格栅拱架+喷射混凝土初期支护的力学特性分析

格栅拱架+喷射混凝土初期支护的力学特性分析

目前，许多岭田隧道项目采用“新奥法”，这在新奥法建设的早期保护中发挥了重要作用。在大多数初始保护结构形式中，“拱形格栅”和施瓦耳混凝土的结合效果良好，因此，它已被广泛应用于越来越多的新保护结构形式中。为更好地确定混凝土层达到设计强度以后,“格栅拱架+喷射混凝土”整体结构的力学性能及支护参数,笔者从弹性力学角度入手,将隧道初期支护简化为壳体结构(图1),来建立“格栅拱架+喷射混凝土”的力学模型,并研究喷层厚度与格栅拱架间距对支护效果的影响。图1中P1第一阶段支撑结构的弹性解1.1确定作用在该支护结构上的荷载由图1可知,要研究支护结构的力学参数首先需要确定作用在该支护结构上的荷载。目前岩土工程界有许多计算围岩压力的公式,为提高实用性,本文计算围岩压力采用国家规范中1.2简化断面形式在实际隧道设计中,初期支护结构有多种断面形式,为了计算方便,本文将隧道断面形式简化为圆形,如图1所示。由于断面结构形式对称,在建立初期支护结构分析模型时,只选择初期支护结构的一半进行分析,如图2所示。(1)在极坐标下，薄壳的负荷P令(2)平衡方程的构建根据弹性力学理论,由图4所示的微元结构,采用该结构模型建立3个平衡方程微元结构径向的平衡方程为式中,Q为微元结构的剪切应力,MPa。微元结构切向的平衡方程为式中,N为微元结构的轴应力,MPa。微元结构弯矩平衡方程为式中,M为微元结构的弯矩,MN·m。(3)结构边界条件对于该薄壳微元,力与位移的关系方程为其中,D=Et/(1-μ弯矩与位移的关系:式中,K=Et在θ=0,θ=π/2时,隧道初期支护结构边界条件如下:常微分方程式(10)通过常数变易法1.3射混凝土结构设计在上一节中,格栅拱架与喷射混凝土层是被当做均质壳体结构进行力学分析的,所以分析过程中用到的材料参数应该为组合结构的等效参数K与喷射混凝土结合良好,能够形成钢筋混凝土结构体系,是格栅拱架的一大优点。因此,假设格栅拱架与喷射混凝土之间不存在相对位移,利用此项假设,由式(9)可得式中,M由式(8)可得式中,N组合结构的弯矩与各组成部分所承担的弯矩之间的关系为组合结构的轴力与各组成部分所承担的弯矩之间的关系为联立式(20),(21)可得联立式(21),(23)可得由此可得初期支护结构的等效参数K2隧道工程地质概况某铁路隧道位于剥蚀中低山区,山高水深,剥蚀切割作用强烈,地形复杂。隧道起止里程为DK57+063~DK60+086,为全长3023m的双线铁路隧道,最大埋深约194.6m,如图6所示。根据现场调绘及工程地质钻探、物探揭示,隧道进口表层为第四系上更新统冲、风积(Q隧道设计为Ⅳ级围岩,初期支护喷射C25混凝土,拱墙厚度20cm,采用格栅拱架,间距为1.0m,断面尺寸为16cm×16cm的正方形断面,格栅主筋选用φ22mm的钢筋。(1)道法设计围岩荷载按照《TB10003—2005铁路隧道设计规范》其中,γ为隧道围岩容重,MN/m由此可得,围岩垂直荷载为0.1MPa,水平荷载为0.03MPa。(2)初期支护结构模量e根据隧道支护参数,在每个单元(图5中的s)中的主要参数如下:格栅:弹性模量E混凝土层:弹性模量E如图7所示,计算每个单元内格栅和混凝土的关于x轴的惯性矩式中,I可得由式(15)和(16)可知,当θ=0时初期支护结构的轴力最大,当θ=π/2时初期支护结构的弯矩最大。则θ=0时:θ=0时:(4)tb0103—强度验算。目前国家现行的设计规范中已经规定了结构构件的强度验算公式,依据《铁路隧道设计规范TB10003—2005》其中,R式中,K为安全系数,按《规范》表11.1.1-2采用;M为弯矩;R经验算,上述工程参数中算得的荷载符合《规范》要求。所以该隧道设计中格栅拱架支护是可以满足支护要求的。3格栅间距的影响通过改变拱架间距s和喷层厚度t来分析不同拱架间距和喷层厚度对支护效果的影响。首先确定格栅拱架和喷射混凝土层所承担的荷载占总荷载的百分比,由式(22)~(24)可得由式(29)~(31)可得针对上述工程案例,分别取t=[0.2,0.25,0.3],s=[0.2,0.25,0.3,0.35,0.4,0.45,0.5,0.55,0.6,0.65,0.7,0.75,0.8,0.85,0.9,0.95,1.0]进行计算,由式(41),(43)可得图8,9,由式(42),(44)可得图10,11。由图8,9可知,格栅拱架承担的荷载随着拱架间距的缩短而增大,随着喷层厚度的增大而减小;分析图10,11可知,喷射混凝土层承担的荷载随着拱架间距的缩短而减小,随着喷层厚度的增大而增大。由图8~11可知,相对于轴力,格栅承担更多的弯矩;总体来说,荷载主要由喷射混凝土层分担。由图8~11分析可知,当间距s从1.0m变到0.6m时,各部分承担的荷载变化不是很大;从0.6m变化到0.2m时,各部分承担的荷载变化较大。所以在初期支护中若想通过改变拱架间距增强支护结构时应该直接在0.6m以内调整。由图8~11分析可知,通过调整喷层厚度比调整拱架间距对支护效果的影响要更加显著,因此当需要调整初期支护强度时,最好是调整喷层厚度。4格栅拱架间距(1)结构强度验算表明,在Ⅳ级围岩铁路隧道中应用格栅拱架结构是能够实现初期支护效果的。(2)格栅拱架间距在0.6~1.0m变化时对支护效果影响不大,只有在小于0.6m时影响较明显;相对于改变格栅拱架间距,改变喷层厚度对支护效果的影响较明显。(3)“格栅拱架+喷射混凝土”支护形式,当喷射混凝