雙層初支疊合拱蓋結(jié)構(gòu)組合形式研究

馮世杰 高 鑫 李清菲 王文娟 吳 琦

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 300308， 天津∥第一作者， 工程師)

常規(guī)暗挖大跨隧道所采用的施工方法主要有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[1]、洞樁法[2]及拱蓋法[3]等。其中，采用雙層初支疊合拱蓋法修筑的無內(nèi)支撐的單拱大跨隧道不僅可以避免爆破施工對內(nèi)支撐的擾動，還可以實現(xiàn)大型機(jī)械快速施工、構(gòu)筑寬敞地下空間的目的。該方法受到業(yè)界結(jié)構(gòu)工程師的青睞[4]，目前已在青島、成都、重慶及貴陽等巖質(zhì)地區(qū)得以成功應(yīng)用[5-7]。其設(shè)計、施工經(jīng)驗比較成熟，尤其在確定隧道的合理埋深、覆巖厚度、施工工藝等方面有較為深入的研究[8]，并取得了不菲的經(jīng)濟(jì)效益[9]。

上述文獻(xiàn)的研究結(jié)論及應(yīng)用情況均是基于拱部“外層等厚初支+內(nèi)層初支拱蓋”組合形式得出的，而對初支拱蓋與等厚初支組合的研究相對匱乏?？紤]到初支拱蓋的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度遠(yuǎn)大于等厚初支結(jié)構(gòu)，本文認(rèn)為隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的控制與雙層初支結(jié)構(gòu)的先后施作順序有關(guān)，很有必要對雙層初支疊合拱蓋結(jié)構(gòu)的組合形式進(jìn)行研究，以期為后續(xù)類似工程提供參考。

1 工程概況

青島地鐵1號線某站采用明暗挖結(jié)合法施工，其暗挖區(qū)段橫斷面如圖1所示。該隧道所處地貌類型屬剝蝕殘丘，地勢較平坦，拱頂埋深僅有7 m左右，屬典型的暗挖大跨超淺埋施工項目。該項目采用雙層初支疊合拱蓋法施工，拱部采用CD(中隔壁)法施工。

單位：mm圖1 案例車站主體結(jié)構(gòu)的橫斷面Fig.1 Typical cross-section of case station main structure

2 雙層初支疊合拱蓋法施工的組合形式比選

本文擬定了兩種拱部初支結(jié)構(gòu)組合方案。方案一為“外層初支拱蓋+內(nèi)層等厚初支”；方案二為“外層等厚初支+內(nèi)層初支拱蓋”。二者的主要區(qū)別在于：① 方案一以剛度較弱的等厚初支置換豎撐，而方案二則是以剛度較強(qiáng)的初支拱蓋置換豎撐。② 方案一拱墻交界處初支結(jié)構(gòu)過渡圓順、受力均勻、施工方便，而方案二拱墻交界處初支結(jié)構(gòu)剛度突變、受力復(fù)雜。

繪制兩種方案下結(jié)構(gòu)的剛度比曲線，如圖2所示。由圖2可知，初支拱蓋結(jié)構(gòu)剛度是等厚初支結(jié)構(gòu)剛度的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，由此可以斷定：結(jié)構(gòu)施作的順序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性控制起到關(guān)鍵作用。

圖2 兩種雙層疊合結(jié)構(gòu)的剛度比曲線Fig.2 Stiffness ratio curves of two double-layer compositestructures

3 數(shù)值計算及結(jié)果分析

采用MIDAS GTS NX軟件建立了這兩種組合方案的地層-結(jié)構(gòu)計算模型。其中：巖土體本構(gòu)關(guān)系采用D-P屈服準(zhǔn)則，錨桿、噴射混凝土及二次襯砌采用線彈性本構(gòu)關(guān)系；模型尺寸的高度為48 m、寬度為122 m、長度為30 m。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)分別如表1—2所示。

表1 計算模型的巖土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil and rock in calculation model

3.1 地表及拱頂沉降

兩種方案引起的地表、拱頂沉降值分別如圖3、圖4所示。由圖3—4可看出：先行施作初支拱蓋對控制地層變形有利(尤其是拱部巖體施工階段)，這是因為初支拱蓋剛度大于等厚初支結(jié)構(gòu)剛度，提供給隧道圍巖的支護(hù)反力較大，能夠及時地約束并限制圍巖的繼續(xù)松動變形。

表2 計算模型的支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of supporting structure in calculation model

圖3 兩種方案下施作各典型施工步的拱頂沉降對比Fig.3 Comparison of vault settlement at each typical construction step in the two schemes

圖4 兩種方案下施作各典型施工步的地表沉降對比Fig.4 Comparison of ground surface settlement at each typical construction step in the two schemes

3.2 初支結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

選擇最危險控制截面的強(qiáng)度安全系數(shù)(以下簡稱“安全系數(shù)”)作為隧道結(jié)構(gòu)的安全性評價指標(biāo)。分別計算出兩種方案在各典型施工步下的初支結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 兩種方案在各典型施工步下初支結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)Tab.3 Safety factor of primary support structure under each typical construction step of two schemes

由表3可知：① 內(nèi)層初支施作前，方案一的外層初支安全系數(shù)明顯大于方案二。② 拆撐前內(nèi)層初支結(jié)構(gòu)基本不承受外部荷載，仍以外層初支+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)作為主要承載體系；拆撐后拱部地層荷載按照疊合結(jié)構(gòu)剛度比重新分配，初支拱蓋代替等厚初支成為主要承載結(jié)構(gòu)。其中：方案一等厚初支結(jié)構(gòu)作為安全儲備，起到約束、控制外層初支變形的作用；方案二等厚初支結(jié)構(gòu)僅起到將地層荷載傳遞至初支拱蓋的作用，基本無承載效應(yīng)可言。③ 全斷面貫通后，兩種方案內(nèi)外層初支的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均略有下降，這說明下部巖體施工對拱部疊合初支結(jié)構(gòu)安全性的影響較小。

3.3 拱腳巖體塑性區(qū)

拱蓋法隧道施工成敗的關(guān)鍵在于拱腳巖體能否給上部橋拱結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定的持力地基。圖5、圖6分別為方案一、方案二在典型施工步下拱腳巖體塑性區(qū)的分布等值線。

由圖5—6可知，在隧道拱部施工過程中，兩種方案的拱腳巖體均未發(fā)生塑性屈服或破壞；隧道下部巖體開挖卸荷后，與方案二相比，方案一側(cè)墻塑性區(qū)水平破壞深度增大約0.10 m，豎向破壞區(qū)深度增大約0.15 m，可見拱腳設(shè)置在外側(cè)對側(cè)墻巖體的強(qiáng)度、剛度要求相對較高。

a) 外層初支

a) 外層初支

3.4 二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力

圖7為兩種方案的二襯結(jié)構(gòu)彎矩圖，可見二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力控制部位基本一致，其大小、分布也近似相同。方案一、方案二下的側(cè)墻二襯控制彎矩分別為17.89 kNm、16.84 kNm，前者較后者增加約6.24%，遠(yuǎn)大于二襯其它部位的控制內(nèi)力差值。這進(jìn)一步印證了上文側(cè)墻圍巖塑性影響區(qū)分布規(guī)律的正確性。

a) 方案一

4 施工驗證

選擇方案一作為最終實施方案，各監(jiān)測項目的實測值與模擬值對比曲線如圖8所示。最終隧道拱頂沉降、地表沉降、拱腳水平收斂的實測值分別為21.65 mm、16.67 mm、7.61 mm，約占模擬值的87.76%、84.83%、91.47%，均能滿足結(jié)構(gòu)變形控制要求。

圖8 結(jié)構(gòu)變形實測值與模擬值對比曲線Fig.8 Comparison curve between measured value and simulated value of structural deformation

5 結(jié)語

1) 在隧道施工階段，兩種疊合形式初支拱蓋法的荷載主要由初支拱蓋結(jié)構(gòu)承擔(dān)，內(nèi)外層初支結(jié)構(gòu)的荷載承擔(dān)比例服從內(nèi)外層結(jié)構(gòu)剛度比原則，與二者的組合形式關(guān)系不大，這與拱蓋法隧道橋拱的設(shè)計理念一致。

2) 方案一在隧道地表沉降、拱頂沉降及圍巖松散變形上的控制效果要優(yōu)于方案二；而在控制拱腳巖體塑性區(qū)發(fā)展及二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布方面，方案一比方案二略差。

3) 方案一內(nèi)層等厚初支可在拱墻交界處圓滑過渡，不會形成陰陽角，其結(jié)構(gòu)受力也更為合理；方案二內(nèi)層初支拱蓋與側(cè)墻初支存在明顯的變截面及陰陽角轉(zhuǎn)角過渡，施工時不易操作，施工后容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不均。

綜上所述，建議優(yōu)先考慮采用方案一“外層初支拱蓋+內(nèi)層等厚初支”的雙層初支組合形式，其工程性價較高。本文的研究結(jié)論是基于強(qiáng)-中風(fēng)化巖地質(zhì)條件，在保證2層疊合結(jié)構(gòu)總剛度不變、僅改變相對位置關(guān)系的前提下得出的，建議后續(xù)對2層初支結(jié)構(gòu)在不同地層條件下的合理厚度進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步提高雙層疊合初支拱蓋結(jié)構(gòu)對地層的適應(yīng)性及工程經(jīng)濟(jì)性。