基于连拱隧道中墙内力的两洞开挖面合理间距研究

1  引言
随着山区高等级公路建设在我国大面积的展开，公路隧道建设规模正以空前的速度发展。在山岭重丘区，双连拱隧道以其独特的结构形式而得到广泛的应用和发展，但连拱隧道由于跨度较大(双车道大于20m，三车道达到30m以上)，结构复杂，左右主洞开挖与支护交错进行，导致围岩应力变化和衬砌荷载转换复杂化[1j。在连拱隧道中两洞开挖面的合理间距，将直接关系到隧道整体结构的稳定性，在隧道施工过程中，由单侧施工过渡到双侧施工时，围岩应力释放不均衡，从而导致中墙承受较大的偏心荷载，可能导致隧道中墙失稳。在元磨高速公路桥头连拱隧道施工过程中，隧道左右洞开挖面间不合理间距而导致初期支护和中墙出现开裂。
目前在我国已建(在建)双连拱隧道数量已达上百座，其中在元磨高速公路中有15座连拱隧道，在金丽温高速公路中有20多座[4)，但在两洞开挖工作面的间距问题上尚需进一步研究。在已发表的论文中大部分是对双连拱隧道进行二维或三维有限元数值分析，然后分析两洞开挖面的间距或中墙内力分析。有限元数值计算存在较多的假设条件(如模型取各向同性、线弹性体、不考虑构造应力，不考虑衬砌施作的时间差等)和较多的不合理因素(一个开挖荷载步为6m)，从而导致连拱隧道两洞开挖面间距研究有一定的局限性。
通过已发表有关双连拱隧道的资料分析；围岩变形和中墙应力变化与两洞开挖工作面的间距有着密切的关系，围岩应力的释放不仅存在空间效果，而存在时间效应。因此，有必要通过现场的监控量测资料对连拱隧道两洞开挖面的合理间距进行分析研究。所得的数据和结论对大跨度双连拱公路隧道设计和施工具有一定的指导和借鉴意义。
2 依托隧道工程概况
广惠高速公路小金口互通A匝道隧道是一座上、下行合建的四车道连拱高速公路短隧道，隧道轴向近东西方向；长200m，隧道建筑限界净宽22.0m，净高5.0m，内轮廓采用承载能力较好的单心圆形式，边墙为曲墙，中墙为直墙，厚度为1.6m，隧道最大埋深45m。隧道进出口地层为残坡积硬塑性亚粘土及强风化粉砂岩、角砾岩，掘进较容易，但易出现滑动和坍塌。洞身穿过的岩体主要为：弱风化粉砂岩，构造角砾岩，岩芯破碎，隧道以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主。残坡积亚粘土中含少量孔隙水，强一弱风化的基岩含裂隙水，受大气降水补给，径流排泄条件良好。
小金口双连拱隧道的施工方法为三导洞施工方案，即将整个开挖断面分为三个小洞室超前掘进(两个侧壁导坑和一个中导坑)，，正洞施工采用短台阶法掘进，上台阶超前下台阶3~5m，上下台阶均采用微震控制爆破开挖，开挖循环进尺为1.5m，初期支护紧跟掌子面。
3 量测断面布设
在隧道的Ⅱ、Ⅲ类围岩中，分别选取两个试验段(各3个断面)，在中墙埋设的量测传感器采用直径22的钢弦式钢筋应力计，利用相同直径的钢筋对接钢筋应力计后，顶替中墙原位置的一根纵筋(图1和图2)。在隧道中墙不同位置的元件分别编号为A、B、C、D、E、F，在隧道纵向可以组成A-B截面、C-D截面和E-F截面来计算中墙在不同位置处的轴力与弯矩。

4  现场监测数据处理
中墙是连拱隧道的主要承载结构体，不但要承受来自中墙上部岩体传来的压力，而且要承担两侧耳墙传来的压力，受力十分复杂，而中墙的力学行为和它的位移及沉降指标直接关系到连拱隧道的总体稳定性，因此连拱隧道的两洞开挖工作面的间距大小将对中墙内力产生重要影响。
在小金口双连拱隧道的中墙监控量测中，共埋设6个断面，由于篇幅所限，本文只选取1-1断面(在此里程附近左右洞施工较为连续)为研究对象，该断面埋设于Ⅱ类围岩中。
4.1  中墙内力时态曲线分析
中墙是连拱隧道应力最为集中的部位，左右洞的拱形支护结构在承受围岩压力时，将剪力和弯矩转化为轴力传递于中墙，因此中墙将承担来自隧道上方的绝大部分的围岩压力，中墙的内力是以轴力(受压)为主(图3)。中墙轴力大部分时间处于较为平稳的变化之中；在进行正洞施工后(工序④)，中墙的轴力开始出现较大幅度的变化，中墙各截面的轴力均增大了2000kN／m左右，说明双连拱隧道的左洞掘进对中墙的内力产生重大影响。在同—断面处，各截面的轴力沿中墙向上依次减小，但两者之差并不仅仅是中墙自重，而且还必须考虑中墙在隧道轴向的扭距及隧道垂直方向上的剪力等方面的因素。

注：①右侧壁导坑施工；②左侧壁导坑施工；③右正洞施工；④左正洞施工；⑤右洞二衬施工；⑥左洞二衬施工。
相对于中墙轴力变化，其弯矩受隧道两洞施工影响变化较为明显(图4)。在隧道左右洞施工期间，中墙各截面的弯矩时态曲线开始有剧烈变化，中墙各截面的弯矩均出现了从左洞到右洞方向的弯矩(弯矩为负值)，变化最大的是E-F截面(位于中墙底部)，达到800kN·m，中墙上方围岩经过三次扰动后，围岩应力释放率较大，从而影响了中墙的整体稳定性，使中墙出现了一定程度的偏压。隧道从单侧施工过渡到双侧施工时(工序④)，中墙将承受较大的偏心荷载。隧道左洞的施工使围岩应力释放方向发生变化，产生了反方向回推力，是中墙弯矩值迅速减小的原因。但中墙受力是在连拱隧道整体结构中进行调整，在10d后中墙弯矩值再次出现增大趋势，E-F截面弯矩值达到600kN·m，随后逐渐趋于收敛。

4.2  中墙弯矩的时空效应分析
中墙是连拱隧道的核心构件，其受力要在隧道整体结构中进行调整，围岩应力释放不均衡就可能会造成较大的偏压现象，偏压可能导致隧道中墙和支护结构受力受损，进而可能影响连拱隧道结构的整体稳定性。因此，分析隧道左右洞施工对影响中墙内力的空间效应和时间效应十分关键。
从图5中可以看出，隧道右洞施工对中墙弯矩的影响较大，右洞开挖面到达量测断面前(MO段)6m，中墙的弯矩已经开始发生变化，E-F截面弯矩值由—199 kN·m变化至—400kN·m。开挖面经过量测断面后(ON段)10m，中墙E-F截面弯矩开始趋于稳定(—649kN·m)(表1)。由图3可以查出隧道右洞开挖MO段经历时间为5d，开挖ON段所用时间为7d。

隧道左洞的施工对中墙弯矩空间效应(图6)和时间效应(图3)较右洞大，并且出现了强烈的波动现象。隧道左洞开挖面在量测断面前(PO段)8m开始影响中墙弯矩，中墙的E-F截面弯矩值由—44.9kN·m变化至—466.9kN·m(表2)。中墙是连拱隧道的核心构件，其受力要在隧道整体结构中进行调整，隧道左洞施工对中墙内力的空间效应和时间效应分别滞后5m左右和滞后3d左右，围岩应力释放达到最大值，说明此时左洞对中墙的回推力是最大，对中墙的抗倾覆能力是一个最大的考验。开挖面在经过量测断面后16.5m后(OQ段)，中墙弯矩趋于稳定。由图3可以查出隧道左洞开挖PO段经历时间为5d，开挖OQ段所用时间为12d。

从图5和图6中可以知道，隧道右洞施工对中墙内力影响范围为16m(MN段)，而左洞施工对中墙的影响范围为24.5m(PQ段)。由此可知；连拱隧道左洞(后施工正洞)安全顺利施工对隧道整体结构的稳定是至关重要的。
双连拱隧道两洞开挖面间的最小距离应该是右洞施工后对中墙内力影响的后期范围与左洞施工对中墙内力影响的前期范围之和(图7)，即NL段与RP段距离之和为18m。隧道两洞施工对中墙内力影响的前期范围与后期范围，除了存在空间效应外，围岩应力释放的时间效应同样重要。在同一里程处两洞施工的时间间隔必须大于围岩应力稳定释放所需要的时间。因此隧道两洞开挖面间的最少时间应该是即开挖ON段(图5)与PO段(图6)距离所用时间之和12d。也就是说在双连拱隧道Ⅱ类围岩中，为了保证中墙内力和隧道整体结构的稳定，两洞开挖面间距离不少于18m，所需要时间应不少于12d。

结合连拱隧道左右洞施工对中墙和围岩变形监测资料分析结果，为了保证连拱隧道的施工安全与整体结构稳定，提出在软弱围岩连拱隧道中两洞开挖工作面合理间距为2B(单洞开挖跨度为12m)，但同时必须满足在2B范围内施工工期不少于15d，以保证围岩应力均衡释放。
5  结论
结合小金口双连拱隧道中墙内力监测资料对连拱隧道两洞开挖工作面合理间距进行了分析研究，得出以下结论：
a．隧道右洞施工对中墙内力(弯矩)影响范围为16m，而左洞施工对中墙的影响范围为24.5m，两洞开挖面前后至少40.5m范围内中墙内力一直是处于动态变化之中，甚至会出现波动现象。因此，连拱隧道的左洞(后施工正洞)安全顺利施工对隧道整体结构的稳定是至关重要的。
b．中墙是连拱隧道的核心构件，其受力要在隧道整体结构中进行调整，隧道左洞施工对中墙内力影响的空间效应和时间效应分别滞后5m左右和滞后3天左右出现。
c．结合连拱隧道左右洞施工对中墙监测资料的分析结果，为了保证连拱隧道的施工安全与整体结构稳定，提出了在软弱围岩连拱隧道中两洞开挖工作面的合理间距为20(单洞开挖跨度为12m)，但同时还必须满足在2B范围内施工工期不少于15d，以保证围岩应力均衡释放。
参考文献
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(申玉生 赵玉光)