復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道型鋼拱架協(xié)同支護研究

梁中勇，饒軍應(yīng)，聶凱良，趙 霞，衛(wèi)黨鵬

(1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.中國鐵建十二局集團 第三工程有限公司，山西 太原 454100)

據(jù)統(tǒng)計，我國隧道及地下工程事故中，2004年—2008年因圍巖坍塌造成的事故占事故總數(shù)的52%[1]；2008年—2016年因圍巖坍塌而導(dǎo)致的事故占事故總數(shù)的67.7%[2]。型鋼拱架作為一種具有較高強度、剛度、穩(wěn)定性的支護結(jié)構(gòu)，架設(shè)后不僅能及時承受圍巖荷載，而且可以有效控制圍巖繼續(xù)松弛和塑性區(qū)的進一步擴大。因此，在礦山法復(fù)合式襯砌施工中，型鋼拱架的施作成了不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其在地質(zhì)條件較差或大跨隧道中更是如此。

現(xiàn)階段礦山法設(shè)計、施工中，初期支護型鋼拱架大多采用獨立成環(huán)的支護方式(方案1，見圖1(a))，環(huán)向型鋼拱架間通常采用焊接短鋼筋來相互連接，架設(shè)環(huán)向型鋼拱架后環(huán)向型鋼拱架之間未形成真正的協(xié)同受力體系[3]。一方面，施工中圍巖松動時可能會造成部分型鋼拱架承載力不足，部分型鋼拱架承載力富余；另一方面，施工現(xiàn)場通過焊接短鋼筋的方式難以確保型鋼拱架間距與設(shè)計相符。隧道采用分部開挖時，下部巖體開挖會使得上部型鋼拱架支撐點脫空，造成上部型鋼拱架向下滑移，導(dǎo)致上部初期支護混凝土開裂[4]。

圖1 隧道型鋼拱架支護方案

為了解決這些問題，本文以貴陽市軌道交通2號線北京西路站至三橋站區(qū)間隧道施工為例，提出了一種隧道型鋼拱架協(xié)同支護方案(方案2，見圖1(b))，通過有限元計算對比分析2種方案。

1 工程概況

貴陽市軌道交通2號線作為貴陽市交通主干線之一，連接白云新區(qū)、觀山湖新區(qū)、老城區(qū)、龍洞堡片區(qū)，線路全長39.0 km，共設(shè)車站32座。隧道沿線兩側(cè)房屋密集，道路狹窄，圍巖分布有微風(fēng)化～強風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，裂隙較為發(fā)育，部分地段存在斷層。

風(fēng)化裂隙內(nèi)賦存基巖裂隙水，地下水埋深較淺，巖溶發(fā)育極不規(guī)律，車站、區(qū)間隧道開挖過程中都存在不可預(yù)見的地下隱伏溶洞，施工過程中極可能發(fā)生涌水、突泥和圍巖塌方，對施工安全帶來很大隱患。隧道采用礦山法復(fù)合式襯砌施工，施工條件極其復(fù)雜，為預(yù)防局部圍巖坍塌，考慮到初期支護型鋼拱架的優(yōu)越性，對型鋼拱架的協(xié)同支護進行研究。

2 型鋼拱架受力分析

2.1 方案1型鋼拱架受力分析

方案1中型鋼拱架獨立成環(huán)，可將其受力簡化成圖2形式。其中：q(x),q(y)分別為水平向和豎向壓力；A,B,C為拱腰和拱頂關(guān)鍵點；t為襯砌厚度；R為隧道半徑；θ為極坐標角度。

圖2 環(huán)向型鋼拱架受力簡化圖

對方案1中環(huán)向型鋼拱架取微元體，受力分析如圖3所示。圖中：M，N，Q為極坐標角度為θ時環(huán)向型鋼拱架的彎矩、軸力和剪力。將外力沿法線n、切線τ分解，可得

pn=q(x)cos2θ+q(y)sin2θ

(1)

(2)

式中：pn為沿法線n的正應(yīng)力;pτ為沿切線τ的切應(yīng)力。

圖3 環(huán)向型鋼拱架微元體受力分析

對微元體進行受力分析，沿法線n可列出受力平衡方程為

(3)

經(jīng)化簡，可得出

(4)

同理，沿切向τ可列出受力平衡方程，化簡得出

(5)

對微元體形心取矩，化簡得

(6)

將M，N采用位移的方式表示，引入對稱邊界條件[5]、圍巖壓力和P(θ)及圍巖壓力比k(θ)，P(θ)=q(x)+q(y)，k(θ)=q(x)/q(y)，可導(dǎo)出

確定了θ的值，即可計算出M，N和Q。

2.2 方案2型鋼拱架受力分析

方案2在方案1的基礎(chǔ)上加入縱向型鋼拱架，環(huán)、縱節(jié)點為剛節(jié)點。圖4為環(huán)、縱型鋼拱架節(jié)點受力圖。分析可得

∑Mh=η∑Mz

(10)

即Mh1+Mh2=η(Mz1+Mz2)

(11)

式中：Mh為環(huán)、縱向型鋼拱架節(jié)點處環(huán)向型鋼拱架的彎矩，Mz為環(huán)、縱向型鋼拱架節(jié)點處縱向型鋼拱架的彎矩，η為分配系數(shù)。

圖4 環(huán)、縱型鋼拱架節(jié)點受力

縱向型鋼拱架把環(huán)向型鋼拱架分成了幾個梁段，對其中任一梁段的受力進行分析(如圖5所示)，可得

(12)

圖5 環(huán)向型鋼拱架梁段受力

3 數(shù)值模擬對比分析

3.1 有限元模型建立及參數(shù)確定

已有研究[6-10]結(jié)果表明，型鋼拱架間距和截面型號對隧道初期支護效果均有影響。當型鋼拱架間距一定時選用的截面型號越高，對圍巖的支護效果越好；當截面型號一定時，型鋼拱架間距越小，對圍巖的支護效果越好。結(jié)合貴陽軌道交通2號線北京西路站東側(cè)區(qū)間隧道，I18a 型鋼拱架間距0.5 m，初期支護C25混凝土厚度300 mm，φ22砂漿錨桿長3.0 m@1.2 m×1.2 m，梅花形布置。圍巖和支護結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)見表1，數(shù)值模擬中未考慮鋼筋網(wǎng)的支護作用。

表1 圍巖和支護結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)

數(shù)據(jù)模擬時作如下假定：所有材料均為各向同性連續(xù)材料；不考慮地下水、溶洞溶腔的影響；考慮地層的自重應(yīng)力場。型鋼拱架采用1D植入式梁單元，錨桿采用1D植入式桁架單元，圍巖采用3D實體單元，初期支護噴射混凝土采用2D板單元，模型強度準則采用Mohr-Coulomb準則，施工步長2 m，采用臺階法開挖，開挖后立即施作初期支護。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 有限元模型網(wǎng)格劃分

3.2 計算結(jié)果與分析

模型中方案1、方案2劃分為7個施工步，分析每一個施工步環(huán)向型鋼拱架軸力、圍巖臨空面最大位移和初期支護混凝土內(nèi)力。

3.2.1 環(huán)向型鋼拱架軸力

2種方案環(huán)向型鋼拱架軸力對比見圖7?？芍盒弯摴凹茏鳛樗淼莱跗谥ёo中的主要受壓構(gòu)件，在2個方案中都有極大的體現(xiàn)。方案1、方案2的最大壓力相差3.8%，主要是因為兩者環(huán)向型鋼拱架的作用效果一致。在施工過程中2個方案最大拉力相差16.6%～78.3%，主要是因為方案2一方面可以使環(huán)向、縱向型鋼拱架協(xié)同受力，另一方面縱向型鋼拱架能承受兩榀環(huán)向型鋼拱架間隙中的圍巖荷載。方案2最大拉力大于方案1，說明方案2的支護效果優(yōu)于方案1，特別是局部圍巖薄弱處方案2的支護效果更好。

圖7 2種方案環(huán)向型鋼拱架軸力對比

3.2.2 圍巖臨空面最大位移

2種方案圍巖臨空面最大位移對比見圖8?？芍悍桨?圍巖臨空面最大位移比方案1小29.6%，縱向型鋼拱架的設(shè)置對圍巖具有較好的支護效果。

圖8 2種方案圍巖臨空面最大位移對比

3.2.3 初期支護混凝土內(nèi)力

2種方案初期支護混凝土內(nèi)力對比見圖9。可知：2種方案初期支護混凝土最大內(nèi)力和最小內(nèi)力相當，方案2比方案1小5.3%。這是因為方案2僅在拱頂、拱肩、拱腰、邊墻、仰拱等關(guān)鍵點設(shè)置了縱向型鋼拱架，設(shè)置量太少，對混凝土內(nèi)力的影響較小。

圖9 2種方案初期支護混凝土內(nèi)力對比

4 2種方案安全性、經(jīng)濟性對比

地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)段隧道施工中，方案2的縱向型鋼拱架取代了方案1的焊接短鋼筋，可保證環(huán)向型鋼拱架間距與設(shè)計一致，在一定程度上保證了施工質(zhì)量。在隧道服役期，方案2中環(huán)、縱向型鋼拱架協(xié)同支護，對于局部軟弱圍巖的支護效果優(yōu)于方案1。隧道施工期間2種方案可采用同樣的施工進尺，地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)段方案2還可變換縱向型鋼拱架的長度達到安全掘進的目的。同時，方案2型鋼拱架可完全提前預(yù)制，掌子面拼裝，無需焊接，安全性更好。在經(jīng)濟性方面，方案2中縱向型鋼取代方案1短鋼筋，還可節(jié)省現(xiàn)場施焊等相關(guān)費用。

5 結(jié)論

1)在傳統(tǒng)的型鋼拱架獨立成環(huán)支護方案(方案1)基礎(chǔ)之上，提出一種復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道型鋼拱架協(xié)同支護方案(方案2)，即以環(huán)向型鋼拱架支護為主，縱向型鋼拱架支護為輔協(xié)同支護，并對環(huán)、縱向型鋼拱架受力進行了分析。

2)方案2在方案1的基礎(chǔ)上在拱頂、拱肩、拱腰、邊墻、仰拱處增加了縱向型鋼拱架。通過有限元計算，對比每一施工步環(huán)向型鋼拱架軸力、圍巖臨空面最大位移、初期支護混凝土內(nèi)力，得出方案2支護效果整體上優(yōu)于方案1。從安全性、經(jīng)濟性來看，在復(fù)雜地質(zhì)條件下方案2可行。