V級(jí)淺埋圍巖隧道復(fù)合式襯砌鋼拱架榀距分析

皇民1,2，康一1，潘炳玉1，肖昭然3，趙玉如1

(1.河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.鄭州大學(xué) 土木學(xué)院，河南 鄭州 450001；

3.河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001)

摘要：為了探究V級(jí)圍巖淺埋段復(fù)合式襯砌鋼拱架的合理榀距，保證工程的經(jīng)濟(jì)性與安全性，結(jié)合中原路西延上街轆把坡至鞏義S237快速通道韓門(mén)隧道工程實(shí)例，選取有代表性的斷面，采用理論計(jì)算和數(shù)值分析法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對(duì)該隧道V級(jí)圍巖段的鋼拱架榀距進(jìn)行了安全性評(píng)估.結(jié)果表明，在該條件下鋼拱架設(shè)計(jì)榀距的安全儲(chǔ)備過(guò)于充足、設(shè)計(jì)偏保守，施工圖設(shè)計(jì)的鋼拱架支護(hù)參數(shù)可以再作適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)整.

關(guān)鍵詞：公路隧道；復(fù)合式襯砌；數(shù)值模擬；隧道監(jiān)測(cè)；鋼拱架榀距

中圖分類號(hào)：U451.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-12-19

基金項(xiàng)目：河南省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(12A560004，15A560020)；鄭州市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20130816)

作者簡(jiǎn)介：皇民(1975-)，男，河南博愛(ài)人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)閹r土工程和隧道工程.

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和隧道施工工藝的進(jìn)步，復(fù)合式襯砌在公路隧道中也得到了普遍應(yīng)用.然而,復(fù)合式襯砌的許多技術(shù)指標(biāo)還停留在經(jīng)驗(yàn)階段，由此增加了工程造價(jià)，造成了不必要的浪費(fèi).因此,對(duì)復(fù)合式襯砌的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行深入研究意義重大.

在復(fù)合式襯砌中，噴射混凝土封閉圍巖和鋼筋網(wǎng)片提高了混凝土的整體性和抗拉性，使圍巖斷面重新形成了一個(gè)整體.錨桿支護(hù)的主要作用之一是控制圍巖的變形和發(fā)展，通過(guò)錨桿加固改善應(yīng)力環(huán)境來(lái)提高圍巖的自穩(wěn)性[1].而二襯混凝土幾乎不改變圍巖的受力狀態(tài)，二次襯砌一般僅起安全儲(chǔ)備作用[2].有研究表明，鋼拱架支護(hù)起決定性作用，除圍巖自身承載力外，幾乎大部分的圍巖壓力由鋼拱架承擔(dān),控制圍巖變形的效果明顯[3-4].為了探究鋼拱架的合理榀距，本研究結(jié)合工程實(shí)例假設(shè)圍巖壓力由鋼拱架獨(dú)立承擔(dān)，運(yùn)用數(shù)值分析法對(duì)經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行了強(qiáng)度驗(yàn)算并與現(xiàn)場(chǎng)鋼架應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析,對(duì)隧道的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義.

1工程概況

韓門(mén)隧道左線位于河南鄭州中原路西延上街轆把坡至鞏義S237快速通車道ZK16+145—ZK17+515段，該段隧道圍巖為較軟巖與較硬巖互層，以軟巖為主，巖體較破碎，砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖及砂巖互層且以砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖為主.左線全線長(zhǎng)1 370 m，V級(jí)圍巖1 077 m，凈寬14 m，最大凈寬17 m，屬大跨度長(zhǎng)隧道，隧道左右線間距控制在50 m左右.隧道全線采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用鋼架、錨桿、鋼筋網(wǎng)片和噴射混凝土組合結(jié)構(gòu)，二次襯砌為模筑混凝土結(jié)構(gòu).選取該工程的左線V級(jí)淺埋段埋深為51.007 m、樁號(hào)為ZK16+375的斷面進(jìn)行應(yīng)力校核，圍巖和隧道的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，隧道斷面見(jiàn)圖1.

表1　圍巖與隧道相關(guān)參數(shù) Tab.1　Parameters of surrounding rock and tunnel

注：表中數(shù)據(jù)全部為所研究斷面位置圍巖和隧道數(shù)據(jù).

圖1　隧道斷面圖(單位：mm) Fig.1　The cross section of tunnel(unit:mm)

2鋼架均布荷載理論計(jì)算[5]

2.1　圍巖的荷載等效高度

本工程隧道寬度大于5 m，圍巖的荷載等效高度與圍巖級(jí)別和隧道寬度存在以下關(guān)系：

hq=0.45×2s-1(0.5+0.1Bt).

由此得出圍巖荷載等效高度為15.696 m.

2.2　均布荷載計(jì)算

隧道鋼架采用I22型工字鋼，其相關(guān)物理指標(biāo)見(jiàn)表2.

表2　工字鋼參數(shù)表 Tab.2　The parameters of I steel

由于所校核斷面處隧道埋深為51.007 m，大于圍巖的荷載等效高度、小于該隧道的淺埋隧道分界深度，在設(shè)計(jì)圖紙中位于淺埋段.為了方便計(jì)算，假定土體中形成的破裂面是一條與水平成β角的斜直線,土體受力分析見(jiàn)圖2.

圖2　土體受力分析 Fig.2　The stress analysis diagram of soil

圖3　變量關(guān)系 Fig.3　The relationship between variables

假設(shè)λ為側(cè)壓力系數(shù)，經(jīng)代入計(jì)算其值為0.163 684 328 7，再將上列公式回代，可得出作用在HG面上的總垂直壓力Q=W-γh2λtan θ.

圖4　理論均布荷載示意圖 Fig.4　Theoretical uniform load

3數(shù)值分析

采用ABAQUS 6.13-1數(shù)值分析軟件研究隧道初期支護(hù)鋼拱架的受力變形規(guī)律，計(jì)算模型如圖5與圖6所示.該工程V級(jí)淺埋段鋼拱架采用的是I22a型工字鋼經(jīng)沖擊焊接而成，由于工程中仰拱全部位于片石混凝土中，受到了各個(gè)方向的約束，而兩側(cè)鋼拱架會(huì)受到圍巖持續(xù)的內(nèi)壓力.所以，為了盡可能真實(shí)地模擬鋼拱架的受力情況，在建模過(guò)程當(dāng)中約束了鋼架的部分變形方向.

圖5　鋼拱架各點(diǎn)應(yīng)力分布(單位：MPa) Fig.5　The stress distributions of steel arch (unit:MPa)

圖6　鋼拱架各點(diǎn)位移變化圖(單位：mm) Fig.6　The displacement variation of steel arch (unit:mm)

可以看出，起拱線以上的鋼拱架受力較大，最大的應(yīng)力為161.888 MPa，發(fā)生在拱肩位置；拱底處應(yīng)力最小，最小值為105.217 MPa；拱架最頂部應(yīng)力為161.860 MPa.鋼拱架左拱肩-拱頂-右拱肩之間的應(yīng)力變化不大，集中在161.8 MPa附近.位移最大值出現(xiàn)在隧道斷面豎直軸線處，最大計(jì)算位移為17.243 mm.

4現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)

4.1　監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì) [6-10]

鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用電測(cè)法，用東華測(cè)試技術(shù)有限公司的DH3818-3靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀和浙江黃巖測(cè)試生產(chǎn)的BX120-10AA應(yīng)變片進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集.數(shù)據(jù)采集每天進(jìn)行1~2次，每次每個(gè)點(diǎn)位采集數(shù)據(jù)120次.根據(jù)隧道設(shè)計(jì)資料，隧道五級(jí)淺埋段初期支護(hù)鋼拱架在用的是I22a型工字鋼，設(shè)計(jì)榀距為50 cm，選取的典型監(jiān)測(cè)斷面為V級(jí)圍巖淺埋段最危險(xiǎn)位置，樁號(hào)為ZK16+375.在鋼拱架上選取5個(gè)點(diǎn)布設(shè)應(yīng)變片，布設(shè)點(diǎn)分布位置如圖7所示，電測(cè)法應(yīng)變片布置如圖8所示.

圖7　測(cè)點(diǎn)布置圖 Fig.7　The distribution of monitor points

圖8　電測(cè)法圖 Fig.8　Electrical measuring method

4.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

剔除各點(diǎn)每天采集的120個(gè)數(shù)據(jù)中的異常值，利用求平均法得到各點(diǎn)的應(yīng)變值.統(tǒng)計(jì)出各點(diǎn)位鋼拱架從架設(shè)儀器到數(shù)據(jù)采集結(jié)束各時(shí)間點(diǎn)的應(yīng)變值，利用Orign軟件做出應(yīng)力-時(shí)間曲線圖，如圖9所示.

圖9　應(yīng)力-時(shí)間曲線圖 Fig.9　Stress-time curves

從圖9可以看出，鋼架應(yīng)力發(fā)展18天左右逐漸趨于穩(wěn)定，前期應(yīng)力發(fā)展較快，各點(diǎn)位應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論模擬結(jié)果基本相近，只是實(shí)測(cè)顯示最大應(yīng)力處于拱頂位置，但較拱肩差別不大.起拱線位置應(yīng)力較拱肩拱頂處小，也證明了數(shù)值模擬中限制仰拱全部變形和拱底局部變形的正確性.

5結(jié)論

(1)數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，鋼拱架的最大壓應(yīng)力為161.888 MPa，而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的最大壓應(yīng)力130 MPa.因受到安裝儀器滯后性的影響，可以認(rèn)為幾乎大部分的圍巖壓力由鋼拱架承擔(dān)，錨桿、鋼筋網(wǎng)片和噴射混凝土主要起提高圍巖整體性和自穩(wěn)性的作用.

(2)由于數(shù)值模擬并未考慮復(fù)合式襯砌其他支護(hù)的承載能力和架設(shè)儀器的滯后性，所以真實(shí)的鋼拱架應(yīng)力應(yīng)比監(jiān)測(cè)值稍大，同時(shí)小于數(shù)值模擬的數(shù)據(jù).

(3)根據(jù)監(jiān)測(cè)與研究分析，該三車道公路隧道V級(jí)圍巖淺埋段設(shè)計(jì)的鋼拱架榀距50 cm是偏于安全的，故原設(shè)計(jì)的鋼拱架榀距可以適當(dāng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以便減少工程投資.

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Analysis of steel arch frame spacing of the shallow tunnel

composite lining in the fifth level rocks

HUANG Min1，2, KANG Yi1, PAN Bingyu1,XIAO Zhaoran3，ZHAO Yuru1

(1.CollegeofCivilEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China;

2.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;

3.SchoolofCivilEngineering，HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450001,China)

Abstract:In order to solve the reasonable spacing of the steel arch frame of composite lining for shallow tunnel in the fifth level surrounding rocks and ensure the economy and security of the program,the paper selects special positions in the Hanmen tunnel of Zhongyuan Road extending from Shangjie to Gongyi S237 fast road and makes an estimate for the security, by theoretical arithmetic, numerical analysis and the analytic result of monitoring data. The results point out that the spacing designed for the steel arch frame is too conservative, which causes the program is uneconomical. The parameters of steel frame spacing should be devised for an appropriate adjustment.

Key words:highway tunnel; composite lining; numerical simulation; tunnel monitoring;steel frame spacing