基于多跨單向板力學(xué)模型的管幕凍結(jié)法隧道初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化方法

孫文昊，牛 野，劉雨萌，張俊儒，孔 超

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司水下隧道技術(shù)國家與地方聯(lián)合工程研究中心,武漢 430063; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031; 3.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川 綿陽 621010)

引言

淺埋暗挖法是目前地下工程建設(shè)中的常見方法之一,其發(fā)展愈發(fā)依仗輔助工法的革新。面對(duì)日益復(fù)雜的工程情況,尤其是在富水、淺埋等復(fù)雜地層隧道建設(shè)中,僅采用旋噴、注漿、管幕、凍結(jié)等單一輔助工法已難以滿足施工要求。越來越多的學(xué)者們認(rèn)識(shí)到,將多種工法復(fù)合使用以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的方案是解決工程難題的有效途徑之一[1]。管幕凍結(jié)法是管幕法與凍結(jié)法相結(jié)合的工法[2],是指在隧道斷面四周預(yù)先布設(shè)大直徑鋼管形成管幕,再采用人工地層凍結(jié)法將鋼管之間的土體凍結(jié)形成凍結(jié)圈止水帷幕,構(gòu)成“管幕-凍結(jié)圈”復(fù)合結(jié)構(gòu)體系,既能解決采用單一管幕法時(shí)止水難的問題,又能解決采用單一凍結(jié)法時(shí)凍結(jié)圈承載力不足的問題[3],是一種適用于復(fù)雜水文條件下對(duì)地表沉降及滲、涌水風(fēng)險(xiǎn)有較好控制效果的新型工法[4]。由于管幕凍結(jié)法在國內(nèi)外僅有港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道應(yīng)用,故對(duì)管幕凍結(jié)復(fù)合結(jié)構(gòu)條件下隧道支護(hù)及施工相關(guān)研究較少。

任輝[5]、胡向東等[6-9]通過物理模型試驗(yàn),分析了積極凍結(jié)階段凍結(jié)方案的時(shí)效性和凍結(jié)效果,對(duì)管幕凍結(jié)法的時(shí)效性和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證;張冬梅等[10]通過拱北隧道現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析,驗(yàn)證了新型管幕凍結(jié)暗挖施工方法可極大減小隧道內(nèi)部的位移變形規(guī)律;劉繼國[11-12]以拱北隧道大斷面暗挖段為研究對(duì)象,通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場測試,研究了管幕凍結(jié)圈復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力特性,證明采用管幕凍結(jié)法施工能夠保證隧道施工安全;森內(nèi)浩史等[13-15]對(duì)管幕凍結(jié)圈復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載特性及兩種材料之間的相互作用進(jìn)行了一定研究。

目前針對(duì)管幕凍結(jié)法的研究多從施工過程中能否保證施工安全進(jìn)行研究評(píng)價(jià),在隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮凍結(jié)圈強(qiáng)度,導(dǎo)致初期支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)較為保守。其認(rèn)為凍結(jié)圈的主要作用為形成固結(jié)圈,起到較好的防水、止水作用,以保證施工安全;而在施工中保證凍結(jié)圈凍結(jié)質(zhì)量的前提下,也給予了支護(hù)體系考慮凍結(jié)圈強(qiáng)度的前提條件。因此,以寧蕪鐵路南京南站隧道下穿秦淮新河段為依托工程,基于多跨單向板力學(xué)模型和組合梁模型,考慮充分利用凍結(jié)圈承載能力的理念,提出利用“鋼拱架-噴射混凝土-管幕-凍結(jié)圈”的初期支護(hù)體系,對(duì)復(fù)合地層管幕凍結(jié)法水下鐵路隧道進(jìn)行初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究,為今后管幕凍結(jié)法隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)與建議。

1 工程概況

1.1 工程背景

寧蕪鐵路擴(kuò)能工程南京南站隧道為單洞雙線隧道,隧道進(jìn)口位于南京市秦淮區(qū)紅花街道柴園南路附近,出口位于江寧區(qū)谷里街道小荊村旁,隧道總長14 142 m(包括已實(shí)施段)。南京南站隧道秦淮新河段與秦淮新河斜交,交角約41°,下穿段距離約270 m,下穿秦淮新河段隧道結(jié)構(gòu)頂距河底的最小距離約為1.98 m,平面線位如圖1所示。

圖1 寧蕪鐵路下穿秦淮新河線位

秦淮新河隧道位于南京市雨花區(qū)境內(nèi)。秦淮新河是秦淮河下游分洪河,人工開挖。秦淮新河百年設(shè)計(jì)水位H1%=9.77 m,沖刷系數(shù)1.15。最高通航水位7.11 m,最低通航水位3.71 m,既有通航凈高5 m,凈寬38 m。隧道上半部主要處于粉質(zhì)黏土及淤泥質(zhì)黏土中,下部主要處于全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及強(qiáng)風(fēng)化長石石英砂巖中。

1.2 隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

南京南站隧道下穿秦淮新河段擬采用管幕凍結(jié)法暗挖施工,全斷面開挖。管幕總長度385 m,管幕用鋼管外徑1 600 mm,壁厚20 mm,鋼管間環(huán)向凈距300 mm,鋼管總根數(shù)為26根,鋼管內(nèi)設(shè)置凍結(jié)管并用C20微膨脹混凝土填充,如圖2所示,凍結(jié)圈厚度設(shè)計(jì)值2.0 m。

圖2 管幕剖面(單位:cm)

基于充分利用凍結(jié)圈承載能力的理念,提出利用鋼拱架、噴射混凝土、管幕以及凍結(jié)圈的支護(hù)體系,如圖3所示。通過設(shè)置剛度較大鋼拱架,盡量增大鋼拱架的架設(shè)間距,以增加施工進(jìn)度。

圖3 “鋼拱架-噴射混凝土-管幕-凍結(jié)圈”組合支護(hù)體系

2 基于多跨單向板力學(xué)模型的鋼架間距分析

在“鋼拱架-噴射混凝土-管幕-凍結(jié)圈”組合支護(hù)體系中,鋼架的間距至關(guān)重要。鋼架間距過大可能會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)圈-噴射混凝土組合結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)度破壞,危及施工安全。因此,需在保證施工安全的前提下盡可能地增大鋼架間距,以節(jié)省用鋼量,同時(shí)提升工作效率。

2.1 理論模型建立

等距鋼架對(duì)上部凍結(jié)圈的支撐作用,與GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]中板支撐結(jié)構(gòu)類似。且由于噴射混凝土和凍結(jié)圈抗拉強(qiáng)度較低,噴射混凝土和凍結(jié)圈以受拉破壞為主,按線彈性假定對(duì)“鋼拱架-噴射混凝土-管幕-凍結(jié)圈”組合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞進(jìn)行分析。

如圖4所示,支撐板按其受力特征分為單向板和雙向板。

圖4 支撐板結(jié)構(gòu)示意

(1)單向板:兩對(duì)邊支承的板為單向板。

(2)雙向板:四邊支承的板,當(dāng)長邊與短邊長度之比≤2.0時(shí),按雙向板考慮;當(dāng)長邊與短邊長度之比>2.0但<3.0時(shí),宜按雙向板考慮。

結(jié)合等距鋼架對(duì)上部凍結(jié)圈支撐作用特點(diǎn)考慮,筆者認(rèn)為等距鋼架對(duì)上部凍結(jié)圈支撐作用力學(xué)計(jì)算模型可按照單向多跨連續(xù)板模型考慮,只是荷載傳遞形式稍有區(qū)別。單向板結(jié)構(gòu)的傳力方式是“板上荷載—次梁—主梁—墻、柱—基礎(chǔ)”,而等距鋼架對(duì)于上部凍結(jié)圈支撐的傳力方式更簡單,為“上部凍結(jié)圈—鋼架”。

GB50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)單向多跨連續(xù)板的計(jì)算模型做出了詳細(xì)說明:當(dāng)按照線彈性分析方法進(jìn)行計(jì)算分析時(shí),可將板簡化為支承在相應(yīng)支座上的多跨連續(xù)梁。且對(duì)于各跨荷載相同,跨數(shù)超過5跨的等跨等截面連續(xù)梁,除兩邊第1、2跨外,所有中間各跨的內(nèi)力十分接近,為簡化計(jì)算,僅需按5跨進(jìn)行計(jì)算,中間跨均以第3跨代表,如圖5所示。

圖5 多跨連續(xù)梁、板簡圖

因此,按五跨連續(xù)梁模型,將上部凍結(jié)圈自重以及上覆水土壓力考慮為均布荷載進(jìn)行理論計(jì)算,計(jì)算簡圖如圖6所示。

圖6 五跨連續(xù)梁計(jì)算簡圖

2.2 組合支護(hù)體系內(nèi)力計(jì)算

跨度為L的五跨連續(xù)梁僅受均布荷載q是一個(gè)具有對(duì)稱性的四次超靜定問題。采用力法對(duì)該問題進(jìn)行理論求解,可求得梁截面最大彎矩及最終彎矩圖,如圖7所示。

圖7 最終彎矩圖

如圖7所示,最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在B結(jié)點(diǎn)截面處,最大正彎矩出現(xiàn)在AB(EF)梁跨中,為

(1)

2.3 組合支護(hù)體系應(yīng)力計(jì)算

當(dāng)開挖后確保初期支護(hù)及時(shí)施作時(shí),上部凍結(jié)圈所受上覆壓力以及自重可認(rèn)為是由凍結(jié)圈-襯砌結(jié)構(gòu)和等距鋼架的共同支撐作用承擔(dān)。凍結(jié)圈與初期支護(hù)之間的相互力學(xué)作用可按組合梁模型考慮,根據(jù)凍結(jié)圈與初期支護(hù)的幾何尺寸參數(shù),確定凍結(jié)圈-初期支護(hù)組合梁模型的截面尺寸。h1、h2分別為組合梁模型中凍土層及初期支護(hù)高度,按照實(shí)際工程中凍結(jié)圈及噴射混凝土厚度取值;b為組合梁模型寬度,按照單位寬度取值,如圖8所示。

圖8 凍結(jié)圈及初期支護(hù)組合梁計(jì)算模型截面

組合梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算時(shí),首先要確定組合梁的中性軸位置。假設(shè)凍結(jié)圈-初期支護(hù)組合梁中性軸在凍結(jié)圈-初期支護(hù)分界線以上h0處,如圖9所示。

圖9 假定凍結(jié)圈及初期支護(hù)組合梁中性軸位置

根據(jù)材料力學(xué)假定,純彎曲狀態(tài)下梁某一截面上一點(diǎn)的正應(yīng)力如圖10所示。

圖10 純彎曲狀態(tài)下梁某一截面上一點(diǎn)的正應(yīng)力

根據(jù)廣義胡克定律及材料力學(xué)中相關(guān)假定,有

σ=Eε

(2)

(3)

(4)

式中,σ為某一點(diǎn)的正應(yīng)力;E為梁彈性模量;ε為該點(diǎn)處的線應(yīng)變;y為該點(diǎn)在梁上距中性軸的距離;ρ為梁的曲率半徑。

根據(jù)靜力平衡條件,在剖面處應(yīng)滿足x方向合力為0,x方向上力產(chǎn)生的彎矩Mz應(yīng)與外彎矩M相等。即

∑Fx=0

(5)

Mz=M

(6)

(7)

E1(h1-h0)2=0

(8)

式中,h0為凍結(jié)圈-初期支護(hù)分界線以上(凍結(jié)圈一側(cè))的距離;h1為凍結(jié)圈厚度;h2為初期支護(hù)厚度;E1為凍結(jié)圈彈性模量;E2為初期支護(hù)彈性模量。

由式(8)可解得h0=-0.064 2 m,說明中性軸在凍結(jié)圈-初期支護(hù)分界線以下(初期支護(hù)一側(cè))0.064 2 m處。如圖11所示。

圖11 凍結(jié)圈-初期支護(hù)組合梁中性軸位置

求得中性軸位置后,即可根據(jù)橫截面上的彎矩平衡條件,求出組合梁的彎曲正應(yīng)力公式

(9)

(10)

式中,I1為凍結(jié)圈繞中心軸的慣性矩;I2為初期支護(hù)受壓部分繞中心軸的慣性矩;I3為初期支護(hù)受拉部分繞中心軸的慣性矩。

根據(jù)圖11中幾何關(guān)系可得

(11)

(12)

(13)

令

E1I1+E2I2+E3I3=EI等效

(14)

則組合梁彎曲正應(yīng)力公式為

(15)

式中,σ為某一點(diǎn)的正應(yīng)力;E為該點(diǎn)處材料的彈性模量;y為該點(diǎn)在梁上距中性軸的距離;EI等效為組合梁的等效抗彎剛度;M為該點(diǎn)處的彎矩值。

2.4 最大允許鋼架間距確定

本節(jié)考慮凍結(jié)圈及混凝土的允許應(yīng)力,對(duì)依托工程最大允許鋼架間距進(jìn)行研究。

(1)上覆荷載q確定

計(jì)算模型中均布荷載q按照凍結(jié)圈上覆水土壓力q上覆與凍結(jié)圈自重q自重兩部分進(jìn)行考慮,即

q=q上覆+q自重

(16)

自重荷載按下式計(jì)算

q自重=hbγ凍土

(17)

式中,γ凍土為凍結(jié)圈重度,根據(jù)地勘資料,取22 kN/m3;b為截面寬度,取b=1 m;h為截面高度,即凍結(jié)圈厚度,h=2 m。

上覆水土壓力按下式計(jì)算

q上覆=γbh覆+γ水bh水

(18)

式中,γ為上覆土體的重度,根據(jù)地勘資料,取20 kN/m3;γ水為水的重度,取10 kN/m3;h覆為覆土高度,根據(jù)依托工程實(shí)際情況,由1.98～17 m之間選取5組覆土工況;h水為上部水土高度,根據(jù)地勘資料,取h水=10 m;b為截面寬度,取b=1 m。

由式(16)～式(18),計(jì)算每組覆土工況下模型中均布荷載q,結(jié)果如表1所示。

表1 不同埋深工況對(duì)應(yīng)均布荷載值

(2)求解最大允許鋼架間距

以按凍結(jié)圈強(qiáng)度控制為例,就最大允許鋼架間距計(jì)算進(jìn)行說明。

如圖11所示,對(duì)于凍結(jié)圈而言,當(dāng)其所受彎矩為正彎矩時(shí),凍結(jié)圈全部受壓,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在凍結(jié)圈頂部位置;當(dāng)其所受彎矩為負(fù)彎矩時(shí),凍結(jié)圈全部受拉,最大拉應(yīng)力也出現(xiàn)在凍結(jié)圈頂部位置。且凍結(jié)圈最大拉應(yīng)力σ1tmax、最大壓應(yīng)力σ1cmax應(yīng)分別小于凍結(jié)圈最大容許拉應(yīng)力和最大容許壓應(yīng)力。

抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度,即

(19)

(20)

ymax=h0+h1

(21)

式中,ymax為截面上距中性軸最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離;[σ1C]為凍結(jié)圈最大容許壓應(yīng)力;[σ1t]為凍結(jié)圈最大容許拉應(yīng)力。

最大容許應(yīng)力,即

(22)

(23)

式中,σ1c為凍結(jié)圈抗壓強(qiáng)度;σ1t為凍結(jié)圈抗拉強(qiáng)度;n為材料安全系數(shù),參照TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》表8.5.2-2中[17]相關(guān)規(guī)定,按照鋼筋混凝土施工階段考慮,取“荷載+附加荷載”的0.9倍進(jìn)行檢算,混凝土達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度的安全系數(shù)為1.53,混凝土達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)為1.8。取凍結(jié)圈安全系數(shù)與初期支護(hù)安全系數(shù)一致。

凍結(jié)圈及初期支護(hù)相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 材料計(jì)算參數(shù)及容許應(yīng)力 MPa

將式(19)、式(20)取等,即可得到最大鋼架間距

(24)

(25)

式中,Lmaxt為按照抗拉強(qiáng)度控制的最大鋼架間距;Lmaxc為按照抗壓強(qiáng)度控制的最大鋼架間距。

Lmax=min{Lmaxt,Lmaxc}

(26)

計(jì)算出各覆土厚度工況下最大鋼架間距,如表3所示。

表3 不同埋深工況下按凍結(jié)圈強(qiáng)度控制最大鋼架間距計(jì)算結(jié)果 m

(3)各工況下最大允許鋼架間距結(jié)果

以按凍結(jié)圈強(qiáng)度控制為例,對(duì)最大允許鋼架間距的計(jì)算進(jìn)行說明,按中性軸以上部分混凝土強(qiáng)度控制及按中性軸以下部分混凝土強(qiáng)度控制工況計(jì)算方式與之一致,受篇幅所限,不再贅述。

分別按凍結(jié)圈強(qiáng)度控制、中性軸以上部分混凝土強(qiáng)度控制及按中性軸以下部分混凝土強(qiáng)度控制求出各工況下計(jì)算所得的最大允許鋼架間距,取最小值,作為各工況下組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大鋼架間距,如表4所示。

表4 不同埋深工況下按凍結(jié)圈-初期支護(hù)組合梁模型計(jì)算最大鋼架間距結(jié)果 m

由表4可知,當(dāng)按凍結(jié)圈-初期支護(hù)組合梁模型計(jì)算時(shí),最大鋼架間距Lmax由中性軸以下部分混凝土強(qiáng)度控制,及時(shí)施作初期支護(hù)混凝土對(duì)于避免凍結(jié)圈發(fā)生強(qiáng)度破壞是有益的,同時(shí)對(duì)于增加開挖進(jìn)尺是有幫助的。

需要注意的是,本理論計(jì)算中由于簡化假定,拱架剛度為無限大(理論計(jì)算中無法考慮拱架剛度),故實(shí)際工程中采用型號(hào)更大或者剛度更大的拱架才能更接近理論計(jì)算結(jié)果。

為能夠明確拱架剛度對(duì)理論計(jì)算結(jié)果的影響,需要建立數(shù)值計(jì)算模型,綜合理論計(jì)算對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。

3 基于數(shù)值模擬的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

上節(jié)中,按照多跨單向板力學(xué)模型考慮了等距鋼架對(duì)上部凍結(jié)圈支撐作用,對(duì)鋼架間距進(jìn)行了分析。上述理論分析中,在模型簡化時(shí)未考慮鋼架剛度對(duì)組合結(jié)構(gòu)受力的影響,與實(shí)際情況有所差異。因此,本節(jié)采用數(shù)值計(jì)算的方法,研究不同鋼架形式、鋼架型號(hào)及鋼架間距對(duì)“鋼拱架-噴射混凝土-管幕-凍結(jié)圈”組合結(jié)構(gòu)承載特性的影響,以選取合理的初期支護(hù)參數(shù)。

計(jì)算中不考慮隧道開挖過程,主要考察凍土圈、管幕、噴射混凝土以及拱架的協(xié)同支護(hù)效果。并且對(duì)不同拱架形式下,凍土圈的承載能力進(jìn)行了計(jì)算,擬定計(jì)算工況如表5所示。

表5 計(jì)算工況統(tǒng)計(jì)

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

計(jì)算采用有限元軟件ANSYS計(jì)算,采用荷載-結(jié)構(gòu)模型?？紤]水下回填施工誤差,計(jì)算假設(shè)凍結(jié)圈上覆土層厚度3 m,最大水頭為10 m,地層側(cè)壓力系數(shù)為0.33,考慮水土分算,荷載示意如圖12所示。

圖12 計(jì)算荷載示意

為消除邊界誤差以及縱向的板效應(yīng),計(jì)算模型縱向取20 m,如圖13所示。計(jì)算中不考慮隧道施工步距、施工工法的影響,采用全斷面開挖,一次成型。

圖13 荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

計(jì)算中初期支護(hù)的工字鋼及鋼管拱架如圖14所示。管幕結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表6所示。

表6 管幕結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

圖14 工字鋼及鋼管拱架示意

凍結(jié)圈物理力學(xué)參數(shù)綜合文獻(xiàn)《人工凍融土物理力學(xué)性能研究》[18]、《天津?yàn)I海新區(qū)人工凍結(jié)粉質(zhì)黏土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究》[19]、《凍結(jié)砂土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及非線性莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則》[20]、《管幕凍結(jié)法淺埋大斷面隧道開挖方案對(duì)襯砌性態(tài)及地層位移的影響》[21]等綜合選取,如表7所示。

3.2 初期支護(hù)承載特性分析

以工況1-鋼架間距1 m計(jì)算結(jié)果為例,對(duì)初期支護(hù)承載特性進(jìn)行分析,初期支護(hù)及凍土圈主應(yīng)力云圖如圖15～圖18所示。

圖15 工況1-鋼架間距1 m初期支護(hù)最小主應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖16 工況1-鋼架間距1 m初期支護(hù)最大主應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖17 工況1-鋼架間距1 m凍結(jié)圈最小主應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖18 工況1-鋼架間距1 m凍結(jié)圈最大主應(yīng)力云圖(單位:Pa)

基于圖15～圖18中初期支護(hù)及凍結(jié)圈應(yīng)力結(jié)果,復(fù)合地層管幕凍結(jié)法水下隧道初期支護(hù)承載特性得到以下結(jié)論。

(1)初期支護(hù)最大拉應(yīng)力主要分布在襯砌拱頂位置,最大壓應(yīng)力主要分布在襯砌拱腰及邊墻位置。

(2)凍結(jié)圈最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力均主要分布在管幕連接處。

(3)各工況下凍結(jié)圈應(yīng)力均小于襯砌應(yīng)力,主要原因?yàn)閮鼋Y(jié)圈相比于襯砌強(qiáng)度較小,不作為主要承載結(jié)構(gòu)。“凍結(jié)圈-初期支護(hù)”組合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要受初期支護(hù)強(qiáng)度控制,與第2節(jié)中理論推導(dǎo)結(jié)果一致。

3.3 初期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化分析

統(tǒng)計(jì)各工況下豎向及水平位移結(jié)果,分別如圖19、圖20所示。

圖19 各工況下豎向位移結(jié)果

圖20 各工況下水平位移結(jié)果

不同的拱架形式對(duì)變形影響較大,隨著拱架剛度提升,水平及豎向變形均有明顯減小,說明提升拱架剛度對(duì)于“鋼拱架-噴射混凝土-管幕-凍結(jié)圈”組合支護(hù)體系變形具有良好的控制效果。

隨著鋼架間距減小,水平及豎向變形位移變化不明顯,說明鋼架布設(shè)間距對(duì)“鋼拱架-噴射混凝土-管幕-凍結(jié)圈”組合支護(hù)體系變形控制影響不大。

統(tǒng)計(jì)各工況下初期支護(hù)最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力結(jié)果,分別如圖21、圖22所示,得到以下結(jié)論。

圖21 各工況下初期支護(hù)最大拉應(yīng)力結(jié)果

圖22 各工況下初期支護(hù)最大壓應(yīng)力結(jié)果

(1)拱架剛度越大,初期支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)與理論計(jì)算越接近。工況1、工況2、工況4中初期支護(hù)最大拉應(yīng)力超過噴射混凝土最大容許拉應(yīng)力,但拉應(yīng)力逐漸降低;工況3、工況5均未超過噴射混凝土最大容許拉應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果與第2節(jié)中理論分析確定的最大允許鋼架跨度基本一致。

(2)拱架剛度較小時(shí),無法有效約束圍巖變形,當(dāng)拱架剛度較小時(shí),只能通過縮短拱架間距、提高噴射混凝土強(qiáng)度等來保證支護(hù)效果。隨著鋼架間距減小,初期支護(hù)最大拉應(yīng)力及最大壓應(yīng)力均有明顯減小,說明減小鋼架布設(shè)間距對(duì)于初期支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)具有良好的改善效果。

(3)采用鋼管混凝土拱架對(duì)改善初期支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)效果最好,其次為I36型鋼?？紤]鋼管混凝土拱架自身質(zhì)量大,施工工藝復(fù)雜,在實(shí)際施工中可實(shí)施性較差,故本工程建議采用I36型鋼。

綜上分析,建議全斷面開挖時(shí),將噴射混凝土強(qiáng)度增加至C30,拱架采用I36型鋼,間距為2 m。

4 結(jié)論

(1)“鋼架-管幕-凍結(jié)圈-初期支護(hù)”組合結(jié)構(gòu)可按多跨單向板力學(xué)模型進(jìn)行簡化,通過力法進(jìn)行內(nèi)力求解;組合梁模型可按凍結(jié)圈與初期支護(hù)的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析,以強(qiáng)度控制確定最大允許鋼架間距。本工程中最大允許鋼架間距由中性軸以下部分混凝土強(qiáng)度控制,為2～3 m。

(2)在“鋼架-管幕-凍結(jié)圈-初期支護(hù)”組合支護(hù)體系中,初期支護(hù)最大變形及拉應(yīng)力主要分布在襯砌拱頂位置,最大壓應(yīng)力主要分布在襯砌拱腰及邊墻位置;管幕凍結(jié)圈最大壓應(yīng)力及最大拉應(yīng)力主要分布在管幕連接處。凍結(jié)圈應(yīng)力相對(duì)較小,不作為主要承載結(jié)構(gòu),組合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要由混凝土強(qiáng)度控制,與理論分析結(jié)果相符。

(3)不同的拱架剛度對(duì)襯砌變形及應(yīng)力影響較大,提升拱架剛度對(duì)于結(jié)構(gòu)變形及初期支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)具有良好的控制及改善效果。

(4)鋼架間距對(duì)凍結(jié)圈應(yīng)力影響較大,當(dāng)鋼架間距大于2 m時(shí),管幕間凍結(jié)圈體抗剪強(qiáng)度不足,變形較大,可能引起滲漏。

(5)建議按照全斷面開挖時(shí),將噴射混凝土強(qiáng)度增加至C30,拱架采用I36型鋼,間距為2 m。為保證開挖期間施工安全,建議對(duì)施工工法及施工步距進(jìn)行進(jìn)一步研究,以能夠充分利用凍結(jié)圈承載能力。