公路隧道中鋼拱架與鋼格柵支護(hù)效果對(duì)比分析

■夏承明

（三明莆炎高速公路有限責(zé)任公司，三明 365000）

鋼架結(jié)構(gòu)是隧道新奧法施工中必不可少的支護(hù)結(jié)構(gòu)， 既是臨時(shí)支撐也是永久支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，其主要作用是在噴射混凝土未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前或不能及時(shí)進(jìn)行噴混凝土支護(hù)位置預(yù)先承擔(dān)圍巖壓力和約束變形， 提高初期支護(hù)系統(tǒng)的抗力，確保洞內(nèi)施工安全；同時(shí)在后期支護(hù)中成為永久支護(hù)系統(tǒng)的一部分，有利于洞身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 鋼架安裝施工快捷，能夠控制圍巖變形，后與錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土共同作用，協(xié)調(diào)變形，從而提高初期支護(hù)全過(guò)程的強(qiáng)度和剛度， 保證隧道開(kāi)挖的安全性，因此在軟弱破碎圍巖開(kāi)挖中得到廣泛運(yùn)用。

鋼架結(jié)構(gòu)主要包括鋼拱架和鋼格柵，但在規(guī)范[1]中未對(duì)鋼拱架和鋼格柵進(jìn)行區(qū)別， 統(tǒng)稱鋼支撐，但兩者結(jié)構(gòu)形式與工程表現(xiàn)中存在一定的差異，支護(hù)效果各有優(yōu)勢(shì)。 相對(duì)而言，鋼拱架的剛度較鋼格柵的剛度要大，造價(jià)相對(duì)也會(huì)高。 因此設(shè)計(jì)施工中，在IV 級(jí)圍巖中多采用鋼格柵， 而在V 級(jí)圍巖中多采用鋼拱架。

對(duì)鋼拱架和鋼格柵各自的力學(xué)承載性能，已經(jīng)有不少研究成果。 對(duì)于兩者支護(hù)效果的對(duì)比分析，也有一些研究成果。 曲海峰等[2]研究了鋼拱架支護(hù)形式下的初始釋放荷載規(guī)律，其次分析兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力隨時(shí)間的變化規(guī)律, 結(jié)合實(shí)測(cè)荷載釋放規(guī)律，給出了二者的選擇條件。 但工程中考慮圍巖的流變特征，在技術(shù)上存在一定難度，影響了結(jié)論的實(shí)際應(yīng)用推廣。 宋元平等[3]把鋼格柵看成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)鋼筋格柵具備非常優(yōu)秀的綜合性能,施工方便、經(jīng)濟(jì),與噴射混凝土結(jié)合更好,初期支護(hù)質(zhì)量更能保證等方面的優(yōu)點(diǎn), 認(rèn)為隧道初支應(yīng)優(yōu)先選擇采用鋼筋格柵。 王任國(guó)等[4]從圍巖變形曲線及支護(hù)特征曲線進(jìn)行研究，認(rèn)為鋼拱架的剛度大于鋼格柵，所以更有利于協(xié)調(diào)圍巖變形。

為進(jìn)一步分析二者的支護(hù)效果及經(jīng)濟(jì)技術(shù)比，本研究通過(guò)有限元計(jì)算，首先對(duì)鋼拱架和剛格柵分別在相同截面積下的支護(hù)效果進(jìn)行了對(duì)比，然后進(jìn)一步對(duì)鋼拱架在局部脫空的支護(hù)性能進(jìn)行研究，為兩種支護(hù)形式的方案比選提供參考。

1 有限元模型的建立

1.1 隧道的有限元模型

以莆炎高速公路典型雙車道隧道深埋段的Ⅴ級(jí)圍巖的典型斷面為研究對(duì)象，建立有限元計(jì)算模型，依據(jù)荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。 隧道采用上下臺(tái)階法進(jìn)行分部開(kāi)挖，跨徑10.74 m，上臺(tái)階高度5.37 m。 由于只分析軟弱圍巖段開(kāi)挖初期的支護(hù)效果， 故模擬開(kāi)挖上臺(tái)階階段支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變情況，力學(xué)模型示意圖見(jiàn)圖1。 沿隧道縱向取單位長(zhǎng)度進(jìn)行模擬計(jì)算，噴射混凝土、鋼拱架、鋼格柵均采用1D 梁?jiǎn)卧M。 混凝土厚度取30 cm， 彈性模量23 GPa。 采用彈性抗力系數(shù)K=200 MPa/m 的徑向彈簧模擬地層反力， 由于土體抗拉強(qiáng)度較小，彈簧考慮僅受壓，兩個(gè)拱腳處設(shè)置鉸接。 根據(jù)規(guī)范計(jì)算深埋隧道松散荷載垂直均布?jí)毫八骄級(jí)毫Α?/p>

圖1 力學(xué)模型示意圖

隧道斷面的計(jì)算參數(shù)圍巖級(jí)別S 為IV、隧道寬度B 為10.74 m、 圍巖重度γ 為22.5 kN·m-3、i 為0.1、ω 為1.57、h 為11.33 m,， 計(jì)算豎向荷載q 為254.93 kN/m2，水平向荷載e1為127.46 kN/m2，e2為172.17 kN/m2。 在有限元模型中的計(jì)算荷載分布見(jiàn)圖2。

圖2 有限元模型計(jì)算荷載分布

1.2 鋼拱架和鋼格柵的計(jì)算模型

按設(shè)計(jì)資料，取鋼拱架模型取結(jié)構(gòu)參數(shù)為h 為200 mm、翼緣b 為200、t 為8 mm，單位長(zhǎng)度理論質(zhì)量49.9 kg/m。在同質(zhì)量情況下設(shè)計(jì)鋼格柵截面形式和尺寸，采用的鋼格柵布置4 根主筋Υ25，兩根輔筋φ14，鋼筋排布按照剛度最大原則。 兩種鋼架的斷面形式見(jiàn)圖3。 鋼架間距都取0.7 m，根據(jù)等效剛度換算法計(jì)算兩種模型的剛度， 換算公式為E1I1+E2I2=E1I3，計(jì)算得到的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鋼拱架與鋼格柵剛度對(duì)比

圖3 兩種鋼架斷面形式

式中E1為混凝土彈模,E2為鋼材彈模,I1為計(jì)算模型混凝土慣性矩;I2為鋼架虛線軸慣性矩;I3為等效后的慣性矩;E1I3為等效混凝土的剛度。 取E1=23 GPa；E2=210 GPa[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 相同鋼材質(zhì)量時(shí)支護(hù)效果對(duì)比

由上述計(jì)算結(jié)果可知，相同質(zhì)量、相同間距的鋼架時(shí)，鋼拱架的剛度大于鋼格柵的剛度。 在荷載作用相同的情況下，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可知，鋼格柵對(duì)應(yīng)的隧道拱頂沉降在理論上應(yīng)當(dāng)大于鋼拱架對(duì)應(yīng)的隧道拱頂下沉。 有限元定量計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了以上分析。 分別取拱頂沉降和最大水平位移進(jìn)行比較(表2)，其位移云圖見(jiàn)圖4。 從計(jì)算結(jié)果可知，鋼格柵支護(hù)的拱頂沉降為6.81 mm，鋼拱架支護(hù)下為6.24 mm，兩者相差8.4%；鋼格柵支護(hù)下圍巖最大水平變形為0.18 mm， 鋼拱架支護(hù)下圍巖最大水平變形為0.14 mm，兩者相差22.2%。兩者對(duì)比結(jié)果表明，在相同的鋼材質(zhì)量及相同間距下，對(duì)于相同圍巖條件，鋼拱架對(duì)圍巖變形的控制效果稍優(yōu)于鋼格柵，但相差不大。

圖4 兩種鋼架主要位移云圖

表2 鋼拱架和鋼格柵位移對(duì)比

2.2 鋼拱架存在脫空時(shí)效果對(duì)比

在隧道現(xiàn)場(chǎng)施工中，特別在V 級(jí)圍巖中，理想的光面爆破效果相對(duì)較難實(shí)現(xiàn)，存在大量各種程度的超挖或欠挖現(xiàn)象；即便經(jīng)過(guò)初噴，也很難保證隧道輪廓的平滑； 加之鋼拱架有相對(duì)較寬的翼板，鋼拱架翼板和圍巖之間無(wú)法緊密接觸；如果噴射不到位會(huì)造成混凝土不夠密實(shí)， 甚至造成脫空現(xiàn)象，未能與噴射混凝土形成完整的整體，從而成為結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)體系的承載能力降低。 而鋼格柵由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，噴射混凝土容易穿過(guò)鋼筋間的空隙，與圍巖緊密貼合，通常情況下不會(huì)出現(xiàn)上述混凝土噴射不密實(shí)而導(dǎo)致的脫空現(xiàn)象。

因此，在計(jì)算鋼拱架支護(hù)的力學(xué)效應(yīng)時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行合理的支護(hù)效果折算， 來(lái)考慮現(xiàn)場(chǎng)施工中脫空現(xiàn)象造成的影響。 在有限元計(jì)算中模擬脫空時(shí)，認(rèn)為該位置不承受圍巖壓力， 按脫空部位長(zhǎng)度占拱的周長(zhǎng)比例，將脫空部分荷載轉(zhuǎn)移到其他部位。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，取拱頂、拱腰3 處長(zhǎng)度各為20 cm 的脫空作為典型工況， 計(jì)算分析有脫空時(shí)鋼拱架的變形情況。

通過(guò)有限元模擬計(jì)算，考慮脫空時(shí)鋼拱架的位移云圖見(jiàn)圖5，與2.1 節(jié)位移結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3?？芍?，有脫空時(shí)鋼拱架對(duì)應(yīng)的拱頂下沉為8.37 mm， 大于鋼格柵的拱頂下沉6.81 mm， 二者相差約23%；鋼拱架最大水平位移為0.2 mm，大于鋼格柵的水平位移0.18 mm，兩者相差約10%。 上述對(duì)比結(jié)果表明，當(dāng)噴射混凝土貼合不緊密造成鋼拱架背后脫空時(shí)，其變形量比貼合緊密時(shí)顯著增大，且明顯大于鋼格柵的變形量。

圖5 脫空后的鋼拱架主要位移云圖

表3 鋼拱架(有脫空)和鋼格柵位移對(duì)比

3 結(jié)論

從以上計(jì)算對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：（1）在鋼材質(zhì)量相同的條件下， 鋼拱架剛度大于鋼格柵，相應(yīng)的鋼拱架初支的變形量也小于鋼格柵初支，豎向變形相差8.4%， 兩者相差不顯著； 水平變形相差22.2%， 但在理論條件下絕對(duì)值只差只有0.04 mm。（2）考慮鋼拱架背后局部脫空的情形，在拱頂、拱腰各有20 cm 脫空時(shí)，鋼拱架初支的變形明顯大于鋼格柵的變形， 特別是豎向變形明顯大于鋼格柵，理論條件下絕對(duì)值相差1.44 mm， 差值比例達(dá)23%；水平變形值也大于鋼格柵10%。 可見(jiàn)，相同用鋼質(zhì)量時(shí)，鋼拱架的支護(hù)效果稍優(yōu)于鋼格柵；但如果考慮到工程實(shí)際，鋼格柵構(gòu)件間空隙大，噴射混凝土方便，不易造成空洞現(xiàn)象，支護(hù)效果明顯優(yōu)于鋼拱架，反而是更優(yōu)的選擇。 本研究未考慮鋼格柵的加工費(fèi)用及時(shí)間成本，在實(shí)際應(yīng)用中，可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合考慮。