V级浅埋围岩隧道复合式衬砌钢拱架榀距分析

皇民1,2，康一1，潘炳玉1，肖昭然3，赵玉如1

(1.河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州 451191；2.郑州大学 土木学院，河南 郑州 450001；

3.河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001)

摘要：为了探究V级围岩浅埋段复合式衬砌钢拱架的合理榀距，保证工程的经济性与安全性，结合中原路西延上街辘把坡至巩义S237快速通道韩门隧道工程实例，选取有代表性的断面，采用理论计算和数值分析法，结合现场的变形监测数据分析结果，对该隧道V级围岩段的钢拱架榀距进行了安全性评估.结果表明，在该条件下钢拱架设计榀距的安全储备过于充足、设计偏保守，施工图设计的钢拱架支护参数可以再作适当的优化调整.

关键词：公路隧道；复合式衬砌；数值模拟；隧道监测；钢拱架榀距

中图分类号：U451.4文献标志码：A

收稿日期：2014-12-19

基金项目：河南省教育厅自然科学研究重点项目(12A560004，15A560020)；郑州市科技发展计划项目(20130816)

作者简介：皇民(1975-)，男，河南博爱人，副教授，博士，主要研究方向为岩土工程和隧道工程.

随着中国经济的发展和隧道施工工艺的进步，复合式衬砌在公路隧道中也得到了普遍应用.然而,复合式衬砌的许多技术指标还停留在经验阶段，由此增加了工程造价，造成了不必要的浪费.因此,对复合式衬砌的技术指标进行深入研究意义重大.

在复合式衬砌中，喷射混凝土封闭围岩和钢筋网片提高了混凝土的整体性和抗拉性，使围岩断面重新形成了一个整体.锚杆支护的主要作用之一是控制围岩的变形和发展，通过锚杆加固改善应力环境来提高围岩的自稳性[1].而二衬混凝土几乎不改变围岩的受力状态，二次衬砌一般仅起安全储备作用[2].有研究表明，钢拱架支护起决定性作用，除围岩自身承载力外，几乎大部分的围岩压力由钢拱架承担,控制围岩变形的效果明显[3-4].为了探究钢拱架的合理榀距，本研究结合工程实例假设围岩压力由钢拱架独立承担，运用数值分析法对经验性设计指标进行了强度验算并与现场钢架应力监测数据进行了对比分析,对隧道的设计有一定的指导意义.

1工程概况

韩门隧道左线位于河南郑州中原路西延上街辘把坡至巩义S237快速通车道ZK16+145—ZK17+515段，该段隧道围岩为较软岩与较硬岩互层，以软岩为主，岩体较破碎，砂质泥岩、泥质砂岩及砂岩互层且以砂质泥岩和泥质砂岩为主.左线全线长1 370 m，V级围岩1 077 m，净宽14 m，最大净宽17 m，属大跨度长隧道，隧道左右线间距控制在50 m左右.隧道全线采用复合式衬砌，初期支护采用钢架、锚杆、钢筋网片和喷射混凝土组合结构，二次衬砌为模筑混凝土结构.选取该工程的左线V级浅埋段埋深为51.007 m、桩号为ZK16+375的断面进行应力校核，围岩和隧道的计算参数见表1，隧道断面见图1.

表1　围岩与隧道相关参数 Tab.1　Parameters of surrounding rock and tunnel

注：表中数据全部为所研究断面位置围岩和隧道数据.

图1　隧道断面图(单位：mm) Fig.1　The cross section of tunnel(unit:mm)

2钢架均布荷载理论计算[5]

2.1　围岩的荷载等效高度

本工程隧道宽度大于5 m，围岩的荷载等效高度与围岩级别和隧道宽度存在以下关系：

hq=0.45×2s-1(0.5+0.1Bt).

由此得出围岩荷载等效高度为15.696 m.

2.2　均布荷载计算

隧道钢架采用I22型工字钢，其相关物理指标见表2.

表2　工字钢参数表 Tab.2　The parameters of I steel

由于所校核断面处隧道埋深为51.007 m，大于围岩的荷载等效高度、小于该隧道的浅埋隧道分界深度，在设计图纸中位于浅埋段.为了方便计算，假定土体中形成的破裂面是一条与水平成β角的斜直线,土体受力分析见图2.

图2　土体受力分析 Fig.2　The stress analysis diagram of soil

图3　变量关系 Fig.3　The relationship between variables

假设λ为侧压力系数，经代入计算其值为0.163 684 328 7，再将上列公式回代，可得出作用在HG面上的总垂直压力Q=W-γh2λtan θ.

图4　理论均布荷载示意图 Fig.4　Theoretical uniform load

3数值分析

采用ABAQUS 6.13-1数值分析软件研究隧道初期支护钢拱架的受力变形规律，计算模型如图5与图6所示.该工程V级浅埋段钢拱架采用的是I22a型工字钢经冲击焊接而成，由于工程中仰拱全部位于片石混凝土中，受到了各个方向的约束，而两侧钢拱架会受到围岩持续的内压力.所以，为了尽可能真实地模拟钢拱架的受力情况，在建模过程当中约束了钢架的部分变形方向.

图5　钢拱架各点应力分布(单位：MPa) Fig.5　The stress distributions of steel arch (unit:MPa)

图6　钢拱架各点位移变化图(单位：mm) Fig.6　The displacement variation of steel arch (unit:mm)

可以看出，起拱线以上的钢拱架受力较大，最大的应力为161.888 MPa，发生在拱肩位置；拱底处应力最小，最小值为105.217 MPa；拱架最顶部应力为161.860 MPa.钢拱架左拱肩-拱顶-右拱肩之间的应力变化不大，集中在161.8 MPa附近.位移最大值出现在隧道断面竖直轴线处，最大计算位移为17.243 mm.

4现场变形监测

4.1　监测设计 [6-10]

钢拱架应力监测采用电测法，用东华测试技术有限公司的DH3818-3静态应变测试仪和浙江黄岩测试生产的BX120-10AA应变片进行计算机数据采集.数据采集每天进行1~2次，每次每个点位采集数据120次.根据隧道设计资料，隧道五级浅埋段初期支护钢拱架在用的是I22a型工字钢，设计榀距为50 cm，选取的典型监测断面为V级围岩浅埋段最危险位置，桩号为ZK16+375.在钢拱架上选取5个点布设应变片，布设点分布位置如图7所示，电测法应变片布置如图8所示.

图7　测点布置图 Fig.7　The distribution of monitor points

图8　电测法图 Fig.8　Electrical measuring method

4.2　实验结果

剔除各点每天采集的120个数据中的异常值，利用求平均法得到各点的应变值.统计出各点位钢拱架从架设仪器到数据采集结束各时间点的应变值，利用Orign软件做出应力-时间曲线图，如图9所示.

图9　应力-时间曲线图 Fig.9　Stress-time curves

从图9可以看出，钢架应力发展18天左右逐渐趋于稳定，前期应力发展较快，各点位应力现场实测数据与理论模拟结果基本相近，只是实测显示最大应力处于拱顶位置，但较拱肩差别不大.起拱线位置应力较拱肩拱顶处小，也证明了数值模拟中限制仰拱全部变形和拱底局部变形的正确性.

5结论

(1)数值计算结果显示，钢拱架的最大压应力为161.888 MPa，而现场监测的最大压应力130 MPa.因受到安装仪器滞后性的影响，可以认为几乎大部分的围岩压力由钢拱架承担，锚杆、钢筋网片和喷射混凝土主要起提高围岩整体性和自稳性的作用.

(2)由于数值模拟并未考虑复合式衬砌其他支护的承载能力和架设仪器的滞后性，所以真实的钢拱架应力应比监测值稍大，同时小于数值模拟的数据.

(3)根据监测与研究分析，该三车道公路隧道V级围岩浅埋段设计的钢拱架榀距50 cm是偏于安全的，故原设计的钢拱架榀距可以适当进行优化调整，以便减少工程投资.

参考文献：

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Analysis of steel arch frame spacing of the shallow tunnel

composite lining in the fifth level rocks

HUANG Min1，2, KANG Yi1, PAN Bingyu1,XIAO Zhaoran3，ZHAO Yuru1

(1.CollegeofCivilEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou451191,China;

2.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;

3.SchoolofCivilEngineering，HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou450001,China)

Abstract:In order to solve the reasonable spacing of the steel arch frame of composite lining for shallow tunnel in the fifth level surrounding rocks and ensure the economy and security of the program,the paper selects special positions in the Hanmen tunnel of Zhongyuan Road extending from Shangjie to Gongyi S237 fast road and makes an estimate for the security, by theoretical arithmetic, numerical analysis and the analytic result of monitoring data. The results point out that the spacing designed for the steel arch frame is too conservative, which causes the program is uneconomical. The parameters of steel frame spacing should be devised for an appropriate adjustment.

Key words:highway tunnel; composite lining; numerical simulation; tunnel monitoring;steel frame spacing