劉永明

(中鐵(貴州)市政工程有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

本文依托貴州人防工程，通過(guò)對(duì)異形鋼拱架與正常鋼拱架進(jìn)行數(shù)值模擬和抗彎承載力試驗(yàn)，得到鋼拱架受彎的力學(xué)特性，并通過(guò)對(duì)實(shí)際工程中新型鋼拱架的應(yīng)用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析來(lái)驗(yàn)證新型鋼拱架的穩(wěn)定性。

1 工程概況

貴州某地下人防工程項(xiàng)目為省級(jí)人防指揮所暨國(guó)防動(dòng)員首腦指揮工程項(xiàng)目，截至目前，除了此人防工程，全國(guó)所有的省級(jí)人防指揮所都完成了改建。根據(jù)項(xiàng)目上的鉆探成果，按地層時(shí)代劃分，隧道經(jīng)過(guò)地段自上而下依次可分為第四系覆蓋土層(Q)、三疊系中統(tǒng)楊柳井組三段(T2yl3)。其中，包括：①紅黏土(Qel+dl) 位于隧道地表層，厚度0～3.3m；②白云巖(T2yl3)，依次分為強(qiáng)風(fēng)化白云巖與中風(fēng)化白云巖，其中強(qiáng)風(fēng)化白云巖主要呈現(xiàn)塊狀與砂狀，等級(jí)為V級(jí)，厚度為2.2～3.3m；中風(fēng)化白云巖主要呈現(xiàn)柱狀與塊狀，抗壓強(qiáng)度為35.8MPa，圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，厚度為3.1～4.6m。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，人防硐室支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅需承受一般地下工程中的圍巖靜態(tài)荷載，還需對(duì)武器攻擊起到一定的防護(hù)效果，達(dá)到相應(yīng)的防護(hù)等級(jí)，因此各交叉口附近的圍巖開挖輪廓及支護(hù)結(jié)構(gòu)必須滿足斷面設(shè)計(jì)要求，從而對(duì)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工精度和形狀提出了非常高的要求。為達(dá)到設(shè)計(jì)斷面要求，通過(guò)對(duì)各交叉口形狀及相對(duì)位置的分析，提出了一種Y字形主骨架+斜截?cái)喙凹艿闹ёo(hù)形式。其空間形態(tài)如圖1所示。

圖1 主硐室與聯(lián)絡(luò)通道交叉口拱架空間

2 鋼拱架受力分析

2.1 鋼拱架數(shù)值模擬

2.1.1模擬方案設(shè)計(jì)

為了分析交叉段鋼拱架的受力情況，采用大型軟件ABAQUS對(duì)I20和I30主拱架進(jìn)行數(shù)值分析，數(shù)值模型中鋼拱架采用彈性本構(gòu)模型。為了減少模型的規(guī)模，現(xiàn)階段對(duì)I20鋼拱架和I30主拱架單獨(dú)進(jìn)行分析，采用隧道力學(xué)分析中的荷載-結(jié)構(gòu)模型對(duì)鋼拱架受力進(jìn)行分析。

本工程硐室為深埋隧道，圍巖壓力可按松散壓力予以考慮，參考TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，硐室的豎向壓力可按下式計(jì)算：

(1)

式中：ω為寬度影響系數(shù)，ω=1+i(B-5)；B為硐室寬度；i為B每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率，B<5m時(shí)取i=0.2，B>5m時(shí)取i=0.1。

水平壓力一般考慮為豎向壓力(q)乘以相應(yīng)的系數(shù)：Ⅰ～Ⅱ級(jí)圍巖水平均布?jí)毫?，Ⅲ級(jí)圍巖為<0.15q，Ⅳ級(jí)圍巖為(0.151～0.30)q，Ⅴ級(jí)圍巖為(0.30～0.50)q，Ⅵ級(jí)圍巖為(0.50～1.0)q。

以上僅用于不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹性的一般圍巖；僅適用于采用鉆爆法施工的隧道，硐室的結(jié)構(gòu)荷載如圖2所示。

圖2 主硐室和聯(lián)絡(luò)通道圍巖壓力計(jì)算示意

主硐室與聯(lián)絡(luò)通道交叉口附近5m范圍內(nèi)襯砌需局部拆除，安裝相應(yīng)的鋼拱架形成等高交叉空間結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的圍巖壓力需全部通過(guò)局部鋼拱架轉(zhuǎn)移至I30主拱架。因此，需先計(jì)算主硐室正常段豎向和水平荷載。結(jié)合勘察設(shè)計(jì)文件確定圍巖重度為26kN/m3，根據(jù)式(1)可知，圍巖壓力為：

對(duì)I30主拱架也單獨(dú)進(jìn)行了分析，同樣采用隧道力學(xué)分析方法中的荷載-結(jié)構(gòu)模型，將周邊斜截拱架的線性荷載等效轉(zhuǎn)換為集中荷載作用于斜截拱架與主拱架搭接部位，其換算公式如下：

(2)

此換算過(guò)程通過(guò)提取主硐室和聯(lián)絡(luò)通道拱架承載力分析中結(jié)果，在主拱架計(jì)算分析中施加實(shí)現(xiàn)，I30主拱架模型如圖3所示。

圖3 主拱架計(jì)算模型

2.1.2正常段鋼拱架承載特性分析

根據(jù)要求，硐室正常段的初支拱架設(shè)計(jì)應(yīng)滿足相應(yīng)的圍巖壓力，由于噴射混凝土施作完成后需一定時(shí)間才能達(dá)到一定強(qiáng)度，因此在早期圍巖壓力全部由鋼拱架承受，可保守考慮噴射混凝土僅起到封閉和保護(hù)圍巖的作用，而初支鋼拱架承受全部圍巖壓力，此為最不利情況。則可將硐室正常段此情況下的鋼拱架應(yīng)力、變形作為圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全性的控制標(biāo)準(zhǔn)。

正常段隧道采用I20支護(hù)，假設(shè)支護(hù)初期由鋼拱架承受全部荷載，采用有限元方法計(jì)算得到的主硐室拱架豎向和水平變形如圖4所示。

圖4 主硐室拱架位移

由圖5可知，主硐室的變形主要為拱頂下沉，最大下沉量約為2.1cm，從拱頂?shù)狡鸸熬€逐漸減小，起拱線附近豎向沉降僅為1.5mm，由此可知拱頂沉降的根本原因在于彎曲變形，而不是整體沉降；水平變形最大出現(xiàn)在左、右拱肩位置，最大4mm，通過(guò)放大變形量30倍(見(jiàn)圖5)可看出變形主要原因是拱頂部位拱架彎曲。

圖5 拱架變形放大

對(duì)比設(shè)計(jì)要求的8cm預(yù)留變形量可知，隧道正常段的變形量處于可控范圍內(nèi)，拱頂沉降較大可通過(guò)增加系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度等方式加以控制。

I20拱架近似為梁?jiǎn)卧?，因此其?yīng)力狀態(tài)也是考察的重要指標(biāo)，提取工字鋼的應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 拱架梁?jiǎn)卧獞?yīng)力

由圖6可看出，主硐室正常段拱架梁?jiǎn)卧淖畲髩簯?yīng)力集中在拱頂部位，最大值為169.4MPa，Q235工字鋼屈服強(qiáng)度為235MPa，由此可得到鋼拱架的設(shè)計(jì)安全系數(shù)約為1.387。

聯(lián)絡(luò)通道寬度為9.2m，高度與主硐室相同，根據(jù)規(guī)范計(jì)算出其荷載更小，因此其拱架沉降變形更小(1.064)，具有更高的安全系數(shù)(2.065)，其位移和應(yīng)力云圖在此不再贅述。

2.1.3斜向異形拱架承載特性分析

依然對(duì)主拱架在外部荷載作用下的應(yīng)力和變形進(jìn)行考察，主拱架的豎向和水平變形如圖7所示。

圖7 交叉口主拱架位移

由圖7可知，I30主拱架的變形主要為豎向變形，其中豎向變形最大部位出現(xiàn)在拱頂偏右側(cè)的斜向拱架上，為2.73cm，在預(yù)留變形量范圍內(nèi)，因此豎向變形滿足施工要求。值得說(shuō)明的是，主拱架的變形表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性：豎向荷載最大出現(xiàn)部位表面兩榀斜向拱架受到的荷載更大，存在向左偏移的趨勢(shì)，這一點(diǎn)可從水平位移云圖上看出，也即斜向拱架的豎向荷載導(dǎo)致主拱架的整體左側(cè)偏移，因此在施工期間需加強(qiáng)此部位的錨桿質(zhì)量控制，還需對(duì)錨桿的間距進(jìn)行適當(dāng)縮小。

圖8所示變形放大圖更清晰地展示了交叉口主拱架的變形特征，即斜向拱架靠近拱頂部位的變形最大，局部彎曲效應(yīng)顯著，進(jìn)而導(dǎo)致左側(cè)主拱架局部上拱。因此有必要在靠近拱架搭接點(diǎn)附近的右側(cè)增加錨桿數(shù)量，嚴(yán)格控制錨桿的施工質(zhì)量，保證其拉拔力。

圖8 交叉口主拱架變形(放大10倍)

通過(guò)變形圖放大可知，主拱架局部彎曲效應(yīng)明顯，因此其上、下翼緣的受力狀態(tài)是整個(gè)拱架安全的關(guān)鍵所在，最大應(yīng)力必須滿足Q235鋼材的容許應(yīng)力要求。

由梁?jiǎn)卧獞?yīng)力圖可看出，在斜拱架靠近搭接點(diǎn)部位的上翼緣主要承受壓應(yīng)力，其值達(dá)到180MPa，此部位的材料安全系數(shù)約為1.31。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在斜拱架拱肩位置，達(dá)到202.6MPa，此部位的材料安全系數(shù)為1.16，整個(gè)拱架最大拉應(yīng)力僅為64.8MPa，抗拉安全系數(shù)>3.0。由此可知，對(duì)于主拱架而言，由于斜向兩榀拱架需承受由斜截拱架傳遞而來(lái)的集中荷載，導(dǎo)致其靠近搭接點(diǎn)附近存在較大豎向變形，造成拱架圓弧部分彎曲明顯，加之拱肩部位曲線半徑較小，在拱肩部位形成了應(yīng)力集中，使拱肩部位的材料安全系數(shù)明顯降低。

2.2 鋼拱架抗彎承載力試驗(yàn)

為了探究異形鋼拱架的承載力情況，本次試驗(yàn)采用4組試樣(I20鋼拱架編號(hào)N-1，N-2，I20異形鋼拱架編號(hào)Y-1，Y-2)，分別為2組正常I20和2組異形I20，分別進(jìn)行抗彎承載力試驗(yàn)，由于試驗(yàn)儀器的局限性，因此采用內(nèi)弦長(zhǎng)為1.0m、外弦長(zhǎng)為1.2m的鋼拱架，通過(guò)比較與正常拱架的彎曲特征來(lái)驗(yàn)證異形鋼拱架的抗彎強(qiáng)度滿足要求。

本試驗(yàn)采用YAS系列微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)YAS-2000，由于鋼拱架呈彎曲狀，因此在試驗(yàn)機(jī)上安裝了1個(gè)由卡座+I50b+I16a凹型鋼組成的承力裝置，設(shè)備布置如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)設(shè)備布置

將鋼拱架放在電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)安裝應(yīng)變片，調(diào)平后通過(guò)計(jì)算機(jī)控制施加在拱架上的壓力，記錄靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀和試驗(yàn)力的變化值，待計(jì)算機(jī)上的壓力值下降或鋼拱架變形較大時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

通過(guò)試驗(yàn)得到試驗(yàn)力隨時(shí)間和位移變化曲線如圖10所示，從圖中可看出，兩組正常鋼拱架與異形鋼拱架的變化類似，隨著位移或時(shí)間的增加，試驗(yàn)力逐漸增加，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間或位移時(shí)，試驗(yàn)力達(dá)到一定值后開始減小，最后趨于穩(wěn)定，最大試驗(yàn)力分別對(duì)應(yīng)N-1為542.6kN，N-2為528.1kN，Y-1為518.8kN，Y-2為503.5kN。通過(guò)比較，N-1與N-2的數(shù)據(jù)有所不同，分析存在的原因可能是在鋼拱架擺放過(guò)程中沒(méi)有調(diào)平，導(dǎo)致鋼拱架受力不在軸力方向，因此當(dāng)試驗(yàn)力未達(dá)到極限承載力鋼拱架便發(fā)生扭曲。Y-1，Y-2較N-1，N-2都有所減小，考慮到由于異形鋼拱架在焊接處破壞了鋼拱架的剛度，所以鋼拱架的抗彎強(qiáng)度有所減小。通過(guò)比較正常鋼拱架與異形鋼拱架的試驗(yàn)力變化曲線，異形鋼拱架的抗彎承載力與正常鋼拱架相比<5%，滿足承載力要求。

圖10 試驗(yàn)力隨時(shí)間和位移變換的曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)交叉段鋼拱架的布置方案，在Y字形異形主鋼拱架上從左到右依次布置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為S1，S2，S3，S4，S5，S6，在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上都布置振弦式鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變計(jì)，布置如圖11所示，采用YTYBJ50型振弦式鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變計(jì)。

圖11 儀器布置

為了監(jiān)測(cè)鋼拱架的應(yīng)變，將鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變計(jì)安裝在Y字形主拱架上，監(jiān)測(cè)鋼拱架在襯砌拆除過(guò)程中的應(yīng)變特性。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的鋼拱架應(yīng)變變化曲線如圖12所示。

圖12 鋼拱架應(yīng)變-時(shí)間變化曲線

從鋼拱架應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線可看出，在第1～4天，隨著襯砌的拆除，鋼拱架的應(yīng)變基本呈直線上升趨勢(shì)，并在第5天左右達(dá)到最大值，隨后將趨于穩(wěn)定。從圖12中可看出最大應(yīng)變值出現(xiàn)在S5位置上，呈現(xiàn)受拉趨勢(shì)，最大值為236.44με，S3和S4也表現(xiàn)為受拉。受壓點(diǎn)為S1，S2，S6 3個(gè)位置，最大受壓處為S6位置，最大值為143.23με。分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可得最大應(yīng)變≤240με，說(shuō)明圍巖對(duì)鋼拱架的變形影響很小，滿足穩(wěn)定性要求，同時(shí)鋼拱架的受拉與受壓呈現(xiàn)的變形趨勢(shì)與上述數(shù)值模擬類似，從而證明模擬合理。

對(duì)襯砌拆除鋼拱架的受力特征進(jìn)行分析表明，新型鋼拱架的應(yīng)用對(duì)交叉硐室襯砌拆除過(guò)程中的支護(hù)滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1)采用I30作為主拱架，其余斜截拱架搭接于斜向I30拱架之上時(shí)，主拱架的材料容許應(yīng)力及其變形均能符合相關(guān)要求。且此部分計(jì)算校核的假設(shè)前提為圍巖的所有荷載均由拱架承受，屬于最不利情況。考慮到實(shí)際情況中圍巖變形是緩慢發(fā)展，而噴射混凝土在24h即能達(dá)到6MPa左右的強(qiáng)度，噴射混凝土的支護(hù)作用不容忽視，因此可認(rèn)為采用異形鋼拱架支護(hù)方案合理可行。

2)通過(guò)正常鋼拱架與異形鋼拱架的抗彎承載力試驗(yàn)可看出，異形鋼拱架的受力變化曲線與正常鋼拱架類似，最大抗彎承載力相差≤5%，滿足使用要求。

3)根據(jù)新型鋼拱架在實(shí)際工程應(yīng)用后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，鋼拱架的最大應(yīng)變值≤240με，說(shuō)明新型鋼拱架的支護(hù)方式滿足在交叉硐室襯砌開挖過(guò)程中對(duì)圍巖的支護(hù)。