分部開挖法施工隧道中隔壁優(yōu)化研究

張 偉, 喬 雄, 駱維斌, 王延文, 田過勤, 倪偉淋, 劉文高

(1. 公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)材料及裝配交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心, 甘肅 蘭州 730030; 2. 甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司, 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)

近年來，隨著公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，大跨度隧道的應(yīng)用日益廣泛.修建大跨度隧道時(shí)，其變形控制尤為重要，影響圍巖變形的因素有圍巖等級、施工工法、隧道斷面尺寸等，其中斷面尺寸對隧道施工安全影響最大.因此，大跨度隧道施工時(shí)，一般都采用分部開挖法，將隧道斷面劃分為幾個(gè)斷面，再對每個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行開挖支護(hù)，以保證施工中隧道圍巖的穩(wěn)定性，因而形成了不同的施工工法：單側(cè)壁、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，中隔壁法(CD)，交叉中隔壁法(CRD)，三臺階七步法等.分部開挖法中，臨時(shí)支撐的施工是關(guān)鍵工序，因此也是研究重點(diǎn).針對大跨度隧道中隔壁臨時(shí)支撐技術(shù)，目前研究的主要內(nèi)容集中在施工方法方面，趙鵬社等[1-3]對大跨度隧道交叉中隔壁法(CRD)施工的中隔壁臨時(shí)支撐進(jìn)行研究，指出傳統(tǒng)中隔壁施工存在工序瑣碎、施工效率慢、中隔壁拆除過程困難以及作業(yè)空間狹小等問題，并對中隔壁臨時(shí)支撐做了優(yōu)化研究，經(jīng)優(yōu)化后的施工方法作業(yè)空間更大，便于配合大型器械施工，有效地提高了施工效率，加快了現(xiàn)場施工進(jìn)度.Yun等[4-7]對大跨度隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的中隔壁臨時(shí)支撐進(jìn)行了研究，同樣指出傳統(tǒng)弧形中隔壁具有施工效率慢，安、拆中隔壁耗時(shí)多，作業(yè)空間狹小，材料消耗較大的問題.針對上述問題，陳林杰等[8]提出減小中隔壁臨時(shí)支撐的弧度和體積，以此增大作業(yè)面積的方法.朱丹暉等[9]提出采用錨桿代替部分支護(hù)結(jié)構(gòu)，以此減少臨時(shí)支撐的數(shù)量.尚友磊等[10]提出采用預(yù)留核心土法代替上導(dǎo)坑開挖，進(jìn)而減少雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖導(dǎo)坑的數(shù)量，以此降低中隔壁支撐材料的消耗.

由于單側(cè)壁導(dǎo)坑法相比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法具有造價(jià)和施工進(jìn)度方面的優(yōu)勢[11]，其成為大跨度隧道常用的方法之一.單側(cè)壁導(dǎo)坑法中，臨時(shí)支撐多以弧形為主，為保證與初期支護(hù)直接的連接，對前期加工精度要求較高.若能在保證施工安全的情況下，將其改為豎直型支撐，則不僅能使隧道施工進(jìn)度效率更高，工程造價(jià)更低，還能增大作業(yè)空間，便于施工機(jī)械的應(yīng)用.但目前關(guān)于此方面的研究較少.

為此，以G312線清水驛至傅家窯公路隧道為依托，采用數(shù)值模擬方法對弧形與豎直臨時(shí)支撐在施工過程中的位移變形和受力特征進(jìn)行研究，一方面能指導(dǎo)依托工程的施工，另一方面可為今后類似工程提供借鑒，并為后期開展直壁式臨時(shí)支撐的現(xiàn)場試驗(yàn)奠定基礎(chǔ).

1 工程概況

圖1 隧道支護(hù)設(shè)計(jì)(cm)Fig.1 Design of tunnel support(cm)

2 單側(cè)壁施工方法對比

隧道采用傳統(tǒng)單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，如圖2所示.采用弧形中隔壁劃分的施工斷面作業(yè)空間小，不易機(jī)械作業(yè)，導(dǎo)致施工效率低，材料損耗較大.

圖2 現(xiàn)場施工方法Fig.2 On-site construction method

針對上述弧形中隔壁的單側(cè)壁導(dǎo)坑法存在加工困難、施工速度慢等問題，采用豎直臨時(shí)支撐代替弧形臨時(shí)支撐，優(yōu)化前后的隧道開挖工序如圖3所示.

圖3 開挖工序Fig.3 Excavation process

3 隧道施工過程有限元模擬

3.1 計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)

假設(shè)隧道圍巖為理想彈塑性，采用摩爾庫倫模型[12]模擬圍巖，支護(hù)結(jié)構(gòu)選用彈性本構(gòu)模型[13]，初期支護(hù)采用C25混凝土軟噴加I22b型鋼的方式支護(hù)，隧道二次襯砌不做考慮，錨桿采用直徑22 mm的三級鋼筋.另外，對采用I18和I22b型鋼作為臨時(shí)支撐材料的兩個(gè)工況進(jìn)行模擬對比，以考察材料型號對應(yīng)力的影響.經(jīng)查閱文獻(xiàn)[14-17]可得各種材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所列.

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and supporting structures

混凝土中鋼筋不再單獨(dú)模擬，利用等剛度法換算為混凝土的綜合彈性模量進(jìn)行計(jì)算.計(jì)算公式[18]如下式所示.

E=E0+(Sg×Eg)/Sc

(1)

式中：E為計(jì)算后混凝土彈性模量，MPa；E0為原混凝土的彈性模量，MPa；Sg鋼拱架截面積，m2；Eg為鋼材彈性模量，MPa；Sc為混凝土截面積，m2.

3.2 數(shù)值模型建立步驟

為了對比弧形單側(cè)壁導(dǎo)坑法和豎直單側(cè)壁導(dǎo)坑法位移變形、受力特征及不同鋼架型號中隔壁的影響，采用MIDAS GTS有限元軟件進(jìn)行模擬分析.選取清水驛至傅家窯公路上的桑園子隧道，對其施工過程中的4次連續(xù)開挖段進(jìn)行研究，設(shè)定每次開挖進(jìn)尺為1.5 m，總開挖進(jìn)尺為6 m.根據(jù)圣維南原理，隧道工程施工對圍巖影響范圍約為3～5倍隧道最大跨徑[19]，因此，豎向總高度取為125 m，隧道兩邊各取66 m，上部邊界取至地表面.分別建立弧形與豎直中隔壁的數(shù)值模型如圖4所示.

圖4 弧形單側(cè)壁導(dǎo)坑法模型和I22b豎直單側(cè)壁導(dǎo)坑法模型Fig.4 Arc-shaped single sidewall pilot pit method and vertical single sidewall pilot pit method

將弧形和豎直中隔壁單側(cè)壁導(dǎo)坑法的施工過程設(shè)為相同的施工步，將施工過程劃分為49個(gè)施工步進(jìn)行數(shù)值模擬，如表2所示.

表2 施工步驟Tab.2 Construction steps

建立的模型除中隔壁支撐不同外，其它施工方法均相同，因此對比時(shí)可忽略支撐構(gòu)件之間連接的影響.

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 隧道施工不同中隔壁的影響

分析隧道施工中兩種不同結(jié)構(gòu)中隔壁對整個(gè)施工的影響，以此驗(yàn)證豎直中隔壁在工程中的安全可靠性.隧道施工中圍巖位移變化情況往往最能直接反應(yīng)施工質(zhì)量，并且位移最容易監(jiān)測，但是在施工過程中，往往會受到現(xiàn)場環(huán)境的影響，導(dǎo)致不能完整地監(jiān)測到施工階段的圍巖位移變化情況.而通過有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，則可觀測到完整的數(shù)據(jù)，得到圍巖在各個(gè)施工階段的受力位移情況，故后續(xù)主要針對位移進(jìn)行分析.

4.1.1不同中隔壁對圍巖位移的影響

通過對比弧形中隔壁和豎直中隔壁隧道七個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)(拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻、中隔壁和拱底)的位移進(jìn)行分析，選取的7個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)如圖5所示.

圖5 對比分析的七個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)Fig.5 Seven key points for comparative analysis

在表2所列的49個(gè)施工步驟中，兩種不同結(jié)構(gòu)中隔壁隧道的7個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位移如圖6所示，隧道最終位移云圖如圖7所示.

由圖6和圖7可以看出，拱腰及拱頂以上區(qū)域?yàn)槌两祬^(qū)，拱腳及拱底以下區(qū)域?yàn)槁∑饏^(qū).采用弧形中隔壁施工時(shí)沉降區(qū)在拱頂處達(dá)到最大值，為6.1 mm，隆起區(qū)在拱底處達(dá)到最大，其值為13.2 mm；而采用豎直中隔壁施工時(shí)拱頂處的最大沉降量為5.8 mm，拱底最大隆起值為11.8 mm.由左右邊墻位移圖可以看出，兩種工況下的隧道水平相對位移最大值分別為2.7 mm和2.4 mm.表明在隧道施工過程中豎直支撐的圍巖位移略小于弧形支撐，豎直支撐對于控制圍巖變形更具優(yōu)越性.

圖6 七個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位移Fig.6 Displacement of seven key points

圖7 隧道最終位移云圖(m)Fig.7 The final displacement cloud map of the tunnel(m)

經(jīng)比較中隔壁位移情況可得：弧形中隔壁位移變化速度相對較快，最大值為12.9 mm；豎直中隔壁變化相對平穩(wěn)，最大值為5.9 mm，位移最大值減少了54%.從材料穩(wěn)定性的角度來講，變形太快不利于材料的自身穩(wěn)定，故選用豎直中隔壁的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力更為合理.

4.1.2不同中隔壁對支撐構(gòu)件的影響

為了進(jìn)一步了解弧形和豎直單側(cè)壁導(dǎo)坑法的異同，對兩種工法下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征進(jìn)行分析，應(yīng)力云圖如圖8～9所示.

圖8 初支結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力云圖(kN/m2)Fig.8 Maximum stress cloud map of primary support structure(kN/m2)

圖9 中隔壁最大應(yīng)力云圖(kN/m2)Fig.9 The maximum stress cloud map of the middle partition (kN/m2)

初期支護(hù)的應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在第49施工步，在拆除中隔壁支撐之后達(dá)到最大.兩種支撐下初支結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大應(yīng)力分別為29.87 MPa和30.45 MPa.由此可知，施工中豎直中隔壁的初支結(jié)構(gòu)受力最大值與弧形中隔壁的相近，且都在安全范圍內(nèi).表明施工中兩種不同形狀的中隔壁對初支結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值影響很小，豎直支撐可代替弧形支撐.

中隔壁應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在第12施工步，第一斷面開挖完時(shí)受力達(dá)到最大，弧形中隔壁在施工中產(chǎn)生的壓應(yīng)力隨著拱頂向拱底方向逐漸增大，并在拱底達(dá)到了最大，此時(shí)壓應(yīng)力為1.46 MPa.豎直中隔壁產(chǎn)生的壓應(yīng)力在整個(gè)中隔壁支撐結(jié)構(gòu)上均勻分布，最大壓應(yīng)力值為51.37 MPa.表明相同材料下，弧形中隔壁在整個(gè)施工中產(chǎn)生的壓應(yīng)力比豎直中隔壁的小97.16%.可知，豎直比弧形中隔壁產(chǎn)生的壓應(yīng)力更大，反而在整個(gè)施工過程中產(chǎn)生的位移較平穩(wěn).該現(xiàn)象表明，在工程中豎直中隔壁有更好的自穩(wěn)能力.

4.2 隧道施工中不同中隔壁型號的影響

從臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的受力來看，在施工中豎直支撐明顯比弧形支撐參與更多受力，為了確保臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，基于不同型號材料作為臨時(shí)支撐對隧道施工的影響進(jìn)行研究，在相同施工背景下，選取I18和I22b兩種不同的型鋼進(jìn)行模擬，對比兩隧道各個(gè)關(guān)鍵部位的變形情況及支護(hù)構(gòu)件的受力特征.

4.2.1不同中隔壁型號對圍巖位移的影響

選取如圖5b所示的七個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位移進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果如圖10所示，圖中A表示中隔壁采用I18型鋼，B表示中隔壁采用I22b型鋼，采用I22b型鋼后隧道的最終位移云圖如圖11所示.

圖10 兩種型號中隔壁隧道七個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位移Fig.10 Displacement of seven key points of the two tunnel models

圖11 I22b中隔壁隧道最終位移云圖(m)Fig.11 The final displacement cloud map of the tunnel(m)

通過選取I18、I22b型鋼來模擬不同型號中隔壁的穩(wěn)定情況，結(jié)果表明不同型號中隔壁對隧道收斂和隆起的影響很小.選用I22b型鋼材料產(chǎn)生的沉降略小于I18材料的沉降；采用I18中隔壁拱頂及左、右拱腰最大沉降分別為5.8、5.5、5.5 mm.采用I22b中隔壁拱頂及左、右拱腰最大沉降分別為5.7、5.4、5.5 mm.表明中隔壁采用不同型號的型鋼對隧道變形影響較小，實(shí)際工程中常采用I18的做法是合理的.

4.2.2不同型號中隔壁對支撐構(gòu)件的影響

為了解兩種型號中隔壁(I18和I22b)對初期支護(hù)構(gòu)件影響，將施工中兩種中隔壁下隧道初支構(gòu)件的最大應(yīng)力圖進(jìn)行比較，如圖12～13所示.

圖12 隧道初支結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力云圖(kN/m2)Fig.12 The maximum stress cloud map of the primary support structure of the tunnel(kN/m2)

由圖12可知，兩種不同中隔壁材料施工下，應(yīng)力集中都主要表現(xiàn)在拱頂、左右拱腳和拱底三個(gè)部位，且均在第49步施工步時(shí)達(dá)到最大值，I18和I22b型鋼中隔壁的隧道初支產(chǎn)生最大應(yīng)力分別為30.45 MPa和30.47 MPa.表明不同型號的中隔壁對隧道初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值影響較小.

由圖13可知，兩種不同型號的豎直中隔壁均在第12施工步時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大，且在整個(gè)支撐上應(yīng)力均勻，I18型鋼中隔壁支撐產(chǎn)生最大應(yīng)力為51.37 MPa；而122b型鋼中隔壁支撐產(chǎn)生的最大應(yīng)力為39.51 MPa.由此可知，相同材料和工況下，采用I22b比采用I18型鋼中隔壁支撐產(chǎn)生的最大應(yīng)力減小了23.09%，表明在相同工況下，增大中隔壁支撐型號可有效降低自身產(chǎn)生的最大應(yīng)力值.

圖13 中隔壁支撐最大應(yīng)力云圖(kN/m2)Fig.13 The maximum stress cloud map of the middle partition support(kN/m2)

5 現(xiàn)場監(jiān)測與模擬數(shù)據(jù)對比分析

選取桑園子隧道弧形中隔壁單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工段(YK34+195～YK34+225)的拱頂，左、右拱腰及左右邊墻進(jìn)行監(jiān)測，得到了各關(guān)鍵位置的位移數(shù)據(jù)，將其數(shù)據(jù)與弧形中隔壁數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性.

5.1 現(xiàn)場監(jiān)測布置

側(cè)壁導(dǎo)坑法施工將隧道分為左上導(dǎo)洞和右上導(dǎo)洞，采用全站儀和收斂計(jì)，分別對其拱頂，左、右拱腰和左、右邊墻位置進(jìn)行變形監(jiān)測，共計(jì)8個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖14所示，最終選取1、2、3、7、8號點(diǎn)進(jìn)行分析.

圖14 隧道施工斷面觀測點(diǎn)示意圖Fig.14 Schematic diagram of observation points of tunnel construction section

5.2 監(jiān)測結(jié)果分析

現(xiàn)場監(jiān)測的沉降及水平收斂結(jié)果如圖15～16所示.

圖15 隧道施工沉降曲線Fig.15 Settlement curve of tunnel construction

由圖15可知，桑園子隧道受開挖影響，拱頂及左、右拱腰沉降在0～21 d內(nèi)緩慢持續(xù)增大.可將其劃分為三個(gè)階段，分別為前4 d內(nèi)的快速沉降階段，5～12 d內(nèi)的持續(xù)沉降階段和13～21 d的緩慢沉降階段，其最大沉降值分別為22 mm、18 mm、15 mm，而最大沉降速率分別為4 mm/d、3 mm/d、3 mm/d，均在安全可控范圍內(nèi).

由圖16可知，受開挖影響，隧道左、右邊墻收斂在0～21 d內(nèi)持續(xù)增加，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)大致劃分為四個(gè)階段，分別為快速增長階段、平緩增長階段、快速增長階段、平緩增長階段，其最大值為2.93 mm，而最大收斂速率為0.39 mm/d，均在安全可控范圍內(nèi).

圖16 隧道施工水平收斂曲線Fig.16 Horizontal convergence curve of tunnel construction

5.3 監(jiān)測結(jié)果對比

將現(xiàn)場監(jiān)測段(YK34+195～YK34+225)與模擬開挖6 m隧道的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表3所示.

表3 監(jiān)測結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)對比Tab.3 Comparison of monitoring results and simulation data

由表3可知，現(xiàn)場實(shí)測值大于模擬值，主要由于現(xiàn)場施工存在時(shí)空效應(yīng)的影響，其段落與監(jiān)測時(shí)間較長；而數(shù)值模擬施工為瞬時(shí)開挖與支護(hù)，且模擬的段落較短，故位移較小.但水平收斂處于同一數(shù)量級.從整體規(guī)律上可以看出拱頂?shù)某两?左拱腰沉降>右拱腰沉降，且整體沉降值大于水平收斂值，實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果規(guī)律一致，表明數(shù)值模擬的結(jié)果較可靠.

6 結(jié)論

本文以在建G312線清水驛至傅家窯公路上的桑園子隧道為依托，通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測的方法對弧形和豎直中隔壁單側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行了對比分析，并考慮了采用不同型號鋼架的中隔壁支撐對隧道位移和受力的影響，得到如下結(jié)論：

1) 將中隔壁由弧形改為豎直，不僅改善了作業(yè)空間，使機(jī)械進(jìn)場更為方便，還有效提高了工程施工效率，并且在安裝、拆卸和降低工程造價(jià)等方面更有優(yōu)勢.

2) 單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程中，豎直與弧形中隔壁相比，受力作用效果提高了97.16%，減小了拱頂?shù)某两岛凸暗椎穆∑?，并且豎直中隔壁結(jié)構(gòu)比弧形更加穩(wěn)定，最大位移可降低54%.

3) 采用豎直中隔壁時(shí)，兩種不同型號鋼架的中隔壁對隧道的位移和支撐構(gòu)件受力結(jié)果表明，型鋼采用I22b相比采用I18的中隔壁，受力最大值可有效降低23.09%.

4) 通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比分析，得到其整體變形規(guī)律一致，符合大斷面隧道變形規(guī)律，表明本文分析結(jié)果具有較高的可靠性，采用豎直中隔壁替代弧形具有可行性.