朱林 陈瑞 李智 张勇

摘要 黄土隧道传统的支护方式主要是“钢拱架+喷射混凝土”和“钢格栅+喷射混凝土”，根据黄土隧道变形大、强度低的特点，文章提出采用新型的“钢拱架+钢格栅+喷射混凝土”联合支护结构。基于经典弹性薄壳理论，研究联合支护结构力学特性，建立了各支护组分的轴力、弯矩等力学参数的理论公式，结合某隧道工程，研究支护间距和喷层厚度等参数对各支护组分承载能力的影响。

关键词 超挖;隧道工程;数值模拟;稳定性分析

中图分类号 U456.31 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）02-0095-04

0 引言

我国黄土地层覆盖宽阔，随着我国社会经济水平的不断发展，当前越来越多的在建和拟建的隧道会穿越黄土地层[1]。由于黄土具有变形大、强度低的特性，致使隧道开挖后容易发生大变形[2-4]。因此，针对黄土隧道上述特点，开展适用于黄土隧道的支护结构研究具有重要的意义。

目前关于黄土隧道支护方式的研究主要集中在“钢拱架+喷射混凝土”和“钢格栅+喷射混凝土”等支护方式在不同围岩条件下的适应性问题。赵占厂[5]等对浅埋黄土公路隧道的衬砌受力进行现场测试。谭忠盛[6]等研究表明钢拱架及格栅拱架均能适用于IV级黏质老黄土隧道，但格栅拱架更具优越性。霍润科[7]等通过数值模拟，给出定西隧道初期支护的优化参数。该文综合考虑传统支护方式的适应条件以及黄土隧道开挖后变形大等特点，提出了“钢拱架+钢格栅+喷射混凝土”联合支护方式。研究了不同喷射混凝土厚度和不同钢拱架与钢格栅的间距对各支护组分承载比例的影响，结合收敛-约束法验证了“钢拱架+钢格栅+喷射混凝土”联合支护结构在黄土隧道中的可行性和优越性。

1 联合支护结构力学分析

假定隧道开挖断面为圆形，将联合支护结构简化为图1所示的壳体结构进行力学分析，并且假定壳体结构为均质构造。参考文献[8-9]，依据弹性力学理论[10]，得到该薄壳微元体轴力和弯矩与位移之间的关系：

（1）

（2）

式中，R表示壳体半径，θ为与水平方向的夹角，N、M分别表示微元壳体结构所受的轴力和弯矩，ur、uθ分别表示该微元體在径向和切向上的位移，D为微元体的抗压系数，K为微元体的抗弯系数。

弹性薄壳理论中将钢格栅、钢拱架与喷射混凝土组成的联合支护结构假定为均质壳体结构。图2所示为联合支护结构单元以及等效后的单元示意图，其中A表示钢拱架，G表示钢格栅，S表示喷射混凝土，钢格栅与钢拱架之间的距离为a，联合支护结构的厚度为t，等效后的联合支护厚度为teq，联合支护结构单元长度为b。

3 结论

针对黄土隧道变形大、强度低等特点，在统筹考虑钢格栅和钢拱架两种支护结构的基础上，该文提出“钢拱架+钢格栅+喷射混凝土”联合支护结构。基于经典弹性薄壳理论，对联合支护结构的力学特性进行分析，研究支护间距和喷层厚度等参数对各支护组分承载能力的影响，结合收敛-约束法验证联合支护结构在黄土隧道中的适用性，取得了如下结论：

（1）研究结果得到了联合支护结构的轴力、弯矩和剪力等力学参数，并推导了各支护组分的承载比例公式，揭示了联合支护结构的内力分配规律。

（2）初期支护厚度的变化对支护结构所承担的弯矩的影响比对轴力的影响大，钢拱架和钢格栅之间间距大小的变化对支护效果的影响在前期较不明显，但在0.6 m以下开始出现明显变化。

（3）喷射混凝土所承载的轴力和弯矩的比例较大，而钢拱架和钢格栅所承载的比例相差不大，说明了联合支护结构在黄土隧道中应用的可行性，为其实际应用提供了指导意义。

参考文献

[1]赖金星，樊浩博，来弘鹏，等.软弱黄土隧道变形规律现场测试与分析[J].岩土力学，2015（7）：2003-2012+2020.

[2]来弘鹏，谢永利，杨晓华.黄土公路隧道受力特性测试[J].长安大学学报，2005（6）：53–57.

[3]杨会军，王梦恕.隧道围岩变形影响因素分析[J].铁道学报，2006（3）：92-96.

[4]扈世民.大断面黄土隧道围岩变形特征及控制技术研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[5]赵占厂， 谢永利， 杨晓华，等. 黄土公路隧道围岩压力测试分析[J]. 现代隧道技术， 2003（2）：4.

[6]谭忠盛，喻渝，王明年，等.大断面黄土隧道中型钢与格栅适应性的对比试验[J].岩土工程学报，2009（4）：628-633.

[7]霍润科，王艳波，宋战平，等.黄土隧道初期支护性能分析[J].岩土力学，2009（2）：287-290.

[8]Carranza-Torres C，Diederichs M. Mechanical analysis of circular liners with particular reference to composite supports. For example，liners consisting of shotcrete and steel sets[J].Tunnelling & Underground Space Technology，2009（5）：506-532.

[9]李树忱，晏勤，谢璨，等.膨胀性黄土隧道钢拱架–格栅联合支护力学特性研究[J].岩石力学与工程学报，2017

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[10]毕继红，王晖.工程弹塑性力学[M].天津：天津大学出版社，2008.