淺埋連拱隧道中隔墻地基受力變形及注漿加固研究

田魯魯 張 智 郭永發(fā)

（1.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司，云南昆明 650501；2.中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，云南昆明 650200）

0 引言

我國(guó)公路建設(shè)快速發(fā)展，為更好地滿(mǎn)足線(xiàn)形、環(huán)保及功能等需要，公路建設(shè)中連拱隧道建設(shè)方案的應(yīng)用越來(lái)越多。連拱隧道由于開(kāi)挖跨度大，結(jié)構(gòu)型式和施工工法復(fù)雜，隧道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)隨施工工序變化頻繁，且對(duì)周?chē)貙佣啻螖_動(dòng)，其穩(wěn)定性直接影響到連拱隧道整體穩(wěn)定性。李武等[1]對(duì)云南省境內(nèi)十幾座高速公路連拱隧道病害調(diào)查顯示，裂縫病害主要出現(xiàn)在隧道中墻位置，隧道滲漏水也多出現(xiàn)在這些裂縫處，洞口裂縫密度是洞身的兩倍多。中墻作為連拱隧道受力的核心構(gòu)件，需要承受拉、壓、彎、剪、扭作用，這對(duì)連拱隧道中墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提出了很高要求。

中墻是目前連拱隧道研究的熱點(diǎn)，但是對(duì)中墻地基的研究較少。國(guó)內(nèi)學(xué)者采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)模型試驗(yàn)等方法對(duì)連拱隧道中墻基底受力、變形特征進(jìn)行了研究。蒲治戎[2]結(jié)合貴陽(yáng)遵義中路大斷面連拱隧道，運(yùn)用ANSYS 有限元程序分析了在Ⅳ級(jí)圍巖條件下中隔墻隨施工過(guò)程的基底受力、變形特性；高登和林孔斌[3]采用荷載-結(jié)構(gòu)法對(duì)擴(kuò)建連拱隧道中墻受力進(jìn)行了分析，提出中墻底部應(yīng)力較大時(shí)應(yīng)進(jìn)行注漿加固處理以滿(mǎn)足地基承載力要求；邱軍領(lǐng)等[4]、楊果林等[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析了連拱隧道中墻底部壓力發(fā)展和壓力分布；袁樹(shù)成[6]采用模型試驗(yàn)對(duì)某極淺埋連拱隧道中隔墻在中導(dǎo)洞-CRD 法施工過(guò)程中受力特征進(jìn)行了模擬，得到了中隔墻底部接觸壓力變化規(guī)律，并提出了加強(qiáng)中隔墻穩(wěn)定性措施。雖然連拱隧道中墻地基已有相關(guān)研究，但針對(duì)各種不同埋深、地質(zhì)條件下連拱隧道中墻地基的系統(tǒng)性研究還有不足，缺少中墻地基受力、變形的普遍性規(guī)律，也沒(méi)有簡(jiǎn)單實(shí)用的加固前后地基承載力計(jì)算方法。

連拱隧道中墻地基的研究成果較少，地勘資料也不能為設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的計(jì)算參數(shù)，目前主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行中墻地基加固設(shè)計(jì)，急需全面掌握連拱隧道中墻地基受力變形規(guī)律，并為設(shè)計(jì)提供簡(jiǎn)單實(shí)用的中隔墻地基承載力要求和計(jì)算方法。為此，依托云南省某擬建高速公路，重點(diǎn)研究在不同埋深、地質(zhì)條件下淺埋連拱隧道中隔墻地基的力學(xué)行為和變形特征，得出較全面的中隔墻地基受力和變形規(guī)律，提出相應(yīng)的地基承載力要求和加固前后地基承載力計(jì)算方法。

1 工程背景

云南省某擬建雙向四車(chē)道高速公路連拱隧道設(shè)計(jì)時(shí)速標(biāo)準(zhǔn)為80 km/h，中墻采用復(fù)合式中墻，中隔墻地基采用?42 小導(dǎo)管注漿加固，間距為80 cm×80 cm。內(nèi)輪廓為半徑5.5 m 的單心圓，襯砌支護(hù)參數(shù)主要以工程類(lèi)比法擬定。

Ⅳ級(jí)圍巖淺埋段和Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段連拱隧道初期支護(hù)和二次襯砌參數(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

連拱隧道用于Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段襯砌斷面見(jiàn)圖1。

圖1 連拱隧道Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段襯砌斷面圖（單位：cm）

2 中隔墻地基受力分析

2.1 計(jì)算模型

運(yùn)用MIDAS/GTS 有限元分析軟件建立二維模型進(jìn)行連拱隧道施工過(guò)程模擬分析?？紤]邊界效應(yīng)和計(jì)算時(shí)效性，計(jì)算模型向上取至地面，左右兩側(cè)及底部地層范圍取2.5 倍隧道寬度。模型邊界條件為左右兩側(cè)橫向位移約束，上部為自由面，底部為固定約束。計(jì)算模型見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 計(jì)算模型（拱頂30 m 埋深工況）

圖3 計(jì)算模型局部放大圖

2.2 基本假定及計(jì)算參數(shù)

（1）地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬

地層采用遵循Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則的平面實(shí)體單元進(jìn)行模擬，二次襯砌和中隔墻采用理想彈性本構(gòu)的平面實(shí)體單元進(jìn)行模擬，初期支護(hù)采用線(xiàn)彈性本構(gòu)的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，錨桿采用線(xiàn)彈性本構(gòu)的植入式桁架單元模擬。

（2）地層參數(shù)選取

各級(jí)圍巖地層分別賦予不同的重度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角及黏聚力等參數(shù)，為方便指導(dǎo)設(shè)計(jì)及研究規(guī)律普遍適用性，Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖分別取現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》[7]表A.0.7-1 中各級(jí)巖質(zhì)圍巖物理力學(xué)參數(shù)。各級(jí)巖質(zhì)圍巖地層計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各級(jí)巖質(zhì)圍巖地層計(jì)算參數(shù)

2.3 施工過(guò)程的模擬方法

使用單元的激活和鈍化功能來(lái)模擬隧道土體開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)支護(hù)，地層的初始應(yīng)力由自重引起，開(kāi)挖過(guò)程中地應(yīng)力逐步釋放以模擬圍巖時(shí)空效應(yīng)?？紤]中隔墻在中導(dǎo)洞全部貫通后才施作，此時(shí)中導(dǎo)洞開(kāi)挖引起的地層主要變形已完成，因此，在數(shù)值模擬過(guò)程中對(duì)中隔墻澆筑前地層位移清零處理。中導(dǎo)洞—上下臺(tái)階預(yù)留核心土法施工工序如圖4 所示。

圖4 中導(dǎo)洞—上下臺(tái)階預(yù)留核心土法施工工序

通過(guò)以下步驟模擬采用中導(dǎo)洞—上下臺(tái)階預(yù)留核心土法施工連拱隧道的過(guò)程：①中導(dǎo)洞土體開(kāi)挖；②中導(dǎo)洞初期支護(hù)；③中隔墻澆筑；④左洞上臺(tái)階土體開(kāi)挖；⑤左洞上臺(tái)階初期支護(hù)及拆除中導(dǎo)洞左側(cè)拱腰初期支護(hù)；⑥左洞核心土及下臺(tái)階土體開(kāi)挖，拆除中導(dǎo)洞左側(cè)邊墻初期支護(hù)；⑦左洞下臺(tái)階初期支護(hù)；⑧左洞二次襯砌澆筑；⑨右洞上臺(tái)階土體開(kāi)挖；⑩右洞上臺(tái)階初期支護(hù)及拆除中導(dǎo)洞右側(cè)拱腰初期支護(hù)；?右洞核心土及下臺(tái)階土體開(kāi)挖，拆除中導(dǎo)洞右側(cè)邊墻初期支護(hù)；?右洞下臺(tái)階初期支護(hù)；?右洞二次襯砌澆筑。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

選取表2 中Ⅳ級(jí)圍巖、Ⅴ級(jí)圍巖地層參數(shù)高、中、低值共六種不同地質(zhì)條件，在10 m、20 m、30 m、40 m和50 m 隧道拱頂埋深工況下進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

（1）中隔墻基底壓力分析

選取兩種代表性工況——30 m 埋深條件下Ⅳ級(jí)圍巖地層參數(shù)中值工況和30 m 埋深條件下Ⅴ級(jí)圍巖地層參數(shù)中值工況，進(jìn)行中隔墻基底壓力分析。中隔墻基底壓力與中隔墻所受地基反力相等，通過(guò)調(diào)取連拱隧道中隔墻基底巖體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，可以得到各工序中中隔墻基底壓力分布情況（見(jiàn)圖5）。

圖5 中隔墻基底壓力分布（單位：MPa）

從圖5 可以看出，30 m 埋深Ⅴ級(jí)圍巖地層參數(shù)中值工況：工序③中隔墻澆筑后，基底壓力為“馬鞍形”分布，隨著左洞開(kāi)挖，中隔墻開(kāi)始承受上部地層荷載，基底壓力逐漸增大，并由對(duì)稱(chēng)“馬鞍形”分布逐漸變?yōu)橛覀?cè)大左側(cè)小的偏壓“馬鞍形”分布，基底最大壓力值為2.119 MPa，出現(xiàn)在工序?右洞二襯澆筑后中隔墻基底右側(cè)墻趾處。中隔墻基底壓力分布特征與文獻(xiàn)[5]實(shí)測(cè)中墻基底壓力分布一致。30 m 埋深Ⅳ級(jí)圍巖地層參數(shù)中值工況：工序③中隔墻澆筑后，基底壓力為“馬鞍形”分布，隨著左洞開(kāi)挖，中隔墻開(kāi)始承受上部地層荷載，基底接觸壓力逐漸增大，中隔墻基底壓力重新分布，基底左側(cè)壓力逐漸向基底中間轉(zhuǎn)移，由對(duì)稱(chēng)“馬鞍形”分布逐漸變?yōu)樽髠?cè)“鐘形”分布右側(cè)“馬鞍形”分布，最終變?yōu)橥暾摹扮娦巍狈植肌；鬃畲髩毫χ禐?.748 MPa，出現(xiàn)在工序⑧左洞二襯澆筑后中隔墻基底右側(cè)墻趾處。

經(jīng)對(duì)30 種工況計(jì)算結(jié)果比較分析（限于篇幅，其他工況不逐一展示），圍巖較好、埋深較小工況中隔墻基底壓力分布及發(fā)展同30 m 埋深Ⅳ級(jí)圍巖地層參數(shù)中值工況，基底壓力分布隨施工過(guò)程由“馬鞍形”分布逐漸變?yōu)椤扮娦巍狈植?，最大基底壓力出現(xiàn)在先行洞襯砌澆筑時(shí)右側(cè)墻趾處；在圍巖較差或埋深較大時(shí)中隔墻基底壓力分布呈“馬鞍形”分布，最大基底壓力出現(xiàn)在后行洞二襯澆筑時(shí)基底中間偏右處。對(duì)不同地層、埋深條件下中隔墻基底最大壓力值和發(fā)生時(shí)的施工工序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3 所示。

表3 各工況連拱隧道中隔墻基底最大壓力值

從表3 可以看出，當(dāng)圍巖較好、埋深較小時(shí)，基底最大壓力出現(xiàn)在工序⑧，而其他工況下基底最大壓力出現(xiàn)在工序?，下面進(jìn)行簡(jiǎn)要機(jī)理分析。在圍巖較差工況時(shí)地基相對(duì)剛度小，中隔墻基礎(chǔ)表現(xiàn)為剛性基礎(chǔ)的地基反力分布特征，基底最大壓力出現(xiàn)在基底兩側(cè)邊緣，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中基礎(chǔ)兩側(cè)邊緣基底塑性區(qū)持續(xù)發(fā)展，基底邊緣最大應(yīng)力也隨著隧道開(kāi)挖持續(xù)增大，最終在工序?產(chǎn)生基底最大壓力。在圍巖較好、埋深較小工況時(shí)地基相對(duì)剛度大，中隔墻基礎(chǔ)表現(xiàn)出一定的柔性基礎(chǔ)特性，在隧道開(kāi)始開(kāi)挖時(shí)所受荷載較小，基底最大壓力出現(xiàn)在基礎(chǔ)兩側(cè)，在不對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖偏心荷載疊加作用下，在工序⑧偏心荷載最不利時(shí)基礎(chǔ)邊緣產(chǎn)生最大基底壓力，并隨著右洞開(kāi)挖荷載偏心距減小及地應(yīng)力重分布，基底壓力從集中于基礎(chǔ)邊緣逐漸向中部均勻分布發(fā)展，工序?基底最大壓力未超過(guò)工序⑧。而在圍巖較好、埋深較大工況時(shí)，較大埋深對(duì)中隔墻基底地基承載力有一定提高，限制了基底兩側(cè)的塑性變形，基底壓力分布發(fā)展表現(xiàn)出與圍巖較差工況相似的特征。

（2）中隔墻地基豎向變形分析

同樣選取兩種代表性工況——30 m 埋深條件下Ⅳ級(jí)圍巖地層參數(shù)中值工況和30 m 埋深條件下Ⅴ級(jí)圍巖地層參數(shù)中值工況，進(jìn)行中隔墻地基豎向變形分析，通過(guò)調(diào)取中隔墻基底地層豎向變形計(jì)算結(jié)果，可以得到施工過(guò)程中中隔墻地基豎向變形分布情況，如圖6 所示。

圖6 中隔墻基底地基豎向變形分布(單位：mm)

從圖6 可以看出，兩種工況下地基豎向變形發(fā)展在形態(tài)上基本一致。左洞開(kāi)挖引起中隔墻基礎(chǔ)左側(cè)墻趾上翹右側(cè)墻趾下沉，中隔墻基礎(chǔ)向右偏轉(zhuǎn)，隨著右洞開(kāi)挖，中隔墻基礎(chǔ)偏轉(zhuǎn)得到糾正，在右洞施工結(jié)束后，中隔墻基礎(chǔ)稍微右偏，中隔墻在施工工程中一直呈現(xiàn)向右偏壓狀態(tài)。30 m 埋深Ⅴ級(jí)圍巖地層參數(shù)中值工況中隔墻基礎(chǔ)在施工工程中總體上處于沉降變形狀態(tài)，基底地基最大沉降變形值為2.53 mm，出現(xiàn)在工序?右洞二襯澆筑后中隔墻基底中間偏右處，該工況基底地基豎向變形特征及發(fā)展與文獻(xiàn)[4]數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致；30 m 埋深Ⅳ級(jí)圍巖地層參數(shù)中值工況中隔墻基礎(chǔ)在施工工程中總體上處于隆起變形狀態(tài)，基底地基最大隆起變形值為1.67 mm，出現(xiàn)在工序⑦左洞下臺(tái)階初支后中隔墻基底左側(cè)墻趾處。

經(jīng)對(duì)30 種工況計(jì)算結(jié)果比較分析，圍巖較差或埋深較大工況中隔墻地基豎向變形分布及發(fā)展與30 m 埋深Ⅴ級(jí)圍巖地層參數(shù)中值工況相似，表現(xiàn)為中隔墻基礎(chǔ)在施工工程中總體上處于沉降變形狀態(tài)，地基最大沉降變形值出現(xiàn)在工序?右洞二襯澆筑后中隔墻基底中間偏右處；圍巖較好、埋深較小工況中隔墻基底豎向變形分布及發(fā)展與30 m 埋深Ⅳ級(jí)圍巖地層參數(shù)中值工況相似，表現(xiàn)為中隔墻基礎(chǔ)在施工工程中總體上處于隆起變形狀態(tài)，地基最大隆起變形值出現(xiàn)在工序⑦左洞下臺(tái)階初支后中隔墻基底左側(cè)墻趾處。

3 中隔墻地基承載力檢算及注漿加固

3.1 加固前巖石地基承載力計(jì)算方法

加固前巖石地基承載力可根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中巖石地基承載力特征值計(jì)算公式進(jìn)行估算，見(jiàn)式（1）。

式中：fa為巖石地基承載力特征值，MPa；frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；Ψr為折減系數(shù)，無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，對(duì)完整巖體可取0.5，對(duì)較完整巖體可取0.2～0.5，對(duì)較破碎巖體可取0.1～0.2。

巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk可按《巖土工程勘察規(guī)范》[9]第3.2.2 條根據(jù)巖石堅(jiān)硬程度取值，兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 對(duì)應(yīng)堅(jiān)硬程度的巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度范圍

因此，地基承載力特征值可根據(jù)巖體完整程度和巖石堅(jiān)硬程度定性判斷估算,得到的巖石地基承載力特征值范圍如表5 所示。

表5 巖石地基承載力特征值fak

可從表3 查到不同埋深、地質(zhì)條件下連拱隧道中隔墻基底最大壓應(yīng)力pmax，按式（2）檢算中隔墻地基承載力。對(duì)于巖體完整程度為破碎和極破碎時(shí)，可根據(jù)具體地質(zhì)情況確定折減系數(shù)Ψr，也可采用巖基荷載試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)直接測(cè)定地基承載力。

3.2 注漿加固后巖石地基承載力計(jì)算方法

當(dāng)pmax＞fa時(shí)，地基承載力不滿(mǎn)足要求，需要進(jìn)行地基加固處理。采用小導(dǎo)管注漿加固方案，加固后地基應(yīng)滿(mǎn)足式（3）的要求。

式中：faj為注漿加固后地基承載力特征值，MPa。

許宏發(fā)等[10]通過(guò)對(duì)不同學(xué)者獲得的注漿前后巖體強(qiáng)度的試驗(yàn)值進(jìn)行非線(xiàn)性擬合分析，提出了巖體注漿加固體強(qiáng)度增長(zhǎng)率的經(jīng)驗(yàn)公式，見(jiàn)式（4）、式（5）。

式中：ξc為 注漿后巖體單軸抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率；η為原巖體與漿液結(jié)石強(qiáng)度比；qc為漿液結(jié)石強(qiáng)度，MPa，水灰質(zhì)量比為0.75 時(shí)，qc取12.37 MPa，水灰質(zhì)量比為1 時(shí)，qc取 7.32 MPa，水灰質(zhì)量比為1.2 時(shí)，qc取5.03 MPa。

注漿加固后巖體單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fjk可按式（6）計(jì)算。

式中：fjk為注漿加固后巖體單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa。

注漿加固后巖石地基承載力特征值由式（7）確定。

3.3 連拱隧道中隔墻地基承載力檢算實(shí)例

某高速公路連拱隧道概況：全隧均為Ⅴ級(jí)圍巖，拱頂最大埋深約30 m，巖層重度γ=19 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=23.5°，黏聚力c=125 kPa，彈性模量E=0.7 GPa，泊松比ν=0.4，圍巖為強(qiáng)風(fēng)化較軟巖，巖體較破碎，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=16 MPa。試檢算中隔墻地基是否需要加固處理。

中隔墻地基承載力檢算及地基加固措施制定如下：

（1）根據(jù)圍巖地層物理力學(xué)參數(shù)，查表3 可知，該工點(diǎn)中隔墻基底最大壓力pmax=2.119 MPa。當(dāng)?shù)貙訁?shù)、埋深條件與表3 不一致時(shí)，可采用內(nèi)插法求得基底最大壓力。

（2）按式（1）計(jì)算加固前巖石地基承載力特征值fa=(0.1～0.2)×16=1.6～3.2 MPa，缺少地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，取較小值fa=1.6 MPa。

（3）地基承載力檢算：pmax＞fa，不滿(mǎn)足要求，需要對(duì)中隔墻地基進(jìn)行加固處理。

（4）地基擬采用?42 小導(dǎo)管注漿加固處理，漿液采用普通硅酸鹽水泥砂漿，水灰質(zhì)量比1∶1，取漿液結(jié)石強(qiáng)度qc=7.32 MPa，按式（4）—式（7）計(jì)算，則有：

檢算結(jié)果表明，采用水灰質(zhì)量比1∶1 的水泥砂漿小導(dǎo)管注漿后，中隔墻地基滿(mǎn)足基底承載力要求。

4 結(jié)論

依托云南省某擬建高速公路連拱隧道，采用MIDAS/GTS 軟件對(duì)淺埋Ⅳ級(jí)圍巖和淺埋Ⅴ級(jí)圍巖條件下連拱隧道中導(dǎo)洞—上下臺(tái)階預(yù)留核心土法施工時(shí)中隔墻地基受力及變形特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，主要結(jié)論如下：

（1）連拱隧道在圍巖較好、埋深較小時(shí)，中隔墻基底壓力分布隨施工過(guò)程由“馬鞍形”分布逐漸變?yōu)椤扮娦巍狈植?，最大基底壓力出現(xiàn)在先行洞襯砌澆筑后右側(cè)墻趾處，中隔墻基礎(chǔ)總體上處于隆起變形狀態(tài)。

（2）連拱隧道在圍巖較差或埋深較大時(shí)，中隔墻基底壓力分布呈“馬鞍形”分布，最大基底壓力出現(xiàn)在后行洞二襯澆筑后中間偏右處，中隔墻地基總體上處于沉降變形狀態(tài)。

（3）通過(guò)數(shù)值分析得到不同埋深、地質(zhì)條件下連拱隧道中隔墻基底最大壓力值，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范及前人研究成果，提出了中隔墻巖石地基加固前后地基承載力的計(jì)算方法，可為連拱隧道中隔墻地基設(shè)計(jì)提供參考。