薛 山，孟堯堯，鄧祥輝，王 睿，武 君

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021；2.中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所，西寧 810008)

軟弱圍巖通常具有強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差和變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，在隧道施工中常引起大變形、崩塌等破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈變形甚至破壞，嚴(yán)重影響隧道施工安全[1].中隔壁(Center Diaphragm,CD)法各部封閉成環(huán)時(shí)間短，每部開(kāi)挖對(duì)圍巖擾動(dòng)范圍相對(duì)較小，且臨時(shí)仰拱和中隔壁能起到增大結(jié)構(gòu)剛度的作用，可有效控制地表沉降[2].因此，在軟弱圍巖中經(jīng)常選用CD法進(jìn)行施工.

近年來(lái)學(xué)者們分別利用數(shù)值模擬[3-7]、模型試驗(yàn)[8]和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[9-11]等方法對(duì)中隔壁的變形進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[12]結(jié)合廈門(mén)東通道海底隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)施工過(guò)程中中隔壁的變形及其規(guī)律進(jìn)行了分析，為隧道安全施工提供了依據(jù)；文獻(xiàn)[13]采用有限元軟件MIDAS和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)隧道臨時(shí)支撐拆除與二襯施工相互間的影響進(jìn)行分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出可先行拆除2個(gè)施工段的所有臨時(shí)支撐，然后再隔段拆撐隨后二襯施工.但對(duì)于CD法施工中臨時(shí)中隔壁選型方面的研究鮮有報(bào)道.武關(guān)驛隧道洞口段斷面面積大、埋深淺和圍巖破碎，施工中難度大易發(fā)生安全事故，擬采用CD法施工，臨時(shí)中隔壁設(shè)計(jì)為弧形，施工單位為加快施工進(jìn)度將YK158+579～YK158+634.1斷面中隔壁做成斜線形，導(dǎo)致該段發(fā)生初支噴射混凝土開(kāi)裂，局部塌方.后將YK158+634.1～YK158+784斷面改回弧形臨時(shí)中隔壁后，順利施工通過(guò)，未出現(xiàn)工程事故.從目前隧道CD法施工情況看，臨時(shí)中隔壁采用弧形較大，但由于弧形相對(duì)斜線形費(fèi)時(shí)費(fèi)工，從理論上看，施工單位更偏向于斜線形的臨時(shí)中隔壁.且隨著公路隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高，目前修建雙向六車(chē)道、八車(chē)道的高等級(jí)公路越來(lái)越多，斜線形臨時(shí)中隔壁能否應(yīng)用于大斷面公路隧道也缺乏系統(tǒng)的理論研究.因此文中依托武關(guān)驛大斷面隧道，對(duì)CD法施工中臨時(shí)中隔壁的選型進(jìn)行了研究.

1 工程概況

武關(guān)驛隧道，位于留壩縣武關(guān)驛鎮(zhèn)武關(guān)驛村南側(cè)，G316國(guó)道西側(cè)，屬寶漢高速PH-09合同段.隧道為分離式單向3車(chē)道，左線隧道進(jìn)口樁號(hào)ZK158+598，出口樁號(hào)ZK158+788，長(zhǎng)190 m；右線隧道進(jìn)口樁號(hào)YK158+579，出口樁號(hào)YK158+784，長(zhǎng)205 m，均屬短隧道.右洞洞口段YK158+579～YK158+634.1段為Ⅴ類(lèi)圍巖，屬?gòu)?qiáng)風(fēng)化片麻巖，呈灰白色-淺灰色，中粗粒似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎屑及碎塊狀，圍巖較穩(wěn)定.

YK158+579～YK158+634.1段屬洞口淺埋段，圍巖軟弱破碎，施工方法擬采用CD法，中隔壁設(shè)計(jì)為弧形，施工步驟如下：① 開(kāi)挖左上部分；② 左上部分拱部和中隔壁支護(hù)；③ 開(kāi)挖左下部分；④ 左下部分拱部和中隔壁支護(hù)；⑤ 開(kāi)挖右上部分；⑥ 右上部分拱部支護(hù)；⑦ 開(kāi)挖右下部分；⑧ 右下部分拱部支護(hù)；⑨ 仰拱施工；⑩ 拱、邊墻二次襯砌.

為方便施工，將本斷面區(qū)間中隔壁制作成75°斜線形，如圖1～2所示.導(dǎo)致右洞YK158+634.1斷面頂部噴射混凝土大面積掉落，并造成局部垮塌冒頂，如圖3～4所示.

1-左上部；2-左下部；3-右上部；4-右下部；5-噴射混凝土；6-鋼架；7-二次襯砌

圖2 施工中隔壁

圖3 YK158+634.1斷面噴射混凝土開(kāi)裂Fig.3 Shotcrete cracking of YK158+634.1 section

圖4 YK158+634.1斷面右上部分塌方

2 有限元數(shù)值模擬分析

分別選取武關(guān)驛隧道CD法施工中臨時(shí)中隔壁設(shè)計(jì)為斜線形和弧形的典型斷面，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，分析圍巖水平位移、豎向位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力.

2.1 參數(shù)選取與模型建立

計(jì)算采用Midas GTS NX有限元分析軟件，計(jì)算時(shí)作如下假定.

2.1.1 計(jì)算假定

圍巖和支護(hù)都是均質(zhì)、連續(xù)和各向同性；由于隧道埋深較淺，地應(yīng)力計(jì)算時(shí)不考慮構(gòu)造應(yīng)力，只考慮自重應(yīng)力；將拱架、鋼筋網(wǎng)統(tǒng)一考慮在初期支護(hù)中；計(jì)算時(shí)不考慮左、右洞之間的相關(guān)影響[14]；隧道采用CD法逐步開(kāi)挖施工.

2.1.2 邊界、本構(gòu)模型和參數(shù)選取

隧道開(kāi)挖僅對(duì)一定范圍內(nèi)的巖體造成擾動(dòng)，擾動(dòng)范圍約為3～5倍的洞徑，計(jì)算模型選取二維有限元模型，左右各取60 m，下部取60 m，上部依據(jù)實(shí)際情況，取為隧道埋深30 m.本構(gòu)模型選取莫爾-庫(kù)倫模型[15-21]，圍巖和初期支護(hù)等效參數(shù)的選取見(jiàn)表1.

對(duì)本工程中斜線臨時(shí)中隔壁和弧形臨時(shí)中隔壁進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，具體網(wǎng)格劃分如圖5所示.有限單元?jiǎng)澐植捎萌切魏退倪呅位旌系膭澐中问?模型邊界條件為左右兩邊限制水平方向的移動(dòng)，底部限制水平方向與豎直方向的移動(dòng).

表1 數(shù)值模擬等效參數(shù)

圖5 有限元模型網(wǎng)格劃分

2.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

圍巖位移與初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化能夠直觀的反映出隧道施工的安全性，是評(píng)價(jià)與指導(dǎo)隧道安全施工的重要指標(biāo)之一[22-24]，故對(duì)圍巖水平位移、豎向位移和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析.

2.2.1 位移對(duì)比分析

1) 水平位移

經(jīng)計(jì)算，兩種形狀臨時(shí)中隔壁開(kāi)挖完成圍巖水平位移云圖如圖6所示.

從圖6(a)～(b)可見(jiàn)，左、右拱腰處產(chǎn)生較大的水平位移.斜線和弧形選型下各施工步下對(duì)應(yīng)的左、右拱腰水平位移如圖7～8所示.

圖6 圍巖水平位移云圖

圖7 左拱腰水平位移Fig.7 Horizontal displacement of the left arch waist

圖8 右拱腰水平位移

采用斜線臨時(shí)中隔壁時(shí)，左、右拱腰水平位移最大值分別為13 mm和17 mm.采用弧形臨時(shí)中隔壁時(shí)，左、右拱腰水平位移最大值分別為4.36 mm和4.31 mm，斜線選型下拱腰處水平位移遠(yuǎn)大于弧形選型下拱腰水平位移.根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F60—2009)[15]的規(guī)定，周邊水平位移允許值為60 mm.在弧形和斜線形臨時(shí)中隔壁選型下拱腰水平位移均符合規(guī)范規(guī)定，但是在斜線形選型下，拱腰處存在安全隱患.因此，從拱腰水平位移看，弧形選型優(yōu)于斜線形選型.

2) 豎向位移

兩種選型下圍巖豎向位移云圖如圖9所示.

兩種不同選型下，圍巖豎向位移出現(xiàn)了相似的規(guī)律.兩種選型下拱頂處均產(chǎn)生較大的沉降值.斜線和弧形選型下各施工步對(duì)應(yīng)的拱頂沉降值如圖10所示.

從圖10可以得出，斜線選型時(shí)拱頂位移最大值為23.22 mm，弧形選型時(shí)最大值為3.30 mm，斜線選型時(shí)拱頂沉降值遠(yuǎn)大于弧形時(shí)拱頂沉降值.根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》(JTG F60—2009)，拱頂下沉允許值為60 mm.斜線和弧形選型時(shí)拱頂沉降都符合規(guī)范規(guī)定，但斜線選型時(shí)拱頂存在安全隱患.因此，從拱頂沉降來(lái)看，弧形選型優(yōu)于斜線形選型.

2.2.2 噴射混凝土剪應(yīng)力分析

圖11為噴射混凝土剪應(yīng)力云圖.斜線和弧形條件下，噴射混凝土均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，斜線時(shí)應(yīng)力集中出現(xiàn)在拱頂處，弧形時(shí)應(yīng)力集中出現(xiàn)在拱頂和左拱肩處.斜線時(shí)剪應(yīng)力最大值為4.78 MPa，位于拱頂處；弧形時(shí)剪應(yīng)力最大值為0.79 MPa，位于左拱肩處.按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[16]中規(guī)定求得C25混凝土抗剪強(qiáng)度為2.5 MPa，所以斜線時(shí)最大剪應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗剪強(qiáng)度，拱頂混凝土將發(fā)生剪切破壞，而弧形時(shí)最大剪應(yīng)力小于混凝土抗剪強(qiáng)度，不會(huì)破壞.

圖9 圍巖豎向位移云圖

圖10 拱頂沉降值

弧形臨時(shí)中隔壁剪應(yīng)力最大值為0.54 MPa，位于臨時(shí)中隔壁中部，斜線臨時(shí)中隔壁剪應(yīng)力最大值為1.37 MPa，位于中隔壁頂部.斜線時(shí)中隔壁最大剪應(yīng)力值比弧形時(shí)增加了154%，兩者均未達(dá)到混凝土抗剪強(qiáng)度，但斜線時(shí)存在一定的安全隱患.因此，從噴射混凝土應(yīng)力和中隔壁應(yīng)力來(lái)看，弧形形式優(yōu)于斜線形式的中隔壁.

通過(guò)數(shù)值模擬的結(jié)果可以得出，同弧形選型相比，斜線中隔壁選型容易導(dǎo)致隧道圍巖拱頂產(chǎn)生較大的沉降值，拱腰處產(chǎn)生較大的水平位移值和拱頂噴射混凝土發(fā)生剪切破壞.因此，弧形選型要優(yōu)于斜線選型.在YK158+634.1斷面選用斜線臨時(shí)中隔壁是導(dǎo)致斷面發(fā)生工程事故的主要原因.

圖11 噴射混凝土剪應(yīng)力云圖

3 監(jiān)控量測(cè)

隧道圍巖周邊收斂是指在預(yù)設(shè)點(diǎn)的斷面隧道開(kāi)挖爆破以后，盡早地在每個(gè)隧道開(kāi)挖區(qū)塊內(nèi)，沿著隧道周邊的拱腰或邊墻部位分別埋設(shè)帶掛鉤的錨樁.采用鋼尺式周邊收斂?jī)x，使用一根在重錘作用下被拉緊的普通鋼尺作為傳遞位移的媒介，通過(guò)百分表測(cè)得隧道周邊某兩點(diǎn)相對(duì)位置的變化.拱頂沉降是指在同一斷面的拱頂處埋設(shè)帶掛鉤的錨樁，用PENTAX/R-422NM型高精度全站儀量測(cè)拱頂下沉.為對(duì)斜線和弧形選型下圍巖變形和混凝土應(yīng)力特征進(jìn)行分析，有必要對(duì)隧道圍巖拱頂沉降及周邊收斂進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)(拱頂沉降值取四個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值).周邊收斂設(shè)4個(gè)測(cè)樁，2條測(cè)線.其中A、B、E、F分別為四個(gè)測(cè)樁位點(diǎn)，AB和EF為周邊收斂基線.要求4個(gè)測(cè)樁埋設(shè)在同一垂直平面內(nèi)；A和B、E和F測(cè)樁分別在同一水平線上；A、B測(cè)樁在隧道左上部I開(kāi)挖后埋設(shè)在開(kāi)挖底面(如圖12中虛線所示)之上1.5 m處左右；E、F測(cè)樁在隧道右上部III開(kāi)挖后埋設(shè)在開(kāi)挖底面之上1.5 m處左右.拱頂沉降測(cè)點(diǎn)與周邊收斂測(cè)樁在同一垂直平面內(nèi)，且為保證數(shù)據(jù)可靠布設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1，2在隧道左上部I開(kāi)挖后埋設(shè)于左側(cè)拱頂處，測(cè)點(diǎn)3，4在隧道右上部III開(kāi)挖后埋設(shè)于右側(cè)拱頂處.其中測(cè)點(diǎn)布置如圖12所示.

圖12 監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

選取斜線選型區(qū)段YK158+579～YK158+634.1中的典型斷面YK158+594.5斷面和弧形選型區(qū)段YK158+634.1～YK158+784中的典型斷面YK158+647斷面進(jìn)行對(duì)比分析，周邊收斂-時(shí)間曲線圖如圖13～14所示.

圖13 斷面周邊收斂-時(shí)間曲線圖(YK158+594.5)

由圖13～14可以看出，當(dāng)隧道周邊收斂達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，YK158+594.5斷面左拱腰收斂最大值為14.8 mm，YK158+647斷面左拱腰收斂最大值為2 mm.YK158+594.5斷面右拱腰收斂最大值為10.61 mm，YK158+647斷面右拱腰收斂最大值為1.89 mm.同時(shí)，數(shù)值模擬和監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果比較接近.可以得出，斜線選型時(shí)周邊收斂值遠(yuǎn)大于弧形選型時(shí)，弧形中隔壁選型要優(yōu)于斜線形選型.

YK158+594.5斷面和YK158+647斷面拱頂沉降監(jiān)控量測(cè)如圖15～16所示.從監(jiān)控量測(cè)結(jié)果可以看出，當(dāng)拱頂沉降達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，YK158+594.5斷面拱頂沉降最大值為29.4 mm，YK158+647斷面拱頂沉降最大值為7.95 mm.同時(shí)，數(shù)值模擬和監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果比較接近.因此，斜線選型時(shí)拱頂沉降值遠(yuǎn)大于弧形選型，弧形中隔壁選型優(yōu)于斜線選型.

圖14 斷面周邊收斂-時(shí)間曲線圖(YK158+647)

圖15 斷面拱頂沉降值(YK158+594.5)Fig.15 Settlement values of the vault at the section(YK158+594.5)

圖16 斷面拱頂沉降值(YK158+647)

4 結(jié) 論

針對(duì)武關(guān)驛隧道YK158+579～YK158+634.1斷面施工中將臨時(shí)中隔壁制作成斜線形，導(dǎo)致YK158+634.1斷面頂部噴射混凝土大面積掉落，并造成局部垮塌，后YK158+634.1～YK158+784斷面在施工中改用弧形臨時(shí)中隔壁，未出現(xiàn)上述工程事故.采用Midas GTS NX有限元分析軟件，模擬分析了斜線和弧形的臨時(shí)中隔壁選型下隧道施工，并從隧道結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力兩方面對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，所得主要結(jié)論為

1) 斜線和弧形時(shí)，圍巖均在左、右拱腰處產(chǎn)生較大的水平位移，斜線選型時(shí)拱腰水平收斂值遠(yuǎn)大于弧形選型時(shí)拱腰水平收斂值，未超過(guò)規(guī)范容許值，但存在很大的安全隱患.斜線選型下拱腰產(chǎn)生更大的水平收斂值，弧形選型優(yōu)于斜線選型.斜線和弧形時(shí)，圍巖均在拱頂處產(chǎn)生較大的豎向位移，斜線選型時(shí)拱頂豎向位移遠(yuǎn)大于弧形時(shí)拱頂豎向位移，未超過(guò)規(guī)范容許值，但存在很大的安全隱患.斜線選型下拱頂產(chǎn)生更大的豎向位移值，弧形選型優(yōu)于斜線選型.

2) 斜線選型時(shí)噴射混凝土剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在拱頂處，最大剪應(yīng)力值為4.78 MPa，超過(guò)混凝土的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土發(fā)生剪切破壞；弧形時(shí)最大剪應(yīng)力值出現(xiàn)在左拱肩處，最大剪應(yīng)力值為0.79 MPa，未達(dá)到混凝土的抗剪強(qiáng)度.

3) 通過(guò)數(shù)值模擬和監(jiān)控量測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，同弧形中隔壁選型相比，斜線選型容易導(dǎo)致圍巖左、右拱腰產(chǎn)生更大的水平位移，拱頂產(chǎn)生更大的豎向位移和拱頂噴射混凝土產(chǎn)生更大的剪應(yīng)力值.

4) 隧道發(fā)生頂部噴射混凝土掉塊和局部垮塌的主要原因是采用斜線臨時(shí)中隔壁時(shí)，拱頂產(chǎn)生較大的豎向位移，同時(shí)拱頂噴射混凝土剪應(yīng)力超過(guò)了混凝土的抗剪強(qiáng)度，發(fā)生剪切破壞.