雙連拱隧道淺埋段中隔墻穩(wěn)定性研究

楊 琴 黃培東 陳俊生

（遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)系，貴州 遵義 563000）

0 引言

雙連拱隧道線型流暢，引線占地面積少、空間利用率高，對(duì)復(fù)雜地形山嶺高速公路的線型布設(shè)、征地拆遷、總體工程投資等方面具有重要的積極意義，尤其是中短隧道優(yōu)勢(shì)更大。但是，雙連拱隧道存在的施工工序繁瑣、技術(shù)要求高、工期較長(zhǎng)等缺點(diǎn)也是不容忽視的。特別當(dāng)要考慮到出渣、施工組織等因素時(shí)，主洞開挖采用左右洞非對(duì)稱開挖，使隧道空間效應(yīng)更加明顯，使地層應(yīng)力變化與襯砌結(jié)構(gòu)的荷載轉(zhuǎn)換更趨復(fù)雜[1-2]。尤其是隧道中隔墻經(jīng)常處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，極易發(fā)生破壞；如中隔墻失穩(wěn)、錯(cuò)位、傾斜、下沉，中隔墻襯砌變形開裂，中隔墻頂部圍巖破碎、滲水等。為了保證連拱隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和隧道施工安全以及工程成本的控制和隧道后期運(yùn)營過程中襯砌的安全性，對(duì)雙連拱隧道中隔墻受力及其穩(wěn)定性進(jìn)行分析十分必要。本文依托興義北環(huán)線馬嶺峽谷隧道，對(duì)該隧道淺埋段中隔墻受力特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，從而研究其穩(wěn)定性，用以對(duì)項(xiàng)目的安全施工及支護(hù)方式設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，為同類型隧道施工提供有益參考。

1 中隔墻穩(wěn)定性分析

中隔墻內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1，如果已知圖1中N1和N2的值，考慮中隔墻拉伸（壓縮）與彎曲的組合關(guān)系，推導(dǎo)出中隔墻的軸力N和彎矩M，進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)換成軸力N和水平力H。

圖1 中隔墻內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖

混凝土和鋼筋共同工作，可以認(rèn)為兩者協(xié)調(diào)變形，即ε1混凝土=ε2鋼筋，由胡克定律，從而得到：

整理可以得到軸力N和彎矩Mz的計(jì)算公式為：

式中，N為中隔墻軸力，Mz為中隔墻彎矩；N1和N2為圖示中鋼筋應(yīng)力計(jì)的軸力；E s和E為鋼筋應(yīng)力計(jì)和混凝土的彈性模量，A s和A為鋼筋應(yīng)力計(jì)和中隔墻計(jì)算面積，A=b·d，d為鋼筋計(jì)直徑，b為兩鋼筋計(jì)水平間距，I z是中隔墻計(jì)算慣性矩，為然后將彎矩轉(zhuǎn)換成水平力，即：

為了計(jì)算方便，計(jì)算出隧道軸線方向尺寸為1m所受的軸力N和水平力H，其中軸力向下為正，水平力向左為正，根據(jù)軸力和水平力計(jì)算中隔墻的穩(wěn)定性系數(shù)K。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

興義北環(huán)線馬嶺峽谷隧道（見圖2）為雙向六車道連拱中隧道，隧道起訖樁號(hào)為K10+040～K10+815，全長(zhǎng)775m，隧道頂板最大埋深約106m，隧道平面線形依次為R=500m、R=∞，隧道縱坡為下坡，縱坡為-2.657%。隧道進(jìn)口端采用削竹式洞門，出口端采用整體式端墻洞門[3-4]。

圖2 隧道平面位置圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了解淺埋段中隔墻受力轉(zhuǎn)換規(guī)律及施工過程中的安全狀態(tài)，在淺埋段選取一個(gè)斷面安裝鋼筋應(yīng)力計(jì)（見圖3）、壓力盒、位移觀測(cè)點(diǎn)等測(cè)試傳感器[5]。經(jīng)過公式計(jì)算，四級(jí)圍巖深淺埋臨界深度為18.1m，五級(jí)圍巖深淺埋臨界深度為36.2m，最終選擇K10+125進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。其傳感器布置情況及編號(hào)如圖4所示，本文主要利用GJY2和GJY5進(jìn)行中隔墻穩(wěn)定性分析[6-7]。

圖3 鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝

圖4 中隔墻監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2.3 穩(wěn)定性分析

利用在K10+125斷面中隔墻鋼筋軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置安裝的鋼筋應(yīng)力計(jì)[8-10]，測(cè)量計(jì)算出GJY2和GJY5測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鋼筋軸力，得到對(duì)應(yīng)的軸力時(shí)程曲線（見圖5），根據(jù)第一節(jié)的推導(dǎo)可以計(jì)算出該斷面所受的豎向力和水平力，繪制出對(duì)應(yīng)的時(shí)程曲線見圖6、7所示。橫坐標(biāo)表示測(cè)量時(shí)間，當(dāng)t=0d時(shí)，代表測(cè)量時(shí)間為10月5日，當(dāng)t=1d時(shí)表示測(cè)量時(shí)間為10月6日……以此類推。

圖5 中隔墻主筋GJY2與GJY5軸力時(shí)程曲線

圖6 中隔墻軸力N時(shí)程曲線

圖7 中隔墻水平力H時(shí)程曲線

由圖6、7可知，中隔墻澆筑、先行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階開挖與初支、后行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階與下臺(tái)階開挖與初支對(duì)中隔墻的受力有比較大的影響，水平偏壓主要發(fā)生在先行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階開挖與初支階段，后行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階與下臺(tái)階開挖與初支這一態(tài)勢(shì)有所緩解，但無法消除，其結(jié)論與文獻(xiàn)中鋼筋計(jì)軸力分析結(jié)論一致[11-12]。

利用第一節(jié)的推導(dǎo)，進(jìn)一步計(jì)算出穩(wěn)定性系數(shù)K，繪制其時(shí)程曲線，見圖8。

圖8 中隔墻穩(wěn)定系數(shù)K時(shí)程曲線

從圖8中可知，通過穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算[13]，得到其最小系數(shù)發(fā)生在2021年11月17日，其穩(wěn)定性系數(shù)為8.70，而《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）中關(guān)于擋墻抗傾覆有明確要求，只有當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)大于1.6才能保證擋墻不發(fā)生傾覆，本斷面中隔墻在主洞開挖支護(hù)的所有時(shí)間所測(cè)得的穩(wěn)定性系數(shù)均滿足該要求，說明中隔墻在施工過程中穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求[14]。

3 結(jié)束語

本文通過中隔墻左右兩側(cè)主筋軸力推導(dǎo)出其豎向力和水平力的計(jì)算公式，進(jìn)而計(jì)算中隔墻的穩(wěn)定性系數(shù)，將其運(yùn)用到馬嶺峽谷隧道一個(gè)淺埋段中隔墻進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到以下結(jié)論：

（1）中隔墻澆筑、先行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階開挖與初支、后行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階與下臺(tái)階開挖與初支對(duì)中隔墻軸力N及水平力H有比較大的影響。

（2）該斷面最小穩(wěn)定性系數(shù)發(fā)生在2021年11月17日，最小系數(shù)為8.70，大于1.6；說明中隔墻在主洞開挖支護(hù)的所有時(shí)間所測(cè)得的穩(wěn)定性系數(shù)均滿足該要求，中隔墻在施工過程中穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。本文采用的穩(wěn)定性分析方法可以為同類工程提供有益借鑒。