張明聚，韓憶萱，李鵬飛，*，郭彩霞，吳愛(ài)國(guó)

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2.鶴壁相樺建筑工程設(shè)備租賃有限公司，河南 鶴壁 458000)

0 引言

在軟弱圍巖隧道、淺埋暗挖隧道、倒掛井壁法豎井等地下工程中，廣泛采用鋼格柵或型鋼拱架+鋼筋網(wǎng)片+噴射混凝土的結(jié)構(gòu)。該支護(hù)結(jié)構(gòu)具有快速封閉開(kāi)挖面、早期強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)剛度大等優(yōu)點(diǎn)，但存在粉塵污染、回彈量大、工效低和噪聲大等問(wèn)題。鋼波紋板具有承載能力強(qiáng)、變形適應(yīng)性高、可維護(hù)性好等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于道路橋梁加固、公路涵洞支護(hù)等工程領(lǐng)域[1-3]。近些年，也有學(xué)者提出將鋼波紋板作為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鐵路隧道工程和基坑工程中。陳曉帆[4]提出采用拼裝式鋼波紋板作為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于地鐵隧道中，并通過(guò)理論計(jì)算和三維數(shù)值模擬，提出了鋼波紋板剛度和強(qiáng)度的影響因素，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了工法可行性；馬慧君等[5]分析了鋼波紋管(板)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和應(yīng)用效果，闡述了鋼波紋管(板)應(yīng)用于鐵路橋涵、隧道及洞口防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及施工及質(zhì)量驗(yàn)收方法；李國(guó)鋒等[6]以云南省澄川棋盤山隧道為依托，總結(jié)了山嶺隧道波紋鋼裝配式快速初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)，為波紋鋼初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工和工程推廣提供了支撐；孫克國(guó)等[7]提出一種新型的鋼制波紋板結(jié)構(gòu)作為隧道初期支護(hù)，結(jié)合ANSYS有限元軟件分析不同厚度、荷載影響下鋼波紋板結(jié)構(gòu)承載能力的變化趨勢(shì)。但對(duì)于暗挖或逆作地下工程，如何填充鋼波紋板和開(kāi)挖面之間的構(gòu)造間隙是施工的難題，采用壓力注漿由于沒(méi)有封閉的空間，存在漏漿跑漿和填充不密實(shí)的現(xiàn)象。在水工邊坡中，有采用模袋混凝土進(jìn)行邊坡防護(hù)的工程實(shí)例。模袋是用高強(qiáng)化纖長(zhǎng)絲經(jīng)機(jī)織而成的雙層袋狀織物，具有透水不透漿、排水固結(jié)速度快的特性；同時(shí)還起到模板的作用，保證注漿體成型后的整體性[8-9]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出將鋼波紋板與模袋混凝土結(jié)合使用的地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)方案，依托圓形豎井，設(shè)計(jì)給出鋼波紋板-模袋結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)，采用倒掛井壁逆作施工方法開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)和工藝的可行性及工程效果，比選不同土工布的材料特性和加工性能，測(cè)試在模袋內(nèi)加壓灌注混凝土過(guò)程中的力學(xué)參數(shù)，分析該支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的受力特性及控制措施。鋼波紋板和模袋采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)安裝后在模袋內(nèi)灌注細(xì)石混凝土。在灌注壓力作用下，模袋混凝土隨開(kāi)挖面和鋼波紋板的形狀形成凸凹的隨機(jī)形體，能密實(shí)充填開(kāi)挖面和鋼波紋面板之間的構(gòu)造間隙，且模袋透水、不透漿的特性能有效解決跑漿漏漿問(wèn)題。

1 鋼波紋板-模袋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)原理

1.1 結(jié)構(gòu)的組成與構(gòu)造

鋼波紋板-模袋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)主要由鋼波紋板管片、模袋及模袋內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)灌注的混凝土組成。鋼波紋板管片和模袋通過(guò)工廠定制，模袋內(nèi)的細(xì)石混凝土采用小型高壓混凝土輸送泵現(xiàn)場(chǎng)加壓灌注。以地下工程中的圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)為例，借鑒盾構(gòu)隧道管片劃分和拼裝方式。鋼波紋板-模袋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)拼裝方式如圖1所示。

(a)單片結(jié)構(gòu)

1.1.1 鋼波紋板管片

每塊鋼波紋板管片由1塊波紋面板、2塊用于環(huán)向連接端法蘭板、2塊用于縱向連接側(cè)法蘭板焊接而成，端法蘭板與側(cè)法蘭板上沿各自長(zhǎng)度方向均勻布置螺栓孔，分別用于鋼波紋板管片在支護(hù)結(jié)構(gòu)的環(huán)向和縱向進(jìn)行定位連接。鋼波紋板管片的環(huán)寬H可根據(jù)開(kāi)挖進(jìn)尺確定，法蘭板寬度B1、B2滿足螺栓連接要求，弧長(zhǎng)L根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)徑、環(huán)向接頭數(shù)量、鋼波紋板自重、易于拼裝操作等因素綜合考慮確定。支護(hù)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件選材標(biāo)準(zhǔn)參照鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)材料要求選取。鋼波紋板面板上預(yù)留混凝土灌注管引孔和控壓管引孔各1個(gè)。鋼波紋板管片設(shè)計(jì)效果如圖2所示。

圖2 鋼波紋板管片設(shè)計(jì)效果

1.1.2 模袋

每個(gè)模袋由1塊對(duì)折形成的矩形側(cè)封布和2塊條形端封布縫制而成，在鋼波紋面板一側(cè)封布上設(shè)置混凝土灌注管口和控壓管口。模袋設(shè)計(jì)效果如圖3所示。模袋長(zhǎng)度L′與鋼波紋板的弧長(zhǎng)L相同；高度H′應(yīng)考慮鋼波紋板管片的環(huán)寬和波紋面板展開(kāi)增加的寬度；模袋厚度t根據(jù)支護(hù)剛度要求和與鋼波紋板的組合受力性能選取，參考現(xiàn)有噴射混凝土初期支護(hù)厚度設(shè)計(jì)參數(shù)，可選取50～250 mm。

圖3 模袋設(shè)計(jì)效果

模袋混凝土灌注管口由單向閥、對(duì)絲接頭、薄螺母、夾片等組成，如圖4所示，其孔徑選擇應(yīng)考慮與小型混凝土泵的輸送管的直徑相符合，并滿足細(xì)石混凝土灌注的要求。

圖4 混凝土灌注管口

混凝土灌注控壓管由對(duì)絲接頭、薄螺母、夾片及金屬軟管等組成，如圖5所示。在向模袋內(nèi)加壓灌注混凝土?xí)r，模袋被混凝土充滿鼓起，開(kāi)始有漿液從軟管中溢流時(shí)，即停止注漿。在鋼波紋板拼裝前，把模袋通過(guò)防水膠敷設(shè)在鋼波紋板外側(cè)，并通過(guò)預(yù)留的引孔把混凝土灌注管口和控壓管口引出，把鋼波紋板連同模袋一起在開(kāi)挖面內(nèi)拼裝入位。

圖5 混凝土灌注控壓管

1.1.3 模袋內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)灌注的混凝土

模袋內(nèi)灌注的混凝土采用細(xì)石混凝土，現(xiàn)場(chǎng)拌合后通過(guò)小型高壓混凝土輸送泵加壓灌注在模袋內(nèi)，混凝土的配合比和強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)滿足工程設(shè)計(jì)的需求。

1.2 結(jié)構(gòu)的作用原理

1.2.1 充填構(gòu)造間隙

在模袋內(nèi)灌注混凝土，灌注量和壓力易于控制，模袋起到一定的模板約束作用，使混凝土在施工空隙內(nèi)被包裹成型，在灌注壓力作用下隨開(kāi)挖面和鋼波紋板的形狀形成凸凹的模袋混凝土隨機(jī)形體，可充填開(kāi)挖面和鋼波紋面板之間的構(gòu)造間隙。

1.2.2 混凝土固結(jié)排水作用

在模袋內(nèi)加壓灌注混凝土，模袋選擇具有透氣、透水、不透漿的特性，模袋內(nèi)混凝土在灌注壓力作用下，其內(nèi)部的部分氣體和水分被擠壓排出，使混凝土的空隙減少、水灰比降低，有利于混凝土的快速凝固。

1.2.3 部分組合結(jié)構(gòu)

模袋內(nèi)灌注的混凝土受圍巖、波紋面板、模袋共同約束，凝固成型后與鋼波紋板形成組合結(jié)構(gòu)，具有一定的剛度和承載能力，可共同承擔(dān)荷載作用。在鋼波紋板拼裝前，模袋通過(guò)防水膠敷設(shè)在鋼波紋板外側(cè)，并通過(guò)預(yù)留的引孔把混凝土灌注管口和控壓管口引出，把鋼波紋板連同模袋一起在開(kāi)挖面內(nèi)拼裝入位。對(duì)絲兩側(cè)分別用薄螺母將鋼波紋板和模袋緊固，而且模袋加壓注滿混凝土，混凝土漿液嚴(yán)密包裹對(duì)絲的模袋內(nèi)側(cè)，待混凝土凝固成型后，即模袋側(cè)對(duì)絲與混凝土形成整體。灌注管口和控壓管口此時(shí)可視為波紋板和混凝土間的剪力連接件，二者之間可傳遞一定的剪力。根據(jù)組合結(jié)構(gòu)工作基本原理[10]，在圍巖壓力作用下，鋼波紋板-模袋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)可視為部分組合受力，其中，鋼波紋板應(yīng)力狀態(tài)主要為拉應(yīng)力，模袋混凝土應(yīng)力狀態(tài)主要為壓應(yīng)力，可充分發(fā)揮各自的材料特性，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，抗彎承載力也顯著提高。

1.3 力學(xué)作用效果有限元模擬分析

1.3.1 數(shù)值模型建立

為驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)作用效果，采用Midas GTS建立三維數(shù)值模型(見(jiàn)圖6)。將土體簡(jiǎn)化為單一土層，土體采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型(黏聚力22 kPa，內(nèi)摩擦角23°)，鋼波紋板與模袋混凝土采用彈性本構(gòu)模型，波紋板材料選用Q235鋼，模袋注漿材料選用C30混凝土，模型網(wǎng)格均采用3D實(shí)體單元網(wǎng)格劃分。鋼波紋板厚7 mm，內(nèi)弧長(zhǎng)1.57 m，高0.715 m，模袋混凝土厚80 mm。各材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型左右兩側(cè)面距基坑中軸線距離約為5倍坑徑，底面距離基坑底部5倍坑徑，從而減少邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。另外，在鋼波紋板和模袋混凝土間設(shè)置界面，界面單元采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型[11-12]，具體的材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

(a)三維模型網(wǎng)格

表1 各材料物理力學(xué)參數(shù)

表2 界面單元材料力學(xué)參數(shù)

1.3.2 模型邊界條件

依據(jù)工程的實(shí)際邊界條件、受力情況及分析工況，對(duì)完成網(wǎng)格劃分后的模型施加自重荷載及位移邊界約束條件。對(duì)土體四周的表面，約束其水平向位移；對(duì)土體底面，約束其豎向和水平向位移；土體頂面不施加約束，為自由面。Midas GTS軟件是通過(guò)激活或鈍化單元來(lái)模擬基坑開(kāi)挖的施工階段[12]，根據(jù)該工程具體的施工步驟，依次進(jìn)行鈍化開(kāi)挖土體以及激活支護(hù)結(jié)構(gòu)，順序進(jìn)行直至基坑開(kāi)挖完成。模擬過(guò)程中，在波紋板表面施加1個(gè)均布力模擬注漿壓力。

1.3.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形云圖如圖7所示。支護(hù)結(jié)構(gòu)同一高度截面的變形大致均勻分布，整體往內(nèi)收縮，由上至下變形大致呈依次增大的規(guī)律，與土壓力分布規(guī)律基本一致。但側(cè)向變形最大值并非出現(xiàn)在整個(gè)結(jié)構(gòu)的底部，而在(0.8～0.9)H位置，與文獻(xiàn)[13]計(jì)算得出的結(jié)論一致。由此可見(jiàn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形主要受到土壓力的影響，最大值為64 mm，頂部變形為15 mm，小于一級(jí)基坑變形監(jiān)測(cè)報(bào)警值，該支護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形(單位: m)

2)支護(hù)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的剪應(yīng)力云圖如圖8所示。士壓力作用下，模袋混凝土產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力為0.067 MPa，鋼波紋板產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力為3.739 MPa，均遠(yuǎn)小于其各自材料的控制指標(biāo)，各構(gòu)件安全可靠。

(a)模袋混凝土

3)土壓力作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)如圖9所示?？梢钥闯?，雖然鋼波紋板和模袋混凝土均同時(shí)承受壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，但模袋混凝土主要以壓應(yīng)力為主，鋼波紋板以拉應(yīng)力為主，可充分發(fā)揮各自材料的力學(xué)特性，且鋼波紋板作為主要受力構(gòu)件，在整體結(jié)構(gòu)中分擔(dān)大部分受力，模袋混凝土主要起著傳力作用，使鋼波紋板受力均勻。

(a)模袋混凝土應(yīng)力云圖

4)支護(hù)結(jié)構(gòu)主要承受周圍地層水平方向的均布?jí)毫?，提取界面的豎向位移云圖如圖10所示?？梢钥闯觯缑尕Q向位移的最大值為0.23 mm，整體數(shù)值均較小，因此可以看出，模袋混凝土和鋼波紋板之間并未產(chǎn)生明顯的豎向滑移。

圖10 界面豎向位移(單位: m)

5)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)變?cè)茍D如圖11所示。結(jié)合圖11可知，模袋混凝土和鋼波紋板的應(yīng)變分布規(guī)律基本一致，二者在水平方向上能發(fā)生較好的協(xié)同變形。

(a)模袋混凝土

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)工程概況

為了驗(yàn)證鋼波紋板-模袋混凝土結(jié)構(gòu)與工藝的可行性，于河南省鶴壁市淇濱區(qū)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地勢(shì)開(kāi)闊，施工區(qū)附近無(wú)建筑物和地下管線。試驗(yàn)場(chǎng)地分為施工區(qū)、臨時(shí)辦公區(qū)等主要區(qū)域，如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)場(chǎng)地(單位：m)

試驗(yàn)工程為圓形豎井式基坑，設(shè)計(jì)凈空直徑為6 m，擬開(kāi)挖深度為7.865 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及開(kāi)挖揭露情況，地層主要為黏質(zhì)粉土和含卵石黏土。含卵石黏土中局部有砂巖層，該巖層下約20 m深均為含卵石黏土，深10 m左右可能有少量潛水，無(wú)承壓水層，地層自穩(wěn)性較好?；又ёo(hù)設(shè)計(jì)方案與地層分布如圖13所示。

(a)平面圖

2.2 試驗(yàn)材料

作為第1階段試驗(yàn)，擬從地面開(kāi)始依次向下進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)施工，施作3環(huán)鋼波紋板-模袋混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工程中擬開(kāi)挖的圓形豎井的尺寸進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)各組成部分的尺寸設(shè)計(jì)制作。

2.2.1 鋼波紋板管片設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用的鋼波紋板管片外徑為6 160 mm，內(nèi)徑為6 000 mm，圓心角為30°，內(nèi)弧長(zhǎng)L=1 570 mm，波型為200 mm×55 mm。端法蘭板寬度B1=100 mm，預(yù)留6個(gè)直徑為22 mm的螺栓孔用于環(huán)向連接，側(cè)法蘭板寬B2=80 mm，沿弧長(zhǎng)均勻布置5個(gè)35 mm×22 mm螺栓孔用于豎向連接。波紋面板和法蘭均采用7 mm厚Q235碳素鋼板。波紋面板根據(jù)文獻(xiàn)[14]選用標(biāo)準(zhǔn)波紋鋼板件板型加工制作。鋼波紋面板中心處預(yù)留1個(gè)φ1=53 mm混凝土灌注管引孔，上部預(yù)留φ2=25 mm控壓管口引孔。單塊鋼波紋板管片質(zhì)量約72.5 kg，易于安裝操作。

2.2.2 模袋設(shè)計(jì)

每個(gè)模袋由1塊寬1 657 mm、長(zhǎng)1 780 mm的矩形土工布和2塊條形土工布縫制而成，其中，條形土工布長(zhǎng)833 mm，寬100 mm，兩端為直徑100 mm的半圓形。與波紋面板同位置處，預(yù)留混凝土灌注管口(直徑53 mm)和控壓管口(直徑25 mm)。模袋設(shè)計(jì)尺寸及實(shí)物如圖14所示。

圖14 模袋設(shè)計(jì)尺寸及實(shí)物(單位: mm)

為比較模袋的應(yīng)用效果，此次試驗(yàn)中，第1環(huán)和第2環(huán)采用滌綸長(zhǎng)絲機(jī)織土工布(下稱機(jī)織土工布)，第3環(huán)采用滌綸長(zhǎng)絲紡粘針刺非織造土工布(下稱無(wú)紡?fù)凉げ?。土工布技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 土工布技術(shù)指標(biāo)[15-16]

混凝土灌注管口選用銅制DN50單向閥及適配尺寸的對(duì)絲、鋼夾片、薄螺母等配件，控壓管選用DN25的對(duì)絲及鋼墊片、薄螺母、金屬軟管等適配尺寸的配件。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)工程采用倒掛井壁逆作法施工，主要施工步驟如下。

2.3.1 澆筑環(huán)形鋼筋混凝土冠梁

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)尺寸定位、放線，采用挖掘機(jī)開(kāi)挖基坑中部的第1層土體，人工開(kāi)挖圓周土體并修整平整，坑壁以鋼波紋板外側(cè)波峰為基準(zhǔn)外放80 mm，作為安放模袋和灌注混凝土的間隙。臨時(shí)拼裝第1環(huán)鋼波紋板作為內(nèi)側(cè)模板的支撐，綁扎鋼筋并立模澆筑環(huán)形鋼筋混凝土冠梁，寬1 m，厚0.5 m，頂部預(yù)留豎向錨固鋼筋，用于后續(xù)通過(guò)焊接連接固定第1環(huán)鋼波紋板。環(huán)形鋼筋混凝土冠梁如圖15所示。

圖15 環(huán)形鋼筋混凝土冠梁

2.3.2 第1環(huán)開(kāi)挖與支護(hù)

1)在混凝土冠梁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除臨時(shí)拼裝的鋼波紋管片和模板支塊，修整下部開(kāi)挖面，正式拼裝第1環(huán)鋼波紋板管片。相鄰2塊管片之間通過(guò)端法蘭板上預(yù)留螺栓孔定位，采用高強(qiáng)螺栓連接。拼裝成環(huán)后，在水平方向進(jìn)行微調(diào)，使鋼波紋板與冠梁圓周的構(gòu)造間隙基本均等；在豎直方向，借助激光水平儀對(duì)鋼波紋板頂面進(jìn)行調(diào)平。2)在冠梁預(yù)留的豎向錨固鋼筋與鋼波紋板頂面之間焊接拉結(jié)鋼筋，固定鋼波紋板位置；向下地層中打入短鋼筋用于固定鋼波紋板的底部。3)采用“對(duì)側(cè)灌注”的方式往模袋內(nèi)加壓灌注細(xì)石混凝土，有利于防止灌注壓力作用而引起鋼波紋板位移、變形。待觀察到模袋內(nèi)充滿混凝土并鼓起時(shí)停止灌注。第1環(huán)模袋填充效果如圖16所示。

圖16 第1環(huán)模袋填充效果

2.3.3 第2環(huán)開(kāi)挖與支護(hù)

待第1環(huán)模袋混凝土初凝后，進(jìn)行第2環(huán)土方開(kāi)挖。采取錯(cuò)縫拼裝的形式拼裝第2環(huán)鋼波紋板支護(hù)結(jié)構(gòu)，以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較好的整體性。按照上述方法和技術(shù)措施加壓灌注第2環(huán)模袋混凝土。當(dāng)有水泥漿液從控壓孔的金屬軟管中噴出時(shí)，則認(rèn)為模袋內(nèi)注滿混凝土，即停止灌注。第2環(huán)支護(hù)結(jié)構(gòu)施工如圖17所示。

圖17 第2環(huán)支護(hù)結(jié)構(gòu)施工

2.3.4 第3環(huán)開(kāi)挖與支護(hù)

第3環(huán)繼續(xù)向下開(kāi)挖時(shí)遇到了砂巖層，采用破碎炮破碎大塊巖石，并清理挖出基坑內(nèi)大粒徑石塊，再結(jié)合風(fēng)鎬進(jìn)行修整開(kāi)挖面。其余主要施工工藝與技術(shù)措施與第2環(huán)相同。支護(hù)結(jié)構(gòu)整體施工完成如圖18所示。

圖18 支護(hù)結(jié)構(gòu)整體施工完成

2.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

本次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目包括混凝土灌注壓力和鋼波紋板的環(huán)向應(yīng)變，目的是了解加壓灌注混凝土過(guò)程中灌注壓力的變化規(guī)律及其對(duì)鋼波紋板受力的影響。采用振弦式雙膜土壓力計(jì)監(jiān)測(cè)灌注壓力，振弦式表面應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)應(yīng)變，采用頻率測(cè)讀儀采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意如圖19所示。

(a)平面位置關(guān)系

土壓力計(jì)埋設(shè)于第2環(huán)和第3環(huán)土體的坑壁內(nèi)。第2環(huán)順時(shí)針選取相鄰塊管片，分別布置于不同深度處，依次標(biāo)記為p1—p4。在第3環(huán)選取1塊管片，在其上部布置土壓力計(jì)，標(biāo)記為p5。

在波紋板管片表面布置振弦式表面應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)其環(huán)向應(yīng)變。應(yīng)變計(jì)底座用強(qiáng)力防水膠固定，布置在第2環(huán)鋼波紋板管片的3個(gè)波峰處，從上至下依次標(biāo)記為s1—s3。

測(cè)試采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法，在波紋板管片拼裝完成后對(duì)傳感器進(jìn)行初始讀數(shù)，開(kāi)始灌注混凝土后持續(xù)采集數(shù)據(jù)。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析及試驗(yàn)工程效果

3.1 模袋混凝土灌注壓力測(cè)試結(jié)果分析

模袋開(kāi)始灌注混凝土?xí)r即開(kāi)始監(jiān)測(cè)，直至停止灌注后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定為止。各測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線如圖20所示。

圖20 壓力變化曲線

1)第2環(huán)的4個(gè)測(cè)點(diǎn)的曲線表明，灌注壓力隨灌注時(shí)間快速線性上升，40～60 s達(dá)到峰值，模袋已經(jīng)被注滿，即停止灌注。之后，壓力也較快速下降，但下降速率比上升速率略小，最后穩(wěn)定并趨于零。根據(jù)模擬發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)所選擇的灌注壓力并未使結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服，支護(hù)結(jié)構(gòu)各部均處于彈性狀態(tài)，通過(guò)應(yīng)變監(jiān)測(cè)也證實(shí)了這一點(diǎn)。停止灌注后，灌注壓力逐步消散。

2)第2環(huán)4個(gè)不同位置測(cè)得灌注壓力隨時(shí)間變化曲線峰值數(shù)值相近，且變化趨勢(shì)也大致相同，表明灌注過(guò)程中模袋內(nèi)的混凝土呈液態(tài)，流動(dòng)性良好，能充分充滿模袋。

3)布置在第3環(huán)的p5測(cè)點(diǎn)的曲線變化規(guī)律與上述4個(gè)測(cè)點(diǎn)基本一致，但p5曲線下降速率明顯較小，說(shuō)明第3環(huán)采用無(wú)紡?fù)凉げ贾谱鞯哪４笟庑院屯杆陨圆?，壓力消散過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)。

3.2 鋼波紋板應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

灌注混凝土開(kāi)始后開(kāi)始持續(xù)監(jiān)測(cè)鋼波紋板管片的環(huán)向應(yīng)變，直至灌注完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)共布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)變曲線如圖21所示。

圖21 環(huán)向應(yīng)變曲線

由圖21可知：

1)環(huán)向應(yīng)變變化規(guī)律與灌漿壓力的變化規(guī)律高度一致，說(shuō)明鋼波紋板在灌注壓力作用下產(chǎn)生了相應(yīng)的應(yīng)變。

2)3個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得數(shù)據(jù)自上而下略有增長(zhǎng)，但差值很小，說(shuō)明鋼波紋板各處所受灌注壓力均勻。

3)環(huán)向應(yīng)變峰值為50 με，在灌注完成后逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)的低應(yīng)力水平，說(shuō)明灌注過(guò)程中的應(yīng)力會(huì)慢慢消散，并沒(méi)有因?yàn)椤皩?duì)側(cè)灌注”而產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力,此應(yīng)力可以忽略不計(jì)，工作狀態(tài)下仍處于均勻受力狀態(tài)。

3.3 試驗(yàn)工程效果

試驗(yàn)工程于2021年5月29日完成冠梁澆注，6月24—25日實(shí)施第1環(huán)開(kāi)挖與支護(hù)，6月26—29日實(shí)施第2環(huán)開(kāi)挖與支護(hù)，7月2—5日完成第3環(huán)開(kāi)挖與支護(hù)，歷時(shí)38 d順利完成了試驗(yàn)任務(wù)，所取得的主要工程效果如下:

1)試驗(yàn)工程歷時(shí)的38 d內(nèi)，冠梁澆筑等強(qiáng)、開(kāi)挖砂巖地層、材料采購(gòu)加工、機(jī)具設(shè)備調(diào)配等準(zhǔn)備工作占用時(shí)間較多，開(kāi)挖面成型后每環(huán)鋼波紋板安裝約需1 h，灌注模袋混凝土約需0.5 h，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)挖面的快速支護(hù)。

2)分別采用機(jī)織土工布和無(wú)紡?fù)凉げ贾谱鞯哪４?，在加壓灌注混凝土過(guò)程中，模袋外側(cè)均有水滲出，而無(wú)水泥漿液滲出，均具有透氣、透水、不透漿的特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)混凝土的包裹成型作用。通過(guò)觀察比較發(fā)現(xiàn)，機(jī)織土工布的透氣透水更好一些。

3)在模袋內(nèi)加壓灌注混凝土，混凝土內(nèi)的部分氣體和水分通過(guò)模袋排出，混凝土更為密實(shí)，水灰比有所降低，加速了混凝土的凝固，強(qiáng)度提升較快，有利于與鋼波紋板一起快速形成承載結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論與討論

本文基于圓形豎井首次提出了一種以鋼波紋板結(jié)合模袋混凝土的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了該支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工可行性，主要結(jié)論與討論如下。

1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，鋼波紋板與模袋混凝土結(jié)合用作地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)具有可行性。在模袋內(nèi)加壓灌注混凝土，可有效充填開(kāi)挖面與鋼波紋板之間的構(gòu)造間隙及預(yù)留空間，與鋼波紋板形成組合結(jié)構(gòu)，具有一定的強(qiáng)度和剛度，可維持開(kāi)挖面穩(wěn)定、抵抗開(kāi)挖面變形。

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在混凝土灌注過(guò)程中，模袋內(nèi)混凝土流動(dòng)性良好，能充分填充模袋，模袋注滿后，灌注壓力逐漸消散，且鋼波紋板產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)變很小，支護(hù)結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下均勻受力。

3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所選用的機(jī)織土工布和無(wú)紡?fù)凉げ季哂型笟?、透水、不透漿的特性，能有效解決噴射混凝土施工存在的跑漿、漏漿等問(wèn)題。機(jī)織土工布的強(qiáng)度、透氣性、透水性更好，但在剪裁時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的脫絲現(xiàn)象，縫制較為困難，接縫質(zhì)量難于控制；無(wú)紡?fù)凉げ嫉募舨眉庸ば阅芨鼉?yōu)。需要進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)，研究選用制作模袋的材料或加工工藝。

4)現(xiàn)場(chǎng)向模袋內(nèi)灌注混凝土?xí)r，產(chǎn)生了一定的灌注壓力，在其作用下鋼波紋板將產(chǎn)生變形或位移，工程施工中需要采取臨時(shí)支撐措施以控制好鋼波紋板形狀和位置。

5)鋼波紋板與模袋混凝土結(jié)合形成的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，為隧道等地下工程支護(hù)技術(shù)提供了新思路，具有重要意義。