駱維斌,喬 雄,倪偉淋,劉文高,田過勤,黃錦聰
(1. 甘肅路橋建設(shè)集團有限公司,甘肅蘭州 730030; 2. 甘肅省隧道工程技術(shù)研究中心,甘肅蘭州 730030; 3. 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050)
大斷面隧道能夠有效改善擁擠的交通,優(yōu)化路線,從而能獲得較好的經(jīng)濟效益。近年來,隨著隧道跨度的不斷增大,修建過程中遇到的問題和挑戰(zhàn)也不斷增多,如圍巖變形問題[1-2]、開挖問題[3]、支護問題[4]等,使得大斷面隧道施工技術(shù)倍受關(guān)注。大斷面隧道施工大都采用分部開挖法,臨時支撐是此類隧道施工方法中不可或缺的支護體系,能夠解決大斷面隧道掘進時不能及時封閉成環(huán)而導(dǎo)致的開挖斷面不穩(wěn)定問題,其作用是將大斷面轉(zhuǎn)化為小斷面,以實現(xiàn)邊開挖、邊支護,并使支護結(jié)構(gòu)快速成環(huán),從而保證施工安全。目前隧道的臨時支撐采用弧形工字鋼焊接鋼板結(jié)構(gòu),通過螺栓連接方式使其與初支結(jié)構(gòu)連接形成整體,再聯(lián)合噴射混凝土進行加固。該臨時支撐結(jié)構(gòu)能夠滿足施工質(zhì)量和安全的要求,但工業(yè)化程度低,施工效率低,且因工藝復(fù)雜、安拆施工進度慢、材料損耗較大而成為了影響大跨度隧道施工進度的關(guān)鍵因素。為解決這類問題,對大斷面隧道臨時支撐結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,實現(xiàn)臨時支撐的裝配化是一種較好的思路。
20世紀(jì)90年代起,中國鐵路隧道發(fā)展迅速。原鐵道部制定新的技術(shù)規(guī)則,確立圍巖分級判定方法[5],推進中國隧道的濕噴混凝土技術(shù)的發(fā)展。預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)萌芽于20世紀(jì)初,最先由德國格羅皮烏斯提出[6],用于快速解決戰(zhàn)后住房問題。由于地下工程建設(shè)受環(huán)境影響,相比地上工程建設(shè)更具有復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性。在地下工程建設(shè)初期,裝配式技術(shù)主要用于明挖隧道,20世紀(jì)中期基坑邊坡支護工程建設(shè)出現(xiàn)了裝配式鋼筋混凝土支護方式,之后出現(xiàn)了分段裝配式支護結(jié)構(gòu)和管片式支護結(jié)構(gòu)[7]。國外明挖裝配支護主要有單拱結(jié)構(gòu)和矩形結(jié)構(gòu),一般采用現(xiàn)澆混凝土和預(yù)制裝配式構(gòu)件拼接的方式進行支護[8]。目前,中國裝配式襯砌主要應(yīng)用于盾構(gòu)法施工中,由拼裝系統(tǒng)把預(yù)制構(gòu)件拼接成襯砌管片。中國的秦嶺Ⅰ線隧道[9]、清華園隧道[10]、浩吉鐵路白城隧道等[11]采用的正是這種裝配式預(yù)制管片襯砌盾構(gòu)法。朱合華等[12]對盾構(gòu)管片拼接接頭內(nèi)力進行了研究,分析了內(nèi)力與變形的模型。Chen等[13]采用有限元軟件分析了盾構(gòu)法中鋼筋支護的受力狀態(tài),并提出鋼纖維可提高抗震性能。另外,裝配式技術(shù)在地鐵站修建方面已經(jīng)有了比較成熟的技術(shù),長春袁家店車站[14]作為中國第一個采用裝配式技術(shù)的地鐵站于2016年修建完畢。因此,當(dāng)前在地面建 (構(gòu))筑物、掘進機工法隧道以及明挖區(qū)間隧道或地鐵車站等領(lǐng)域,裝配式營造技術(shù)體系所涵蓋的基礎(chǔ)理論、設(shè)計選型、施工裝備、工藝工法、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程等已經(jīng)相當(dāng)完備[15]。目前,預(yù)制裝配式技術(shù)主要運用于城市地區(qū)。近幾年采用該技術(shù)給城市規(guī)劃建設(shè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益,另外該技術(shù)有標(biāo)準(zhǔn)化、快速化、智能化等特點,可根據(jù)需要制作更標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)制構(gòu)件,使其安裝、拆卸時更快速,并在該過程中提高機械使用率,使其更智能化。當(dāng)前,在山嶺隧道中使用礦山法開挖所占的比例很大,而針對礦山法,預(yù)制裝配式支護技術(shù)研究還很少,尤其對于臨時支撐的預(yù)制裝配式技術(shù)的研究還處于空白狀態(tài),而在礦山法施工中經(jīng)常會運用到臨時支撐,例如CRD法、CD法、單雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。隧道修建中,待施工斷面主要支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后,需要拆除臨時支撐,不但工藝繁雜,且拆除時會對周圍支撐結(jié)構(gòu)造成擾動,嚴(yán)重時可導(dǎo)致工程事故發(fā)生。此外,傳統(tǒng)的臨時支撐拆除時機械使用率低,面臨著費時費力、效率低下、耗費材料等問題。
為改善以上問題,急需研發(fā)一種可循環(huán)使用的預(yù)制裝配式臨時支撐構(gòu)件,把預(yù)制裝配式技術(shù)發(fā)展到隧道建設(shè)中,在滿足安全穩(wěn)定的前提下提倡快速、綠色發(fā)展,提高臨時支撐拆除效率,減少材料損耗和建筑垃圾,給隧道工程建設(shè)帶來更顯著的經(jīng)濟效益。
隧道掘進過程中能夠控制圍巖變形的支護技術(shù)一直是熱點研究問題,尤其是針對大斷面隧道支護技術(shù)的研究。為解決大斷面隧道在掘進過程中不能及時形成穩(wěn)定的閉環(huán)支護問題,需要采用大量臨時支撐,支護結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1臨時支撐施工現(xiàn)場Fig.1Temporary Support Construction Site
傳統(tǒng)的弧形臨時支撐技術(shù)施工過程復(fù)雜,機械化和工業(yè)化程度較低,施工效率和經(jīng)濟效益較低,在拆除過程中還會對周圍支護結(jié)構(gòu)以及圍巖造成二次擾動[16-17]。為減少臨時支撐拆除造成的二次擾動,雷振宇等[18]、周磊生等[19]對臨時支撐拆除順序進行了研究,得出了合理的拆除順序。趙鵬社[20]、姚紅偉等[21]、楊招等[22]通過數(shù)值理論分析結(jié)合現(xiàn)場實測的方式,針對CRD法臨時支撐施工復(fù)雜、效率低的問題進行優(yōu)化改進,使臨時支撐施工效率得以提升。韓赟等[23]、陳林杰等[24]利用有限元軟件,針對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時支撐施工空間狹小的問題進行優(yōu)化研究,使其作業(yè)空間增大。郭杰[25]、李祥東等[26]、尚友磊等[27]、卞正濤[28]針對雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時支撐材耗大、造價高的問題進行研究,圍繞減少施工中臨時支撐的數(shù)量提出不同的施工方法。但上述研究均未解決裝配化問題。
目前,大斷面隧道施工采用的臨時支撐主要以弧形為主,為滿足臨時支撐可循環(huán)使用及制作簡單化的要求,將該結(jié)構(gòu)設(shè)計為豎直形狀。另外,設(shè)計裝配式臨時支撐還需考慮如何取代噴射混凝土、鋼架間的連接方式以及鋼架的穩(wěn)定性等問題。因此,本文提出幾種不同的裝配式構(gòu)件及連接方式并進行比選,用數(shù)值模擬方法對比分析豎直臨時支撐與弧形臨時支撐在施工過程中的差異。
本文研發(fā)了一種全裝配式臨時支撐結(jié)構(gòu),采用工廠預(yù)制裝配式模塊+現(xiàn)場拼裝的方式,以此取代傳統(tǒng)的工字鋼+噴射混凝土結(jié)構(gòu)的施工方式。新型裝配式臨時支撐結(jié)構(gòu)主要由四部分組成,分別是豎向支撐桿件、橫向支撐桿件、連接方式及擋土板。該臨時支撐的豎向支撐采用工字鋼材料,另需對該臨時支撐的橫向支撐桿件、連接方式及擋土板、頂部連接方式進行設(shè)計。
為解決橫向支撐連接問題,設(shè)計了如表1所示的4種橫向支撐連接方案,來替代傳統(tǒng)連接的焊接方案。經(jīng)過比選,推薦采用水平板狀橫向支撐結(jié)構(gòu)+插銷式連接方式。
表1橫向支撐及連接方案設(shè)計Table 1Design of Lateral Support and Connection Scheme
由表1可知,選用的水平板狀橫向支撐+插銷式連接方式,在工字鋼的翼緣處均布兩排交錯的插銷式插口,安裝橫向支撐時,將水平板狀橫向支撐同時插入兩端插銷式插口,如圖2所示,整個施工過程簡便,相比其他3種方式可縮短施工工期,同時有利于后期拆卸回收、再次利用。
圖2裝配式臨時支撐擋土板結(jié)構(gòu)Fig.2Structure of Prefabricated Temporary Support Retaining Plate
臨時支撐結(jié)構(gòu)在約束拱頂變形的同時,對水平方向上未開挖側(cè)的土體也應(yīng)具有約束作用。傳統(tǒng)的臨時支撐利用噴射混凝土包裹鋼架的方式,形成緊密的整體結(jié)構(gòu),抵擋未開挖側(cè)土體向洞內(nèi)收縮變形。為達到能夠回收利用的目的,新型裝配式臨時支撐結(jié)構(gòu)舍去傳統(tǒng)的噴射混凝土結(jié)構(gòu),改用拼裝組合式鋼板結(jié)構(gòu)形成臨時支撐結(jié)構(gòu),達到約束未開挖側(cè)土體向洞內(nèi)收縮的目的(圖2)。拼裝組合式鋼板的連接方式在很大程度上影響著擋土板現(xiàn)場施工的難度。擋土板及連接方案比選如表2所示,經(jīng)過多方案對比,最終選用擋板+T形插銷式連接進行組裝。
新型臨時支撐結(jié)構(gòu)擋土板選用T形插銷式連接,采用全裝配式可回收利用的設(shè)計方式,取代了傳統(tǒng)噴射混凝土的擋土方式,不僅能夠減少混凝土的用量,降低成本,還能使臨時支撐的安裝和拆除更為簡便,施工更高效,并且改善了因拆除臨時支撐對隧道圍巖和支護結(jié)構(gòu)造成的二次擾動問題。該支護結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)材料循環(huán)使用,并且方便檢查、維修。若在施工過程中有某個構(gòu)件損壞嚴(yán)重,達不到再利用的標(biāo)準(zhǔn)時,可直接進行快速替換,施工更為便利。
隧道開挖后,施作支護結(jié)構(gòu)時,需將初支的弧形工字鋼與臨時支撐的豎直工字鋼進行連接,形成閉環(huán)支護,而不同的連接方式對整個支護結(jié)構(gòu)和施工效率的影響尤為關(guān)鍵。因此,針對臨時支撐頂部的連接方式,設(shè)計了4種方案進行比選,4種方案優(yōu)缺點如表3所示。
通過對以上4種方案進行對比可知,螺栓連接比其他3種連接方式成本更低,更容易制作,相對其他連接方案受力面積更大,更穩(wěn)定,安裝、拆卸也較容易,因此臨時支撐頂部連接方式最終選用螺栓連接。
新型裝配式臨時支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示,圖4為根據(jù)設(shè)計的裝配式臨時支撐結(jié)構(gòu)做出的實際模型。在施工過程中,圍巖應(yīng)力先由隧道頂部傳導(dǎo)至豎向支撐桿件,再通過豎向桿件傳導(dǎo)至隧道拱底,在此過程中橫向桿件主要作用為約束豎向支撐桿件的變形,而擋土板主要約束未開挖土體變形。隧道施工過程中,為保證開挖斷面支護結(jié)構(gòu)快速閉合,需要在隧道開挖的同時進行臨時支撐和初期支護的施作,待初支穩(wěn)定后開始施作二次襯砌,同時拆除回收同斷面的臨時支撐,在下一斷面開挖時進行安裝。
表2擋土板及連接方案設(shè)計Table 2Design of Retaining Plate Connection Scheme
表3臨時支撐頂部連接方案設(shè)計Table 3Design of Temporary Support Top Connection Scheme
圖3臨時支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.3Design of Temporary Support Structure
圖4臨時支撐結(jié)構(gòu)模型Fig.4Temporary Support Structure Model
目前在隧道工程建設(shè)中,對豎直臨時支撐的應(yīng)用較少,因此需對豎直臨時支撐的力學(xué)特性進行分 析。為此,以清傅高速的桑園子隧道為依托,采用MIDAS/GTS三維模擬軟件,選取桑園子隧道施工過程中的典型段落,以連續(xù)4段臨時支撐施作時完整的斷面開挖、支護為背景,共計24步工序,開挖順序以及關(guān)鍵觀測點如圖5所示,其中數(shù)字代表開挖工序。單個斷面開挖順序為:左上側(cè)拱腰—左中側(cè)邊墻—右上側(cè)拱腰—右中側(cè)邊墻—左下側(cè)仰拱—右下側(cè)仰拱。隧道高12.21 m,寬16.65 m,規(guī)定一次開挖進尺為1.5 m,模擬段共計6 m。隧道初期支護采用C25混凝土聯(lián)合I22b型鋼進行支撐,不考慮二次襯砌的影響。錨桿采用直徑為22 mm的三級鋼材進行加工,臨時支撐統(tǒng)一采用I18型鋼。為了消除邊界效應(yīng),根據(jù)圣維南原理,設(shè)立模型寬為82 m,高為125 m,使其大于3倍~5倍的隧道最大跨徑。模型中所需材料的物理力學(xué)參數(shù)如表4所示,建立的隧道施工三維模型如圖6所示。
4.1.1 隧道觀測點總位移對比分析
對模擬結(jié)果進行分析,得到如圖7所示施工結(jié)束時的隧道位移。可以看出,傳統(tǒng)的弧形臨時支撐在大跨度隧道施工過程中通常會使臨時支撐和拱底的位移相對較大,弧形臨時支撐不利于自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,采用豎直臨時支撐可使其自身和拱底位移顯著減小,表明采用豎直臨時支撐可更好控制變形。另外還可以看出,拱頂和左、右邊墻以及左、右拱腰處的位移變化規(guī)律一致。因此,從隧道變形角度考慮,可采用豎直臨時支撐替代傳統(tǒng)的弧形臨時支撐。
圖524步開挖順序和觀測點示意圖Fig.5Schematic Diagram of 24-step Excavation Sequence and Observation Points
表4材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 4Physical and Mechanical Parameters of Materials
圖6隧道施工三維模型Fig.63D Model of Tunnel Construction
圖7隧道最終位移對比Fig.7Comparison of Final Displacement of Tunnel
對隧道24步開挖施工過程中臨時支撐的相對總位移數(shù)據(jù)進行處理分析,結(jié)果如圖8所示。可以看出,在24步開挖過程中,從第1步開挖到第20步開挖的豎直臨時支撐變形均大于弧形臨時支撐,該現(xiàn)象是由弧形臨時支撐初始預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的,在這一段開挖過程中兩種臨時支撐產(chǎn)生的變形都小于4 mm,說明對這段施工中的支撐變形影響不大。另外可以看出,弧形和豎直臨時支撐產(chǎn)生的最大位移均處在21~24步之間,弧形臨時支撐在21~24開挖步的相對總位移變化值分別為豎直臨時支撐的2.17倍、1.38倍、1.67倍、1.58倍。進一步對比兩種臨時支撐在水平方向和豎直方向上的最大變形,結(jié)果如圖9、10所示??梢钥闯觯涸谒椒较蛏希⌒沃懈舯谂R時支撐最大變形為向右變形12.3 mm,而豎直中隔壁臨時支撐在相同點處向左變形0.6 mm;豎直方向上,豎直臨時支撐在最大變形處向上變形6.1 mm,而弧形臨時支撐在相同處向上變形8.8 mm,該現(xiàn)象表明豎直臨時支撐能夠有效地改善弧形臨時支撐結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)能力,在施工過程中更有利于控制臨時支撐的變形和后期的回收利用。
圖8臨時支撐位移對比Fig.8Comparison of Temporary Support Displacement
圖9中隔壁臨時支撐水平方向最大變形對比Fig.9Comparison of Maximum Horizontal Deformation of Temporary Support of Middle Partition
圖10中隔壁臨時支撐豎直方向最大變形對比Fig.10Comparison of Maximum Vertical Deformation of Temporary Support of Middle Partition
因此,從臨時支撐自身支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定考慮,可將傳統(tǒng)的弧形臨時支撐改為豎直形狀,其作用機理為豎直桿件受壓時比弧形桿件更穩(wěn)定,弧形桿件受力情況復(fù)雜,更容易產(chǎn)生偏壓變形。
4.1.2 隧道沉降對比分析
選取隧道最終施工時的拱頂、拱底以及左右拱腰作為觀測點,對比隧道兩種支撐方式下的沉降差異,沉降量云圖如圖11所示。
圖11隧道沉降量對比Fig.11Comparison of Tunnel Settlement
根據(jù)圖11可知,采用豎直臨時支撐的隧道在拱頂處的沉降變形更均勻,拱頂以及左、右拱腰的沉降量分別為5.8、4.9、5 mm,而弧形臨時支撐隧道的拱頂處沉降量與左、右拱腰處的沉降量差異相對較大,分別為6、2.6、4.8 mm。對比拱底處變形可知,豎直和弧形臨時支撐隧道的變形量分別為13.7、14.6 mm,豎直臨時支撐隧道的拱底隆起量更小。
因此,采用豎直臨時支撐對預(yù)防隧道頂部不均勻沉降有一定的效果,且能夠減小隧道拱底隆起。
4.1.3 隧道收斂對比分析
選取隧道最終施工時的左、右邊墻作為觀測點對比隧道兩種支撐下的收斂差異,結(jié)果如圖12所示。由圖12可知,豎直和弧形支撐情況下隧道相對收斂分別為3.7、3.8 mm,且都向隧道外側(cè)方向變形,由此可知臨時支撐的形狀對隧道相對收斂值的影響較小。
圖12隧道收斂對比Fig.12Comparison of Tunnel Convergence
4.2.1 中隔壁臨時支撐力學(xué)對比分析
對比兩種不同形狀臨時支撐在仰拱開挖時的力學(xué)特征,如圖13所示,其中應(yīng)力拉為正,壓為負。由圖13可知,弧形臨時支撐上部受拉,下部受壓,分別向兩端遞增,在端點達到最大,且最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分別為656.70、829.51 kPa,而豎直臨時支撐的應(yīng)力由頂部向底部緩慢遞增,整體受壓,且受力相對均勻,最大壓應(yīng)力為24 784.60 kPa,為弧形支撐的29.88倍。由此可知,豎直臨時支撐在施工過程中參與受力情況較好,遠大于弧形支撐參與受力情況,進一步證明豎直臨時支撐結(jié)構(gòu)在隧道施工中能夠更好地發(fā)揮支撐作用,從而減小拱底隆起。
圖13臨時支撐應(yīng)力對比Fig.13Comparison of Temporary Support Stress
4.2.2 初期支護力學(xué)對比分析
對比兩種施工方法中仰拱開挖后初支形成閉環(huán)時的力學(xué)特征,如圖14所示,其中應(yīng)力拉為正、壓為負。由圖14可知,弧形支撐隧道的初支拉應(yīng)力明顯大于豎直支撐隧道,最大拉應(yīng)力分別為7 010.06、3 071.38 kPa,而其最大壓應(yīng)力則相反,分別為27 437.50、32 118.70 kPa。通過數(shù)據(jù)分析,一方面可得出在隧道拱頂及拱底處的初支拉應(yīng)力值最大;另一方面也說明了采用豎直臨時支撐能夠有效地減小拱頂及拱底處的應(yīng)力,從而達到更好的控制變形效果。
圖14初期支護應(yīng)力對比Fig.14Comparison of Initial Support Stress
對桑園子隧道的沉降、收斂實測數(shù)據(jù)進行分析,以拱頂及左、右拱腰部位作為沉降監(jiān)測點,以左、右邊墻作為收斂變形的監(jiān)測點,選取施工段樁號ZK34+150~ZK34+202作為觀測段,斷面監(jiān)測點布置如圖15所示。
圖15斷面監(jiān)測點布置示意圖Fig.15Schematic Diagram of Cross-section Monitoring Point Layout
拱頂和左、右拱腰的沉降以及左、右邊墻的收斂如圖16、17所示。
圖17隧道水平收斂曲線Fig.17Tunnel Horizontal Convergence Curve
由圖16可知,隧道施工中各部位沉降變形由大到小依次為拱頂、左拱腰、右拱腰,最大值分別為19、12、10 mm,并且該變形在初期較大,到后期逐漸趨于穩(wěn)定。從圖17可以看出,隧道水平收斂變形可分為4個階段,分別為快速變形階段、緩慢變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段,其最大收斂值為4.87 mm。
為驗證模擬結(jié)果的可靠性,將實測結(jié)果與模擬結(jié)果進行對比分析,結(jié)果如表5所示。
表5模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比Table 5Comparison of Simulated and Measured Results
根據(jù)表5可知,實測結(jié)果大于模擬結(jié)果,主要因為實際變形數(shù)據(jù)會受到時空效應(yīng)的影響,而數(shù)值模擬施工過程為瞬時開挖、支護。此外,現(xiàn)場實測施工段和監(jiān)測時間比數(shù)值模擬的長,最終導(dǎo)致模擬位移較小。可以看出,模擬和實測的隧道沉降最終值規(guī)律一致,由大到小依次為拱頂、左拱腰、右拱腰,且都大于水平收斂值。分析結(jié)果表明,實測和模擬的隧道收斂值在同一量級上,可證明模擬結(jié)果較可靠。
(1)設(shè)計了4種裝配式臨時支撐,采用Solid Works模型軟件繪制模型圖進行方案比選,選定頂部連接和豎向支撐間的連接方式,以擋土板替代噴射混凝土進行支擋,并制作出了實體模型。
(2)大斷面隧道采用全裝配式臨時支撐,便于后期安裝及拆卸,維修時可直接對損壞構(gòu)件進行拆卸替換,可節(jié)約材料,加快施工進度,能滿足側(cè)壁導(dǎo)坑法的隧道施工要求。
(3)采用MIDAS/GTS有限元軟件對弧形臨時支撐和豎直臨時支撐進行了對比分析,結(jié)果表明隧道結(jié)構(gòu)在兩種不同支撐下的變形都符合穩(wěn)定性要求。豎直臨時支撐在施工中支撐受力作用效果遠大于弧形臨時支撐,導(dǎo)致豎直臨時支撐隧道拱底產(chǎn)生的應(yīng)力較小,從而有效控制隧道拱底的變形。豎直臨時支撐自身的最大水平位移和豎向位移小于弧形臨時支撐,表明豎直臨時支撐結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。因此,可采用豎直臨時支撐代替弧形臨時支撐。
(4)通過對比實測結(jié)果與模擬結(jié)果可知,采用弧形支撐隧道的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場施工監(jiān)控量測結(jié)果基本一致,證明了本次數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,為后續(xù)進行新型臨時支撐結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場試驗奠定了理論基礎(chǔ)。