裝配式鋼管混凝土臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

張子平　袁青　熊齊歡　于錦　陳世豪　詹才釗

摘要：為改善不良地質(zhì)情況下隧道內(nèi)臨時(shí)支護(hù)的循環(huán)利用率和拆裝便利性，提高其抗變形強(qiáng)度和綜合施工性能，提出了一種新型的分段裝配式鋼管混凝土臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)：以鋼管內(nèi)填充混凝土為結(jié)構(gòu)主體，輔以卸荷快拆連接構(gòu)件。設(shè)置4種埋深情況下的荷載條件，采用數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式研究了此仰拱結(jié)構(gòu)在不同工況下各節(jié)段力學(xué)性能和整體拆卸能力。結(jié)果表明：提出的臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)受力對(duì)稱，最大值出現(xiàn)在仰拱兩端，彎矩、剪力零點(diǎn)位置近似處于整體結(jié)構(gòu)的三分點(diǎn)位，以此確定了卸荷快拆連接構(gòu)件的安裝位置；不同埋深荷載下應(yīng)力分布位置固定，不會(huì)隨荷載增加而變化，從而保證結(jié)構(gòu)整體分段安全可靠，可應(yīng)對(duì)各種工況。同時(shí)，在90 kN軸壓情況下拆卸力僅需210.6 N，人工利用扳手即可輕便快捷完成拆卸。

關(guān) 鍵 詞：臨時(shí)仰拱； 鋼管混凝土； 分段裝配式； 卸荷快拆連接構(gòu)件

中圖法分類號(hào)： U451.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.022

0 引 言

公路隧道在建設(shè)過程中經(jīng)常會(huì)遭遇軟弱圍巖、破碎帶等不良地質(zhì)［1］，由于圍巖穩(wěn)定性較差，支護(hù)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生沉降變形，臨時(shí)仰拱可以幫助各施工臺(tái)階及時(shí)封閉成環(huán)，減少隧道圍巖變形量，提高整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與穩(wěn)定性［2］。目前臨時(shí)仰拱常用鋼拱架平行分步施作，以鋼筋綁扎、混凝土噴射固定，但噴射混凝土存在厚度不均、養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度不夠等問題，且在下一階段施工時(shí)臨時(shí)仰拱需要切割拆除，拆卸不便的同時(shí)提高了工程造價(jià)［3］。

鋼管混凝土作為鋼管中填充混凝土形成的復(fù)合式構(gòu)件［4-6］，相較于傳統(tǒng)混凝土材料，具備更高的強(qiáng)度和彈性性能，其承載力高、延展性好、抗彎扭、抗震效果好，被廣泛應(yīng)用于土木工程的多個(gè)領(lǐng)域［7-9］。由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析與施工技術(shù)日益成熟［10-12］，其在高層建筑和地鐵、橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用并獲得良好效益［13-14］。在公路隧道領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)學(xué)者也展開了部分研究，吳潔［15］探究了鋼管混凝土在支護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和承載特性；任兆丹等［16］研究了作為拱架的鋼管混凝土在偏壓試驗(yàn)下的力學(xué)性能和破壞特征；王志超［17］針對(duì)黃土隧道變形大、難收斂的現(xiàn)象，以鋼管混凝土作為初期支護(hù)，提高了結(jié)構(gòu)剛度和承載力；李曉芳等［18］提出了以薄壁鋼管混凝土支架為主的支護(hù)方法，并對(duì)其受壓極限進(jìn)行了驗(yàn)證。但上述研究基本都是將鋼管混凝土應(yīng)用于隧道的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)中，而臨時(shí)支護(hù)能否應(yīng)用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)尚未展開針對(duì)性研究。

鑒于此，本文針對(duì)軟弱圍巖隧道的臨時(shí)支護(hù)問題，提出一種新型的裝配式鋼管混凝土臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)，研究其在受壓試驗(yàn)狀態(tài)下的承載機(jī)理與卸荷性能。

1 結(jié)構(gòu)分析

1.1 臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道內(nèi)臨時(shí)仰拱常用工字鋼、型鋼等鋼拱架結(jié)構(gòu)。受截面形式限制，此類結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為軸向受壓，在復(fù)雜應(yīng)力作用下易發(fā)生彎扭、應(yīng)力集中、斷裂等破壞，在軟弱圍巖情況下給隧道帶來大變形、沉降等諸多施工風(fēng)險(xiǎn)。通過鋼管混凝土材料的多節(jié)段預(yù)制拼接可有效提高承載力與支撐強(qiáng)度，同時(shí)結(jié)構(gòu)便利可拆裝，滿足循環(huán)利用的需求。如圖1所示，設(shè)置5個(gè)節(jié)段，對(duì)稱分布，節(jié)段1與節(jié)段2，節(jié)段4與節(jié)段5分別通過法蘭連接，節(jié)段2、節(jié)段4分別與節(jié)段3通過設(shè)計(jì)的卸荷快拆連接件連接。

鑒于傳統(tǒng)臨時(shí)仰拱鋼拱架在后續(xù)施工中需要拆除丟棄，設(shè)計(jì)了卸荷快拆連接構(gòu)件，確保臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)在保持高效承載力、支護(hù)強(qiáng)度的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)人力安全快速拆卸以及裝配式循環(huán)利用的功能，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

卸荷快拆連接件主要由外部鋼管套筒、楔形塊、松緊螺母螺桿3部分組成。連接件整體沿鋼管混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置，楔形塊作為承載與卸荷的主要部件位于套筒內(nèi)部，分別與螺桿連接，以墊片和螺母固定。整體結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)，通過擰緊螺母擠壓楔形塊使兩側(cè)鋼管混凝土與周邊圍巖緊密接觸，從而達(dá)到承載支護(hù)的目的；需要卸荷拆除時(shí)，擰松螺母，楔形塊向外側(cè)推動(dòng)，鋼管混凝土相向滑動(dòng)使仰拱卸力，進(jìn)而達(dá)到拆卸仰拱的目的。

為驗(yàn)證裝配式鋼管混凝土臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)的安全性、受力性能和拆裝便捷性，本文采用荷載結(jié)構(gòu)法、數(shù)值模擬計(jì)算來分析臨時(shí)仰拱受力特性，然后制作縮尺節(jié)段模型開展室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證臨時(shí)仰拱工作狀態(tài)下人力拆卸的可行性與安全強(qiáng)度。

1.2 圍巖壓力分析

以國(guó)道G316董奉山隧道為工程依托進(jìn)行分析，其設(shè)計(jì)寬度為12.2 m，臨時(shí)仰拱距離洞頂最大深度為3.86 m，隧道圍巖以強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖為主。根據(jù)勘察資料，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所列。

1.2.1 等效高度、臨界高度計(jì)算

參照相關(guān)規(guī)范［19］中關(guān)于淺埋和深埋隧道的分界，按照荷載等效高度（淺埋與超淺埋界限），并結(jié)合地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合判斷。荷載等效高度采用式（1）計(jì)算：

式中：hq為荷載等效高度，s為圍巖級(jí)別，ω為寬度影響系數(shù)。

對(duì)于Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖，采用礦山法進(jìn)行施工時(shí)，臨界高度Hq（淺埋與深埋界限）采用式（2）計(jì)算：

計(jì)算得到荷載等效高度hq為12.38 m，則臨界高度Hq為30.95 m（后文計(jì)算中取31）。

1.2.2 側(cè)壓力系數(shù)

圍巖滑動(dòng)面的摩擦角除了與巖體計(jì)算摩擦角有關(guān)外，還受到圍巖級(jí)別的影響。根據(jù)勘察資料，Ⅴ級(jí)凝灰熔巖的內(nèi)摩擦角為24°，側(cè)壓力系數(shù)λ則采用式（3）～（4）計(jì)算：

式中：β為最大壓力情況下的破裂角；φ為內(nèi)摩擦角，取24°；θ為破裂面摩擦角，在V級(jí)圍巖情況下取0.6倍的內(nèi)摩擦角值。經(jīng)計(jì)算，側(cè)壓力系數(shù)λ為0.52。

1.2.3 圍巖壓力計(jì)算

由于隧道洞頂?shù)母餐辽疃仁遣粩嘧兓?，不同覆土深度?duì)應(yīng)的圍巖應(yīng)力大小也不同，針對(duì)該隧道項(xiàng)目的實(shí)際情況，以荷載等效高度12.38 m和臨界高度31 m為界線分別計(jì)算埋深為12.38，20，31 m和超過31 m時(shí)的水平圍巖應(yīng)力和豎向圍巖應(yīng)力。埋深為20 m和31 m時(shí)，均為淺埋隧道，超過臨界深度31 m時(shí)，為深埋隧道。經(jīng)計(jì)算各埋深豎向壓力、水平側(cè)壓力如表2所列。

結(jié)果表明，臨界埋深31 m以上，隨深度增加，臨時(shí)仰拱受力遞減，在臨界埋深情況下達(dá)到最大壓力。為驗(yàn)證裝配式鋼管混凝土臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)在受荷狀態(tài)下各節(jié)段的受力特性，進(jìn)一步開展了有限元分析，為臨時(shí)仰拱各節(jié)段長(zhǎng)度分配提供優(yōu)化方案。

1.3 有限元模擬分析

因?yàn)樵趯?shí)際施工環(huán)境中，臨時(shí)仰拱與隧道上覆圍巖幾乎無接觸，所受力基本由上面搭建的鋼拱架傳遞而來，故需要先計(jì)算出4種不同埋深工況下的單榀鋼拱架所受荷載情況。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范［20］，此隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，Ⅴ級(jí)圍巖下復(fù)合式襯砌的初期支護(hù)與二次襯砌承載比不低于50%，本文按60%計(jì)算?；谏鲜鲇?jì)算出的圍巖壓力，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn)，確定臨時(shí)仰拱矢高（從臨時(shí)仰拱截面下緣至相鄰兩拱腳截面下緣最低點(diǎn)之連線的垂直距離）為0.6 m。相鄰兩榀拱架的間距為0.6 m，經(jīng)計(jì)算，各埋深下單榀拱架的荷載如表3所列。

應(yīng)用有限元分析軟件，設(shè)計(jì)帶有鋼拱架結(jié)構(gòu)的鋼管混凝土臨時(shí)仰拱模型，根據(jù)前期研究，設(shè)定鋼管混凝土直徑為0.121 m，鋼拱架采用工字鋼22a的截面尺寸，矢高取0.6 m。如圖3所示，黃色為鋼管混凝土圓柱體模型，紫色為工字鋼拱架，紅色為矢高線。均假定為各向同性的彈性模型，整個(gè)模型周邊以曲面彈簧進(jìn)行固定約束，以總體為基準(zhǔn)劃分為4 000個(gè)網(wǎng)格。

分別設(shè)置4種不同埋深下荷載邊界條件進(jìn)行模擬分析，研究結(jié)構(gòu)各位置處的應(yīng)力分布。將表3計(jì)算出的荷載均勻施加于紫色鋼拱架上進(jìn)行模擬分析，得到下方的鋼管混凝土臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)受力情況。

圖4為20 m埋深下臨時(shí)仰拱所受的軸力、彎矩、剪力圖。

分析結(jié)果表明，由于臨時(shí)仰拱模型和荷載對(duì)稱布置，得到的受力結(jié)果也基本對(duì)稱。當(dāng)埋深為20 m時(shí)，如圖4（a）所示，臨時(shí)仰拱軸力大小整體相當(dāng)，最大值為44.40 kN，位于臨時(shí)仰拱兩端，最小值為38.48 kN，與臨時(shí)仰拱兩端水平距離為0.50 m；如圖4（b）所示，臨時(shí)仰拱最大彎矩為110.53 kN·m，位于臨時(shí)仰拱的兩端，彎矩為0的點(diǎn)與臨時(shí)仰拱兩端的水平距離為0.25 m，沿著遠(yuǎn)離臨時(shí)仰拱兩端的方向彎矩先減小后增大再減小，在距離端點(diǎn)3.45 m的三分點(diǎn)位處，彎矩為3.37 kN·m，至結(jié)構(gòu)中點(diǎn)處彎矩減小接近于0；如圖4（c）所示，臨時(shí)仰拱的最大剪力為704.73 kN，位于臨時(shí)仰拱的兩端，沿著遠(yuǎn)離臨時(shí)仰拱兩端的方向剪力先增大后減小為0。

在對(duì)其他3種埋深下荷載條件進(jìn)行模擬分析后，發(fā)現(xiàn)各埋深情況下臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)的各位置應(yīng)力分布大致相同，由此以應(yīng)力極值和0的情況進(jìn)行點(diǎn)位劃分，位置分布如圖5所示。

圖5中A～F點(diǎn)對(duì)稱分布，A點(diǎn)與F點(diǎn)、B點(diǎn)與E點(diǎn)、C點(diǎn)與D點(diǎn)的受力情況相同。A、F為兩側(cè)端點(diǎn)，B、C、D、E為計(jì)算出的4個(gè)彎矩近似為零的點(diǎn)，構(gòu)件連接截面位置受力分布如圖6所示。

隨著埋深增加，桿件各連接點(diǎn)軸力不斷增加，埋深為31 m時(shí)，臨時(shí)仰拱的最大軸力達(dá)到極值，此時(shí)A點(diǎn)軸力成為不同埋深下臨時(shí)仰拱的最大軸力，大小為58.36 kN；當(dāng)進(jìn)入深埋段后（埋深大于31 m），各點(diǎn)軸力隨著深度增加不再發(fā)生變化，此時(shí)A點(diǎn)為最大軸壓點(diǎn)，大小為35.66 kN；在不同的埋深下，B、C兩點(diǎn)的軸力大小基本相等；C、D點(diǎn)作為臨時(shí)仰拱的關(guān)鍵點(diǎn)，距離仰拱最近端點(diǎn)的水平長(zhǎng)度為3.45 m，近似處于臨時(shí)仰拱的三分點(diǎn)位。

圖6（c）模擬結(jié)果表明，當(dāng)C、D作為分段節(jié)點(diǎn)時(shí)，其剪力近似為0，剪力大小隨隧道埋深變化不大，當(dāng)隧道處于深埋和超深埋的臨界值時(shí)，剪力最大，為4.39 kN，與對(duì)應(yīng)軸力52.04 kN相比差一個(gè)數(shù)量級(jí)。與此同時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到4.39 kN剪力時(shí)，其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)徑縮為0.003 mm，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)臨時(shí)仰拱施工的設(shè)計(jì)預(yù)留差（2 mm），因此該剪力大小對(duì)結(jié)構(gòu)的影響完全可以忽略。

通過計(jì)算、模擬分析臨時(shí)仰拱隨埋深變化的受力分布特點(diǎn)，結(jié)果顯示桿件C、D點(diǎn)彎矩、剪力均較小，所受軸力在整個(gè)臨時(shí)仰拱結(jié)構(gòu)中也相對(duì)較小，因此設(shè)計(jì)C、D點(diǎn)為臨時(shí)仰拱分段拼接點(diǎn)及快拆結(jié)構(gòu)布置點(diǎn)是合理且安全的。此外，當(dāng)荷載對(duì)稱分布時(shí)，在不同埋深下臨時(shí)仰拱的各受力點(diǎn)位置是固定的，不會(huì)隨荷載大小變化而發(fā)生移位，故所得6個(gè)分段點(diǎn)適合多種埋深情況下的臨時(shí)仰拱支護(hù)體系。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 材料參數(shù)

根據(jù)構(gòu)件尺寸設(shè)計(jì)與工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，采用A3鋼鋼管制作臨時(shí)仰拱，外徑121 mm，內(nèi)徑91 mm，鋼管內(nèi)采用C30細(xì)石混凝土充填。各材料的物理力學(xué)性質(zhì)如表4所列，預(yù)制構(gòu)件如圖7所示。

2.2 加載-拆卸過程設(shè)計(jì)

為研究鋼管混凝土臨時(shí)仰拱工作狀態(tài)下的人力拆卸難易程度，利用25 t加載機(jī)對(duì)鋼管混凝土快拆結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸壓加載試驗(yàn)。最大加壓荷載不小于臨時(shí)仰拱最大工作荷載的1.5倍，采用分級(jí)加載的方式加壓，當(dāng)加載到設(shè)定值，試驗(yàn)機(jī)工作狀況穩(wěn)定后，利用快拆結(jié)構(gòu)上的拆卸閥卸載軸向荷載，利用扭矩扳手記錄拆卸扭矩和拆卸難易程度，記錄加載-拆卸時(shí)軸壓變化曲線。

本次研究試驗(yàn)分級(jí)加載軸力分別為15，30，45，60，75 kN和90 kN，記錄不同加載階段快拆結(jié)構(gòu)的變形情況和拆卸扭矩。試驗(yàn)步驟如圖8所示。

2.3 安全性校核

為確保試件的安全試驗(yàn)，首先對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核。試驗(yàn)以受壓為主，重點(diǎn)校核試件在軸力作用下的強(qiáng)度和壓屈穩(wěn)定性。

2.3.1 抗壓強(qiáng)度校核

在設(shè)計(jì)強(qiáng)度范圍內(nèi)，根據(jù)混凝土和鋼管的本構(gòu)關(guān)系及變形協(xié)調(diào)要求，需滿足下式：

式中：σ1為鋼管所受的軸向應(yīng)力；E1為鋼管彈性模量；ε1為鋼管軸向應(yīng)變；σ2為混凝土管所受的軸向應(yīng)力；E2為混凝土彈性模量；ε2為混凝土軸向應(yīng)變。

由靜力平衡條件得到應(yīng)力計(jì)算式（6）～（7）：

式中：F為鋼管混凝土所受軸力；A1為鋼管截面積；A2為混凝土截面積。

在最大軸向試驗(yàn)荷載作用下，根據(jù)表4中參數(shù)計(jì)算得到鋼管軸向應(yīng)力σ1=15.08 MPa，遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（210 MPa）；混凝土承受的軸向應(yīng)力σ2=2.26 MPa，低于其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（14.3 MPa），鋼管混凝土構(gòu)件處于安全狀態(tài)。

2.3.2 穩(wěn)定性校核

不同桿端約束形式，受壓試件的失穩(wěn)臨界荷載計(jì)算有所差異。試件兩端直接與壓力機(jī)承壓板接觸，可視為兩端鉸支連接，根據(jù)細(xì)長(zhǎng)、中心受壓桿件歐拉公式，試件壓屈的臨界荷載計(jì)算式為

式中：當(dāng)兩端鉸支連接時(shí)，桿長(zhǎng)因子μ=1，試驗(yàn)桿長(zhǎng)l=0.9 m，其平均彈性模量E和桿件截面的慣性矩I的計(jì)算式如下：

式中：A為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的總截面積。

計(jì)算得到臨界荷載Fcr=13 270 kN。表明臨界荷載遠(yuǎn)大于試驗(yàn)最大軸向荷載（90 kN），因此在該試驗(yàn)荷載作用下，桿件穩(wěn)定性滿足安全要求。

2.4 加載方案

應(yīng)用材料軸壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載（見圖9），模擬鋼管混凝土快拆結(jié)構(gòu)在不同工作荷載下的拆卸。前文經(jīng)數(shù)值模擬分析出此工程條件不同埋深下臨時(shí)仰拱的最大軸力為58.36 kN，即拆卸點(diǎn)承受的最大軸力為58.36 kN，故室內(nèi)試驗(yàn)加載軸壓分別取15，30，45，60，75 kN和90 kN。

按照3～10 kN/min加載速率，加載至預(yù)壓值，然后利用軸壓機(jī)荷載自穩(wěn)功能，將荷載穩(wěn)定在預(yù)壓值附近。不同軸壓下加載-卸荷曲線如圖10所示。

結(jié)果表明：施加不同大小軸壓，桿件受力均會(huì)經(jīng)歷承壓板接觸階段、線性加載階段、穩(wěn)定開始階段、穩(wěn)定階段和卸載階段。并且，從穩(wěn)定階段到卸荷階段的曲線變化可知，當(dāng)用扭矩扳手轉(zhuǎn)動(dòng)拆卸螺母時(shí)，軸壓出現(xiàn)明顯的降低，螺母被扭動(dòng)瞬間，扭矩最大，此后拆卸扭矩逐步減小。

2.5 結(jié)果分析

當(dāng)軸壓穩(wěn)定超過3 min后，開始拆卸快拆結(jié)構(gòu)，此時(shí)軸壓出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，陡降后軸力明顯低于前期的穩(wěn)定軸壓。由于轉(zhuǎn)動(dòng)拆卸螺母過快，快拆結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)迅速下降，萬能試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)判斷為壓縮構(gòu)件破壞，自動(dòng)終止試驗(yàn)和記錄。

試驗(yàn)采用的拆卸扭矩扳手臂長(zhǎng)60 cm，根據(jù)拆卸扭矩計(jì)算得到不同軸壓下最大拆卸力和等價(jià)物重，計(jì)算結(jié)果如表5所列。

由表5可知，當(dāng)快拆結(jié)構(gòu)承受最大軸力90 kN時(shí)，拆卸最大扭矩為126.4 N·m。采用臂長(zhǎng)60 cm的扳手，最大拆卸荷載為210.6 N，約等于21.06 kg物重。最大拆卸荷載與軸力呈正向線性擬合曲線，如圖11所示。

由圖11可知，受上部鋼管混凝土壓重和拆卸螺母的起始扭矩影響，擬合曲線并未經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)。在工程現(xiàn)場(chǎng)，臨時(shí)仰拱整體擱置在圍巖上，不會(huì)承受鋼管混凝土的壓重作用，因此實(shí)際應(yīng)用過程中理論拆卸荷載更小。拆卸荷載除與軸向荷載F有關(guān)外，還與擬合參數(shù)c1、c2有關(guān)，該參數(shù)則受拆卸螺桿的摩擦系數(shù)、絲桿材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等影響。

3 結(jié) 論

通過開展軟弱圍巖隧道裝配式臨時(shí)仰拱理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)研究，從理論分析、有限元模擬、室內(nèi)試驗(yàn)等多個(gè)角度研究了臨時(shí)仰拱及快拆結(jié)構(gòu)在圍巖壓力作用下的內(nèi)力分布情況、拆卸力大小和拆卸便捷程度，所得結(jié)論如下：

（1） 根據(jù)依托的工程巖土參數(shù)計(jì)算得到混凝土承受最大軸壓為58.36 kN，拆卸臨時(shí)仰拱快拆構(gòu)件的理論荷載約為140.8 N，約為14.8 kg物重，表明拆卸力在人工可施加范圍內(nèi)，即采用人力可拆卸鋼管混凝土臨時(shí)仰拱。

（2） 本文提出的軟弱圍巖臨時(shí)仰拱及快拆結(jié)構(gòu)模型經(jīng)過模擬計(jì)算，結(jié)果表明各連接點(diǎn)受力合理，快拆構(gòu)件布置點(diǎn)主要承受軸力，剪力影響極小，因此在人工拆除快拆構(gòu)件時(shí)具備充足安全保障，受力對(duì)稱合理，拆卸簡(jiǎn)單輕便。

（3） 軟巖隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)較差，巖性和力學(xué)性質(zhì)具有一定空間變異性和不均衡性，臨時(shí)仰拱實(shí)際承受的水平和豎向荷載與有限元模擬、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果存在差異，因此后期仍需持續(xù)開展裝配式鋼管混凝土臨時(shí)仰拱現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證本文研究成果在軟弱圍巖中應(yīng)用可行性。

參考文獻(xiàn)：

［1］來弘鵬，林永貴，謝永利，等.不同應(yīng)力場(chǎng)下軟弱圍巖公路隧道的力學(xué)特征試驗(yàn)［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2008，21（4）：81-87.

［2］JIN X，XI H，LI X.Study on mechanical properties of support structure of deep buried tunnel soft and weak surrounding rock in high situ stress area［J］.Journal of Highway & Transportation Research & Development，2008，4（1）：77-81.

［3］夏海，徐光陽(yáng)，傅金陽(yáng)，等.黃土隧道三臺(tái)階施工預(yù)制臨時(shí)仰拱技術(shù)及應(yīng)用研究［J］.隧道建設(shè)（中英文），2021，41（增1）：431-439.

［4］蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［5］李為騰，王乾，楊寧，等.鋼管混凝土拱架在巷道支護(hù)中的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2016，49（11）：97-114.

［6］朱翔，曹瑞東，康婷婷，等.側(cè)向沖擊荷載作用下鋼骨混凝土柱抗沖擊性能研究［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2017，37（4）：10-15.

［7］汪洋，索小永.方鋼管混凝土柱低周反復(fù)荷載作用試驗(yàn)研究［J］.人民長(zhǎng)江，2010，41（9）：89-91，107.

［8］侯和濤，馬素，王琦，等.薄壁鋼管混凝土拱架在隧道支護(hù)中的受力特性［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，48（5）：1316-1325.

［9］王海良，張鐸，劉中憲.基于IDA鋼管混凝土桁架連續(xù)曲線橋抗震易損性分析［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2017，37（1）：10-16.

［10］陳鵬，葛正輝，鄭建國(guó).鋼管混凝土構(gòu)件及拱架受力特征分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（增1）：102-107.

［11］魏清武，張富明.鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與支護(hù)效應(yīng)研究［J］.工程技術(shù)研究，2020，5（20）：13-16.

［12］鄒沐恩.提籃式鋼管混凝土拱橋拱肋施工技術(shù)分析［J］.江西建材，2022（7）：308-309，312.

［13］莊志凱，張偉，張坤，等.不同冷卻條件下高溫作用后混凝土損傷演化研究［J］.人民長(zhǎng)江，2023，54（4）：229-233.

［14］馬雨峰，黃書嶺，王蘭普，等.基于原位取樣的地下洞室噴射混凝土抗彎性能試驗(yàn)［J］.人民長(zhǎng)江，2021，52（1）：190-195.

［15］吳潔.公路隧道鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)承載機(jī)理研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2019.

［16］任兆丹，王智勇，孔超，等.公路隧道鋼管混凝土拱架偏壓長(zhǎng)柱承載機(jī)理研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2021，17（6）：12-17.

［17］王志超.黃土公路隧道鋼管混凝土支護(hù)力學(xué)特性數(shù)值模擬分析［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

［18］李曉芳，滕偉玲，周建.薄壁鋼管自密實(shí)混凝土支架在隧道中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019（2）：5-7.

［19］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG/T 3370-2018［S］.北京：人民交通出版社，2018.

［20］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則：JTG/T D70-2010［S］.北京：人民交通出版社，2010.

（編輯：胡旭東）

Study on mechanical properties of fabricated concrete-filled steel tubular temporary inverted arch structure

ZHANG Ziping1，2，YUAN Qing1，2，XIONG Qihuan1，2，YU Jin1，2，CHEN Shihao1，2，ZHAN Caizhao1，2

（1.CCCC Second Harbor Engineering Company LTD.，Wuhan 430040，China； 2.Research and Development Center of Transport Industry of Intelligent Manufacturing Technologies of Transport Infrastructure，Wuhan 430040，China）

Abstract： In order to improve the cyclic utilization rate and disassembly convenience of temporary support in tunnels under bad geological conditions，and improve its anti-deformation strength and comprehensive construction performance，a new type of segmented fabricated concrete-filled steel tube temporary inverted arch structure was proposed.The steel tube was filled with concrete as the main structure body，supplemented by unloading quick dismantling connection components.By setting the load conditions under four buried depths，the mechanical properties of each segment and the overall disassembly performance of the inverted arch structure under different working conditions were studied by numerical simulation and physical test verification.The results showed that the force of the temporary inverted arch structure proposed in this paper had a symmetrical force distribution，the maximum values appeared at both ends of the inverted arch，and the zero points of bending moment and shear force were approximately at the one third points of the whole structure，so as to determine the installation position of the unloading quick dismantling connection components.The stress distribution position under different buried depth loads was fixed and would not change with the increasing of load，so as to ensure the safety and reliability of the whole structure，and can cope with various working conditions，and the disassembly force was only 210.6 N under the condition of 90 kN axial compression，the manual use of the wrench can easily and quickly complete the structure disassembly.

Key words： temporary invert arch；concrete-filled steel tube；segmented fabrication；unloading quick dismantling connection components

收稿日期：2022-08-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41672260）；湖北省引進(jìn)外國(guó)人才和智力項(xiàng)目（2021EJD012）

作者簡(jiǎn)介：張子平，男，工程師，碩士，主要從事巖土工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)研究工作。E-mail：565069372@qq.com