双连拱隧道浅埋段中隔墙稳定性研究

2023-03-12黄培东陈俊生

四川水泥 2023年2期

杨琴黄培东陈俊生

（遵义职业技术学院建筑与艺术设计系，贵州遵义 563000）

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具有重要的积极意义，尤其是中短隧道优势更大。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。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，使隧道空间效应更加明显，使地层应力变化与衬砌结构的荷载转换更趋复杂[1-2]。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；如中隔墙失稳、错位、倾斜、下沉，中隔墙衬砌变形开裂，中隔墙顶部围岩破碎、渗水等。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受力及其稳定性进行分析十分必要。本文依托兴义北环线马岭峡谷隧道，对该隧道浅埋段中隔墙受力特性进行监测分析，从而研究其稳定性，用以对项目的安全施工及支护方式设计进行指导，为同类型隧道施工提供有益参考。

1 中隔墙稳定性分析

中隔墙内力计算简图见图1，如果已知图1中N1和N2的值，考虑中隔墙拉伸（压缩）与弯曲的组合关系，推导出中隔墙的轴力N和弯矩M，进一步分析转换成轴力N和水平力H。

图1 中隔墙内力计算简图

混凝土和钢筋共同工作，可以认为两者协调变形，即ε1混凝土=ε2钢筋，由胡克定律，从而得到：

整理可以得到轴力N和弯矩Mz的计算公式为：

式中，N为中隔墙轴力，Mz为中隔墙弯矩；N1和N2为图示中钢筋应力计的轴力；E s和E为钢筋应力计和混凝土的弹性模量，A s和A为钢筋应力计和中隔墙计算面积，A=b·d，d为钢筋计直径，b为两钢筋计水平间距，I z是中隔墙计算惯性矩，为然后将弯矩转换成水平力，即：

为了计算方便，计算出隧道轴线方向尺寸为1m所受的轴力N和水平力H，其中轴力向下为正，水平力向左为正，根据轴力和水平力计算中隔墙的稳定性系数K。

2 工程应用

2.1 工程概况

兴义北环线马岭峡谷隧道（见图2）为双向六车道连拱中隧道，隧道起讫桩号为K10+040～K10+815，全长775m，隧道顶板最大埋深约106m，隧道平面线形依次为R=500m、R=∞，隧道纵坡为下坡，纵坡为-2.657%。隧道进口端采用削竹式洞门，出口端采用整体式端墙洞门[3-4]。

图2 隧道平面位置图

2.2 现场监测

为了解浅埋段中隔墙受力转换规律及施工过程中的安全状态，在浅埋段选取一个断面安装钢筋应力计（见图3）、压力盒、位移观测点等测试传感器[5]。经过公式计算，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进行监测研究。其传感器布置情况及编号如图4所示，本文主要利用GJY2和GJY5进行中隔墙稳定性分析[6-7]。

图3 钢筋应力计安装

图4 中隔墙监测点布置图

2.3 稳定性分析

利用在K10+125断面中隔墙钢筋轴力监测点对应位置安装的钢筋应力计[8-10]，测量计算出GJY2和GJY5测点对应的钢筋轴力，得到对应的轴力时程曲线（见图5），根据第一节的推导可以计算出该断面所受的竖向力和水平力，绘制出对应的时程曲线见图6、7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。

图5 中隔墙主筋GJY2与GJY5轴力时程曲线

图6 中隔墙轴力N时程曲线

图7 中隔墙水平力H时程曲线

由图6、7可知，中隔墙浇筑、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的受力有比较大的影响，水平偏压主要发生在先行洞靠近中隔墙部分上台阶开挖与初支阶段，后行洞靠近中隔墙部分上台阶与下台阶开挖与初支这一态势有所缓解，但无法消除，其结论与文献中钢筋计轴力分析结论一致[11-12]。

利用第一节的推导，进一步计算出稳定性系数K，绘制其时程曲线，见图8。

图8 中隔墙稳定系数K时程曲线

从图8中可知，通过稳定性系数计算[13]，得到其最小系数发生在2021年11月17日，其稳定性系数为8.70，而《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）中关于挡墙抗倾覆有明确要求，只有当稳定性系数大于1.6才能保证挡墙不发生倾覆，本断面中隔墙在主洞开挖支护的所有时间所测得的稳定性系数均满足该要求，说明中隔墙在施工过程中稳定性满足规范要求[14]。