偏壓作用下超大斷面雙連拱隧道中隔墻受力變形特性分析*

李玉華

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

0 引言

近年來(lái)，雙連拱隧道憑借其占地少、洞口設(shè)計(jì)選擇性多、地下空間利用率高、建造成本低等特點(diǎn)在隧道工程中得到了廣泛應(yīng)用。中隔墻作為雙連拱隧道的核心結(jié)構(gòu)，其力學(xué)變形特性是影響整個(gè)隧道工程安全穩(wěn)定的重要因素，合理的施工方法是雙連拱隧道設(shè)計(jì)施工的難題之一。國(guó)內(nèi)外已有較多學(xué)者對(duì)雙連拱隧道中隔墻力學(xué)變形特性展開(kāi)了研究，并取得了較多成果。

1)施工工序 林剛等[1]結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)不同圍巖等級(jí)條件下不同施工方法對(duì)中隔墻力學(xué)變形的影響展開(kāi)了研究，提出了三導(dǎo)洞法、中導(dǎo)洞全斷面法和中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法的適用范圍；任尚強(qiáng)[2]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程，提出了利用中導(dǎo)洞+單側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)IV級(jí)圍巖隧道開(kāi)挖的方法；許崇幫等[3]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)不同地質(zhì)條件下雙連拱隧道的施工方法進(jìn)行了分析，研究了不同施工工序?qū)χ懈魤κ芰ψ冃翁匦缘挠绊?，并結(jié)合得到的規(guī)律對(duì)施工工序進(jìn)行了優(yōu)化；彭定超等[4]依托某實(shí)際工程，利用三維數(shù)值模擬方法，對(duì)不同施工階段下雙連拱隧道中隔墻受力特點(diǎn)進(jìn)行了分析，研究了中隔墻應(yīng)力和位移的變化規(guī)律；王先堂[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到了雙連拱隧道施工過(guò)程中周邊地表沉降和拱頂豎向沉降。

2)中隔墻斷面形式 楊德春等[6]利用數(shù)值模擬方法對(duì)不同厚度的曲中墻受力變形特性進(jìn)行了分析，得到了能夠使中隔墻變形最優(yōu)化的厚度值；時(shí)亞昕[7]利用數(shù)值分析的方法對(duì)深埋雙連拱隧道在II，III，IV級(jí)圍巖條件下整體式和分離式直中墻的受力變形特性展開(kāi)了研究，得到了中隔墻受力變形分布及薄弱部位；陳貴紅等[8]通過(guò)研究表明中隔墻厚度超過(guò)2m后，其應(yīng)力減小幅度不明顯。

3)中隔墻受力計(jì)算 申玉生等[9]利用數(shù)值模擬的方法對(duì)雙連拱隧道中隔墻的受力變形特性進(jìn)行了研究，研究表明中隔墻在施工過(guò)程中承擔(dān)了隧道的大部分荷載，因此中隔墻是保證整個(gè)隧道施工過(guò)程安全穩(wěn)定的重要因素；姜玉松等[10]結(jié)合拱理論計(jì)算得到了雙連拱隧道中隔墻的受力大小，并采用力矩平衡法分析了中隔墻的穩(wěn)定性，提出了保障其穩(wěn)定性的措施；李建宇等[11]結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)中隔墻受力機(jī)理進(jìn)行了深入分析，探討了對(duì)稱和不對(duì)稱形式中隔墻受力特點(diǎn)及穩(wěn)定性；夏永旭等[12]利用數(shù)值模擬方法對(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)分析；胡志平等[13]利用大型商用軟件ABAQUS對(duì)雙連拱隧道施工引起的地表沉降、襯砌應(yīng)力變化及變形規(guī)律進(jìn)行了分析，研究了雙連拱隧道施工過(guò)程中的力學(xué)特性。

上述成果對(duì)于雙連拱隧道中隔墻的設(shè)計(jì)和施工起到了較好的指導(dǎo)作用，但上述研究多集中于等壓隧道，對(duì)于偏壓隧道較少涉及，同時(shí)對(duì)于超大斷面且地質(zhì)條件非對(duì)稱條件下雙連拱隧道的受力變形特性也鮮有涉及。超淺埋、超大斷面、偏壓、地質(zhì)條件不均勻的耦合作用使得中隔墻受力變形特性較為復(fù)雜[14]，但鮮有理論研究和工程經(jīng)驗(yàn)，不同施工方法對(duì)此類條件下中隔墻力學(xué)變形特性的影響也不得而知。因此，開(kāi)展此類條件下不同施工工序?qū)χ懈魤αW(xué)特性的影響研究具有重要理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

本文結(jié)合廈門地質(zhì)條件不均勻區(qū)域某超淺埋、超大斷面、偏壓雙連拱隧道實(shí)際工程[15-16]，對(duì)比分析了三導(dǎo)洞、中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法、中導(dǎo)洞全斷面法施工過(guò)程中中隔墻力學(xué)變形特性，得到了適宜此類條件的最優(yōu)施工方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)施工方法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。研究成果可為復(fù)雜條件下雙連拱隧道中隔墻設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 工程概況

廈門第二西通道(海滄隧道)工程起于海滄區(qū)馬青路與海滄大道交叉口，為連接海滄區(qū)和本島的重要通道。其中興湖路地下互通段有160m超淺埋、偏壓、超大跨度隧道，隧道位于“土石二元”地層，是典型的上軟下硬地層：隧道覆蓋層為雜填土及殘積土，隧道洞身及洞頂?shù)貙又饕獮楦采w層及全～強(qiáng)風(fēng)化巖，局部為微風(fēng)化巖。BZK16+790—BZK16+850區(qū)段存在偏壓現(xiàn)象，且土層自穩(wěn)能力較差。

隧道采用雙連拱暗挖形式進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，隧道最小埋深為5.61m，最大跨度為45.73m，是目前開(kāi)挖斷面最大的雙連拱隧道(見(jiàn)圖1)。隧道采用3層襯砌類型：初期支護(hù)采用H25型鋼@50cm+30cm厚C25噴射混凝土、初支加強(qiáng)層采用格柵鋼架@50cm+30cm厚C25噴射混凝土、三次襯砌采用C45，P12防水鋼筋混凝土，厚度80cm。中隔墻采用復(fù)合式結(jié)構(gòu)類型，確保三次襯砌結(jié)構(gòu)的完整性。

圖1 雙連拱隧道斷面(單位：m)

由于施工工序和施工方法會(huì)對(duì)中隔墻力學(xué)變形特性產(chǎn)生較大影響，故對(duì)中導(dǎo)洞全斷面法、中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法和三導(dǎo)洞法進(jìn)行比選，以中隔墻受力及變形為指標(biāo)，確定最優(yōu)施工工序。

2 中隔墻受力機(jī)理分析

2.1 中隔墻受力機(jī)理

選取單位厚度的中隔墻進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2 中隔墻受力分析

圖2中，F(xiàn)x為中隔墻受到的水平荷載，F(xiàn)y為中隔墻受到的豎向荷載，M為彎矩。通過(guò)分析可知，施工過(guò)程中中隔墻主要受到墻上方傳遞下來(lái)的豎向荷載Fy，左右洞開(kāi)挖引起的水平荷載Fx和彎矩M。由于施工工序不同，因此傳遞至中隔墻上的荷載Fx，F(xiàn)y和M是不斷變化的，且在施工結(jié)束后達(dá)到最大值，因此在中隔墻結(jié)構(gòu)形式和左右洞結(jié)構(gòu)形式不變的條件下，中隔墻最終應(yīng)力變形狀態(tài)較為接近，但由于不同施工工序造成的塑性變形、應(yīng)力釋放不同，最終狀態(tài)會(huì)有一定的差異。施工過(guò)程中，由于左右洞非實(shí)時(shí)對(duì)稱開(kāi)挖，各階段支護(hù)荷載作用也非對(duì)稱施加，因此在施工過(guò)程中中隔墻將長(zhǎng)期處于偏壓狀態(tài)，當(dāng)施工斷面本身就為偏壓界面且地質(zhì)條件不均勻時(shí)，該偏壓現(xiàn)象更為嚴(yán)重，故需要注意中隔墻在施工過(guò)程中位移和應(yīng)力變化。

2.2 中導(dǎo)洞全斷面法

該方法是指先開(kāi)挖中洞，再修筑中隔墻，隨后采用全斷面法進(jìn)行開(kāi)挖，最后進(jìn)行二次襯砌施工。由于該方法中左洞和右洞均為全斷面一次成型，故在施工過(guò)程中圍巖受到擾動(dòng)較少，有利于隧道整體穩(wěn)定。但由于左洞或者右洞為一次性開(kāi)挖成形，故會(huì)對(duì)中隔墻產(chǎn)生較大的不平衡力和彎矩，并使其產(chǎn)生較大變形。

2.3 中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法

該方法是指先開(kāi)挖中導(dǎo)洞并進(jìn)行中隔墻澆筑，隨后利用上下臺(tái)階法進(jìn)行正洞的開(kāi)挖施工，并進(jìn)行相關(guān)支護(hù)和襯砌施工，該方法對(duì)中隔墻產(chǎn)生的不平衡力和彎矩較小。采用該方法進(jìn)行施工對(duì)圍巖影響較小，但當(dāng)圍巖較為軟弱時(shí)，采用該方法施工可能會(huì)產(chǎn)生較大變形等工程災(zāi)害。

2.4 三導(dǎo)洞法

該方法前期與上述兩種方法相同，修筑完中隔墻后，在正洞開(kāi)挖側(cè)導(dǎo)洞，導(dǎo)洞掘進(jìn)一定距離后，采用上下臺(tái)階法對(duì)正洞進(jìn)行開(kāi)挖。由于該方法中采用了多次支護(hù)，施工初期由于兩次不對(duì)稱開(kāi)挖產(chǎn)生的不平衡力和彎矩較小，中隔墻應(yīng)力和變形均相對(duì)較小。

3 不同施工工序中隔墻受力變形特性數(shù)值分析

3.1 模型建立及參數(shù)選取

采用有限元軟件對(duì)廈門第二西通道雙連拱隧道施工過(guò)程進(jìn)行模擬。由于沿開(kāi)挖方向隧道結(jié)構(gòu)無(wú)較大變化，故采用二維模型進(jìn)行模擬。隧道跨度為45.73m，左洞跨度為19.37m，高度為12.37m；右洞跨度為19.32m，高度為12.32m；中隔墻最小寬度為2.46m，高度為7.8m。為了消除數(shù)值模擬過(guò)程中邊界效應(yīng)的影響，模擬土體長(zhǎng)度為150m，深度為80m，其中，頂部斜坡斜率為1∶20，如圖3所示。

圖3 數(shù)值分析模型

巖體分層及參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果確定，其中采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)關(guān)系對(duì)圍巖進(jìn)行模擬，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系對(duì)襯砌、中隔墻等進(jìn)行模擬，具體參數(shù)如表1所示。模擬中只考慮圍巖的自重應(yīng)力，不考慮圍巖的構(gòu)造應(yīng)力。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼筋等進(jìn)行具體模擬，僅對(duì)其進(jìn)行等剛度折算。為監(jiān)測(cè)中隔墻的典型應(yīng)力狀態(tài)，在中隔墻中設(shè)置1根剛度較小的鋼筋，對(duì)中隔墻應(yīng)力狀態(tài)無(wú)較大影響。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬過(guò)程

模擬分為地應(yīng)力平衡階段和施工模擬階段，施工模擬階段采用“生死單元”模塊對(duì)中導(dǎo)洞全斷面法、中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法和三導(dǎo)洞法進(jìn)行模擬，為更清晰說(shuō)明模擬步驟，對(duì)隧道進(jìn)行分區(qū)，具體如圖4所示。

圖4 雙連拱隧道斷面分區(qū)

根據(jù)中導(dǎo)洞全斷面法、中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法和三導(dǎo)洞法施工工序，確定3組模擬順序如下。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1中隔墻豎向應(yīng)力變化

提取埋置在中隔墻內(nèi)的鋼筋頂端豎向應(yīng)力隨施工步驟變化如圖5所示，圖中負(fù)值表示受壓。

圖5 中隔墻豎向應(yīng)力變化曲線

由圖5可知，3種施工方法引起中隔墻最終應(yīng)力較為接近，但由于施工工序不同，中隔墻應(yīng)力變化過(guò)程不同。中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法在施工過(guò)程中，由于最后一步開(kāi)挖右洞區(qū)域，故其豎向應(yīng)力前期較小，而三導(dǎo)洞法前期就對(duì)左右洞進(jìn)行落地施工，故前期應(yīng)力較大。

根據(jù)施工至第7步時(shí)(即圖4中應(yīng)力出現(xiàn)差異處)，中隔墻大主應(yīng)力云圖可知，不同施工方法在施工過(guò)程中中隔墻大、小主應(yīng)力分布規(guī)律較為接近，但具體數(shù)值上存在較大差異。3種方法產(chǎn)生的大主應(yīng)力均主要集中在中隔墻角位置，受到偏壓影響，中隔墻左側(cè)頂部位置出現(xiàn)小范圍應(yīng)力集中現(xiàn)象，而墻中部位置應(yīng)力較小。小主應(yīng)力分布規(guī)律如下：中導(dǎo)洞全斷面法和三導(dǎo)洞法較為接近，均出現(xiàn)在中隔墻左側(cè)頂部和中部，而中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法出現(xiàn)在右側(cè)中部。

3.3.2中隔墻變形特性

提取中隔墻頂部水平位移隨施工步驟變化如圖6所示。

圖6 中隔墻水平位移變化曲線

由圖6可知，施工結(jié)束后，中隔墻頂端水平位移較為接近，但在施工過(guò)程中三導(dǎo)洞法位移最大，發(fā)生在區(qū)域⑤開(kāi)挖完成后；中導(dǎo)洞全斷面法和中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法位移較小。

提取中隔墻頂部豎向沉降隨施工步驟變化如圖7所示，圖中正值為向下位移。

圖7 中隔墻頂端豎向位移變化曲線

由圖7可知，施工結(jié)束后，中隔墻頂端豎向位移較為接近，但在施工過(guò)程中三導(dǎo)洞法產(chǎn)生豎向沉降最大，發(fā)生在區(qū)域⑩開(kāi)挖完成后；中導(dǎo)洞全斷面法和中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法位移較小。

提取不同施工方法中中隔墻左墻角、右墻角、左墻頂和右墻頂豎向位移，如圖8所示。

由圖8可知，3種方法中隔墻位移規(guī)律較為接近：墻頂產(chǎn)生的豎向位移較大，超過(guò)墻角位移，且豎向位移均為先增大后減小，右側(cè)位移稍大于中隔墻左側(cè)位移。結(jié)合大小主應(yīng)力分布云圖可知，受到偏壓荷載和非對(duì)稱開(kāi)挖卸荷影響，中隔墻會(huì)產(chǎn)生向先期開(kāi)挖側(cè)旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

圖8 中隔墻不同位置處豎向位移變化曲線

3.3.3施工方法對(duì)中隔墻應(yīng)力變形特性對(duì)比

3種施工方法中中隔墻最大應(yīng)力及變形如表2所示。

對(duì)比表2中數(shù)據(jù)可知，在偏壓條件下，中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法施工過(guò)程中中隔墻應(yīng)力和位移均較小，而三導(dǎo)洞法最大。且由于三導(dǎo)洞法工期較長(zhǎng)，因此，選擇中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法較為合理。但中隔墻左右側(cè)變形不同，需在施工工程中防止非對(duì)稱開(kāi)挖和偏壓作用引起的中隔墻傾覆問(wèn)題。

表2 中隔墻最大應(yīng)力及變形

4 優(yōu)化方案與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

4.1 優(yōu)化方案

為了降低非對(duì)稱開(kāi)挖引起中隔墻變形并降低中隔墻應(yīng)力，實(shí)際工程中采用“中導(dǎo)洞+雙側(cè)壁開(kāi)挖”方法進(jìn)行施工，開(kāi)挖順序?yàn)棰诔伴_(kāi)挖施工，提供主運(yùn)輸通道，為后續(xù)①洞反向落底開(kāi)挖提供通道，中隔墻襯砌施作一定距離后，堅(jiān)持②，④先行，③滯后封閉，再按照⑤，⑦，⑥的順序進(jìn)行落地施工，之后按照同樣順序?qū)τ叶催M(jìn)行開(kāi)挖，即施工順序?yàn)椋孩凇佟堋邸茛摺蕖啖狻帷?/p>

4.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

為了監(jiān)測(cè)雙連拱隧道開(kāi)挖過(guò)程中中隔墻的變形情況，BYK16+960截面布置4個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)各位置的位移變形情況，如圖9所示。初讀數(shù)在開(kāi)挖后12h內(nèi)采用數(shù)顯示收斂計(jì)采集，最遲不超過(guò)24h，而且在下一循環(huán)開(kāi)挖前，完成初期變形值讀數(shù)。

圖9 中隔墻位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

提取該截面施工過(guò)程中中隔墻左墻頂及左墻角豎向位移變化如圖10所示。

圖10 中隔墻位移實(shí)測(cè)值

由圖10可知，施工過(guò)程中隔墻位移值隨開(kāi)挖區(qū)域先增大后降低，具有一定的波動(dòng)性，但波動(dòng)范圍較小，說(shuō)明施工過(guò)程中中隔墻變形較小，工程較為安全可靠。對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)值可知，兩者較為接近，數(shù)值模擬能夠較好反映開(kāi)挖卸荷對(duì)中隔墻的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合廈門地質(zhì)條件不均勻區(qū)域某超淺埋、超大斷面、偏壓雙連拱隧道實(shí)際工程，對(duì)比分析了三導(dǎo)洞、中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法、中導(dǎo)洞全斷面法施工過(guò)程中中隔墻力學(xué)變形特性，得到了適宜此類條件的最優(yōu)施工方法，主要得到以下結(jié)論。

1)雙連拱隧道結(jié)構(gòu)形式一定時(shí)，不同施工方法得到的中隔墻最終應(yīng)力變形量較為接近，但由于施工過(guò)程中應(yīng)力和變形隨開(kāi)挖區(qū)域不同而存在較大差異；中隔墻頂產(chǎn)生的豎向位移大于墻角位移，且豎向位移均為先增大后減小，右側(cè)位移稍大于中隔墻左側(cè)位移。

2)三導(dǎo)洞法由于較早對(duì)左右洞進(jìn)行落地施工，故前期應(yīng)力和變形均較大；中導(dǎo)洞全斷面法次之；中導(dǎo)洞正洞臺(tái)階法最后進(jìn)行落地施工，其后期變形和應(yīng)力較小，可作為該工況的首選方案。

3)受到偏壓作用和開(kāi)挖順序的綜合影響，中隔墻會(huì)產(chǎn)生向先期開(kāi)挖側(cè)旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，且在靠近偏壓一側(cè)會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中區(qū)域，施工中應(yīng)防止該部位發(fā)生局部坍塌。

4)實(shí)際工程中采用優(yōu)化的“中導(dǎo)洞+雙側(cè)壁開(kāi)挖”施工方法能保證圍巖的穩(wěn)定且各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)合理。