整体式中隔墙连拱隧道模型试验及现场监测

邱长林，刘 彬，何林生，冯守中

（1.天津大学 建工学院，天津 300072；2.重庆交通科研设计院，重庆 400067；3.上海朗琪土木工程技术有限公司，上海 200437）

1 引 言

与一般的分离式独立隧道相比，连拱隧道具有空间利用率高、占地面积少、利于洞口位置的选择、与洞外线路连接方便等优点，因此，特别适用于洞口地形狭窄的山区中、短隧道[1]。但由于连拱隧道跨度较大，施工工序复杂，开挖与支护交错进行，使得围岩应力变化和支护荷载转换变得尤为频繁，因此，连拱隧道的施工力学特性非常复杂。特别是作为连拱隧道中特有的中隔墙，由于承受左、右隧道拱部传递来的荷载，在施工过程中要受到两主洞交替开挖和支护等工序的多次扰动，导致施工过程中受力和变形极为复杂，因此，保证中隔墙稳定是确保连拱隧道安全的关键。

为了确保连拱隧道的安全，研究人员采用理论和试验等多种方法来研究其施工力学特性。由于隧道工程的复杂性、隐蔽性以及地下工程理论的局限性，目前理论分析还无法完全模拟隧道的实际施工过程，因此，模型试验和现场监测是研究隧道工程最可靠的研究手段。通过模型试验，吴梦军等[2]研究了连拱隧道在不同开挖方案下的施工动态过程；周生国等[3]研究了黄土连拱隧道施工时的位移情况；肖林萍等[4]研究了3种施工方法情况下连拱隧道的位移、二衬应力等，但未给出时程变化曲线；刘涛等[5－6]研究了全断面开挖过程中连拱隧道洞室的应力和位移；来弘鹏等[7]研究了不同侧压力系数下曲中墙连拱隧道的力学特征。由于模型尺寸的限制，在模型试验中研究中隔墙应力非常困难，因此，现场监测是中隔墙应力研究的最有效手段。为此，王军等[8]对三导洞施工方法的中隔墙应力状态进行了监测分析；申玉生等[9]对偏压连拱隧道围岩变形及中隔墙等进行了相关监测与分析；叶飞等[10]介绍了连拱隧道的监测方法，并给出一中隔墙现场监测及分析的实例；左昌群等[11]监测了中隔墙在隧道开挖后的应力与应变情况；曾胜等[12]、雷金山等[13]在 3层直中墙连拱隧道中墙内力监测分析的基础上，进行了稳定性评价；曾宪营等[14]对中隔墙顶部压力进行了监测，并与理论分析结果进行了对比；苟德明等[15]对中墙内力及墙顶、墙底压力进行测试，提出了复合式曲中墙的最大应力状态和时间；王祥秋等[16]对浅埋偏压双连拱隧道三导洞法信息化施工中中墙应力等进行了监测与分析；周丁恒等[17]对不同开挖工序对浅埋大断面大跨度连拱隧道支护体系及中隔墙受力的空间影响进行了分析与研究。但以上文献均未对各施工步骤对整体式连拱隧道位移和中隔墙应力的影响进行分析研究。

本文结合实际工程，充分利用模型试验和现场研究的优点，分别研究整体式连拱隧道在开挖过程中的位移和中隔墙的应力变化过程。基于研究结果，对软弱围岩条件下各个施工步骤对连拱隧道位移和中隔墙应力的影响进行了详细的分析，为支护体系和施工的优化提供依据，进而指导现场施工，并为相似工程提供参考。

2 工程简介

大老地隧道为江西省高速公路上一座上下行合建的四车道整体式中隔墙连拱隧道，隧道建筑限界净宽为22.3 m，净高为5.0 m，隧道全长280 m，最大埋深为80 m。

该隧道基岩为寒武系变质岩，由硅质岩、粉砂质板岩组成，根据岩石风化及裂隙发育程度，可划分为全、强、弱、微风化4层。本次研究针对强风化层和弱风化层围岩段，其基本性质如表1所示。

该工程的设计断面和施工工序如图1所示。设计参数如表2所示。施工方法采用中导正洞台阶法。

表1 围岩基本物理、力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of surrounding rocks

图1 隧道设计断面及施工步骤图(单位: cm)Fig.1 Designed section and construction sequence(unit: cm)

表2 衬砌支护参数表Table 2 Parameters of lining supports

3 室内模型试验

3.1 试验系统

试验采用重庆交通科研设计院研发的“公路隧道与围岩综合试验系统”[2]。该系统采用“先加载，后开挖”的分级加载方法，使实验室中模型开挖方法与隧道现场施工过程完全一致。

该系统由四大子系统组成，即外加载子系统、内加载子系统、数据采集及分析子系统、相似模型制作子系统，其基本原理如图2所示。其中，外加载子系统提供外部加载约束反力，用以模拟公路隧道围岩的边界条件。内加载子系统包括内部加载部分和位移测量部分，通过内部向模型施加荷载并逐级释放该荷载来模拟围岩的初始状态以及隧道的开挖步序。

图2 模型试验原理图Fig.2 Schematic diagram of model experiment

3.2 模型材料

在模型试验中，要求模型制作材料必须满足相似定律，即相似现象的相似指标等于1，在实际模型试验中，一般取相似指标接近于1。隧道开挖过程力学模型一般要求相似材料的相似指标与CE/Cσ等于1，其中Cσ、CL、Cγ、CE分别为应力、几何、重力和弹性模量的相似系数。

本试验的相似材料选用中砂作为骨料，采用石膏、32.5级普通硅酸盐水泥、膨润土作为胶结料。为了使模型材料满足相似定律，需要选取合适的配合比。为此需把原材料按照不同的配合比进行混合，经过多次捣实、压密制作成模型材料试件。该试件经相对湿度为80%～90%的室内养护14 d，然后进行物理力学指标测试。根据各配合比的相似程度，最后采用的模型材料的各配比及其主要物理力学参数如表3所示。根据表1、3可得到V类围岩模型的Cσ、Cγ和CE分别为42.31、1.07和42.55，IV类围岩模型的Cσ、Cγ和CE分别为46.15、1.17和46.44。由于CL为42.50，因此，模型试验的相似指标与CE/Cσ分别为0.93和1.01。

表3 相似材料主要物理、力学参数Table 3 Physico-mechanical parameters of experimental materials

3.3 开挖方案模拟

整个模型尺寸为240 cm×160 cm×110 cm，沿轴向共分为12个开挖断面。每一个断面内加载系统共分5块传力板，如图2所示，每一块传力板卸载模拟相应位置的开挖，因此，每一个断面的开挖均分5步，而核心土及仰拱的开挖未予模拟，初期支护及临时支护等因系统无法模拟而未予考虑。中隔墙的施作是在所有中导洞开挖结束后，采用给中间传力板3加荷的方式进行模拟，施加的荷载为原内力系统的80%。整个中隔墙施工结束后进行各个断面其他部分的开挖，上台阶开挖超前3个断面。

3.4 试验步骤

（1）根据确定的相似材料最佳配比，准备原材料，分层捣实成相似模型试件，并在制作过程中安装好内加载系统。

（2）将相似模型试件置于通风干燥地方风干。当模型试件干燥度与配比试验干燥度相当时，牵引试件就位，并安装外加载系统。

（3）分别将内、外加载系统分级加载，加载完成并稳定1 h后启动数据采集及分析系统，测试各断面各测点位移计初始位移。由于构造应力场的复杂性，本模型试验中外荷载只模拟上覆岩体的重力所引起的重力应力场。根据大老地隧道的实际工程地质条件和埋深，V类围岩原岩应力的取值在竖向和水平向分别为0.693 MPa和0.283 MPa，Ⅳ类围岩原岩应力的取值在竖向和水平向分别为1.219 MPa和0.428 MPa。

（4）根据模拟的开挖方案，分别按模拟顺序释放内加载系统荷载，以模拟各断面开挖（分部开挖），并记录测量结果。

3.5 试验结果分析

图3为V、Ⅳ类围岩隧道中间断面开挖段的沉降曲线图。从图中可以看出，在连拱隧道左右两洞开挖过程中，任一断面的顶点位移都会在本隧道掌子面和相邻隧道掌子面临近本断面时有一个急剧增加阶段，因此，隧道顶点位移-历时曲线总体形状呈S形。V类围岩最大位移为0.62 mm（对应原型位移为26.4 mm），Ⅳ类围岩最大位移为0.58 mm（对应原型位移为24.6 mm）。最大位移均发生在后掘隧道的顶部，因此，在施工过程中应特别加强对后掘进主洞围岩稳定的控制。

从图3中还可以看出，先掘进主洞施工时，后掘进主洞测点位移均发生变化，同样后掘进主洞施工时，先掘进主洞围岩位移也发生变化，说明两主洞施工时，会对围岩相互扰动，彼此引起另一洞室围岩产生附加位移。但各个测点都是在开挖当前断面时位移发生量最大，特别是当前断面上台阶开挖导致的位移量最大。开挖当前断面导致的位移量一般为测点最终位移的40%以上。

图3 隧道中间断面位移-时间曲线Fig.3 Displacement-time curves of middle section

隧道开挖的空间效应，对于分离式公路隧道，其影响范围一般为工作面前约1倍洞跨到工作面后2～3倍洞跨。而对于连拱隧道，从各位移-历时曲线的形状与走向可知，因左、右洞施工对围岩的相互扰动，其影响范围较分离式隧道大，特别是后掘进主洞开挖对围岩位移的影响范围达开挖面前后的3倍洞跨以上。

图3还表明，先掘隧道和后掘隧道都会使中隔墙产生位移，但是后掘隧道引起中隔墙的位移要大于先掘隧道引起的位移，因此，后掘隧道会使中隔墙出现更大的应力增量。

4 中隔墙应力现场监测

4.1 中隔墙应力监测方法

现场采用振弦式钢筋应力计来测量中隔墙中钢筋的应力。在现场试验段共选取了两个测试断面，位置分别为K120+015和K120+050，围岩类别分别为Ⅳ类和V类，对应的埋深分别为45 m和19 m。每一个断面在中隔墙左、右两侧的上、下部共4个位置分别布置钢筋应力计，如图4所示。

图4 钢筋应力计监测位置布置图Fig.4 Reinforcement stress measurement position

4.2 中隔墙应力监测结果分析

图5为两个监测断面处钢筋应力变化曲线，以压应力为正值。该应力不包含中隔墙的自重。从图中可以看出，中隔墙受到的应力基本上为压应力，且中隔墙不同高度处的应力分布不相同，这主要是由于受到中隔墙顶部回填区域的影响，导致中隔墙靠近顶部的区域中间应力集中，两侧的应力比较小。

图5 中隔墙钢筋应力-时程曲线Fig.5 Reinforcement stresses-time curves of middle-wall

（1）图5表明，在中隔墙浇筑完毕后，在开挖掌子面到达影响范围前，中隔墙中各个位置都有一定的应力增长过程，如K120+015断面在15 d前、K120+050断面在11 d前。由于左、右洞室的开挖位置离该监测位置的距离为100余米以上，因此，这一部分的应力增长与左、右隧道的开挖无关，而是由于中导洞开挖后围岩的流变特性导致的，此部分应力增量在各个位置处比较均匀。

（2）先掘隧道上台阶开挖。从图中可以看出，当右隧道上台阶开挖时，中隔墙左底部的钢筋应力急速增加，而右底部的钢筋应力却相应的减小，即右隧道的上台阶开挖将导致中隔墙产生不对称应力，如K120+015断面下左位置和下右位置的钢筋应力在第45 d时分别为23.8 MPa和7.0 MPa。对于K120+050断面，由于第64 d时处理别处坍塌而停止施工，导致该位置处的应力在该天后停止增长。但K120+015和K120+050位置处中隔墙右上的应力变化不同，其中K120+015右上部的应力在此阶段减小，而K120+050右上部的应力增加，经分析认为，是钢拱架在该中隔墙顶部局部应力集中造成的。

（3）先掘隧道下台阶开挖。由图6可知，当右隧道下台阶开挖时，由于该位置处中导洞钢支撑炸开及右隧道初衬底部失去支撑，中隔墙下左位置的应力先降低，然后当仰拱刚度足够后，临时支撑又逐渐发挥作用，如K120+015断面的第107 d，此时下左位置应力开始增加，但其导致的应力增加量相对上台阶开挖导致的应力增加量小。该部位的开挖对中隔墙下右位置的应力基本没有影响。而K120+050断面由于和左隧道上台阶开挖重合，因此，其影响和左隧道上台阶开挖导致的影响叠加，但是从其变化的梯度也可以看出该规律。

（4）后掘隧道上台阶开挖。当左隧道上台阶开挖时，中隔墙中钢筋的应力都有增加，其中下右部的钢筋应力增加非常大，而下左边的钢筋应力增加相对较小，如在K120+015断面中，从该位置处左隧道上台阶开挖即第140 d开始到左下台阶开挖以前，下右位置的钢筋应力最大增量为16.7 MPa，下左位置的钢筋应力最大增量为2.1 MPa。

（5）后掘隧道下台阶开挖。当左隧道下台阶开挖时，由于中导洞钢支撑的切除以及左隧道初衬底部支撑点的移除，中隔墙所有位置的应力先是降低，然后随着仰拱混凝土强度的增加，两侧钢筋应力都开始增加，其中右侧钢筋应力增加较大，而左侧钢筋应力增加较小。与上台阶开挖导致的应力变化相比，下台阶的开挖导致的影响较小。

（6）二衬的浇筑。先掘隧道侧二衬的浇筑对中隔墙的应力基本上没有什么影响。后掘隧道侧的二衬浇筑时由于二衬模架的支撑作用先导致中隔墙各个部位应力降低，又由于模架的撤走使中隔墙各个部位应力有所增加。

从图5还可以看出，中隔墙下左侧的钢筋应力在整个施工过程都大于下右侧钢筋应力，这个差值是由右隧道（先掘隧道）的开挖导致的。K120+015断面由于左右隧道开挖超前较大，导致中隔墙中的该差值一直发展直到后掘隧道的施工，甚至导致下右位置在121～140 d之间出现拉应力，这将严重影响中隔墙的稳定性，因此，在实际施工时需要合理安排两主隧道之间超前开挖距离。

总之，通过以上分析可知，连拱隧道主洞的开挖将引起中隔墙另一侧产生较大的应力增加，而本侧应力的增加较小，甚至会降低，且上台阶的开挖影响较大。

4.3 中隔墙内力分析

假定中隔墙某一高度处沿宽度方向的应力为线性分布，则可以得到沿隧道纵向单位长度中隔墙所受到的荷载和弯矩。由于中隔墙顶部受到回填的影响，该处存在应力集中现象，当作线性假设计算时将与实际值存在较大的偏差，因此只取各个断面下部位置处的内力进行分析。两个断面的轴力和弯矩随时间的变化分别如图6、7所示，其中荷载以压力为正，弯矩以向右侧隧道偏转为正。由于荷载和位移的对应关系，图6中的荷载变化规律与图3中的中隔墙位移曲线一致，这也说明了模型试验的可靠性。

图6 中隔墙荷载-时间变化曲线Fig.6 Load-time curves of middle-wall

图7 中隔墙弯矩-时间变化曲线Fig.7 Moment-time curves of middle-wall

从图6、7可以看出，在开挖面到达之前，由于围岩的流变特性，中隔墙中有轴力的产生，特别是在中隔墙浇筑的初期，也是隧道中导洞开挖后的短时期内，中隔墙轴力增加较大，然后逐渐保持稳定，而弯矩则一直很小，基本上可以忽略不计，即此时中隔墙受到的荷载左、右对称。

当右隧道上台阶开挖的掌子面逐渐到达并通过监测断面时，中隔墙的荷载开始增加，同时弯矩也在逐渐增加。该阶段的荷载增加量并不显著，但该阶段的弯矩变化非常大。

当右隧道下台阶开挖的断面逐渐到达并通过监测断面时，中隔墙的内力略有增加或保持不变，而中隔墙的弯矩基本不变或稍微有所增加。这一工序导致的变化值远小于上台阶开挖导致的增加值。

当左隧道上台阶开挖面逐渐到达并通过监测断面时，中隔墙的荷载急剧增加，同时该阶段中隔墙的弯矩值有比较大的降低。

当左隧道下台阶开挖面逐渐到达并通过监测断面时，中隔墙的荷载有一定的增加。但与上台阶开挖导致的荷载变化相比，其变化量相对要小一些。同样，在该阶段中隔墙的弯矩也得到了一定的降低。

右侧隧道二衬的浇筑对中隔墙的荷载和弯矩基本没有影响，而左侧隧道二衬的浇筑先是使中隔墙的荷载和弯矩先是有所降低，然后又有一定的增加。

5 结 论

（1）隧道顶点位移-历时曲线总体形状呈S形，最大位移发生在后掘隧道的顶部。

（2）两主洞施工时，彼此引起另一洞室围岩产生附加位移，但本洞当前断面开挖时导致的位移发生量最大。

（3）中隔墙不同高度处的应力不均匀。

（4）主洞室的开挖将使中隔墙另一侧应力增加较大，而本侧应力增加较小，甚至降低，且上台阶的开挖对中隔墙应力的影响要大于下台阶开挖对中隔墙应力的影响。

（5）先掘隧道的开挖主要导致中隔墙产生由先掘隧道向后掘隧道侧偏移的弯矩，荷载增量较小；后掘隧道的开挖会导致中隔墙的荷载急剧增加的同时弯矩急剧降低。因此，为了减低中隔墙中不对称荷载的发展，施工过程中要注意合理安排两侧隧道开挖的超前量。

[1]中华人民共和国交通部. JTG D70－2004 公路隧道设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社,2004.

[2]吴梦军,连晋兴,黄伦海,等. 连拱隧道围岩稳定性模型试验[J]. 地下空间,2004,24(4): 461－464.

[3]周生国,黄伦海,蒋树屏,等. 黄土连拱隧道施工方法模型试验研究[J]. 地下空间与工程学报,2005,1(2):188－191.ZHOU Sheng-guo,HUANG Lun-hai,JIANG Shu-ping,et al. Study on the reasonable construction method for a loess double-arch highway tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2005,1(2): 188－191.

[4]肖林萍,赵玉光,申玉生. 双连拱隧道结构内力样式及围岩稳定性模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2005,24(23): 4346－4351.XIAO Lin-ping,ZHAO Yu-guang,SHEN Yu-sheng.Model experimental study on style of structural internal force and stability of surrounding rock in double-arch tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(23): 4346－4351.

[5]刘涛,沈明荣,陶履彬,等. 连拱隧道动态施工模型试验与三维数值仿真模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报,2006,25(9): 1802－1808.LIU Tao,SHEN Ming-rong,TAO Lü-bin,et al. Model test and 3D numerical simulation study on excavation of double-arch tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(9): 1802－1808.

[6]刘涛,沈明荣,袁勇. 偏压连拱隧道围岩稳定性模型试验与数值分析[J]. 同济大学学报(自然科学版),2008,36(4): 460－465.LIU Tao,SHEN Ming-rong,YUAN Yong. Model test and 3D numerical simulation study on wall rock mass stability of double-arch tunnel subject to partial press[J]. Journal of Tongji University(Natural Science),2008,36(4):460－465.

[7]来弘鹏,谢永利,杨晓华. 不同应力场软弱围岩公路连拱隧道力学特征试验[J]. 长安大学学报(自然科学版),2008,28(6): 60－64.LAI Hong-peng,XIE Yong-li,YANG Xiao-hua. Model tests for soft weak surrounding rocks highway multiplearch tunnel stress characteristics in different stress fields[J]. Journal of Changan University(Natural Science Edition),2008,28(6): 60－64.

[8]王军,夏才初,朱合华,等. 不对称连拱隧道现场监测与分析研究[J]. 岩石力学与工程学报,2004,23(2): 267－271.WANG Jun,XIA Cai-chu,ZHU He-hua,et al. Site monitoring and analysis of non-symmetrical multi-arch highway tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(2): 267－271.

[9]申玉生,高波. 双连拱隧道施工偏压力学特性的监测与分析研究[J]. 岩土力学,2006,27(11): 2061－2064.SHEN Yu-sheng,GAO Bo. Site monitoring and analytical research on mechanical characteristics under construction partial press in double-arch tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics,2006,27(11): 2061－2064.

[10]叶飞,丁文其,朱合华,等. 连拱隧道中隔墙现场监测及分析研究[J]. 地下空间与工程学报,2007,3(3): 470－474.YE Fei,DING Wen-qi,ZHU He-hua,et al. Site monitoring and analysis of middle wall[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2007,3(3): 470－474.

[11]左昌群,陈建平. 中隔墙应力-应变监测在双联拱隧道的应用研究[J]. 公路交通科技,2008,25(6): 99－103.ZUO Chang-qun,CHEN Jian-ping. Application and research of stress-strain monitoring of central division wall in double-arch tunnel[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development,2008,25(6): 99－103.

[12]曾胜,覃庆通,阳军生. 大跨度连拱隧道直中墙受力现场监测分析[J]. 岩土力学,2008,29(9): 2537－2541.ZENG Sheng,QIN Qing-tong,YANG Jun-sheng. In-situ monitoring behaviors of middle wall of large-span multi-arch tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics,2008,29(9): 2537－2541.

[13]雷金山,阳军生,杨峰,等. 大跨度偏压连拱隧道现场监测与受力分析[J]. 铁道科学与工程学报,2010,7(4):31－36.LEI Jin-shan,YANG Jun-sheng,YANG Feng,et al.In-situ monitoring and mechanical analysis of large-span unsymmetrical loading multi-arch tunnel[J]. Journal of Railway Science and Engineering,2010,7(4): 31－36.

[14]曾宪营,黄亮. 高速公路连拱隧道中隔墙受力数值模拟及量测[J]. 武汉理工大学学报,2008,30(7): 75－78.ZENG Xian-ying,HUANG Liang. Numerical simulation of middle wall in expressway multiple arch tunnel[J].Journal of Wuhan University of Technology,2008,30(7): 75－78.

[15]苟德明,阳军生. 连拱隧道复合式曲中墙力学特征分析[J]. 中外公路,2009,29(4): 153－156.

[16]王祥秋,刘喜元,张文基. 浅埋偏压双连拱隧道信息化施工监测技术研究[J]. 武汉理工大学学报,2009,31(8):116－119.WANG Xiang-qiu,LIU Xi-yuan,ZHANG Wen-ji.Research on the monitoring technology of information construction for the shallow buried double-arched tunnel under unsymmetrical pressure[J]. Journal of Wuhan University of Technology,2009,31(8): 116－119.

[17]周丁恒,曹力桥,王晓形,等. 浅埋大断面大跨度连拱隧道支护体系现场监测试验研究[J]. 岩土工程学报,2010,32(10): 1573－1581.ZHOU Ding-heng,CAO Li-qiao,WANG Xiao-xing,et al.In-situ tests on lining system of double-arch tunnel with shallow large section and span[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32(10): 1573－1581.