武关驿隧道中隔壁法施工中临时中隔壁选型分析*

薛 山，孟尧尧，邓祥辉，王 睿，武 君

(1.西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021；2.中国科学院青海盐湖研究所，西宁 810008)

软弱围岩通常具有强度低、稳定性差和变形持续时间长等特点，在隧道施工中常引起大变形、崩塌等破坏现象，导致初支结构强烈变形甚至破坏，严重影响隧道施工安全[1].中隔壁(Center Diaphragm,CD)法各部封闭成环时间短，每部开挖对围岩扰动范围相对较小，且临时仰拱和中隔壁能起到增大结构刚度的作用，可有效控制地表沉降[2].因此，在软弱围岩中经常选用CD法进行施工.

近年来学者们分别利用数值模拟[3-7]、模型试验[8]和现场实测[9-11]等方法对中隔壁的变形进行了研究.文献[12]结合厦门东通道海底隧道现场监控量测数据，对施工过程中中隔壁的变形及其规律进行了分析，为隧道安全施工提供了依据；文献[13]采用有限元软件MIDAS和现场监测，对隧道临时支撑拆除与二衬施工相互间的影响进行分析及现场实测，得出可先行拆除2个施工段的所有临时支撑，然后再隔段拆撑随后二衬施工.但对于CD法施工中临时中隔壁选型方面的研究鲜有报道.武关驿隧道洞口段断面面积大、埋深浅和围岩破碎，施工中难度大易发生安全事故，拟采用CD法施工，临时中隔壁设计为弧形，施工单位为加快施工进度将YK158+579～YK158+634.1断面中隔壁做成斜线形，导致该段发生初支喷射混凝土开裂，局部塌方.后将YK158+634.1～YK158+784断面改回弧形临时中隔壁后，顺利施工通过，未出现工程事故.从目前隧道CD法施工情况看，临时中隔壁采用弧形较大，但由于弧形相对斜线形费时费工，从理论上看，施工单位更偏向于斜线形的临时中隔壁.且随着公路隧道设计标准的提高，目前修建双向六车道、八车道的高等级公路越来越多，斜线形临时中隔壁能否应用于大断面公路隧道也缺乏系统的理论研究.因此文中依托武关驿大断面隧道，对CD法施工中临时中隔壁的选型进行了研究.

1 工程概况

武关驿隧道，位于留坝县武关驿镇武关驿村南侧，G316国道西侧，属宝汉高速PH-09合同段.隧道为分离式单向3车道，左线隧道进口桩号ZK158+598，出口桩号ZK158+788，长190 m；右线隧道进口桩号YK158+579，出口桩号YK158+784，长205 m，均属短隧道.右洞洞口段YK158+579～YK158+634.1段为Ⅴ类围岩，属强风化片麻岩，呈灰白色-浅灰色，中粗粒似斑状结构，块状构造，岩体节理裂隙发育，岩芯呈碎屑及碎块状，围岩较稳定.

YK158+579～YK158+634.1段属洞口浅埋段，围岩软弱破碎，施工方法拟采用CD法，中隔壁设计为弧形，施工步骤如下：① 开挖左上部分；② 左上部分拱部和中隔壁支护；③ 开挖左下部分；④ 左下部分拱部和中隔壁支护；⑤ 开挖右上部分；⑥ 右上部分拱部支护；⑦ 开挖右下部分；⑧ 右下部分拱部支护；⑨ 仰拱施工；⑩ 拱、边墙二次衬砌.

为方便施工，将本断面区间中隔壁制作成75°斜线形，如图1～2所示.导致右洞YK158+634.1断面顶部喷射混凝土大面积掉落，并造成局部垮塌冒顶，如图3～4所示.

1-左上部；2-左下部；3-右上部；4-右下部；5-喷射混凝土；6-钢架；7-二次衬砌

图2 施工中隔壁

图3 YK158+634.1断面喷射混凝土开裂Fig.3 Shotcrete cracking of YK158+634.1 section

图4 YK158+634.1断面右上部分塌方

2 有限元数值模拟分析

分别选取武关驿隧道CD法施工中临时中隔壁设计为斜线形和弧形的典型断面，运用数值模拟的方法，分析围岩水平位移、竖向位移和支护结构应力.

2.1 参数选取与模型建立

计算采用Midas GTS NX有限元分析软件，计算时作如下假定.

2.1.1 计算假定

围岩和支护都是均质、连续和各向同性；由于隧道埋深较浅，地应力计算时不考虑构造应力，只考虑自重应力；将拱架、钢筋网统一考虑在初期支护中；计算时不考虑左、右洞之间的相关影响[14]；隧道采用CD法逐步开挖施工.

2.1.2 边界、本构模型和参数选取

隧道开挖仅对一定范围内的岩体造成扰动，扰动范围约为3～5倍的洞径，计算模型选取二维有限元模型，左右各取60 m，下部取60 m，上部依据实际情况，取为隧道埋深30 m.本构模型选取莫尔-库伦模型[15-21]，围岩和初期支护等效参数的选取见表1.

对本工程中斜线临时中隔壁和弧形临时中隔壁进行数值模拟计算，具体网格划分如图5所示.有限单元划分采用三角形和四边形混合的划分形式.模型边界条件为左右两边限制水平方向的移动，底部限制水平方向与竖直方向的移动.

表1 数值模拟等效参数

图5 有限元模型网格划分

2.2 计算结果对比分析

围岩位移与初期支护结构的应力变化能够直观的反映出隧道施工的安全性，是评价与指导隧道安全施工的重要指标之一[22-24]，故对围岩水平位移、竖向位移和支护结构应力进行分析.

2.2.1 位移对比分析

1) 水平位移

经计算，两种形状临时中隔壁开挖完成围岩水平位移云图如图6所示.

从图6(a)～(b)可见，左、右拱腰处产生较大的水平位移.斜线和弧形选型下各施工步下对应的左、右拱腰水平位移如图7～8所示.

图6 围岩水平位移云图

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

图8 右拱腰水平位移

采用斜线临时中隔壁时，左、右拱腰水平位移最大值分别为13 mm和17 mm.采用弧形临时中隔壁时，左、右拱腰水平位移最大值分别为4.36 mm和4.31 mm，斜线选型下拱腰处水平位移远大于弧形选型下拱腰水平位移.根据《公路隧道施工技术细则》(JTG F60—2009)[15]的规定，周边水平位移允许值为60 mm.在弧形和斜线形临时中隔壁选型下拱腰水平位移均符合规范规定，但是在斜线形选型下，拱腰处存在安全隐患.因此，从拱腰水平位移看，弧形选型优于斜线形选型.

2) 竖向位移

两种选型下围岩竖向位移云图如图9所示.

两种不同选型下，围岩竖向位移出现了相似的规律.两种选型下拱顶处均产生较大的沉降值.斜线和弧形选型下各施工步对应的拱顶沉降值如图10所示.

从图10可以得出，斜线选型时拱顶位移最大值为23.22 mm，弧形选型时最大值为3.30 mm，斜线选型时拱顶沉降值远大于弧形时拱顶沉降值.根据《公路隧道施工技术细则》(JTG F60—2009)，拱顶下沉允许值为60 mm.斜线和弧形选型时拱顶沉降都符合规范规定，但斜线选型时拱顶存在安全隐患.因此，从拱顶沉降来看，弧形选型优于斜线形选型.

2.2.2 喷射混凝土剪应力分析

图11为喷射混凝土剪应力云图.斜线和弧形条件下，喷射混凝土均出现应力集中现象，斜线时应力集中出现在拱顶处，弧形时应力集中出现在拱顶和左拱肩处.斜线时剪应力最大值为4.78 MPa，位于拱顶处；弧形时剪应力最大值为0.79 MPa，位于左拱肩处.按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[16]中规定求得C25混凝土抗剪强度为2.5 MPa，所以斜线时最大剪应力超过混凝土的抗剪强度，拱顶混凝土将发生剪切破坏，而弧形时最大剪应力小于混凝土抗剪强度，不会破坏.

图9 围岩竖向位移云图

图10 拱顶沉降值

弧形临时中隔壁剪应力最大值为0.54 MPa，位于临时中隔壁中部，斜线临时中隔壁剪应力最大值为1.37 MPa，位于中隔壁顶部.斜线时中隔壁最大剪应力值比弧形时增加了154%，两者均未达到混凝土抗剪强度，但斜线时存在一定的安全隐患.因此，从喷射混凝土应力和中隔壁应力来看，弧形形式优于斜线形式的中隔壁.

通过数值模拟的结果可以得出，同弧形选型相比，斜线中隔壁选型容易导致隧道围岩拱顶产生较大的沉降值，拱腰处产生较大的水平位移值和拱顶喷射混凝土发生剪切破坏.因此，弧形选型要优于斜线选型.在YK158+634.1断面选用斜线临时中隔壁是导致断面发生工程事故的主要原因.

图11 喷射混凝土剪应力云图

3 监控量测

隧道围岩周边收敛是指在预设点的断面隧道开挖爆破以后，尽早地在每个隧道开挖区块内，沿着隧道周边的拱腰或边墙部位分别埋设带挂钩的锚桩.采用钢尺式周边收敛仪，使用一根在重锤作用下被拉紧的普通钢尺作为传递位移的媒介，通过百分表测得隧道周边某两点相对位置的变化.拱顶沉降是指在同一断面的拱顶处埋设带挂钩的锚桩，用PENTAX/R-422NM型高精度全站仪量测拱顶下沉.为对斜线和弧形选型下围岩变形和混凝土应力特征进行分析，有必要对隧道围岩拱顶沉降及周边收敛进行现场监控量测(拱顶沉降值取四个测点的平均值).周边收敛设4个测桩，2条测线.其中A、B、E、F分别为四个测桩位点，AB和EF为周边收敛基线.要求4个测桩埋设在同一垂直平面内；A和B、E和F测桩分别在同一水平线上；A、B测桩在隧道左上部I开挖后埋设在开挖底面(如图12中虚线所示)之上1.5 m处左右；E、F测桩在隧道右上部III开挖后埋设在开挖底面之上1.5 m处左右.拱顶沉降测点与周边收敛测桩在同一垂直平面内，且为保证数据可靠布设4个测点，测点1，2在隧道左上部I开挖后埋设于左侧拱顶处，测点3，4在隧道右上部III开挖后埋设于右侧拱顶处.其中测点布置如图12所示.

图12 监控量测测点布置图

选取斜线选型区段YK158+579～YK158+634.1中的典型断面YK158+594.5断面和弧形选型区段YK158+634.1～YK158+784中的典型断面YK158+647断面进行对比分析，周边收敛-时间曲线图如图13～14所示.

图13 断面周边收敛-时间曲线图(YK158+594.5)

由图13～14可以看出，当隧道周边收敛达到稳定时，YK158+594.5断面左拱腰收敛最大值为14.8 mm，YK158+647断面左拱腰收敛最大值为2 mm.YK158+594.5断面右拱腰收敛最大值为10.61 mm，YK158+647断面右拱腰收敛最大值为1.89 mm.同时，数值模拟和监控量测的结果比较接近.可以得出，斜线选型时周边收敛值远大于弧形选型时，弧形中隔壁选型要优于斜线形选型.

YK158+594.5断面和YK158+647断面拱顶沉降监控量测如图15～16所示.从监控量测结果可以看出，当拱顶沉降达到稳定时，YK158+594.5断面拱顶沉降最大值为29.4 mm，YK158+647断面拱顶沉降最大值为7.95 mm.同时，数值模拟和监控量测的结果比较接近.因此，斜线选型时拱顶沉降值远大于弧形选型，弧形中隔壁选型优于斜线选型.

图14 断面周边收敛-时间曲线图(YK158+647)

图15 断面拱顶沉降值(YK158+594.5)Fig.15 Settlement values of the vault at the section(YK158+594.5)

图16 断面拱顶沉降值(YK158+647)

4 结 论

针对武关驿隧道YK158+579～YK158+634.1断面施工中将临时中隔壁制作成斜线形，导致YK158+634.1断面顶部喷射混凝土大面积掉落，并造成局部垮塌，后YK158+634.1～YK158+784断面在施工中改用弧形临时中隔壁，未出现上述工程事故.采用Midas GTS NX有限元分析软件，模拟分析了斜线和弧形的临时中隔壁选型下隧道施工，并从隧道结构的位移和应力两方面对模拟结果进行对比分析.结合现场监控量测结果，所得主要结论为

1) 斜线和弧形时，围岩均在左、右拱腰处产生较大的水平位移，斜线选型时拱腰水平收敛值远大于弧形选型时拱腰水平收敛值，未超过规范容许值，但存在很大的安全隐患.斜线选型下拱腰产生更大的水平收敛值，弧形选型优于斜线选型.斜线和弧形时，围岩均在拱顶处产生较大的竖向位移，斜线选型时拱顶竖向位移远大于弧形时拱顶竖向位移，未超过规范容许值，但存在很大的安全隐患.斜线选型下拱顶产生更大的竖向位移值，弧形选型优于斜线选型.

2) 斜线选型时喷射混凝土剪应力最大值出现在拱顶处，最大剪应力值为4.78 MPa，超过混凝土的抗剪强度，导致混凝土发生剪切破坏；弧形时最大剪应力值出现在左拱肩处，最大剪应力值为0.79 MPa，未达到混凝土的抗剪强度.

3) 通过数值模拟和监控量测结果可见，同弧形中隔壁选型相比，斜线选型容易导致围岩左、右拱腰产生更大的水平位移，拱顶产生更大的竖向位移和拱顶喷射混凝土产生更大的剪应力值.

4) 隧道发生顶部喷射混凝土掉块和局部垮塌的主要原因是采用斜线临时中隔壁时，拱顶产生较大的竖向位移，同时拱顶喷射混凝土剪应力超过了混凝土的抗剪强度，发生剪切破坏.