隧道可拆構件式臨時仰拱技術及應用研究

陳世豪, 代青華, 陳培帥, 袁 青, *, 熊齊歡, 楊 釗

(1. 中交第二航務工程局有限公司, 湖北 武漢 430040; 2. 長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室, 湖北 武漢 430040)

0 引言

在交通強國戰略需求下,我國已是隧道修建規模和難度最大的國家,不可避免地會遇到越來越多的淺埋軟弱圍巖隧道,其施工難度大,極易發生塌方、初期支護大變形等,給工程建設帶來極大挑戰。

在面對淺埋軟巖隧道時,施加臨時仰拱往往成為首選[1-3]。龔軍等[4]采用臨時仰拱技術對寧纏隧道軟巖膨脹巖互層段進行變形控制,效果良好。黃尚錦等[5]以九綿高速青龍橋隧道為依托,指出在雨季進行軟弱圍巖施工,極易出現水平方向收斂異常的現象,并提出增設臨時仰拱的措施; 監測效果表明,采用臨時仰拱對控制水平收斂、保證洞室穩定具有更好的效果。王志杰等[6]針對蒙華鐵路陽城隧道軟巖大變形段,提出增加臨時仰拱、扇形支撐、加固注漿等措施,控制變形效果顯著。陳潔金等[7]、曹明星等[8]指出臨時仰拱能夠快速封閉,且便于大型設備施工,對軟巖隧道適應性強,控制變形效果明顯。

然而,傳統工字鋼+噴射混凝土臨時仰拱在實際操作過程中也有一定的缺點,例如施工質量受人為影響大、工效低、不可重復利用等。為此,不斷有學者開展相關研究,創新臨時仰拱形式及新型施工工藝。周保生[9]以深圳市軌道交通9號線淺埋暗挖段為研究背景,將CRD法中臨時仰拱優化為臨時型鋼梁,取消掛鋼筋網噴混凝土,并鋪設木板作為施工平臺。夏海等[10]提出一種適用于三臺階法的鋼筋混凝土結構臨時仰拱,每榀分為3個節段,節段間采用卡槽連接。邵珠山等[11]以西安地鐵4號線淺埋暗挖隧道為背景,對施工過程中臨時仰拱的安全性進行評價,指出可在臨時仰拱上鋪設臨時鋼板,從而提高臨時仰拱的安全系數。

綜上可知,臨時仰拱在控制圍巖變形方面效果良好。目前,在新型臨時仰拱結構形式和施工工藝方面的研究較少,已有的“型鋼梁+木板”、鋼筋混凝土臨時仰拱適應性較差,只針對某種地質條件或某一隧道,成果難以推廣。鑒于此,本文提出一種新型可拆構件式臨時仰拱結構并配以研發的新型快拆結構,形成新的臨時仰拱施工方法。該方法可實現工廠加工預制、現場快速裝配、重復利用等目標,以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

總卡2#隧道位于青海省國家高速公路G0611同仁至賽爾龍(青甘界)段,為2車道隧道,進出口位于山體半坡,洞身圍巖破碎、裂隙發育。出口端淺埋段長度為60 m,埋深為5.2～27.44 m,掌子面圍巖以碎石土為主,圍巖物理力學參數如表1所示,屬Ⅴ級圍巖,施工安全風險高,易發生塌方、初期支護大變形。出口端淺埋段地質縱剖面如圖1所示,掌子面碎石土圍巖如圖2所示。

表1 掌子面圍巖物理力學參數

Table 1 Physico-mechanical parameters of tunnel face surrounding rock

地層天然含水率/%內摩擦角/(°)黏聚力/kPa滲透系數/(cm?s-1)重度/(kN?m-3)碎石土27.5352.50.0620

圖1 出口端淺埋段地質縱剖面圖

圖2 掌子面碎石土圍巖

設計采用工22a型鋼拱架,縱向間距為60 cm,二次襯砌采用C35鋼筋混凝土,厚度為50 cm,如圖3所示。

2 可拆構件式臨時仰拱設計

2.1 受力計算

2.1.1圍巖壓力計算

總卡2#隧道碎石土段最大埋深為27.44 m,按照JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》[12],計算埋深為27.44 m時的圍巖壓力,計算結果如表2所示,計算過程不再贅述。

圖3 支護措施設計圖(單位: cm)

表2 豎直壓力與水平壓力計算結果表

2.1.2 臨時仰拱受力計算

根據JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》[13],雙車道分離式隧道采用復合式襯砌結構時,Ⅴ級圍巖下,圍巖及初期支護荷載分擔比為20%～40%,保守起見,按照初期支護承擔60%荷載計算。采用有限元分析手段,將相鄰2榀間的圍巖壓力加載到臨時仰拱上,開展臨時仰拱的彎矩、剪力和軸力的大小分析。計算模型如圖4所示,計算結果如圖5所示。

圖4 計算模型

由圖5可知,臨時仰拱所受最大軸力約為215.32 kN,最大剪力約為139.67 kN,最大彎矩約為117.29 kN·m。

(a) 軸力圖(單位: kN)

(c) 彎矩圖(單位: kN·m)

2.2 材料選型及內力校核

根據結構受力,并結合市場上常見的鋼材及混凝土[14-15]型號,選擇鋼管混凝土材料及物理力學性質如表3所示。

表3 鋼管混凝土材料及物理力學性質

Table 3 Materials and physico-mechanical properties of concrete-filled steel tube

材質型號彈性模量/GPa抗壓強度(設計值)/MPa抗拉強度(設計值)/MPa鋼管Q235200215215混凝土C303014.31.43

為保證應用過程中鋼管混凝土臨時仰拱結構安全,對結構進行強度校核。

設鋼管混凝土受到的軸力為F,鋼管截面積為A1,軸向應力為σ1; 混凝土截面積為A2,軸向應力為σ2。

在設計強度范圍內,根據混凝土和鋼管的本構關系:

(1)

式中:ε1為鋼管的應變;σ1為鋼管的應力,MPa;E1為鋼管的彈性模量,MPa。

(2)

式中:ε2為混凝土的應變;σ2為混凝土的應力,MPa;E2為混凝土的彈性模量,MPa。

鋼管混凝土壓縮過程中,混凝土與鋼管的變形協調:

ε1=ε2。

(3)

由靜力平衡得到:

σ1A1+σ2A2=F。

(4)

最終得到:

(5)

(6)

鋼管混凝土中鋼管外徑D1=108 mm,內徑D2=92 mm,計算最大軸力為215.32 kN,由此得到:σ1=61.39 MPa,σ2=9.21 MPa。

計算結果表明,在最大軸向試驗荷載作用下,鋼管軸向應力為61.39 MPa,低于其抗壓強度設計值215 MPa;混凝土承受的軸向應力為9.21 MPa,低于其抗壓強度設計值14.3 MPa,鋼管混凝土處于安全狀態。

2.3 節段分配及連接

2.3.1 節段分配

基于鋼管混凝土受力數值模擬,將反彎點作為鋼管混凝土臨時仰拱的分段點,如圖6所示。

圖6 臨時仰拱反彎點示意圖

臨時仰拱弧長為12.64 m,半徑為33.19 m,圓心角為22°,弧度為0.38,如圖7所示。考慮將臨時仰拱分為5段,節段間連接采用鋼板螺栓與快拆結構相配合。1榀鋼管混凝土臨時仰拱共使用連接鋼板10塊,快拆結構1個,連接鋼板厚度為12 mm,快拆結構卸荷塊厚度為80 mm,考慮圍巖收斂為20 mm,安裝誤差為20 mm。由此可得1榀臨時仰拱實際下料長度為: 12.64 m-10×0.012 m-0.08 m-0.02 m-0.02 m=12.40 m。

分段長度lAB=1.1 m,lBC=3.4 m,lCD=3.4 m,lDE=3.4 m,lEF=1.1 m,如圖8所示。

圖8 裝配式臨時仰拱分段圖(單位: m)

2.3.2 節段連接

為實現快速拆裝,在傳統鋼板螺栓連接的基礎上,創新新型快拆結構。快拆結構套筒整體長度為300 mm,厚度為12 mm,鋼管混凝土從兩側插入,與楔形塊(長80 mm)組成卸荷結構,前后用螺母螺桿進行拴緊,中間用80 mm×80 mm的墊片固定,螺母采用D20型號(外徑30 mm,內徑20 mm,厚度18 mm),如圖9所示。通過旋轉兩側轉輪,楔形卸荷塊向外側收縮,實現臨時仰拱應力卸除,達到快速卸荷拆裝的目的。此外,快拆結構卸荷塊具有8 cm的伸縮量,可在一定長度范圍內對臨時仰拱長度進行調整,解決實際長度與理論長度有差別的問題。

(a) 快拆結構三維模型圖

(b) 實物圖

3 施工工藝

該可拆構件式鋼管混凝土臨時仰拱施作工藝流程包括: 鋼管冷彎加工、混凝土澆筑、預制仰拱運輸、現場拼裝、臨時仰拱拆除、下一循環利用。

3.1 鋼管冷彎加工

鋼管加工采用冷彎機一次冷彎成型,再分段切割。鋼管冷彎、切割如圖10所示,節段加工完成后如圖11所示。

(a) A單元

(b) B單元

3.2 混凝土澆筑

常規C30細石(5 mm)混凝土在開闊場地灌注,混凝土配合比為水∶水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶減水劑=164∶308∶803∶1 023∶102∶4.1,坍落度為200 mm,通過自流澆筑充填,1次澆灌高度不宜大于1.5 m,逐層澆筑,輔助輕微晃動、敲擊振搗密實,直到將鋼管灌滿為止;此時,在混凝土施工到鋼管頂部時暫不加端板,3 d后混凝土施工表面由于收縮而下凹,用和混凝土強度相同的水泥砂漿抹平后,蓋上端板并焊好,達到設計強度后進行現場安裝。臨時仰拱混凝土澆筑如圖12所示。

(a) A單元混凝土澆筑

(b) B單元混凝土澆筑

(c) 混凝土收縮后抹平

(d) 端口連接蓋板焊接

3.3 現場安裝

鋼管混凝土臨時仰拱在場外預制完成后,用隨車吊搬運至洞內安裝位置,單榀鋼管混凝土臨時仰拱長度為12.4 m,質量為442.3 kg,最大節段質量為121.3 kg(不含可拆構件與連接鋼板),較原有I18鋼最大節段質量(長6.2 m,不含連接鋼板)輕28.2 kg,可實現人為搬挪進行節段安裝。

A、F點與初期支護鋼拱架采用鋼板螺栓連接,C、D、E點節段間也采用鋼板螺栓連接,B點采用快拆結構連接,安裝順序為從右至左,即按照EF—DE—CD—AB—BC的順序,如圖13所示。現場安裝過程如圖14所示。

圖13 臨時仰拱安裝斷面圖

(a) 臨時仰拱擺放

(b) 人工修整

(c) 安裝快拆結構

(d) 安裝連接鋼板螺栓

(e) 整體圖

(f) 覆土掩埋

安裝完成后,用洞渣將臨時仰拱與基底的縫隙填充密實,保證其受力均勻,減少應力集中。同時將臨時仰拱掩埋在洞渣內,使洞內場地工作面保持平整。

裝配式鋼管混凝土臨時仰拱拆除時先清理臨時仰拱上部洞渣,隨后拆除快拆結構,再拆除各節段連接處螺栓。拆除完成后,檢查快拆結構及連接處是否有損壞,若無損壞,可將臨時仰拱移動至下一安裝處進行安裝。

4 效果監測與分析

4.1 內力與變形分析

拼接完成后,進行內力與變形監測。每斷面布置3個初期支護變形監測點,分別布置在拱頂及兩側拱腰,布置5個內力監測點(見圖15),分別為C1、C2、C3、C4、C5。

(a) 內力監測點布置示意圖

(b) 圍巖變形測點布置圖

(c) 應變計安裝

(d) 數據采集

將含鋼管混凝土臨時仰拱的變形監測斷面(ZK37+236)與傳統“型鋼+噴射混凝土”臨時仰拱的變形監測斷面(ZK37+226)變形速率隨時間變化曲線繪制如圖16所示。分析可知,鋼管混凝土臨時仰拱斷面的變形速率降低更快,且變形速率小于傳統型鋼+噴射混凝土臨時仰拱斷面,含鋼管混凝土臨時仰拱斷面拱頂沉降變形速率穩定值為1.2～2.1 mm/d,傳統“型鋼+噴射混凝土”臨時仰拱斷面拱頂沉降速率穩定值為3.5～6.2 mm/d;含鋼管混凝土臨時仰拱斷面周邊收斂速率穩定值為0.8～1.7 mm/d,傳統“型鋼+噴射混凝土”臨時仰拱斷面周邊收斂速率穩定值為3.9～6.7 mm/d。該可拆構件式臨時仰拱較傳統型鋼臨時仰拱可降低拱頂沉降變形速率65.7%～66.1%;降低周邊收斂速率74.6%～79.5%,如表4所示。

(a) 拱頂沉降速率隨時間變化曲線

(b) 周邊收斂速率隨時間變化曲線

表4 圍巖變形速率對比表

ZK37+236、ZK37+236.6斷面鋼管混凝土臨時仰拱軸力隨時間變化曲線如圖17所示。分析可知,軸力隨時間先快速增加隨后趨于平緩,在覆土掩埋車輛行走之后軸力有較大增長,最大軸力為72.3 kN,小于數值計算的最大軸力101.16 kN(見圖18),原因為: 1)實際開挖過程中,臨時仰拱在邊墻開挖支護一段時間后施作,期間圍巖應力場調整,圍巖應力通過變形得到釋放,而數值模擬則不存在滯后性,從而使實測內力小于數值模擬值;2)實際過程中,開挖后荷載不僅僅由臨時仰拱承擔,周圍巖土體也會分擔部分荷載,而數值模擬中荷載全部傳遞到臨時仰拱上,因此實測內力小于數值模擬值。

(b) ZK37+236.6斷面臨時仰拱軸力隨時間變化圖

圖18 根據監測斷面實際埋深計算所得臨時仰拱軸力(單位: kN)

4.2 工效分析

針對可拆構件式鋼管混凝土和傳統工字鋼+噴混凝土臨時仰拱現場施作時的安裝工效進行統計,安裝人數為5,安裝5榀,各工序時間如表5所示。由表可知,鋼管混凝土臨時仰拱較傳統工字鋼+噴混凝土臨時仰拱省去了鋪鋼筋網、焊連接筋、噴射混凝土、噴射混凝土等強工序,工效提升64.3%。

4.3 重復利用率分析

現場每班施作1～2榀鋼管混凝土臨時仰拱,對5榀鋼管混凝土臨時仰拱進行標記作為對象統計重復利用率,重復利用10次后,經現場檢查,僅有1節變形較大,不能重復使用(見圖19),原因是挖機在清理覆蓋土層時,由于操作不當,斗齒碰撞臨時仰拱致使其中一節(長3.4 m)發生較大變形。經計算,重復利用率達94.5%; 5個快拆結構均未發生破壞,重復利用率達100%。

表5 工效統計表

圖19 變形較大節段

4.4 經濟效益分析

將每榀I18型鋼臨時仰拱的材料用量與每榀可拆構件式臨時仰拱的材料用量統計如表6所示。由表可知,可拆構件式臨時仰拱比I18鋼臨時仰拱每榀節省1 267元。此外,節段可進行循環利用,設計循環利用次數為10,進一步節約更大成本。

表6 不同形式臨時仰拱成本對比

5 結論與建議

1)可拆構件式臨時仰拱分為鋼管混凝土和快拆結構2部分,鋼管外徑108 mm,壁厚8 mm,混凝土為C30細石混凝土,快拆結構由套筒和內置楔形卸荷塊組成,鋼管混凝土從兩側插入,實現節段連接。

2)形成可拆構件式臨時仰拱施工工藝,包括鋼管冷彎加工、混凝土澆筑、預制仰拱運輸、現場拼裝、臨時仰拱拆除、下一循環利用等,臨時仰拱安裝時要坐落在堅實基礎上,不可懸空,節段間連接應平順牢固避免產生應力集中,拆除時應先通過快拆結構進行應力卸除。

3)可拆構件式臨時仰拱運行期間結構安全可靠,較傳統工藝可降低拱頂沉降變形速率65.7%～66.1%,降低周邊收斂速率74.6%～79.5%,提高工效64.3%。

4)可拆構件式臨仰拱節段重復利用率達94.5%,快拆結構重復利用率為100%,與傳統工藝相比降低了材料用量,實現了重復利用,大大節約了成本。

現有設計下可拆構件式鋼管混凝土臨時仰拱仍有略微不足,現場初期支護鋼拱架每榀與每榀的周邊收斂值存在差異性,下一步在臨時仰拱中增加可伸縮的液壓構件,使臨時仰拱具有更大伸縮量;此外,鋼管混凝土質量較大,考慮采用輕質骨料、優化臨時仰拱尺寸等方法,對可拆構件式鋼管混凝土臨時仰拱進一步優化設計。