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)護技術(shù)材料及裝配交通運輸行業(yè)研發(fā)中心, 甘肅 蘭州 730030; 2. 甘肅路橋建設(shè)集團有限公司, 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，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，一般都采用分部開挖法，將隧道斷面劃分為幾個斷面，再對每個區(qū)域分別進行開挖支護，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，臨時支撐的施工是關(guān)鍵工序，因此也是研究重點.針對大跨度隧道中隔壁臨時支撐技術(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)施工的中隔壁臨時支撐進行研究，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)坑法的中隔壁臨時支撐進行了研究，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結(jié)構(gòu)，以此減少臨時支撐的數(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)坑法具有造價和施工進度方面的優(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，臨時支撐多以弧形為主，為保證與初期支護直接的連接，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度效率更高，工程造價更低，還能增大作業(yè)空間，便于施工機械的應(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支撐在施工過程中的位移變形和受力特征進行研究，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支撐的現(xiàn)場試驗奠定基礎(chǔ).

1 工程概況

圖1 隧道支護設(shè)計(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，采用豎直臨時支撐代替弧形臨時支撐，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 計算參數(shù)設(shè)計

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，支護結(jié)構(gòu)選用彈性本構(gòu)模型[13]，初期支護采用C25混凝土軟噴加I22b型鋼的方式支護，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型鋼作為臨時支撐材料的兩個工況進行模擬對比，以考察材料型號對應(yīng)力的影響.經(jīng)查閱文獻[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模擬，利用等剛度法換算為混凝土的綜合彈性模量進行計算.計算公式[18]如下式所示.

E=E0+(Sg×Eg)/Sc

(1)

式中：E為計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)開挖段進行研究，設(shè)定每次開挖進尺為1.5 m，總開挖進尺為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個施工步進行數(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)中隔壁對整個施工的影響，以此驗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)，得到圍巖在各個施工階段的受力位移情況，故后續(xù)主要針對位移進行分析.

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關(guān)鍵點(拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻、中隔壁和拱底)的位移進行分析，選取的7個關(guān)鍵點如圖5所示.

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

在表2所列的49個施工步驟中，兩種不同結(jié)構(gòu)中隔壁隧道的7個關(guān)鍵點位移如圖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)域為沉降區(qū)，拱腳及拱底以下區(qū)域為隆起區(qū).采用弧形中隔壁施工時沉降區(qū)在拱頂處達到最大值，為6.1 mm，隆起區(qū)在拱底處達到最大，其值為13.2 mm；而采用豎直中隔壁施工時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 七個關(guān)鍵點位移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，對兩種工法下支護結(jié)構(gòu)的受力特征進行分析，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，第一斷面開挖完時受力達到最大，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，并在拱底達到了最大，此時壓應(yīng)力為1.46 MPa.豎直中隔壁產(chǎn)生的壓應(yīng)力在整個中隔壁支撐結(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支撐對隧道施工的影響進行研究，在相同施工背景下，選取I18和I22b兩種不同的型鋼進行模擬，對比兩隧道各個關(guān)鍵部位的變形情況及支護構(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所示的七個關(guān)鍵點的位移進行對比分析，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關(guān)鍵點位移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部位，且均在第49步施工步時達到最大值，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施工步時應(yīng)力達到最大，且在整個支撐上應(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)果進行對比，驗證模擬結(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，分別對其拱頂，左、右拱腰和左、右邊墻位置進行變形監(jiān)測，共計8個測點，測點布置如圖14所示，最終選取1、2、3、7、8號點進行分析.

圖14 隧道施工斷面觀測點示意圖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)場實測值大于模擬值，主要由于現(xiàn)場施工存在時空效應(yīng)的影響，其段落與監(jiān)測時間較長；而數(shù)值模擬施工為瞬時開挖與支護，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)場實測的方法對弧形和豎直中隔壁單側(cè)壁導(dǎo)坑法進行了對比分析，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，使機械進場更為方便，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∑穑⑶邑Q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，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.