結(jié)合梁式仰拱與空間受力鋼架在大跨度土質(zhì)偏壓隧道初支設(shè)計(jì)上的運(yùn)用研究

幸芊，張正祿

（1重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400040）

0 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，近年完成的城市隧道設(shè)計(jì)斷面越來(lái)越大。許多西部地區(qū)的山地城市出現(xiàn)大量的土石方平場(chǎng)，使得很多隧道需要面對(duì)深厚的人工回填土地質(zhì)，以及在人工填土邊坡內(nèi)穿過(guò)的偏壓情況。而這類隧道的初期支護(hù)需要承受較大的荷載，此時(shí)如何保證初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性是控制施工風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵所在。

隧道的初支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與其采用的工法相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，地質(zhì)條件較差和隧道洞跨較大時(shí)，施工中初支結(jié)構(gòu)存在臨時(shí)支撐和最終成型兩種狀態(tài)，以保障施工過(guò)程的安全。對(duì)于這類隧道目前已有大量的研究成果。于麗等[1-2]基于非線性Mohr–Coulomb準(zhǔn)則和極限分析上限法，以及圍巖破壞形態(tài)和破壞機(jī)理建立了分析模型，推導(dǎo)研究了土質(zhì)隧道的破壞方式。程小虎等[3]從理論上研究了判別無(wú)襯砌淺埋土質(zhì)隧道的穩(wěn)定性方法。杜立新等[4]通過(guò)對(duì)拱架內(nèi)力的施工監(jiān)測(cè)，分析初支結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律及分布特征。來(lái)弘鵬等[5]從施工工法的角度，研究了大斷面土質(zhì)隧道施工安全控制技術(shù)。莊麗等[6]通過(guò)離心試驗(yàn)手段，研究淺埋大跨度土質(zhì)隧道的變形和穩(wěn)定性特征。袁冉等[7]采用土體非共軸各向異性的本構(gòu)模型，對(duì)土質(zhì)隧道進(jìn)行數(shù)值分析研究。以上研究解決了隧道施工過(guò)程的特殊問(wèn)題，但在實(shí)際工程中，尚存在一個(gè)特殊的不利階段，需引起重視，即初支拆除臨時(shí)支撐至二次襯砌成型之前的這一時(shí)段，初支拱架處于跨度最大的“裸拱”狀態(tài)。穿越土層的大跨度偏壓隧道這一最大跨度狀態(tài)更面臨特殊問(wèn)題：

（1）土質(zhì)地質(zhì)隧道拱墻部位圍巖的彈性抗力較小，無(wú)法提供有效抑制拱架側(cè)向變形的能力，導(dǎo)致初支拱架產(chǎn)生較大的彎矩與變形；

（2）受偏壓荷載時(shí)，隧道初支鋼架拱腳及拱腰部位會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩；

（3）大跨度土質(zhì)隧道初支鋼拱架承受的圍巖荷載釋放比例較常規(guī)的隧道更高。特別是在噴射混凝土強(qiáng)度尚未形成時(shí)，圍巖壓力主要由鋼架承受[8]。鋼拱架承受的圍巖荷載釋放比例宜按80%以上考慮，才能保證施工的長(zhǎng)期安全；

（4）隧道初支拆除臨時(shí)支撐至二次襯砌成型之前的這一時(shí)段持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，實(shí)際的荷載釋放比例將持續(xù)增大[8]，施工風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增大，故工法上最理想的是：鋼架要么在有臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)輔助之下受力，要么能與二襯結(jié)構(gòu)共同受力，盡可能縮短鋼架“裸拱”受力的時(shí)間；

（5）大跨度深埋土質(zhì)隧道圍巖壓力實(shí)際空間分布狀態(tài)為兩側(cè)大、拱頂及仰拱小[9]，增加了拱架的穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。

基于以上問(wèn)題，提出如下解決思路：

（1）在初支設(shè)計(jì)上提供一種有較大剛度的結(jié)構(gòu)，能抑制拱架側(cè)向變形；

（2）通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量使鋼拱架上的內(nèi)力分配均勻合理；

（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合工法的優(yōu)化，盡可能縮短鋼架“裸拱”受力的時(shí)間，減小荷載釋放的比例。

1 研究項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本文以重慶市火鳳山隧道穿越斜坡回填土區(qū)段為研究背景，提出新的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析。重慶市火鳳山隧道為三車(chē)道隧道。隧道起點(diǎn)區(qū)段有大約150m范圍屬于土質(zhì)地層，其中前部分為偏壓地層，襯砌受力非常不利。設(shè)計(jì)時(shí)將斜坡上部削方減載，減少土體的下滑力，下部土體適當(dāng)堆載，增加抗滑力；隧道周邊土體注漿加固，提高土層抗力。

圖1 土質(zhì)斜坡區(qū)域典型剖面圖

2 結(jié)合梁式仰拱

2.1 基本思路

該段隧道按偏壓情況計(jì)算分析，初支內(nèi)力非常大，特別是拱腳、拱腰部位的彎矩過(guò)大，需要采用雙層鋼拱架，給施工帶來(lái)諸多困難。

從初支拱架的受力分析可知，拱墻區(qū)域圍巖對(duì)拱架的彈性抗力能阻止拱架的變形，從而有抑制拱架內(nèi)力和變形的作用；仰拱部分屬于完全彈性地基梁，能進(jìn)一步加強(qiáng)拱架的基礎(chǔ)剛度，抑制上部拱架的內(nèi)力和變形?，F(xiàn)提出一種優(yōu)化仰拱構(gòu)造工法：

（1）仰拱二次襯砌施工期間，不拆除拱架中部的臨時(shí)支撐，待拱、墻二襯施工時(shí)再切割拆除。這樣可以壓縮裸拱初支獨(dú)立支撐荷載的時(shí)間，有利于減小荷載釋放的比例，減小施工風(fēng)險(xiǎn)（圖2）。

圖2 施工縱向示意圖

（2）將仰拱二襯與初支鋼架澆筑為一個(gè)整體，形成一個(gè)下緣為型鋼混凝土、上緣為鋼筋混凝土的結(jié)合梁。為使仰拱形成對(duì)上部拱架的有效約束剛度，將初支結(jié)構(gòu)的仰拱部分變?yōu)榻Y(jié)合梁結(jié)構(gòu)，仰拱初支與仰拱二襯之間采用強(qiáng)度較大的剪力鍵連接傳遞剪力，從而通過(guò)剛度分配初支的內(nèi)力。具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 結(jié)合梁式仰拱結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 方案計(jì)算分析

大跨度土質(zhì)隧道采用“荷載-結(jié)構(gòu)法”進(jìn)行計(jì)算。建模方式如下：將噴射混凝土層與鋼拱架視為整體進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，共同分析其承載力，周邊巖體對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性抗力應(yīng)按完全的彈性地基梁計(jì)算。建立數(shù)值分析模型，如圖4所示，將鋼筋混凝土的仰拱二襯模擬為梁?jiǎn)卧?，初支采用剛度換算原理，折算成混凝土梁?jiǎn)卧?，其剛度按混凝土和型鋼的剛度折算[10]。二襯仰拱與初支鋼架支架采用彈性連接模擬。荷載釋放比例統(tǒng)一按80%考慮，并按設(shè)計(jì)最大偏壓情況考慮。

圖4 結(jié)合梁仰拱初支結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算模型

2.3 方案計(jì)算結(jié)果比對(duì)

偏壓情況下拱架彎矩計(jì)算結(jié)果如表1所示，通過(guò)鋼筋混凝土仰拱的內(nèi)力分配作用，初支鋼架上的拱腳彎矩僅47kN·m，減少81%，可見(jiàn)結(jié)合梁式仰拱可有效減少拱腳彎矩，適當(dāng)減少拱墻彎矩，對(duì)拱頂彎矩?zé)o影響。

表1 內(nèi)力優(yōu)化結(jié)果匯總表（單位kN·m）

變形計(jì)算結(jié)果如表2所示?？梢?jiàn)，結(jié)合梁仰拱有效限制了拱墻的側(cè)向變形，同時(shí)也減少了拱頂下?lián)稀?/p>

表2 變形優(yōu)化結(jié)果匯總表（單位mm）

3 空間雙向受力的空間鋼架結(jié)構(gòu)方案

3.1 基本思路

在上述方案的基礎(chǔ)上再作如下考慮：對(duì)隧道的開(kāi)挖與支護(hù)，掌子面方向因?yàn)椴捎昧恕癈RD法”的工藝，中間設(shè)有臨時(shí)支撐鋼架，有效減少了洞跨；而二襯澆筑方向，因?yàn)槎r形成支撐，也有較好的支撐剛度。而介于初支臨時(shí)支撐鋼架剛剛拆除與二襯尚未澆筑的范圍內(nèi)，初支結(jié)構(gòu)處于最大跨度的“裸拱”狀態(tài)，于是考慮將這一受力最不利范圍的結(jié)構(gòu)內(nèi)力向兩側(cè)支撐剛度較好的區(qū)域進(jìn)行分配，參照建筑結(jié)構(gòu)中雙向受力的框架梁結(jié)構(gòu)，考慮在初支鋼架的內(nèi)側(cè)設(shè)置縱向連接鋼梁?？v向連接鋼梁、縱向連接鋼筋與環(huán)向鋼架焊接成整體，結(jié)合預(yù)支護(hù)的超前導(dǎo)管系統(tǒng)，形成一個(gè)強(qiáng)大的空間鋼架受力體系。具體布置如圖5所示。

圖5 鋼架的空間布置圖

3.2 空間雙向受力鋼架方案計(jì)算分析

建立數(shù)值分析的空間模型，如圖6所示。

圖6 考慮縱梁內(nèi)力空間分布作用的計(jì)算模型

模型考慮縱梁內(nèi)力空間分布作用，縱向裸拱段按8m考慮。初支折算成混凝土梁?jiǎn)卧??？v向分配梁直接按型鋼截面建立梁?jiǎn)卧?，梁?jiǎn)卧欢酥卧诙r上，一端支撐在設(shè)有臨時(shí)支撐的鋼架區(qū)段內(nèi)。

3.3 計(jì)算結(jié)果比對(duì)

變形計(jì)算結(jié)果如下：根據(jù)空間縱向各環(huán)剛架的變形分布圖（圖7），發(fā)現(xiàn)靠近二襯形成方向和有臨時(shí)支撐鋼架的方向變形較小，介于有臨時(shí)支撐鋼架與二襯形成支撐之間的中間范圍變形較大。但因?yàn)榭v向鋼梁的作用，將變形分配了一部分到兩邊，此時(shí)最大5.9mm，而不考慮空間效應(yīng)時(shí)（圖8）為7.8mm，改善24%。結(jié)果對(duì)比詳見(jiàn)表3。

表3 初支結(jié)構(gòu)位移分布的比對(duì)表（單位mm）

圖7 采用空間鋼架方案的鋼架變形分布云圖

圖8 采用常規(guī)鋼架方案的鋼架變形分布云圖

彎矩計(jì)算結(jié)果匯總，如表4所示?？紤]縱梁空間分配內(nèi)力作用下初支的彎矩分布存在明顯的空間效應(yīng)，縱向分配梁起到了分配內(nèi)力的作用。此時(shí)，中間受力最大部位拱頂彎矩31.2kN·m，而不考慮空間效應(yīng)時(shí)，拱頂彎矩42.4kN·m，改善26.4%。且縱向8m長(zhǎng)的裸拱區(qū)域，大部分區(qū)段彎矩趨于減小，有效減小了施工期間的風(fēng)險(xiǎn)。

表4 初支結(jié)構(gòu)彎矩分布的比對(duì)表（單位kN·m）

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)典型斷面監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)圖9，初支拱頂最大變形收斂于17mm，拱墻最大變形收斂于6mm?？梢?jiàn)，采取上述措施后隧道初支的變形被有效控制。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)展圖

5 結(jié)論

（1）對(duì)于偏壓工況，采用大剛度的結(jié)合梁仰拱，最直接的作用就是大幅度分配走了初支拱腳的彎矩，而對(duì)初支拱頂彎矩的改善作用相對(duì)較小。

（2）結(jié)合梁式仰拱，從結(jié)構(gòu)分析來(lái)看，優(yōu)化之后需對(duì)二襯仰拱的配筋按分配后的彎矩進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）結(jié)合梁式仰拱方案，從施工工法來(lái)看，壓縮了初支“裸拱”狀態(tài)的時(shí)間，有利于減小圍巖荷載釋放比例，減小施工風(fēng)險(xiǎn)。

（4）與工法結(jié)合，利用空間雙向受力的初支鋼架體系，能合理分配鋼架初支結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，有利于提高施工安全性。

（5）以上兩種方法均減小了“裸拱”施工期間的風(fēng)險(xiǎn)，值得在諸如大跨度土質(zhì)隧道、偏壓隧道等承受較不利荷載作用的隧道中推廣使用。