基于主筋轴力长期监测的连拱隧道浅埋段中隔墙受力特性研究

杨 琴 黄培东 刘 勇

（遵义职业技术学院建筑与艺术设计系，贵州 遵义 563000）

关键字：双连拱隧道；中隔墙；偏压；稳定性；主筋轴力

0 引言

双连拱隧道线型流畅，引线占地面积少，空间利用率高，对复杂地形山岭高速公路的线型布设、征地拆迁、总体工程投资等方面都具有重要的积极意义，尤其是中短隧道优势更大[1-3]。但是，双连拱隧道存在的施工工序繁琐、技术要求高、工期较长等缺点也是不容忽视的[4-5]。特别当要考虑到出渣、施工组织等因素时，主洞开挖采用左右洞非对称开挖，使得隧道空间效应更加明显，使得地层应力变化与衬砌结构的荷载转换更趋复杂。尤其是隧道中隔墙，经常处于复杂应力状态下，极易发生破坏[6]；如中隔墙失稳、错位、倾斜、下沉[7]，中隔墙衬砌变形开裂，中隔墙顶部围岩破碎、渗水等[8-10]。为了保证连拱隧道结构稳定性和隧道施工安全以及工程成本的控制和隧道后期运营过程中衬砌的安全性，对双连拱隧道中隔墙进行受力分析十分必要[11-14]。本文依托兴义北环线马岭峡谷隧道，对中隔墙主筋轴力进行长期的监测，对该隧道浅埋段中隔墙受力特性进行分析，用以对项目的安全施工及支护方式设计进行指导，可以为同类型隧道施工提供有益参考。

1 中隔墙主筋轴力监测方案

1.1 监测断面选取

为了解隧道浅埋段中隔墙受力转换规律及施工过程中的安全状况，在浅埋段选取一个断面安装钢筋应力计、压力盒、位移观测点等测试传感器。经过公式计算得到四级围岩深、浅埋临界深度为18.1m；五级围岩深、浅埋临界深度为36.2m，最终选择K10+125断面进行监测研究。

1.2 监测阶段划分

中隔墙主筋轴力监测是从中隔墙浇筑后至隧道的二次衬砌完成，贯穿连拱隧道的全部施工过程，这为研究连拱隧道中隔墙的受力特性提供了大量真实有效的数据资料。不同的施工工序会对围岩和支护造成频繁的扰动，从而造成中隔墙主筋轴力的变化，为了研究各施工工序对中隔墙受力的影响。表1列出了该断面主要施工工序及时间节点。

表1 主要施工工序完成时间节点表

1.3 监测点布置方案

在K10+125断面中隔墙钢筋轴力监测点对应的位置安装钢筋应力计，钢筋应力计与中隔墙主筋串联，监测点与传感器布置情况及编号如图1所示。

图1 中隔墙监测点布置图

1.4 监测数据读取

安装12h后，用JK809型多功能手持读数仪测得GJY1至GJY66个测点的应力，此后每24h采集一次数据。根据钢筋应力计的初始参数计算得到各个测点从2021年10月6日至2022年1月8日所受的轴力，其中钢筋应力计GJY4安装后失效数据缺失，钢筋应力计GJY1在2021年11月25日失效，数据缺失。

2 中隔墙主筋轴力监测结果与受力特性分析

2.1 中隔墙主筋轴力监测结果

根据监测数据的计算结果绘制K10+125断面中隔墙主筋各轴力时程曲线如图2～图4所示，横坐标表示测量时间，当t=0d时代表测量时间为10月5日，当t=1d时表示测量时间为10月6日……以此类推，其中t=16d，21d，25d，36d，43d，60d，62d和66d分别为表1中施工工序2到工序9。拉压分界线为主筋轴力为0kN的水平线，轴力以受压为正，受拉为负。

图2 中隔墙主筋左右两侧轴力时程曲线

图3 中隔墙主筋左侧轴力时程曲线

图4 中隔墙主筋右侧轴力时程曲线

2.2 中隔墙主筋轴力变化特征

从图2~图4可以看出，中隔墙各个主筋轴力监测点主筋轴力的变化呈现出明显的阶段性特征。

（1）阶段一：中隔墙浇筑完成后开始承受荷载，其主筋所受轴向压力逐步增加，本阶段持续到t=15d，在混凝土浇筑初期部分轴力监测点出现了轴向拉力，可能是由于混凝土内部水化热等因素造成的。

（2）阶段二：右洞左侧上台阶开挖到测试断面，此时右洞释放的围岩压力通过初期支护传递到中隔墙，造成中隔墙左侧主筋轴力急剧增加，右侧减小，说明右洞初期支护传递给中隔墙的荷载以水平荷载为主。

（3）阶段三：左洞右侧上台阶开挖到测试断面，此时左洞释放的围岩压力通过初期支护传递到中隔墙，中隔墙左右侧主筋轴力均持续增长，但发展速度小于阶段二中的发展速度，在左洞右侧下台阶开挖完成后中隔墙右侧主筋轴力急剧增加，而左侧主筋轴力也有增加，这说明右洞初次衬砌拱脚传递给中隔墙墙肩的荷载也水平荷载为主，只是由于与右洞传递的水平荷载相抵，此时左右主洞通过拱脚传给中隔墙的荷载竖向分力起主导作用。

（4）阶段四：左洞开挖引起的围岩应力释放完毕，中隔墙主筋轴力基本保持稳定。

2.3 影响中隔墙受力工序分析

通过阶段分析发现先行洞靠近中隔墙部分上台阶开挖与初支、后行洞靠近中隔墙部分上台阶与下台阶开挖与初支对中隔墙受力有比较大的影响，也就是表1中的工序1、3、7、9对中隔墙受力有较大的影响，各施工工序的主要影响情况分析如下：

（1）左右主洞远离中隔墙部分、先行洞靠近中隔墙部分中下台阶及后行洞靠近中隔墙部分中台阶的开挖初支对中隔墙受力影响不大，可不参与阶段划分。

（2）中导洞围岩应力的释放、先行洞靠近中隔墙部分上台阶开挖与初支、后行洞靠近中隔墙部分上台阶与下台阶开挖与初支对中隔墙受力有比较大的影响。其中，先行洞靠近中隔墙部分上台阶开挖与初支传递给中隔墙的荷载中水平荷载起主要作用，而后行洞靠近中隔墙部分上台阶与下台阶开挖与初支传递给中隔墙的荷载中竖向荷载起主要作用。

（3）从强度上来看，中隔墙主筋最大轴向压力不超过25kN，其压应力不超过65MPa，混凝土压应力不超过8MPa，远低于材料的极限压应力；说明材料强度并不会对中隔墙受力造成影响，水平荷载造成中隔墙的稳定性问题才是关键。

2.4 偏压对中隔墙受力的影响

为了研究施工过程中偏压对中隔墙受力的影响，分别将K10+125断面左右两侧对应的主筋轴力监测点对比绘制其时程曲线，即GJY2与GJY5轴力进行对比，GJY3与GJY6轴力进行对比，绘制得到图5与图6；由于GJY4与GJY1在监测过程相继失效，未能绘制其对比曲线。由图5、图6可知：

图5 中隔墙主筋GJY2与GJY5轴力时程对比曲线

图6 中隔墙主筋GJY3与GJY6轴力时程对比曲线

（1）中导洞应力释放阶段：左右两侧主洞靠近中隔墙部分上台阶尚未开挖，中心墙不承受施工偏压荷载，此时左右两侧对应主筋轴力监测点轴力大致相等，其中GJY2稍大于GJY5，GJY3与GJY6基本相等，这可能是由于中隔墙上方地形初始偏压力引起的。

（2）先行洞（右洞）靠近中隔墙部分上台阶开挖与初支阶段：右侧主洞施工通过拱脚传给中隔墙，此时中隔墙承受偏压施工荷载，其中其水平分力起主导作用，发生向左洞的偏转，中隔墙主筋左侧轴力监测点（GJY2和GJY3）轴力持续大幅度增加，而右侧轴力监测点或持续减小（GJY5），或保持稳定（GJY6），从而使得后行洞（左洞）一侧钢筋轴力大幅超过后行洞（右洞）一侧，造成中隔墙明显的偏压态势。

（3）后行洞（左洞）靠近中隔墙部分上台阶与下台阶开挖与初支阶段：左洞释放的围岩压力通过初期支护传递到中隔墙，此时，中隔墙左右侧主筋轴力均持续增长（GJY2、GJY3、GJY5和GJY6）），在左洞右侧下台阶开挖完成后中隔墙右侧主筋轴力急剧增加，而左侧主筋轴力也有增加，中隔墙偏压态势稍有缓解，但依然存在明显的偏压状态。

3 结束语

本文通过对马岭峡谷隧道一个浅埋段中隔墙主筋轴力的监测，研究中隔墙的受力特性，得到以下结论：

（1）左右主洞远离中隔墙部分、先行洞靠近中隔墙部分中下台阶及后行洞靠近中隔墙部分中台阶的开挖初支对中隔墙受力影响不大，可不参与阶段划分。

（2）中导洞围岩应力的释放、先行洞靠近中隔墙部分上台阶开挖与初支、后行洞靠近中隔墙部分上台阶与下台阶开挖与初支对中隔墙受力有比较大的影响。其中先行洞靠近中隔墙部分上台阶开挖与初支传递给中隔墙的荷载中水平荷载起主要作用，而后行洞靠近中隔墙部分上台阶与下台阶开挖与初支传递给中隔墙的荷载中竖向荷载起主要作用。

（3）中隔墙所受偏压主要是由于先行洞（右洞）的开挖到测试截面产生的，从强度上来看，中隔墙主筋最大轴向压力不超过25kN，其压应力不超过65MPa，混凝土压应力不超过8MPa，远低于对应材料的极限压应力。这说明材料强度并不会对中隔墙受力造成影响，水平荷载造成中隔墙的稳定性问题才是关键，后续的研究可以进一步围绕中隔墙稳定系数展开。