既有隧道新澆筑混凝土鋼模支架結構分析

梅志遠， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

隧道作為一種重要的交通結構，因其在許多方面具有優(yōu)越性而被大力發(fā)展著。隨著隧道建設的發(fā)展，部分較早修建的隧道在各種因素影響下會出現(xiàn)損傷。對于較大的損傷修護會采用大面積破除既有結構進行重新澆筑混凝土的方法。因此，有必要對新澆混凝土時鋼模支架結構的合理布置方式進行研究。

目前許多學者對于既有隧道維護進行了研究，朱旺等[1]以某鐵路隧道工程為背景，檢測出襯砌背后空洞、二襯裂縫、施工間隙縫較多，從各病害出現(xiàn)原因入手針對性總結出解決措施；陳有玉[2]對既有高速公路隧道滲漏水病害進行研究，歸納總結了各種滲漏水病害的發(fā)展，并對每種病害提出解決措施；陳平等[3]以貓頭嶺隧道底板掏空病害的二次整治措施為例，針對第一次整治后病害仍存在的原因進行了分析,通過2次整治措施的對比,論述了有效進行既有線富水隧道掏空病害整治的技術措施；劉均紅[4]以拉濱鐵路太平嶺隧道為工程背景,分析了隧道襯砌開裂的成因、性質(zhì)和特點,并根據(jù)不同程度的襯砌破壞情況,提出了整治襯砌開裂病害的原則、措施和施工方法；曾水長[5]針對大面積滲漏水、施工縫與伸縮縫滲漏水、襯砌開裂等幾種鐵路隧道病害類型,分別提出拱部襯砌壁后注漿、引排堵漏、WTD中空注漿錨桿與網(wǎng)噴混凝土等整治方案與具體施工方法、安全措施。本文以某雙線既有鐵路隧道為工程依托，通過對新澆混凝土時的鋼模支架結構進行計算，以期為后期類似工程提供有益參考。

1 工程概況

1.1 隧道斷面

本工程為某雙線既有鐵路隧道，因隧道某位置出現(xiàn)大面積病害，主要分布在拱頂180°范圍，隧道斷面如圖1所示。經(jīng)研究決定破除既有二次襯砌結構進行新澆筑混凝土，二次襯砌厚度為500 mm，澆筑縱向長度為10 m 。采用5 mm厚的鋼板和18號工字鋼進行支護。

圖1 隧道橫斷面示意

1.2 荷載計算

本次結構計算考慮永久荷載和可變荷載。各荷載如表1所示，各工況設置如表2所示，通過計算可得施加在鋼模板荷載為30.3 kN/m2。

表1 計算參數(shù)

表2 計算工況

2 數(shù)值模擬

隧道模型尺寸如圖2所示，三維模型的邊界范圍為按照隧道隧道橫斷面尺寸，以及各構件尺寸進行建模，模型縱向長度為10 m，并設置相應邊界條件。

圖2 隧道橫斷面示意

2.1 各工況鋼架應力計算結果

各工況鋼架計算結果如圖3所示，從圖3中可知，鋼架應力分布情況為拱腳處較大，其它部位較小，工況1應力最大值為182.2 MPa，工況2應力最大值為212.2 MPa，工況3應力最大值為251.5.0 MPa。鋼架應力分布絕大部分區(qū)域應力值小于150 MPa，極少處應力值大于150 MPa。

圖3 各工況鋼架應力分布

2.2 各工況鋼模板應力計算結果

各工況鋼模板應力計算結果如圖4所示，從圖4中可知，鋼架與鋼模板接觸區(qū)域應力值較大，其它區(qū)域數(shù)值較小。工況1應力最大值為31.7 MPa，工況2應力最大值為99.0 MPa，工況3應力最大值為68.6 MPa。

圖4 各工況鋼模板應力分布

2.3 各工況鋼模板豎向位移計算結果

各工況鋼模板豎向位移計算結果如圖5所示，從圖5中可知，拱腰處鋼架與鋼模板接觸區(qū)域豎向位移值值較大，其它區(qū)域數(shù)值較小。工況1位移最大值為3.44 mm，工況2位移最大值為4.29 mm，工況3位移最大值為5.84 mm。

圖5 鋼模板豎向位移分布

2.4 各工況既有混凝土應力計算結果

各工況既有混凝土應力計算結果如圖6所示，從圖6中可知，既有混凝土最大主應力值較小，呈上部受拉，下部受壓。工況1最大拉應力為24.8 kPa，最大壓應力為12.9 kPa，工況2最大拉應力為24.9 kPa，最大壓應力為12.9 kPa，工況3最大拉應力為25.1 kPa，最大壓應力為25.7 kPa。

圖6 既有混凝土應力分布

3 結論

通過建立鋼模支架結構數(shù)值模型，對比分析不同工況鋼支架應力、鋼模板應力、鋼模板豎向位移、既有混凝土應力計算結果，得到結論：

(1)隨著鋼拱架間距增大，鋼拱架最大應力變大，既有混凝土應力值基本不變。

(2)鋼架應力分布規(guī)律為拱腳處較大，其它部位較小，鋼模板應力分布結規(guī)律為鋼架與鋼模板接觸區(qū)域數(shù)值較大，其它區(qū)域較小。鋼模板豎向位移分布規(guī)律為拱腰處鋼架與鋼模板接觸區(qū)域數(shù)值較大，其它區(qū)域較小。既有混凝土應力分布規(guī)律為上部受拉，下部受壓。

(3)各工況計算結果均未超過結構承載能力，結構強度滿足要求。