基于主筋軸力長期監(jiān)測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)學院建筑與藝術(shù)設(shè)計系，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，對復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、工期較長等缺點也是不容忽視的[4-5]。特別當要考慮到出渣、施工組織等因素時，主洞開挖采用左右洞非對稱開挖，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)換更趨復雜。尤其是隧道中隔墻，經(jīng)常處于復雜應(yīng)力狀態(tài)下，極易發(fā)生破壞[6]；如中隔墻失穩(wěn)、錯位、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營過程中襯砌的安全性，對雙連拱隧道中隔墻進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，對中隔墻主筋軸力進行長期的監(jiān)測，對該隧道淺埋段中隔墻受力特性進行分析，用以對項目的安全施工及支護方式設(shè)計進行指導，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)測方案

1.1 監(jiān)測斷面選取

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，在淺埋段選取一個斷面安裝鋼筋應(yīng)力計、壓力盒、位移觀測點等測試傳感器。經(jīng)過公式計算得到四級圍巖深、淺埋臨界深度為18.1m；五級圍巖深、淺埋臨界深度為36.2m，最終選擇K10+125斷面進行監(jiān)測研究。

1.2 監(jiān)測階段劃分

中隔墻主筋軸力監(jiān)測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有效的數(shù)據(jù)資料。不同的施工工序會對圍巖和支護造成頻繁的擾動，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挠绊憽１?列出了該斷面主要施工工序及時間節(jié)點。

表1 主要施工工序完成時間節(jié)點表

1.3 監(jiān)測點布置方案

在K10+125斷面中隔墻鋼筋軸力監(jiān)測點對應(yīng)的位置安裝鋼筋應(yīng)力計，鋼筋應(yīng)力計與中隔墻主筋串聯(lián)，監(jiān)測點與傳感器布置情況及編號如圖1所示。

圖1 中隔墻監(jiān)測點布置圖

1.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)讀取

安裝12h后，用JK809型多功能手持讀數(shù)儀測得GJY1至GJY66個測點的應(yīng)力，此后每24h采集一次數(shù)據(jù)。根據(jù)鋼筋應(yīng)力計的初始參數(shù)計算得到各個測點從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GJY4安裝后失效數(shù)據(jù)缺失，鋼筋應(yīng)力計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)測結(jié)果與受力特性分析

2.1 中隔墻主筋軸力監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算結(jié)果繪制K10+125斷面中隔墻主筋各軸力時程曲線如圖2～圖4所示，橫坐標表示測量時間，當t=0d時代表測量時間為10月5日，當t=1d時表示測量時間為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。

圖2 中隔墻主筋左右兩側(cè)軸力時程曲線

圖3 中隔墻主筋左側(cè)軸力時程曲線

圖4 中隔墻主筋右側(cè)軸力時程曲線

2.2 中隔墻主筋軸力變化特征

從圖2~圖4可以看出，中隔墻各個主筋軸力監(jiān)測點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)測點出現(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)上臺階開挖到測試斷面，此時右洞釋放的圍巖壓力通過初期支護傳遞到中隔墻，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)上臺階開挖到測試斷面，此時左洞釋放的圍巖壓力通過初期支護傳遞到中隔墻，中隔墻左右側(cè)主筋軸力均持續(xù)增長，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，此時左右主洞通過拱腳傳給中隔墻的荷載豎向分力起主導作用。

（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階開挖與初支、后行洞靠近中隔墻部分上臺階與下臺階開挖與初支對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）左右主洞遠離中隔墻部分、先行洞靠近中隔墻部分中下臺階及后行洞靠近中隔墻部分中臺階的開挖初支對中隔墻受力影響不大，可不參與階段劃分。

（2）中導洞圍巖應(yīng)力的釋放、先行洞靠近中隔墻部分上臺階開挖與初支、后行洞靠近中隔墻部分上臺階與下臺階開挖與初支對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階與下臺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，遠低于材料的極限壓應(yīng)力；說明材料強度并不會對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 偏壓對中隔墻受力的影響

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

圖5 中隔墻主筋GJY2與GJY5軸力時程對比曲線

圖6 中隔墻主筋GJY3與GJY6軸力時程對比曲線

（1）中導洞應(yīng)力釋放階段：左右兩側(cè)主洞靠近中隔墻部分上臺階尚未開挖，中心墻不承受施工偏壓荷載，此時左右兩側(cè)對應(yīng)主筋軸力監(jiān)測點軸力大致相等，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，此時中隔墻承受偏壓施工荷載，其中其水平分力起主導作用，發(fā)生向左洞的偏轉(zhuǎn)，中隔墻主筋左側(cè)軸力監(jiān)測點（GJY2和GJY3）軸力持續(xù)大幅度增加，而右側(cè)軸力監(jiān)測點或持續(xù)減小（GJY5），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。

（3）后行洞（左洞）靠近中隔墻部分上臺階與下臺階開挖與初支階段：左洞釋放的圍巖壓力通過初期支護傳遞到中隔墻，此時，中隔墻左右側(cè)主筋軸力均持續(xù)增長（GJY2、GJY3、GJY5和GJY6）），在左洞右側(cè)下臺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)勢稍有緩解，但依然存在明顯的偏壓狀態(tài)。

3 結(jié)束語

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

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

（2）中導洞圍巖應(yīng)力的釋放、先行洞靠近中隔墻部分上臺階開挖與初支、后行洞靠近中隔墻部分上臺階與下臺階開挖與初支對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階與下臺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）的開挖到測試截面產(chǎn)生的，從強度上來看，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，遠低于對應(yīng)材料的極限壓應(yīng)力。這說明材料強度并不會對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)的研究可以進一步圍繞中隔墻穩(wěn)定系數(shù)展開。