隧道初期支護(hù)鋼拱架早期承載性能試驗(yàn)研究

莊一舟, 薛琛博, 鄭國(guó)平, 李長(zhǎng)俊, 馮 展, 陸鈺銓

(1.浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 浙江 杭州 030014; 2.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司, 浙江 杭州 030014)

0 引言

我國(guó)山嶺公路隧道設(shè)計(jì)和施工普遍采用新奧法，并采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。在圍巖條件較差的地段、洞口段、淺埋段或地面沉降有嚴(yán)格限制地段，通常需要在噴射混凝土層中增設(shè)鋼拱架以提高初期支護(hù)承載力。目前常用的鋼拱架類型主要有型鋼鋼架和格柵鋼架2種，其中，型鋼鋼架由H型鋼或工字鋼等制作，而格柵鋼架由主筋、八字筋、U型筋、匝筋和角鋼連接板組成。根據(jù)現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，推薦采用格柵鋼架支護(hù)。然而，由于格柵鋼架存在加工復(fù)雜、焊接質(zhì)量難控、初期強(qiáng)度偏低等問(wèn)題，實(shí)際工程中大量采用型鋼鋼架代替格柵鋼架。

為推廣格柵鋼架的使用，學(xué)者們針對(duì)不同類型鋼拱架的構(gòu)造選型、力學(xué)性能、質(zhì)量控制等進(jìn)行了一系列研究。Choi等[2]的試驗(yàn)研究表明，在格柵鋼架內(nèi)部增加U型蜘蛛網(wǎng)筋可以提升格柵鋼架的最大承載能力；Kim等[3]針對(duì)格柵構(gòu)造的不足，研發(fā)了新型矩形格柵，并驗(yàn)證了新型矩形格柵的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)；龔鋮[4]的試驗(yàn)研究表明，雙線H180腹筋優(yōu)化型與標(biāo)準(zhǔn)型在極限承載能力上和破壞形式上相差無(wú)幾，采用優(yōu)化型可以降低鋼筋用量，節(jié)約成本；王剛等[5]的模型試驗(yàn)研究表明，格柵鋼架的腹筋直徑減小對(duì)其極限承載力沒(méi)有任何影響；譚忠盛[6]、宋遠(yuǎn)等[7]的對(duì)比試驗(yàn)研究表明，高強(qiáng)格柵和鋼管鋼架與傳統(tǒng)格柵鋼架相比，在承載力和適用性方面有一定的優(yōu)越性；陳軍浩等[8]的試驗(yàn)研究表明，拱架采用雙拱形式比單拱形式具有更好的力學(xué)性能，外立柱比內(nèi)立柱可多分擔(dān)50%的荷載；Nomikos等[9]的試驗(yàn)研究表明，分析公式可能不適用于解決一般加載情況，但是通過(guò)公式計(jì)算荷載與試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以檢驗(yàn)數(shù)值模型的準(zhǔn)確性；Kim等[10]的試驗(yàn)證明了格柵鋼架質(zhì)量控制的重要性，非標(biāo)準(zhǔn)試件與標(biāo)準(zhǔn)試件相比，支撐性能降低高達(dá)18%。此外，文獻(xiàn)[11-15]針對(duì)不同支護(hù)形式的格柵鋼架在軟弱圍巖中的應(yīng)用研究表明：1)格柵鋼架適用于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，且變形收斂值、鋼架應(yīng)力、噴射混凝土應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)；2)提出的“先柔后剛”支護(hù)模式，使圍巖應(yīng)力在變形中得到有效釋放，減小了對(duì)支護(hù)體的壓力。

綜上所述，已有文獻(xiàn)多數(shù)集中在鋼架與混凝土結(jié)合并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后的支護(hù)能力研究，對(duì)于格柵鋼架和型鋼鋼架力學(xué)特性對(duì)比研究較少，尤其缺乏受荷初期階段的研究。為此，本文通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究不同齡期混凝土對(duì)鋼拱架基本構(gòu)件受力特性的影響，橫向比較不同類型鋼拱架的力學(xué)性能，總結(jié)不同類型鋼拱架的適用范圍和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式，以期為實(shí)際工程提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文所涉及的2種格柵鋼架模型示意圖見(jiàn)圖1，剖面圖見(jiàn)圖2。格柵鋼架采取HRB400熱軋帶肋鋼筋作為主筋、熱軋光圓鋼筋作為腹筋和箍筋，型鋼選取14號(hào)工字鋼，不同類型鋼拱架用鋼量見(jiàn)表1。試驗(yàn)中格柵鋼架的截面尺寸是140 mm(寬)×140 mm(高)，噴射混凝土試件保護(hù)層厚度為25 mm。試驗(yàn)采用C40混凝土制作試件，混凝土添加早強(qiáng)劑以模擬噴射混凝土強(qiáng)度，各齡期混凝土軸心抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表2。同時(shí)，基于試件加載的可操作性和研究目的，噴射混凝土的齡期定為3、7、14 d。

(a)三肢格柵

(a)三肢格柵

表1 不同類型鋼拱架用鋼量(每榀)

表2 混凝土各齡期軸心抗壓強(qiáng)度

基于以上背景，本文采用模型試驗(yàn)方法，研究不同齡期噴射混凝土對(duì)不同類型鋼拱架的力學(xué)性能的影響。由于試驗(yàn)條件受限，根據(jù)莊一舟等[16]的研究結(jié)果，本試驗(yàn)利用鋼拱架節(jié)段代替整拱進(jìn)行加載分析。通過(guò)查閱《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]，將均布荷載簡(jiǎn)化為試件跨中集中力加載，試驗(yàn)工況設(shè)置為一端鉸接(無(wú)水平滑動(dòng))、另一端自由滑動(dòng)。同時(shí)，為了全面研究鋼拱架的受力性能，本文對(duì)鋼拱架的裸拱以及不同養(yǎng)護(hù)齡期噴射混凝土鋼拱架試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究。鋼拱架裸拱試驗(yàn)組見(jiàn)表3，噴射混凝土鋼拱架試驗(yàn)組見(jiàn)表4。

表3 鋼拱架裸拱試驗(yàn)組

表4 噴射混凝土鋼拱架試驗(yàn)組

1.2 試件制備

本試驗(yàn)構(gòu)件加工完全參照隧道施工現(xiàn)場(chǎng)試件的加工方式，將最終的加工誤差控制在1%以內(nèi)。試件詳細(xì)制作流程見(jiàn)圖3。

(a)格柵鋼架構(gòu)件加工架制作

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)設(shè)備采用型號(hào)為ZBM2000的電液伺服剪壓試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)控制活塞對(duì)試件跨中施加豎向荷載，最大加壓荷載為2 000 kN。位移計(jì)型號(hào)為ZY-DT100，可測(cè)得的最大位移為100 mm。鋼拱架試件加載及量測(cè)裝置示意圖見(jiàn)圖4,其實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)布置見(jiàn)圖5。本試驗(yàn)在試件兩側(cè)1/4跨各安裝1個(gè)位移計(jì)，跨中位移由系統(tǒng)自動(dòng)記錄，共3個(gè)測(cè)點(diǎn)。鋼筋應(yīng)變計(jì)安裝在跨中上下側(cè)及1/4跨處，共3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖5 鋼拱架試件加載及量測(cè)裝置實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)布置

1.4 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)加載時(shí)由系統(tǒng)控制活塞對(duì)試件跨中施加軸心荷載，采用輸入荷載數(shù)值的方式進(jìn)行緩慢加載，每個(gè)階段增加2 kN的荷載(約在30 s加載完畢)，同時(shí)在加載完成后持力2 min，來(lái)保證試件受力的穩(wěn)定性。

2 加載試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鋼材性能系數(shù)

鋼拱架性能參數(shù)眾多，為直觀地比較各種類型鋼架的綜合性能，本文引入鋼材性能系數(shù)I來(lái)反映鋼拱架的承載力和經(jīng)濟(jì)性。

(1)

式中：I為集中荷載下鋼拱架的鋼材性能系數(shù)；pi為試件的極限破壞荷載(構(gòu)件加載至破壞時(shí)達(dá)到的最大荷載)；ρi為試件全部鋼筋的質(zhì)量。

鋼材性能系數(shù)可科學(xué)評(píng)價(jià)各類鋼拱架的承載效率，鋼材性能系數(shù)越高，其承載效率越高。

2.2 鋼拱架的裸拱試驗(yàn)結(jié)果分析

不同類型變腹筋直徑鋼拱架裸拱試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，相應(yīng)的破壞圖見(jiàn)圖6。

表5 鋼拱架裸拱試驗(yàn)結(jié)果

(a)三肢格柵 (b)四肢格柵 (c)型鋼

由表5可以看出，裸拱狀態(tài)下型鋼鋼架的鋼材性能系數(shù)高于格柵鋼架。試件極限承載力和鋼材性能系數(shù)隨著腹筋直徑的增加而增大，三肢格柵相較于四肢格柵提升更明顯。四肢格柵的極限承載力是型鋼鋼架的87%，用鋼量比型鋼高出22%；三肢格柵的極限承載力是型鋼鋼架的98%，用鋼量與型鋼接近。

從圖6可以看出，在加載過(guò)程中，試件跨中區(qū)域向單側(cè)傾斜，伴有扭轉(zhuǎn)破壞的趨勢(shì)，整體變形較大。說(shuō)明在實(shí)際應(yīng)用中，試件會(huì)遭受偏心荷載，建議在實(shí)際設(shè)計(jì)中增加抗扭鋼筋的布置。三肢格柵試件均表現(xiàn)為外主筋先屈服而內(nèi)主筋保持穩(wěn)定的力學(xué)性能，說(shuō)明內(nèi)外主筋的直徑配比存在不合理性，建議在設(shè)計(jì)中加大外主筋與內(nèi)主筋的直徑比率，從而提升試件的鋼材性能系數(shù)以及試件自身的整體性；四肢格柵試件的內(nèi)外主筋均同步屈服，說(shuō)明內(nèi)外主筋的直徑配比較為合理，在以后的設(shè)計(jì)中可以延續(xù)這種設(shè)計(jì)方案。格柵鋼架在實(shí)際工程中焊接碳點(diǎn)多、運(yùn)輸途中破壞概率大，考慮到三肢格柵的焊縫數(shù)量更少、長(zhǎng)度更短，當(dāng)圍巖壓力較小時(shí)選擇三肢格柵鋼架可以節(jié)約更多的工程成本。當(dāng)圍巖壓力較大時(shí)，選擇型鋼可以提供更高的承載力。

2.3 噴射混凝土鋼拱架的試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 齡期對(duì)鋼拱架受力性能的影響分析

混凝土齡期3 d時(shí)試件荷載-應(yīng)變變化如圖7所示，相應(yīng)的加載破壞圖見(jiàn)圖8，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。從表6可以看出，L3-3的極限承載力是I-3的97.1%，其鋼材性能系數(shù)是I-3的98.0%；L4-3的極限承載力是I-3的95.4%，其鋼材性能系數(shù)是I-3的81.2%。

表6 混凝土齡期3 d時(shí)試件試驗(yàn)結(jié)果

(a)L3-3

(a)L3-3 (b)L4-3 (c)I-3

混凝土齡期7 d時(shí)試件荷載-應(yīng)變變化如圖9所示，相應(yīng)的加載破壞圖見(jiàn)圖10，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。從表7可以看出，L3-7的極限承載力是I-7的95.4%，其鋼材性能系數(shù)是I-7的96.3%；L4-7的極限承載力是I-7的91.4%，其鋼材性能系數(shù)是I-7的77.8%。

表7 混凝土齡期7 d時(shí)試件試驗(yàn)結(jié)果

(a)L3-7

(a)L3-7 (b)L4-7 (c)I-7

混凝土齡期14 d時(shí)試件荷載-應(yīng)變變化如圖11所示，相應(yīng)的加載破壞圖見(jiàn)圖12，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。從表8可以看出，L3-14的極限承載力是I-14的94.8%，其鋼材性能系數(shù)是I-14的95.6%；L4-14的極限承載力是I-7的96.0%，其鋼材性能系數(shù)是I-14的81.8%。

表8 混凝土齡期14 d時(shí)試件試驗(yàn)結(jié)果

(a)L3-14

(a)L3-14 (b)L4-14 (c)I-14

基于以上結(jié)果可以看出，混凝土齡期對(duì)試件鋼材性能系數(shù)的影響顯著。對(duì)于三肢格柵試件鋼材性能系數(shù)，7 d齡期較3 d齡期提升6%，14 d齡期較3 d齡期提升12.5%；對(duì)于四肢格柵試件鋼材性能系數(shù)，7 d齡期較3 d齡期提升3.4%，14 d齡期較3 d齡期提升18.9%；對(duì)于型鋼試件鋼材性能系數(shù)，7 d齡期較3 d齡期提升6.8%，14 d齡期較3 d齡期提升14.5%。四肢格柵試件在14 d齡期時(shí)鋼材性能系數(shù)提升較大的原因是，齡期為3 d和7 d時(shí)試件均發(fā)生受壓區(qū)混凝土翹起破壞，從而導(dǎo)致加載試驗(yàn)提前結(jié)束，沒(méi)有達(dá)到應(yīng)有的極限承載力。同時(shí)，可以看出3種試件的極限承載力與裸拱相比得到明顯提升，三肢格柵鋼架提升了182%，四肢格柵鋼架提升了147%，型鋼鋼架提升了141%。通過(guò)提升倍數(shù)可以看出，三肢格柵鋼架提升最多，說(shuō)明其與混凝土的結(jié)合最緊密，四肢格柵鋼架與型鋼鋼架相差不大。根據(jù)以上結(jié)果可以得出結(jié)論：四肢格柵的構(gòu)造形式不合理，需要對(duì)構(gòu)造形式進(jìn)行優(yōu)化。

從加載過(guò)程來(lái)看，齡期3 d時(shí)，試件L3-3、L4-3、I-3裂縫出現(xiàn)時(shí)荷載依次為25、30、33 kN，隨著荷載的增加，格柵試件和型鋼試件分別在55 kN和50 kN時(shí)出現(xiàn)斜向裂縫。這說(shuō)明兩者均承受偏心荷載，但格柵試件與混凝土結(jié)合更好，承受荷載的能力更強(qiáng)。齡期7 d時(shí)，試件L3-3、L4-3、I-3裂縫出現(xiàn)時(shí)荷載依次為30、32、38 kN，此時(shí)混凝土更多地參與受壓。當(dāng)荷載達(dá)到64.41 kN時(shí)，試件L4-7跨中裂縫自受拉側(cè)向受壓側(cè)斜上貫通,試件破壞；當(dāng)達(dá)到60 kN時(shí)，試件I-7裂縫向兩側(cè)延伸，自受拉側(cè)向受壓側(cè)斜上發(fā)展。根據(jù)以上結(jié)果可以看出，隨著混凝土自身強(qiáng)度的增加，可以更好地與鋼架共同抵抗偏心荷載。齡期14 d時(shí)，試件L3-3、L4-3、I-3裂縫出現(xiàn)時(shí)荷載依次為35、39、44 kN，3個(gè)試件加載至破壞時(shí)均未出現(xiàn)斜向裂縫。由此可以推測(cè)出，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中增加抗扭鋼筋的布置，試件扭轉(zhuǎn)破壞的概率將大大降低。從荷載應(yīng)變圖可以看出，三肢格柵試件加載至破壞時(shí)內(nèi)外主筋位移相差較大，外主筋是內(nèi)主筋的1.3～1.6倍，在后續(xù)設(shè)計(jì)中應(yīng)調(diào)整內(nèi)外主筋直徑以充分利用鋼材性能；而四肢格柵內(nèi)外主筋位移變化差別不大，破壞時(shí)同步屈服，設(shè)計(jì)較為合理，可在后續(xù)設(shè)計(jì)中繼續(xù)沿用。

從破壞形態(tài)來(lái)看，型鋼試件破壞時(shí)均為上翼緣與混凝土脫離，隨著齡期的增加，結(jié)合程度有所提高。型鋼試件在齡期3 d和7 d時(shí)破壞面光滑，僅有混凝土殘?jiān)?；齡期14 d時(shí)破壞面粗糙，型鋼上翼緣表面有部分混凝土殘余。說(shuō)明在初期支護(hù)階段，若遭遇集中力作用，型鋼試件相較于格柵試件更加危險(xiǎn)。同時(shí)，在長(zhǎng)期使用后，由于格柵鋼架與混凝土的結(jié)合比型鋼鋼架更牢固，混凝土不易脫落，所以格柵鋼架的長(zhǎng)期使用安全性比型鋼鋼架更好。

2.3.2 齡期對(duì)鋼拱架剛度的影響分析

鋼拱架噴混凝土后荷載-位移曲線如圖13和圖14所示。通過(guò)比較荷載-位移曲線、極限荷載和破壞位移，即可判斷鋼架在受力時(shí)的剛度。荷載-位移曲線斜率大則剛度大，剛度越大，對(duì)初期支護(hù)時(shí)沉降和水平位移約束越大。

(a)3 d齡期

從圖13可以看出，混凝土齡期對(duì)試件剛度的提升明顯，噴混凝土試件的剛度是裸拱的4倍。同時(shí)，對(duì)比四肢格柵試件曲線圖，可以看出不同齡期四肢格柵試件曲線相差較大。分析原因?yàn)椋糊g期3 d時(shí)，四肢格柵試件發(fā)生受壓區(qū)混凝土翹起破壞；齡期7 d時(shí)，四肢格柵試件出現(xiàn)貫穿斜裂。結(jié)合裸拱試驗(yàn)可以推測(cè)：此時(shí)試件承受偏心荷載，發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞，所以導(dǎo)致3個(gè)試件的曲線擬合較差。

(a)三肢格柵

從圖14可以看出，三肢格柵試件與四肢格柵試件的極限承載力和破壞位移相差很小，考慮到四肢格柵在加工、運(yùn)輸、存放過(guò)程中破壞概率大，所以當(dāng)圍巖壓力較小時(shí)選擇三肢格柵鋼架有更好的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，從圖中可以看出，不同齡期型鋼試件的峰前斜率均大于格柵鋼架試件，表明在受荷初期型鋼試件的剛度始終大于格柵試件，證明型鋼鋼架對(duì)圍巖的位移和沉降的約束能力更強(qiáng)；格柵鋼架的位移始終大于型鋼鋼架，說(shuō)明格柵鋼架的延性好，可以更好地吸收圍巖變形。因此，型鋼鋼架適合應(yīng)用在圍巖應(yīng)力較大的隧道中，格柵鋼架適合應(yīng)用于初期支護(hù)時(shí)吸收圍巖變形。

3 結(jié)論與建議

本文采用節(jié)段試驗(yàn)的方法，研究了不同齡期時(shí)不同類型鋼拱架的承載力學(xué)性能，得出以下結(jié)論和建議：

1)格柵鋼架與混凝土的結(jié)合更緊密，結(jié)合后的綜合承載性能比型鋼更好。噴射混凝土早期，型鋼試件破壞的主要原因是型鋼與混凝土的結(jié)合較弱。在初期支護(hù)階段，若遇到集中力的作用，型鋼試件比格柵試件更容易遭到破壞。因此，建議在型鋼的上下翼緣及腹板處增設(shè)鉚釘，不僅可增加型鋼鋼架與混凝土之間的抗滑移能力，還可以使噴射混凝土更容易附著在型鋼上。

2)當(dāng)圍巖壓力較小時(shí)，選擇三肢格柵鋼架經(jīng)濟(jì)性更佳。格柵鋼架的延性比型鋼鋼架更好，可以更好地與圍巖形成整體，釋放圍巖變形；在圍巖變形較大的隧道中，初期支護(hù)建議使用格柵鋼架釋放變形，便于二次襯砌的澆筑以及增強(qiáng)其支護(hù)能力。

3)三肢格柵內(nèi)外主筋直徑匹配不合理。從試驗(yàn)加載過(guò)程來(lái)看，三肢格柵試件內(nèi)外主筋的位移變化有明顯差異，破壞位移相差大，外主筋是內(nèi)主筋的1.3～1.6倍；而四肢格柵內(nèi)外主筋位移變化差別不大，設(shè)計(jì)較為合理。

4)建議在實(shí)際設(shè)計(jì)中增加四肢格柵架跨中箍筋、縱向抗扭鋼筋及U型筋的布置量以提高抗扭性能。從試驗(yàn)加載過(guò)程來(lái)看，鋼拱架在實(shí)際使用中均會(huì)受到偏心荷載作用，其中四肢格柵鋼架受到的影響最顯著。另外，針對(duì)四肢格柵構(gòu)造形式復(fù)雜以及焊縫多的問(wèn)題，建議在焊點(diǎn)處包裹一圈卡箍以代替焊接，不僅可以減少焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的焊縫，還可以增加一定的承載力。

5)本研究是在特定目標(biāo)下進(jìn)行的，只對(duì)比分析了3種典型的初期支護(hù)鋼拱架在不同齡期噴射混凝土下的承載能力和變形特征，對(duì)不同圍巖級(jí)別、錨桿與鋼架的相互作用等影響因素尚未討論分析，這些問(wèn)題將在后續(xù)的試驗(yàn)和分析中進(jìn)行拓展研究。