“鋼拱架+鋼格柵+噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性研究

朱林 陳瑞 李智 張勇

摘要 黃土隧道傳統(tǒng)的支護(hù)方式主要是“鋼拱架+噴射混凝土”和“鋼格柵+噴射混凝土”，根據(jù)黃土隧道變形大、強(qiáng)度低的特點(diǎn)，文章提出采用新型的“鋼拱架+鋼格柵+噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)?；诮?jīng)典彈性薄殼理論，研究聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，建立了各支護(hù)組分的軸力、彎矩等力學(xué)參數(shù)的理論公式，結(jié)合某隧道工程，研究支護(hù)間距和噴層厚度等參數(shù)對(duì)各支護(hù)組分承載能力的影響。

關(guān)鍵詞 超挖;隧道工程;數(shù)值模擬;穩(wěn)定性分析

中圖分類號(hào) U456.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）02-0095-04

0 引言

我國(guó)黃土地層覆蓋寬闊，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，當(dāng)前越來越多的在建和擬建的隧道會(huì)穿越黃土地層[1]。由于黃土具有變形大、強(qiáng)度低的特性，致使隧道開挖后容易發(fā)生大變形[2-4]。因此，針對(duì)黃土隧道上述特點(diǎn)，開展適用于黃土隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)研究具有重要的意義。

目前關(guān)于黃土隧道支護(hù)方式的研究主要集中在“鋼拱架+噴射混凝土”和“鋼格柵+噴射混凝土”等支護(hù)方式在不同圍巖條件下的適應(yīng)性問題。趙占廠[5]等對(duì)淺埋黃土公路隧道的襯砌受力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。譚忠盛[6]等研究表明鋼拱架及格柵拱架均能適用于IV級(jí)黏質(zhì)老黃土隧道，但格柵拱架更具優(yōu)越性?；魸?rùn)科[7]等通過數(shù)值模擬，給出定西隧道初期支護(hù)的優(yōu)化參數(shù)。該文綜合考慮傳統(tǒng)支護(hù)方式的適應(yīng)條件以及黃土隧道開挖后變形大等特點(diǎn)，提出了“鋼拱架+鋼格柵+噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)方式。研究了不同噴射混凝土厚度和不同鋼拱架與鋼格柵的間距對(duì)各支護(hù)組分承載比例的影響，結(jié)合收斂-約束法驗(yàn)證了“鋼拱架+鋼格柵+噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在黃土隧道中的可行性和優(yōu)越性。

1 聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

假定隧道開挖斷面為圓形，將聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為圖1所示的殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，并且假定殼體結(jié)構(gòu)為均質(zhì)構(gòu)造。參考文獻(xiàn)[8-9]，依據(jù)彈性力學(xué)理論[10]，得到該薄殼微元體軸力和彎矩與位移之間的關(guān)系：

（1）

（2）

式中，R表示殼體半徑，θ為與水平方向的夾角，N、M分別表示微元?dú)んw結(jié)構(gòu)所受的軸力和彎矩，ur、uθ分別表示該微元體在徑向和切向上的位移，D為微元體的抗壓系數(shù)，K為微元體的抗彎系數(shù)。

彈性薄殼理論中將鋼格柵、鋼拱架與噴射混凝土組成的聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)假定為均質(zhì)殼體結(jié)構(gòu)。圖2所示為聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)單元以及等效后的單元示意圖，其中A表示鋼拱架，G表示鋼格柵，S表示噴射混凝土，鋼格柵與鋼拱架之間的距離為a，聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度為t，等效后的聯(lián)合支護(hù)厚度為teq，聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度為b。

3 結(jié)論

針對(duì)黃土隧道變形大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，在統(tǒng)籌考慮鋼格柵和鋼拱架兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，該文提出“鋼拱架+鋼格柵+噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)?；诮?jīng)典彈性薄殼理論，對(duì)聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行分析，研究支護(hù)間距和噴層厚度等參數(shù)對(duì)各支護(hù)組分承載能力的影響，結(jié)合收斂-約束法驗(yàn)證聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在黃土隧道中的適用性，取得了如下結(jié)論：

（1）研究結(jié)果得到了聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力、彎矩和剪力等力學(xué)參數(shù)，并推導(dǎo)了各支護(hù)組分的承載比例公式，揭示了聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配規(guī)律。

（2）初期支護(hù)厚度的變化對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的彎矩的影響比對(duì)軸力的影響大，鋼拱架和鋼格柵之間間距大小的變化對(duì)支護(hù)效果的影響在前期較不明顯，但在0.6 m以下開始出現(xiàn)明顯變化。

（3）噴射混凝土所承載的軸力和彎矩的比例較大，而鋼拱架和鋼格柵所承載的比例相差不大，說明了聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在黃土隧道中應(yīng)用的可行性，為其實(shí)際應(yīng)用提供了指導(dǎo)意義。

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