陳世豪, 代青華, 陳培帥, 袁 青, *, 熊齊歡, 楊 釗

(1. 中交第二航務(wù)工程局有限公司, 湖北 武漢 430040; 2. 長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430040)

0 引言

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

在面對(duì)淺埋軟巖隧道時(shí),施加臨時(shí)仰拱往往成為首選[1-3]。龔軍等[4]采用臨時(shí)仰拱技術(shù)對(duì)寧纏隧道軟巖膨脹巖互層段進(jìn)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(jìn)行軟弱圍巖施工,極易出現(xiàn)水平方向收斂異常的現(xiàn)象,并提出增設(shè)臨時(shí)仰拱的措施; 監(jiān)測(cè)效果表明,采用臨時(shí)仰拱對(duì)控制水平收斂、保證洞室穩(wěn)定具有更好的效果。王志杰等[6]針對(duì)蒙華鐵路陽城隧道軟巖大變形段,提出增加臨時(shí)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(shí)仰拱能夠快速封閉,且便于大型設(shè)備施工,對(duì)軟巖隧道適應(yīng)性強(qiáng),控制變形效果明顯。

然而,傳統(tǒng)工字鋼+噴射混凝土臨時(shí)仰拱在實(shí)際操作過程中也有一定的缺點(diǎn),例如施工質(zhì)量受人為影響大、工效低、不可重復(fù)利用等。為此,不斷有學(xué)者開展相關(guān)研究,創(chuàng)新臨時(shí)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(hào)線淺埋暗挖段為研究背景,將CRD法中臨時(shí)仰拱優(yōu)化為臨時(shí)型鋼梁,取消掛鋼筋網(wǎng)噴混凝土,并鋪設(shè)木板作為施工平臺(tái)。夏海等[10]提出一種適用于三臺(tái)階法的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)臨時(shí)仰拱,每榀分為3個(gè)節(jié)段,節(jié)段間采用卡槽連接。邵珠山等[11]以西安地鐵4號(hào)線淺埋暗挖隧道為背景,對(duì)施工過程中臨時(shí)仰拱的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià),指出可在臨時(shí)仰拱上鋪設(shè)臨時(shí)鋼板,從而提高臨時(shí)仰拱的安全系數(shù)。

綜上可知,臨時(shí)仰拱在控制圍巖變形方面效果良好。目前,在新型臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)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(shí)仰拱適應(yīng)性較差,只針對(duì)某種地質(zhì)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(gòu)件式臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)并配以研發(fā)的新型快拆結(jié)構(gòu),形成新的臨時(shí)仰拱施工方法。該方法可實(shí)現(xiàn)工廠加工預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)快速裝配、重復(fù)利用等目標(biāo),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(jìn)出口位于山體半坡,洞身圍巖破碎、裂隙發(fā)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(xué)參數(shù)如表1所示,屬Ⅴ級(jí)圍巖,施工安全風(fēng)險(xiǎn)高,易發(fā)生塌方、初期支護(hù)大變形。出口端淺埋段地質(zhì)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(xué)參數(shù)

Table 1 Physico-mechanical parameters of tunnel face surrounding rock

地層天然含水率/%內(nèi)摩擦角/(°)黏聚力/kPa滲透系數(shù)/(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(zhì)縱剖面圖

圖2 掌子面碎石土圍巖

設(shè)計(jì)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(gòu)件式臨時(shí)仰拱設(shè)計(jì)

2.1 受力計(jì)算

2.1.1圍巖壓力計(jì)算

總卡2#隧道碎石土段最大埋深為27.44 m,按照J(rèn)TG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》[12],計(jì)算埋深為27.44 m時(shí)的圍巖壓力,計(jì)算結(jié)果如表2所示,計(jì)算過程不再贅述。

圖3 支護(hù)措施設(shè)計(jì)圖(單位: cm)

表2 豎直壓力與水平壓力計(jì)算結(jié)果表

2.1.2 臨時(shí)仰拱受力計(jì)算

根據(jù)JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》[13],雙車道分離式隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)時(shí),Ⅴ級(jí)圍巖下,圍巖及初期支護(hù)荷載分擔(dān)比為20%～40%,保守起見,按照初期支護(hù)承擔(dān)60%荷載計(jì)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(shí)仰拱上,開展臨時(shí)仰拱的彎矩、剪力和軸力的大小分析。計(jì)算模型如圖4所示,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 計(jì)算模型

由圖5可知,臨時(shí)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(nèi)力校核

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力,并結(jié)合市場(chǎng)上常見的鋼材及混凝土[14-15]型號(hào),選擇鋼管混凝土材料及物理力學(xué)性質(zhì)如表3所示。

表3 鋼管混凝土材料及物理力學(xué)性質(zhì)

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

材質(zhì)型號(hào)彈性模量/GPa抗壓強(qiáng)度(設(shè)計(jì)值)/MPa抗拉強(qiáng)度(設(shè)計(jì)值)/MPa鋼管Q235200215215混凝土C303014.31.43

為保證應(yīng)用過程中鋼管混凝土臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)安全,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

設(shè)鋼管混凝土受到的軸力為F,鋼管截面積為A1,軸向應(yīng)力為σ1; 混凝土截面積為A2,軸向應(yīng)力為σ2。

在設(shè)計(jì)強(qiáng)度范圍內(nèi),根據(jù)混凝土和鋼管的本構(gòu)關(guān)系:

(1)

式中:ε1為鋼管的應(yīng)變;σ1為鋼管的應(yīng)力,MPa;E1為鋼管的彈性模量,MPa。

(2)

式中:ε2為混凝土的應(yīng)變;σ2為混凝土的應(yīng)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(xié)調(diào):

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(nèi)徑D2=92 mm,計(jì)算最大軸力為215.32 kN,由此得到:σ1=61.39 MPa,σ2=9.21 MPa。

計(jì)算結(jié)果表明,在最大軸向試驗(yàn)荷載作用下,鋼管軸向應(yīng)力為61.39 MPa,低于其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa;混凝土承受的軸向應(yīng)力為9.21 MPa,低于其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值14.3 MPa,鋼管混凝土處于安全狀態(tài)。

2.3 節(jié)段分配及連接

2.3.1 節(jié)段分配

基于鋼管混凝土受力數(shù)值模擬,將反彎點(diǎn)作為鋼管混凝土臨時(shí)仰拱的分段點(diǎn),如圖6所示。

圖6 臨時(shí)仰拱反彎點(diǎn)示意圖

臨時(shí)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?？紤]將臨時(shí)仰拱分為5段,節(jié)段間連接采用鋼板螺栓與快拆結(jié)構(gòu)相配合。1榀鋼管混凝土臨時(shí)仰拱共使用連接鋼板10塊,快拆結(jié)構(gòu)1個(gè),連接鋼板厚度為12 mm,快拆結(jié)構(gòu)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(shí)仰拱實(shí)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(shí)仰拱分段圖(單位: m)

2.3.2 節(jié)段連接

為實(shí)現(xiàn)快速拆裝,在傳統(tǒng)鋼板螺栓連接的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新新型快拆結(jié)構(gòu)?？觳鸾Y(jié)構(gòu)套筒整體長度為300 mm,厚度為12 mm,鋼管混凝土從兩側(cè)插入,與楔形塊(長80 mm)組成卸荷結(jié)構(gòu),前后用螺母螺桿進(jìn)行拴緊,中間用80 mm×80 mm的墊片固定,螺母采用D20型號(hào)(外徑30 mm,內(nèi)徑20 mm,厚度18 mm),如圖9所示。通過旋轉(zhuǎn)兩側(cè)轉(zhuǎn)輪,楔形卸荷塊向外側(cè)收縮,實(shí)現(xiàn)臨時(shí)仰拱應(yīng)力卸除,達(dá)到快速卸荷拆裝的目的。此外,快拆結(jié)構(gòu)卸荷塊具有8 cm的伸縮量,可在一定長度范圍內(nèi)對(duì)臨時(shí)仰拱長度進(jìn)行調(diào)整,解決實(shí)際長度與理論長度有差別的問題。

(a) 快拆結(jié)構(gòu)三維模型圖

(b) 實(shí)物圖

3 施工工藝

該可拆構(gòu)件式鋼管混凝土臨時(shí)仰拱施作工藝流程包括: 鋼管冷彎加工、混凝土澆筑、預(yù)制仰拱運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)拼裝、臨時(shí)仰拱拆除、下一循環(huán)利用。

3.1 鋼管冷彎加工

鋼管加工采用冷彎機(jī)一次冷彎成型,再分段切割。鋼管冷彎、切割如圖10所示,節(jié)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(guī)C30細(xì)石(5 mm)混凝土在開闊場(chǎng)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(dòng)、敲擊振搗密實(shí),直到將鋼管灌滿為止;此時(shí),在混凝土施工到鋼管頂部時(shí)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(qiáng)度相同的水泥砂漿抹平后,蓋上端板并焊好,達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝。臨時(shí)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(xiàn)場(chǎng)安裝

鋼管混凝土臨時(shí)仰拱在場(chǎng)外預(yù)制完成后,用隨車吊搬運(yùn)至洞內(nèi)安裝位置,單榀鋼管混凝土臨時(shí)仰拱長度為12.4 m,質(zhì)量為442.3 kg,最大節(jié)段質(zhì)量為121.3 kg(不含可拆構(gòu)件與連接鋼板),較原有I18鋼最大節(jié)段質(zhì)量(長6.2 m,不含連接鋼板)輕28.2 kg,可實(shí)現(xiàn)人為搬挪進(jìn)行節(jié)段安裝。

A、F點(diǎn)與初期支護(hù)鋼拱架采用鋼板螺栓連接,C、D、E點(diǎn)節(jié)段間也采用鋼板螺栓連接,B點(diǎn)采用快拆結(jié)構(gòu)連接,安裝順序?yàn)閺挠抑磷?即按照EF—DE—CD—AB—BC的順序,如圖13所示?，F(xiàn)場(chǎng)安裝過程如圖14所示。

圖13 臨時(shí)仰拱安裝斷面圖

(a) 臨時(shí)仰拱擺放

(b) 人工修整

(c) 安裝快拆結(jié)構(gòu)

(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(shí)仰拱與基底的縫隙填充密實(shí),保證其受力均勻,減少應(yīng)力集中。同時(shí)將臨時(shí)仰拱掩埋在洞渣內(nèi),使洞內(nèi)場(chǎng)地工作面保持平整。

裝配式鋼管混凝土臨時(shí)仰拱拆除時(shí)先清理臨時(shí)仰拱上部洞渣,隨后拆除快拆結(jié)構(gòu),再拆除各節(jié)段連接處螺栓。拆除完成后,檢查快拆結(jié)構(gòu)及連接處是否有損壞,若無損壞,可將臨時(shí)仰拱移動(dòng)至下一安裝處進(jìn)行安裝。

4 效果監(jiān)測(cè)與分析

4.1 內(nèi)力與變形分析

拼接完成后,進(jìn)行內(nèi)力與變形監(jiān)測(cè)。每斷面布置3個(gè)初期支護(hù)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別布置在拱頂及兩側(cè)拱腰,布置5個(gè)內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見圖15),分別為C1、C2、C3、C4、C5。

(a) 內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

(b) 圍巖變形測(cè)點(diǎn)布置圖

(c) 應(yīng)變計(jì)安裝

(d) 數(shù)據(jù)采集

將含鋼管混凝土臨時(shí)仰拱的變形監(jiān)測(cè)斷面(ZK37+236)與傳統(tǒng)“型鋼+噴射混凝土”臨時(shí)仰拱的變形監(jiān)測(cè)斷面(ZK37+226)變形速率隨時(shí)間變化曲線繪制如圖16所示。分析可知,鋼管混凝土臨時(shí)仰拱斷面的變形速率降低更快,且變形速率小于傳統(tǒng)型鋼+噴射混凝土臨時(shí)仰拱斷面,含鋼管混凝土臨時(shí)仰拱斷面拱頂沉降變形速率穩(wěn)定值為1.2～2.1 mm/d,傳統(tǒng)“型鋼+噴射混凝土”臨時(shí)仰拱斷面拱頂沉降速率穩(wěn)定值為3.5～6.2 mm/d;含鋼管混凝土臨時(shí)仰拱斷面周邊收斂速率穩(wěn)定值為0.8～1.7 mm/d,傳統(tǒng)“型鋼+噴射混凝土”臨時(shí)仰拱斷面周邊收斂速率穩(wěn)定值為3.9～6.7 mm/d。該可拆構(gòu)件式臨時(shí)仰拱較傳統(tǒng)型鋼臨時(shí)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(shí)間變化曲線

(b) 周邊收斂速率隨時(shí)間變化曲線

表4 圍巖變形速率對(duì)比表

ZK37+236、ZK37+236.6斷面鋼管混凝土臨時(shí)仰拱軸力隨時(shí)間變化曲線如圖17所示。分析可知,軸力隨時(shí)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(shù)值計(jì)算的最大軸力101.16 kN(見圖18),原因?yàn)? 1)實(shí)際開挖過程中,臨時(shí)仰拱在邊墻開挖支護(hù)一段時(shí)間后施作,期間圍巖應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整,圍巖應(yīng)力通過變形得到釋放,而數(shù)值模擬則不存在滯后性,從而使實(shí)測(cè)內(nèi)力小于數(shù)值模擬值;2)實(shí)際過程中,開挖后荷載不僅僅由臨時(shí)仰拱承擔(dān),周圍巖土體也會(huì)分擔(dān)部分荷載,而數(shù)值模擬中荷載全部傳遞到臨時(shí)仰拱上,因此實(shí)測(cè)內(nèi)力小于數(shù)值模擬值。

(b) ZK37+236.6斷面臨時(shí)仰拱軸力隨時(shí)間變化圖

圖18 根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面實(shí)際埋深計(jì)算所得臨時(shí)仰拱軸力(單位: kN)

4.2 工效分析

針對(duì)可拆構(gòu)件式鋼管混凝土和傳統(tǒng)工字鋼+噴混凝土臨時(shí)仰拱現(xiàn)場(chǎng)施作時(shí)的安裝工效進(jìn)行統(tǒng)計(jì),安裝人數(shù)為5,安裝5榀,各工序時(shí)間如表5所示。由表可知,鋼管混凝土臨時(shí)仰拱較傳統(tǒng)工字鋼+噴混凝土臨時(shí)仰拱省去了鋪鋼筋網(wǎng)、焊連接筋、噴射混凝土、噴射混凝土等強(qiáng)工序,工效提升64.3%。

4.3 重復(fù)利用率分析

現(xiàn)場(chǎng)每班施作1～2榀鋼管混凝土臨時(shí)仰拱,對(duì)5榀鋼管混凝土臨時(shí)仰拱進(jìn)行標(biāo)記作為對(duì)象統(tǒng)計(jì)重復(fù)利用率,重復(fù)利用10次后,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查,僅有1節(jié)變形較大,不能重復(fù)使用(見圖19),原因是挖機(jī)在清理覆蓋土層時(shí),由于操作不當(dāng),斗齒碰撞臨時(shí)仰拱致使其中一節(jié)(長3.4 m)發(fā)生較大變形。經(jīng)計(jì)算,重復(fù)利用率達(dá)94.5%; 5個(gè)快拆結(jié)構(gòu)均未發(fā)生破壞,重復(fù)利用率達(dá)100%。

表5 工效統(tǒng)計(jì)表

圖19 變形較大節(jié)段

4.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

將每榀I18型鋼臨時(shí)仰拱的材料用量與每榀可拆構(gòu)件式臨時(shí)仰拱的材料用量統(tǒng)計(jì)如表6所示。由表可知,可拆構(gòu)件式臨時(shí)仰拱比I18鋼臨時(shí)仰拱每榀節(jié)省1 267元。此外,節(jié)段可進(jìn)行循環(huán)利用,設(shè)計(jì)循環(huán)利用次數(shù)為10,進(jìn)一步節(jié)約更大成本。

表6 不同形式臨時(shí)仰拱成本對(duì)比

5 結(jié)論與建議

1)可拆構(gòu)件式臨時(shí)仰拱分為鋼管混凝土和快拆結(jié)構(gòu)2部分,鋼管外徑108 mm,壁厚8 mm,混凝土為C30細(xì)石混凝土,快拆結(jié)構(gòu)由套筒和內(nèi)置楔形卸荷塊組成,鋼管混凝土從兩側(cè)插入,實(shí)現(xiàn)節(jié)段連接。

2)形成可拆構(gòu)件式臨時(shí)仰拱施工工藝,包括鋼管冷彎加工、混凝土澆筑、預(yù)制仰拱運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)拼裝、臨時(shí)仰拱拆除、下一循環(huán)利用等,臨時(shí)仰拱安裝時(shí)要坐落在堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)上,不可懸空,節(jié)段間連接應(yīng)平順牢固避免產(chǎn)生應(yīng)力集中,拆除時(shí)應(yīng)先通過快拆結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力卸除。

3)可拆構(gòu)件式臨時(shí)仰拱運(yùn)行期間結(jié)構(gòu)安全可靠,較傳統(tǒng)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(gòu)件式臨仰拱節(jié)段重復(fù)利用率達(dá)94.5%,快拆結(jié)構(gòu)重復(fù)利用率為100%,與傳統(tǒng)工藝相比降低了材料用量,實(shí)現(xiàn)了重復(fù)利用,大大節(jié)約了成本。

現(xiàn)有設(shè)計(jì)下可拆構(gòu)件式鋼管混凝土臨時(shí)仰拱仍有略微不足,現(xiàn)場(chǎng)初期支護(hù)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(shí)仰拱中增加可伸縮的液壓構(gòu)件,使臨時(shí)仰拱具有更大伸縮量;此外,鋼管混凝土質(zhì)量較大,考慮采用輕質(zhì)骨料、優(yōu)化臨時(shí)仰拱尺寸等方法,對(duì)可拆構(gòu)件式鋼管混凝土臨時(shí)仰拱進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。