复合式衬砌隧道钢拱架与钢格栅支护方案比选

复合式衬砌隧道钢拱架与钢格栅支护方案比选

1两种支护形式的主要区别喷锚防护是当前隧道建设中最常见的形式之一。当隧道的围岩条件较差时,初期支护内一般增设钢拱架或钢格栅以加强支护强度。《公路隧道设计规范》中并未对二者进行区分,并统称为钢架。但二者具有显著的差别。应该注意到,在不同的条件下采用不同的支护形式,可以获得较高的性价比。因此,对二者的研究具有一定的实用价值和参考意义。本文以二者随时间变化的承载能力不同为切入点,对两种支护形式的选择进行了分析。由于锚杆在两种形式的支护下作用相同,因此未考虑其影响;但喷射混凝土强度的发展对二者的承载能力影响较大,文章对此进行了详细论述。初始释放荷载(20h内)对二者的选取具有重要影响。为此,文章结合龙头山隧道施工过程中的实测数据进行了分析;并以此结果对二者的选择依据进行了对比和验证。文章最终目的是给出两种支护形式的适用条件和范围,以便为设计和支护参数优化提供参考。2龙头山隧道初步开口分析2.1隧道围岩测试方法龙头山隧道是同三、京珠国道主干线绕广州公路东环段的重点工程。该隧道为分离式双洞八车道隧道,单洞全长1010m,最大埋深150m。隧道整体围岩条件较差,尤其进口及出口。本文以左线出口Ⅴ级围岩段k6+730断面的监测数据为基础进行分析;分析内容包括钢拱架内力、初衬与围岩间压力、初衬收敛及拱顶下沉量测。量测数据开始于6月5日和6月10(拱腰)、9月12日和9月21日(拱脚);截至到2005年11月27日。目前两侧壁导坑已通过该断面。测试元件的布置情况如图1所示。本文以面向掌子面方向为正,其左侧为左导洞。2.2初释放负荷分析2.2.1初始荷载不足(1)初期支护承受相当部分的压力荷载,两侧导洞开挖后全断面开挖前,最大内力值约5.41kN;其中拱腰处承受的荷载比拱脚处大。(2)作用在初期支护上的初始荷载不容忽视;拱腰处分担比例较大,占总量23.75%;拱脚相对较小,约占总量9.60%。如表1所示。2.2.2测量对象与围岩之间的压力(1)拱附近的初始负荷较大，最大最大值为81.5kPa,其平均值占累计值的16.8%。(2)拱脚荷载的释放相对较慢，初始负荷平均值仅为总负荷的10.03%。如表2所示2.2.3初始收敛变形释放值对比考虑到拱顶下沉和收敛量测存在时间滞后,不能完全反映初始变形的释放情况。但是,分析其右侧导洞下台阶开挖时该断面拱顶下沉和收敛测值的变化,也可在一定程度上反映初始变形的释放情况。因此,对9月23~30日(测点破坏)和9月23日~11月16日(测点破坏)的拱顶下沉数据进行分析。其数据有如下特点:(1)收敛测值比拱顶下沉测值对初期变形更加敏感,前者平均值是后者的两倍;(2)初始荷载作用在初期支护而产生的初始收敛变形占累计变形的20.2%,最大值为-4.83mm;(3)初始拱顶下沉占累计变形13.5%,最大值为-2.85mm。各侧线及测点的初始测值及累计测值如表3所示。2.3初始荷载分担比例综合以上三组数据分析结果,得到以下规律:(1)初期支护承担较大的初始释放荷载,它能够有效约束围岩早期的快速变形。(2)三种测试元件反映出类似的规律;即不同元件测出的初始荷载分担比例基本相同,拱腰处为20%左右,拱脚为10%。(3)拱腰的初始荷载分担比例大于拱脚。(4)钢拱架内力、收敛和拱顶下沉对初始荷载更为敏感。(5)拱腰处围岩压力初值略小,但拱脚处正常;这是由于拱腰处不易施工和元件埋设,介质相对松散,发生较大的变形后才有明显测值;监测中该现象较为普遍。根据实测值和分担比例估算该断面初始释放荷载,同时把不同时间的实测值列于表4。3表1和表2的维护分析3.1型钢与混凝土的组合钢架的作用是:在喷射混凝土未达到要求强度之前承担地层压力和约束变形,提高初期支护的能力,它既是临时支撑也是永久支护的一部分。但由于结构形式和制作工艺差异,支护效果上二者存在一定的差别。都有其各自的优越性。型钢拱架支撑的截面大、刚度大、承受隧道开挖后的初期受力的能力强,即能够有效控制隧道开挖后的初期变形。但是,由于其与混凝土的热膨胀系数的不同,温度变化时,经常沿着钢拱架产生环向收缩裂缝。而且,钢拱架背后的喷射混凝土很难充填密实,这将影响支护效果。另外,型钢重量大,运输不方便。钢格栅与混凝土接触面积大、粘结效果好,能够共同变形,共同受力,不会出现收缩裂缝。由于其拱架间空隙大,其后面不容易出现较大的空洞现象。而且其工程造价低,经济性好。钢格栅重量轻,制作简单,运输和安装方便。但是,抵抗初始变形的能力弱,整体刚度低。3.2混凝土刚度计算龙头山隧道Ⅱ类围岩段,钢拱架间距为0.75m,初期支护厚度为0.3m。因此,取宽0.75m、高0.3m长方形初期支护为模型,分别对图2所示的钢拱架和折算钢格栅截面,采用等效刚度法计算两种模型刚度。型钢H200×200,腹板8mm,翼板12mm;钢格栅主筋Φ25,辅筋φ14。把参数代入公式(1),计算结果如表5所示。E1I1+E2I2=E1I3(1)E1Ι1+E2Ι2=E1Ι3(1)式中:E1为混凝土弹模;E2为钢材弹模;I1为计算模型混凝土惯性矩;I2为钢架虚线轴惯性矩;I3为等效后的惯性矩;E1I3等效为混凝土的刚度。取E1=23GPa;E2=210GPa。从上述结果中可以看出:如采用上述钢格栅代替钢拱架,其刚度将折减12%。3.3cm有效氧重的设置尽管钢拱架的初期支护形式具有刚度大的优势,但采用钢格栅将大大降低工程造价。若设置φ12×50cm箍筋,并采用图1所示断面形式,计算得到龙头山隧道每榀钢架至少节省钢材1500kg(46%)。当钢材用量相同时,钢格栅的布设间距可以减少到钢拱架的一半(0.35m),此时初期支护刚度和强度将提升到150%。3.4喷射混凝土强度与期龄的关系以上分析表明:比选钢拱架和钢格栅具有一定的经济价值。通过分析二者承载力与时间的关系,可进一步确定两种支护形式的选用时机和适用条件。没有外加剂的喷射混凝土强度与期龄的关系如公式(2)所示。Rn=R28=lgn+0.852.2972(2)Rn=R28=lgn+0.852.2972(2)式中:Rn为n天龄期喷射砼抗压强度(kPa);R28为28天龄期喷射砼抗压强度(kPa);n为龄期(d),不小于4h(0.167d)。3.4.1喷射混凝土浇筑受力(1)不考虑锚杆作用;(2)考虑本文为施工过程中的衬砌内力分析,因此简化为拱形半衬砌结构,并采用力法计算衬砌结构内力;(3)荷载全部作用在简化结构上;(4)应力验算时不考虑弯矩,只考虑轴力。(5)考虑到围岩条件较差以及计算方便,假设图中侧压力均布分布且为0.5q。隧道计算基本结构如图3所示,规定未知力方向为正。根据《结构设计原理》平面假设、弹性体假设、换算截面原理,计算两种钢架和喷射混凝土组合结构的极限轴力Nmax。计算公式如下:Nmax=σi⋅(Ah+EgEh⋅Ag)(3)Νmax=σi⋅(Ah+EgEh⋅Ag)(3)式中:σi为喷射砼在不同时间的极限应力;Ah为喷射混凝土结构的截面积;Ag为钢拱架或钢格栅的截面积;Eg为钢的弹性模量;Eh为喷射混凝土弹性模量。找到衬砌内最危险截面(轴力最大),结合公式(3)计算相应的极限承载力。简化图形中的拱形为半圆形、半径等于侧导洞上台阶拱架半径。纵向长度1m。计算参数如下:拱径R=7m;弹性抗力系数K=2.0×108N/m3;换算后钢拱架支护面积A=0.376m2;钢格栅支护面积A=0.328m2。支护内力计算公式如下:X1δ11+X2δ12+δ1p+β0=0X1δ12+X2δ22+δ2p+u0+fβ0=0}(4)Ni=X2cosα+qRsin2α−qR2(1−cosα)cosα(5)X1δ11+X2δ12+δ1p+β0=0X1δ12+X2δ22+δ2p+u0+fβ0=0}(4)Νi=X2cosα+qRsin2α-qR2(1-cosα)cosα(5)其中:δij为柔度系数;δip为外荷载下Xi方向位移;β0、u0为拱脚处截面总弹性转角和总水平位移;Ni为各截面的轴力。根据公式(3)~(5),可以计算得到上覆均布荷载q(压力)与喷射混凝土期龄关系。当单独采用钢拱架时,计算得其承受上覆极限均布荷载为0.204MPa;当单独采用钢格栅时,所能承受上覆极限均布荷载为0.075MPa。但实际表明:喷射混凝土的破坏多受其抗拉强度和岩石与混凝土界面的摩阻强度及粘结强度影响,而且现场实际情况复杂多变。因此考虑n=2的安全系数后,三种支护情况下的上覆容许荷载与时间的关系如表6所示。为便于分析,绘制素喷射混凝土、钢拱架支护形式、钢格栅支护形式的上覆容许荷载与时间关系曲线图如图4所示。3.4.2h后,锚杆支护时的初期支护形式主要采用钢拱架等形式支护(1)从长期角度看,钢拱架的初期支护能够承受均布荷载压力略大;与钢格栅比较,能够提高13%;与喷射砼比较提高20%。(2)两种支护形式的选取,关键取决于初始20h内荷载的变化情况。4h的单独钢拱架能够承受0.204MPa的极限均布荷载,分别是后两者承载力的3和6倍。但是,到了20h喷射砼强度的提高对二者承载力的贡献都相对较大,此时单独喷射砼极限承载力为0.25MPa。(3)20h后,初期支护中的喷射砼以及与锚杆形成的组合拱是主要的承载结构;根据经验,此时钢拱架和钢格栅除提高整体强度外,在控制喷射砼结构径向、环向、斜向裂缝方面也具有显著效果。(4)考虑到n=2的安全系数,当20h的估算围岩初始释放荷载大于0.1MPa时应选用钢拱架初期支护形式。(5)龙头山隧道该断面处选择钢拱架形式支护比较适宜;但时间测值表明,后续工序对荷载的影响较大,其大小及分布情况随之复杂,荷载值急剧攀升。当前其最大测值已经达到0.61MPa,而通过回归预测得到的最大容许荷载为0.85MPa;因此应采取提高锚杆施工质量,加密钢架间距,或紧跟二衬等措施;提高支护结构后期的整体刚度和强度。3.5钢拱架的选用根据以上分析,两种钢架支护形式有各自的优缺点,应该给予综合评价。从总体上考虑:公路隧道Ⅵ级围岩段以及进洞为Ⅴ级围岩的20m范围内,可采用钢拱架作为初期支护;这是考虑到以上荷载均以松散荷载形式出现,开挖后围岩卸荷时间快,要求初衬在第一时间具有一定的刚度,因此选用钢拱架较为适宜。对于需要钢架支护的Ⅳ级围岩,可选用钢格栅作为初期支护骨架;这样可以做到安全和经济的双赢。结合实际情况,并考虑一定的安全系数,具体建议如下:(1)钢拱架适用于地层条件极差地段;当初始20h内释放荷载大于0.1MPa时应选用钢拱架初期支护形式。(2)初始20h内释放荷载小于0.1MPa时应选用钢格栅初期支护形式。为了提高整体刚度,可以加密格栅之间的间距。4应用结果分析钢拱架和钢格栅