79 MPa，未達到混凝土的抗剪強度.

3) 通過數(shù)值模擬和監(jiān)控量測結(jié)果可見，同弧形中隔壁選型相比，斜線選型容易導(dǎo)致圍巖左、右拱腰產(chǎn)生更大的水平位移，拱頂產(chǎn)生更大的豎向位移和拱頂噴射混凝土產(chǎn)生更大的剪應(yīng)力值.

4) 隧道發(fā)生頂部噴射混凝土掉塊和局部垮塌的主要原因是采用斜線臨時中隔壁時，拱頂產(chǎn)生較大的豎向位移，同時拱頂噴射混凝土剪應(yīng)力超過了混凝土的抗剪強度，發(fā)生剪切破壞.