在工字鋼架上鉆孔施作超前支護(hù)的技術(shù)研究＊

鞏江峰，張 磊

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

在工字鋼架上鉆孔施作超前支護(hù)的技術(shù)研究＊

鞏江峰，張 磊

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

根據(jù)近幾年在廣昆線、武廣線配合施工的工作實踐及其他線施工狀況的調(diào)查，目前施工單位在工字鋼架上鉆孔施作超前支護(hù)的現(xiàn)象比較普遍，很多工程師對此做法表示贊成，也有很多工程技術(shù)人員對此提出質(zhì)疑，認(rèn)為對鋼架的強(qiáng)度影響較大，本文通過不同荷載工況下對鋼架的變形進(jìn)行分析，得出該工藝在工程領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。

鐵路隧道;超前支護(hù);鋼架剛度

新奧法施工理論在我國鐵路隧道建設(shè)中已得到廣泛的應(yīng)用。隧道襯砌由初期支護(hù)和二次襯砌組成，其中初期支護(hù)既要能與圍巖共同變形，又要有足夠的強(qiáng)度和剛度約束圍巖變形［1－2］。目前我國鐵路建設(shè)中采用噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)以及型鋼鋼架共同組成初期支護(hù)已相當(dāng)普遍，在圍巖較差的地段，為了保證開挖后掌子面后方拱頂圍巖的穩(wěn)定及抑制掌子面前方圍巖的變形，往往在型鋼鋼架支護(hù)的基礎(chǔ)上，設(shè)置了超前錨桿或者小導(dǎo)管支護(hù)。

目前許多施工單位在現(xiàn)場施作超前支護(hù)時，提前在洞外工字鋼架上按設(shè)計要求鉆孔，鋼架架立完后，直接利用風(fēng)槍沿預(yù)先留好的孔往掌子面前方施作超前鉆孔并安裝超前錨桿或者小導(dǎo)管，很多現(xiàn)場檢查工作的人員指出這樣會削弱鋼架的剛度，不利于施工安全。為此，針對相同荷載狀況下，在工字鋼架上鉆孔對鋼架剛度的影響進(jìn)行分析。

1 施工單位習(xí)慣于在工字鋼架上鉆孔施作超前支護(hù)的原因

1.1 方便洞內(nèi)超前鉆孔施工

在洞外工字鋼上加工鉆孔:第一，能夠嚴(yán)格按設(shè)計的孔間距進(jìn)行加工，確保超前錨桿或小導(dǎo)管合理分布;第二，能夠引導(dǎo)超前鉆孔的施作，起到導(dǎo)向裝置的作用;第三，超前鉆孔的位置距離拱頂圍巖有10 cm左右的間隙，留給施作超前鉆孔人員一定的操作空間［3－4］。

1.2 超前支護(hù)施工質(zhì)量有保障

由于超前支護(hù)在孔間距上能嚴(yán)格按設(shè)計施作，另外超前鉆孔的孔斜率可以得到有效的控制，確保了超強(qiáng)支護(hù)的施工質(zhì)量［5］。

1.3 掌子面施作超前鉆孔人員安全更有保證

傳統(tǒng)超前支護(hù)的鉆孔都在型鋼鋼架上方鉆孔，由于放炮開挖造成圍巖松動，加之鉆孔時對鋼架上方圍巖的擾動，可能引發(fā)圍巖掉塊，影響施工安全;在工字鋼架上鉆孔施作超前支護(hù)，由于有工字鋼架的保護(hù)，掌子面施作超前鉆孔人員安全更有保證。

2 不同工況下工字鋼架變形分析

圍巖較差地段的初期支護(hù)是由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)以及型鋼鋼架組成，本次研究為了分析在工字鋼上鉆孔對型鋼鋼架變形的影響，主要通過2種方法分別進(jìn)行分析:第1種，理論推算分析，即計算工字鋼剛度(EI)在有超前鉆孔時和無超前鉆孔時的變化。第2種，有限元計算分析，即通過在型鋼鋼架上施加圍巖荷載，并考慮圍巖對鋼架變形的約束作用，分析在相同荷載作用下，型鋼鋼架無超前鉆孔和有超前鉆孔時鋼架變形情況。

施工過程中，施工單位經(jīng)常根據(jù)圍巖的變形監(jiān)控量測調(diào)整超前小導(dǎo)管的數(shù)量，因而工字鋼架上的鉆孔間距也會相應(yīng)改變，本文考慮鉆孔間距的上限50 cm和下限20 cm 2種情況，其余間距情況下，可類比這2種計算結(jié)果。

2.1 理論推算分析

由于鋼架的荷載形式、邊界條件以及圍巖的約束條件比較復(fù)雜，要求解鋼架的理論解是非常困難的。在工字鋼架上均勻鉆孔后，工字鋼架成為剛度周期性變化的曲梁，為簡化計算，可求解周期性變化的曲梁的等效剛度，通過比較等效剛度的變化，定性分析鋼架的變形情況。鋼架的剛度為EI，其中E為彈性模量，I為鋼架的截面慣性矩，由于彈性模量E不變，比較鋼架的等效截面慣性矩即可。取鋼架的一個單位胞元，如圖1所示，計算該胞元的平均截面慣性矩作為等效截面慣性矩［6］。

圖1 鉆孔鋼架單位胞元Fig.1 Representative steel frame element with hole

計算結(jié)果如表1。

表1 計算結(jié)果Table 1 Calculation results

由表中計算結(jié)果顯示，鉆孔后鋼架的剛度折減很小，基本沒有變化，主要原因在于鉆孔發(fā)生在工字鋼肋板的中間，肋板很薄，孔徑較小，其減小的截面慣性矩很小。

2.2 荷載結(jié)構(gòu)變形分析

2.2.1 數(shù)值分析軟件及結(jié)構(gòu)模型

采用荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計算。鋼架以I20b型鋼為例，全環(huán)設(shè)置，鉆孔范圍為拱部120°，孔徑Ф 50，深埋Ⅴ級圍巖荷載;根據(jù)局部變形理論，以彈簧模擬圍巖彈性抗力，彈簧全環(huán)設(shè)置，受拉時自動失效，彈性抗力采用Ⅴ級圍巖相關(guān)數(shù)據(jù)，取100 MPa/m。運用 ABAQUS有限元通用軟件［7］，建立工字鋼架的實體模型，比較鋼架無鉆孔和鉆孔時的變形。為減小計算規(guī)模，提高計算速度，取關(guān)于y軸對稱的一半計算模型，施加對稱邊界條件。計算模型如圖2～圖3。

圖2 無鉆孔鋼架模型Fig.2 Steel frame modal without hole

圖3 無鉆孔鋼架模型Fig.3 Steel frame modal with hole

2.2.2 圍巖荷載

本次圍巖荷載按Ⅴ級圍巖的深埋荷載進(jìn)行計算，根據(jù)隧道規(guī)范，荷載計算如下:

(1)垂直均布壓力

式中:q為拱頂垂直均布壓力，(Ka/m);γ為圍巖重度(KN/m3);S為圍巖級別，取 5;B為 隧道寬度(m)，取14.66 m;i為B每增加1 m的圍巖壓力增減率，取 0.1。

(2)水平側(cè)壓力

水平壓力按鐵路隧道設(shè)計規(guī)范關(guān)于Ⅴ級圍巖的規(guī)定，取垂直壓力的0.5倍。

(3)計算結(jié)果見表2。

表2 計算結(jié)果Table 2 Calculation results

工字鋼間距0.8 m，即每榀工字鋼承受0.8 m長度范圍內(nèi)的圍巖壓力，則工字鋼上所受壓強(qiáng)為:豎向壓力 2 264.8 kPa;橫向壓力1 132.4 kPa。

2.2.3 變形分析

根據(jù)以上荷載和邊界條件，計算無鉆孔、鉆孔間距50 cm和鉆孔間距20 cm 3種情況下鋼架的變形。另外，為了較好地反映設(shè)有鉆孔的鋼架在外部荷載作用下的變形情況，將Ⅴ級圍巖深埋全部施加在鋼架上，未考慮鋼架和噴射砼的共同作用及二襯承擔(dān)部分荷載的作用，故計算出來的拱頂沉降和拱腳的收斂較實際情況偏大。

(1)未在工字鋼架上鉆孔

根據(jù)計算結(jié)果圖4顯示，深埋Ⅴ級圍巖工況下，鋼架拱頂下沉位移13.18 cm;圖5顯示，在拱部荷載的壓力下，鋼架的拱腳及邊墻位置發(fā)生向圍巖方向的位移，但受到圍巖的約束，位移較小，拱腳橫向位移2.52 cm。

圖4 無鉆孔鋼架橫向位移Fig.4 Transversal displacement(without hole)

圖5 無鉆孔鋼架豎向位移Fig.5 Vertical displacement(without hole)

(2)在工字鋼架上鉆孔(孔間距50 cm)

在邊界條件、荷載、彈簧約束等條件完全相同的情況下，在鋼架拱部120°范圍內(nèi)鉆孔，孔徑Ф 50，孔間距50 cm。計算顯示:拱頂下沉位移13.23 cm，拱腳橫向位移2.54 cm。

圖6 鉆孔間距50 cm的鋼架橫向位移Fig.6 Transversal displacement(with holes of 50 cm intervals)

圖7 7鉆孔間距50 cm的鋼架豎向位移Fig.7 Vertical displacement(with holes of 50 cm intervals)

(3)在工字鋼架上鉆孔(孔間距20 cm)

在邊界條件、荷載、彈簧約束、孔徑等條件完全相同的情況下，將鉆孔間距調(diào)整為50 cm。計算顯示:拱頂下沉位移13.31 cm，拱腳橫向位移2.61 cm。

圖8 鉆孔間距20 cm的鋼架橫向位移Fig.8 Transversal displacement(with holes of 20 cm intervals)

3 變形分析結(jié)論

上述3種工況的變形匯總?cè)绫?。

圖9 鉆孔間距20 cm的鋼架豎向位移Fig.9 Vertical displacement(with holes of 20 cm intervals)

表3 3種工況的變形匯總Table 3 Summary of deformation under three load conditions

計算結(jié)果顯示:鋼架未鉆孔時，拱頂下沉13.18 cm，鉆孔間距50 cm時，拱頂下沉13.23 cm，增加0.38%;而鉆孔間距為 20 cm時，拱頂下沉為13.31 cm，相比無鉆孔鋼架，增加0.97%，增加量較小，對隧道施工影響較小。

因此，有限元計算和理論分析所得的結(jié)論一致，在鋼架上施作常規(guī)間距的鉆孔，對初期支護(hù)的變形影響較小。

4 結(jié)論

(1)本次研究是根據(jù)現(xiàn)場實際施作超前鉆孔的做法，立足于理論研究而得出的結(jié)論。從數(shù)值模擬分析和理論推算的結(jié)果來看，目前施工單位的這種施作超前支護(hù)的做法對型鋼鋼架的支護(hù)體系的影響不大。另外根據(jù)現(xiàn)場施工的狀況來看，目前尚未發(fā)現(xiàn)由于在鋼架上鉆孔而導(dǎo)致初支鋼架失穩(wěn)或者變形等施工災(zāi)害。

(2)由于沒有現(xiàn)場的實際監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對照分析，所以有關(guān)在工字鋼架上鉆孔施作超前支護(hù)這種做法的合理性及可靠性，仍需施工單位利用現(xiàn)場監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析論證。

［1］TB10003 －2005，鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

TB10003－2005，Code for design on tunnel of railway［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2009.

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TZ204 －2008，Guide for construction method on tunnel of railway［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2008.

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FAN Qin-shan.Material mechanics［M］.Beijing:High Education Press，2000.

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ZHU Zhuo.ABAQUS nonlinear finite element method analysis and examples［M］.Beijing:Science Press，2005.

Research on the technology of drilling in the steel frame to do the advance support

GONG Jiang-feng，ZHANG Lei

(China Railway Eryuan Engineering Group Co，Ltd，Chengdu 610031，China)

It is very universal to drill in the steel frame to do the advance support，many engineers are in favor of this technology，but many others query it because of the stiffness seduction.This paper gave a feasibility analysis by simulating the steel frame deformation under different load conditions.

tunnel of railway;advance support;stiffness of steel frame

U455

A

1672－7029(2011)06－0090－04

2011－05－30

鞏江峰(1980－)，男，山西運城人，工程師，從事隧道勘察設(shè)計工作