基于主筋軸力長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的連拱隧道淺埋段中隔墻受力特性研究

楊 琴 黃培東 劉 勇

（遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)系，貴州 遵義 563000）

關(guān)鍵字：雙連拱隧道；中隔墻；偏壓；穩(wěn)定性；主筋軸力

0 引言

雙連拱隧道線型流暢，引線占地面積少，空間利用率高，對(duì)復(fù)雜地形山嶺高速公路的線型布設(shè)、征地拆遷、總體工程投資等方面都具有重要的積極意義，尤其是中短隧道優(yōu)勢(shì)更大[1-3]。但是，雙連拱隧道存在的施工工序繁瑣、技術(shù)要求高、工期較長(zhǎng)等缺點(diǎn)也是不容忽視的[4-5]。特別當(dāng)要考慮到出渣、施工組織等因素時(shí)，主洞開挖采用左右洞非對(duì)稱開挖，使得隧道空間效應(yīng)更加明顯，使得地層應(yīng)力變化與襯砌結(jié)構(gòu)的荷載轉(zhuǎn)換更趨復(fù)雜。尤其是隧道中隔墻，經(jīng)常處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，極易發(fā)生破壞[6]；如中隔墻失穩(wěn)、錯(cuò)位、傾斜、下沉[7]，中隔墻襯砌變形開裂，中隔墻頂部圍巖破碎、滲水等[8-10]。為了保證連拱隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和隧道施工安全以及工程成本的控制和隧道后期運(yùn)營(yíng)過程中襯砌的安全性，對(duì)雙連拱隧道中隔墻進(jìn)行受力分析十分必要[11-14]。本文依托興義北環(huán)線馬嶺峽谷隧道，對(duì)中隔墻主筋軸力進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，對(duì)該隧道淺埋段中隔墻受力特性進(jìn)行分析，用以對(duì)項(xiàng)目的安全施工及支護(hù)方式設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，可以為同類型隧道施工提供有益參考。

1 中隔墻主筋軸力監(jiān)測(cè)方案

1.1 監(jiān)測(cè)斷面選取

為了解隧道淺埋段中隔墻受力轉(zhuǎn)換規(guī)律及施工過程中的安全狀況，在淺埋段選取一個(gè)斷面安裝鋼筋應(yīng)力計(jì)、壓力盒、位移觀測(cè)點(diǎn)等測(cè)試傳感器。經(jīng)過公式計(jì)算得到四級(jí)圍巖深、淺埋臨界深度為18.1m；五級(jí)圍巖深、淺埋臨界深度為36.2m，最終選擇K10+125斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。

1.2 監(jiān)測(cè)階段劃分

中隔墻主筋軸力監(jiān)測(cè)是從中隔墻澆筑后至隧道的二次襯砌完成，貫穿連拱隧道的全部施工過程，這為研究連拱隧道中隔墻的受力特性提供了大量真實(shí)有效的數(shù)據(jù)資料。不同的施工工序會(huì)對(duì)圍巖和支護(hù)造成頻繁的擾動(dòng)，從而造成中隔墻主筋軸力的變化，為了研究各施工工序?qū)χ懈魤κ芰Φ挠绊?。?列出了該斷面主要施工工序及時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

表1 主要施工工序完成時(shí)間節(jié)點(diǎn)表

1.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案

在K10+125斷面中隔墻鋼筋軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置安裝鋼筋應(yīng)力計(jì)，鋼筋應(yīng)力計(jì)與中隔墻主筋串聯(lián)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)與傳感器布置情況及編號(hào)如圖1所示。

圖1 中隔墻監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

1.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)讀取

安裝12h后，用JK809型多功能手持讀數(shù)儀測(cè)得GJY1至GJY66個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力，此后每24h采集一次數(shù)據(jù)。根據(jù)鋼筋應(yīng)力計(jì)的初始參數(shù)計(jì)算得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)從2021年10月6日至2022年1月8日所受的軸力，其中鋼筋應(yīng)力計(jì)GJY4安裝后失效數(shù)據(jù)缺失，鋼筋應(yīng)力計(jì)GJY1在2021年11月25日失效，數(shù)據(jù)缺失。

2 中隔墻主筋軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果與受力特性分析

2.1 中隔墻主筋軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果繪制K10+125斷面中隔墻主筋各軸力時(shí)程曲線如圖2～圖4所示，橫坐標(biāo)表示測(cè)量時(shí)間，當(dāng)t=0d時(shí)代表測(cè)量時(shí)間為10月5日，當(dāng)t=1d時(shí)表示測(cè)量時(shí)間為10月6日……以此類推，其中t=16d，21d，25d，36d，43d，60d，62d和66d分別為表1中施工工序2到工序9。拉壓分界線為主筋軸力為0kN的水平線，軸力以受壓為正，受拉為負(fù)。

圖2 中隔墻主筋左右兩側(cè)軸力時(shí)程曲線

圖3 中隔墻主筋左側(cè)軸力時(shí)程曲線

圖4 中隔墻主筋右側(cè)軸力時(shí)程曲線

2.2 中隔墻主筋軸力變化特征

從圖2~圖4可以看出，中隔墻各個(gè)主筋軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)主筋軸力的變化呈現(xiàn)出明顯的階段性特征。

（1）階段一：中隔墻澆筑完成后開始承受荷載，其主筋所受軸向壓力逐步增加，本階段持續(xù)到t=15d，在混凝土澆筑初期部分軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了軸向拉力，可能是由于混凝土內(nèi)部水化熱等因素造成的。

（2）階段二：右洞左側(cè)上臺(tái)階開挖到測(cè)試斷面，此時(shí)右洞釋放的圍巖壓力通過初期支護(hù)傳遞到中隔墻，造成中隔墻左側(cè)主筋軸力急劇增加，右側(cè)減小，說明右洞初期支護(hù)傳遞給中隔墻的荷載以水平荷載為主。

（3）階段三：左洞右側(cè)上臺(tái)階開挖到測(cè)試斷面，此時(shí)左洞釋放的圍巖壓力通過初期支護(hù)傳遞到中隔墻，中隔墻左右側(cè)主筋軸力均持續(xù)增長(zhǎng)，但發(fā)展速度小于階段二中的發(fā)展速度，在左洞右側(cè)下臺(tái)階開挖完成后中隔墻右側(cè)主筋軸力急劇增加，而左側(cè)主筋軸力也有增加，這說明右洞初次襯砌拱腳傳遞給中隔墻墻肩的荷載也水平荷載為主，只是由于與右洞傳遞的水平荷載相抵，此時(shí)左右主洞通過拱腳傳給中隔墻的荷載豎向分力起主導(dǎo)作用。

（4）階段四：左洞開挖引起的圍巖應(yīng)力釋放完畢，中隔墻主筋軸力基本保持穩(wěn)定。

2.3 影響中隔墻受力工序分析

通過階段分析發(fā)現(xiàn)先行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階開挖與初支、后行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階與下臺(tái)階開挖與初支對(duì)中隔墻受力有比較大的影響，也就是表1中的工序1、3、7、9對(duì)中隔墻受力有較大的影響，各施工工序的主要影響情況分析如下：

（1）左右主洞遠(yuǎn)離中隔墻部分、先行洞靠近中隔墻部分中下臺(tái)階及后行洞靠近中隔墻部分中臺(tái)階的開挖初支對(duì)中隔墻受力影響不大，可不參與階段劃分。

（2）中導(dǎo)洞圍巖應(yīng)力的釋放、先行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階開挖與初支、后行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階與下臺(tái)階開挖與初支對(duì)中隔墻受力有比較大的影響。其中，先行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階開挖與初支傳遞給中隔墻的荷載中水平荷載起主要作用，而后行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階與下臺(tái)階開挖與初支傳遞給中隔墻的荷載中豎向荷載起主要作用。

（3）從強(qiáng)度上來看，中隔墻主筋最大軸向壓力不超過25kN，其壓應(yīng)力不超過65MPa，混凝土壓應(yīng)力不超過8MPa，遠(yuǎn)低于材料的極限壓應(yīng)力；說明材料強(qiáng)度并不會(huì)對(duì)中隔墻受力造成影響，水平荷載造成中隔墻的穩(wěn)定性問題才是關(guān)鍵。

2.4 偏壓對(duì)中隔墻受力的影響

為了研究施工過程中偏壓對(duì)中隔墻受力的影響，分別將K10+125斷面左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)的主筋軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)比繪制其時(shí)程曲線，即GJY2與GJY5軸力進(jìn)行對(duì)比，GJY3與GJY6軸力進(jìn)行對(duì)比，繪制得到圖5與圖6；由于GJY4與GJY1在監(jiān)測(cè)過程相繼失效，未能繪制其對(duì)比曲線。由圖5、圖6可知：

圖5 中隔墻主筋GJY2與GJY5軸力時(shí)程對(duì)比曲線

圖6 中隔墻主筋GJY3與GJY6軸力時(shí)程對(duì)比曲線

（1）中導(dǎo)洞應(yīng)力釋放階段：左右兩側(cè)主洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階尚未開挖，中心墻不承受施工偏壓荷載，此時(shí)左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)主筋軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力大致相等，其中GJY2稍大于GJY5，GJY3與GJY6基本相等，這可能是由于中隔墻上方地形初始偏壓力引起的。

（2）先行洞（右洞）靠近中隔墻部分上臺(tái)階開挖與初支階段：右側(cè)主洞施工通過拱腳傳給中隔墻，此時(shí)中隔墻承受偏壓施工荷載，其中其水平分力起主導(dǎo)作用，發(fā)生向左洞的偏轉(zhuǎn)，中隔墻主筋左側(cè)軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)（GJY2和GJY3）軸力持續(xù)大幅度增加，而右側(cè)軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)或持續(xù)減?。℅JY5），或保持穩(wěn)定（GJY6），從而使得后行洞（左洞）一側(cè)鋼筋軸力大幅超過后行洞（右洞）一側(cè)，造成中隔墻明顯的偏壓態(tài)勢(shì)。

（3）后行洞（左洞）靠近中隔墻部分上臺(tái)階與下臺(tái)階開挖與初支階段：左洞釋放的圍巖壓力通過初期支護(hù)傳遞到中隔墻，此時(shí)，中隔墻左右側(cè)主筋軸力均持續(xù)增長(zhǎng)（GJY2、GJY3、GJY5和GJY6）），在左洞右側(cè)下臺(tái)階開挖完成后中隔墻右側(cè)主筋軸力急劇增加，而左側(cè)主筋軸力也有增加，中隔墻偏壓態(tài)勢(shì)稍有緩解，但依然存在明顯的偏壓狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)馬嶺峽谷隧道一個(gè)淺埋段中隔墻主筋軸力的監(jiān)測(cè)，研究中隔墻的受力特性，得到以下結(jié)論：

（1）左右主洞遠(yuǎn)離中隔墻部分、先行洞靠近中隔墻部分中下臺(tái)階及后行洞靠近中隔墻部分中臺(tái)階的開挖初支對(duì)中隔墻受力影響不大，可不參與階段劃分。

（2）中導(dǎo)洞圍巖應(yīng)力的釋放、先行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階開挖與初支、后行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階與下臺(tái)階開挖與初支對(duì)中隔墻受力有比較大的影響。其中先行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階開挖與初支傳遞給中隔墻的荷載中水平荷載起主要作用，而后行洞靠近中隔墻部分上臺(tái)階與下臺(tái)階開挖與初支傳遞給中隔墻的荷載中豎向荷載起主要作用。

（3）中隔墻所受偏壓主要是由于先行洞（右洞）的開挖到測(cè)試截面產(chǎn)生的，從強(qiáng)度上來看，中隔墻主筋最大軸向壓力不超過25kN，其壓應(yīng)力不超過65MPa，混凝土壓應(yīng)力不超過8MPa，遠(yuǎn)低于對(duì)應(yīng)材料的極限壓應(yīng)力。這說明材料強(qiáng)度并不會(huì)對(duì)中隔墻受力造成影響，水平荷載造成中隔墻的穩(wěn)定性問題才是關(guān)鍵，后續(xù)的研究可以進(jìn)一步圍繞中隔墻穩(wěn)定系數(shù)展開。