鋼板混凝土在隧道支護中的應用

李曉明， 臧德勝

（1.棗莊學院城市與建筑工程學院，山東棗莊 230009；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽合肥 277160）

0 引 言

目前，新奧法和盾構法是國內暗挖隧道的主要方法，對應的隧道支護方法主要是錨噴支護和管片襯砌支護。錨噴支護是由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網等結構組合起來的支護形式，它能及時支護，有效地控制圍巖的變形，防止巖塊墜落和坍塌的產生，充分發揮圍巖的自承能力，但是使用也是有一定條件的，在圍巖的自立能力差、有涌水及大面積淋水處，地層松軟處就很難成型，同時其施工工序的復雜性減緩了施工進度；管片襯砌支護是伴隨著盾構機的出現應用而生的，預制混凝土管片是盾構隧道普遍使用的襯砌結構形式，但在制作過程中出現的缺角、掉邊，施工中的頂裂、破損以及使用中所遇到的發生裂縫、踏步等問題影響結構的防水和耐久性［1］。針對上述問題，提出一種全新的隧道支護方法——鋼板混凝土支護。文中將具體介紹新圍護結構的施工工藝，并且和上述兩種支護方法進行多個方面的分析對比，為其實際應用給出理論指導和幫助。

1 鋼板混凝土支護結構形式

鋼板混凝土支護結構是用型鋼做為骨架，內外側均為鋼板組成的一個環形壁筒，鋼板環內現澆高強度混凝土，混凝土處于三向受壓狀態，大幅改善了筒壁的力學性能。混凝土本身具有很高的抗壓強度，但抗彎能力很弱，而鋼材，尤其是型鋼的抗彎能力強，具有良好的彈塑性，但在受壓時容易失穩而喪失軸向抗壓能力。而型鋼骨架鋼板混凝土在結構上能夠將二者的優點結合在一起，其抗壓強度可成倍提高。同時由于混凝土的存在，提高了鋼板的剛度，兩者共同發揮作用，從而大大地提高了承載能力［2］。

2 鋼板混凝土支護施工工藝

鋼板混凝土支護結構在工程中體現出的結構是一個整體的帶有一定厚度的圓筒，分段灌注混凝土。以內徑為6.3m的隧道為例，內側鋼板周長2πr＝19.782m，每一個設計段沿縱線的長度為1.5m，超出一般的管片尺寸幅度，橫向可以采用3塊弧形鋼板拼接，每塊弧形鋼板弧長6.6m，板厚取5mm。每段弧形鋼板之間靠槽鋼連接，在每段之間設置一圈槽鋼增強結構的整體性。槽鋼與鋼板之間用螺栓連接，如圖1和圖2所示。

圖1 鋼板及橫向槽鋼之間的連接

圖2 鋼板及縱向槽鋼之間的連接

鋼板之間盡量的密實以防止漏漿，鋼板的尺寸不要過大，以防混凝土振搗后水在鋼板旁積聚無法擴散，影響筒壁的強度。

在壁筒的連接處用外徑3.5m，內徑3.15m的圓環形模板將壁筒的開口處堵住，起到澆筑時封閉壁筒的作用，模板可以選取木質的或者鋼質的，視施工條件而定。連接時可以用鋼插銷將模板和鋼板連接，同時以支架輔助支撐。圓環形的模板可以用3段等弧長模板拼接，在靠近拱頂的模板上端開口作為進砼口和振搗口。同時在每段各片弧形鋼板上均勻開口，作為進砼口和振搗口，待澆注完畢后把進砼口修飾平整。等豎直灌注高度直徑五分之四時，就利用頂端模板的進砼口灌注和振搗混凝土。等一段弧形鋼板施工完畢后，待到下一段壁筒的鋼骨架焊接完畢后，等混凝土初凝到一定的強度后，就撤去模板，繼續進行下一段的施工，如此循環。考慮到施工縫的影響，可以在每段混凝土的連接處輔以長400～500mm、直徑16～20mm的光圓鋼筋在連接面上均勻布置，防止兩次澆筑混凝土在此處產生裂縫。

新支護形式無論是盾構機施工還是新奧法施工，都可以使用。盾構機在推進時可以將型鋼骨架鋼板壁筒做為千斤頂的依托，而且省去了盾構機管片自動拼裝裝置，降低了成本［3］。

3 支護方法對比分析

3.1 施工安全性

對比錨噴支護，在錨桿施工時對周邊圍巖的擾動性比較大，提高了隧道監控量測的難度，同時作業面附近已施工區域受混凝土養護影響，強度難以快速保證施工安全性，這些都增加了施工人員作業的危險性。新的支護結構具有初期一次襯砌支護的作用，當型鋼骨架和鋼板快速安裝完畢后，就可以起到臨時支護的作用，澆筑完混凝土后，結構整體強度會迅速提高，為施工人員提供安全的作業空間。

3.2 施工進度

新的支護方法在盾構法和新奧法施工中都可以使用，所以進度影響主要表現在隧道支護施工時間的長短上。盾構機采用管片自動拼裝，速度要比鋼板混凝土施工快，但是機械維修和檢查會隨著機械化程度的提高而愈加頻繁［4］。新奧法施工時，復雜的工序無疑延緩了施工進度，相比之下，鋼板混凝土支護缺少了大面積的拆模工作，工序少的多，同時受混凝土養護時間的影響也小，縮短了工期。

3.3 防水性能

國內外隧道防水的方法主要有襯砌防水、排水法防水以及注漿防水等幾種常用隧道防水做法。排水防水方法對于上述3種隧道支護施工方式都適用，區別不大，這里不再贅述［5］。

襯砌防水方面，管片接縫處是盾構隧道滲漏水的主要位置。受國內水膨脹材料研發水平和隧道防水等級的要求，有時候需要進行2次襯砌防水，無疑加大了施工成本。新奧法主要防水方法有復合襯砌、單一襯砌。復合襯砌存在以下問題：初期支護難以保護；防水板間的連接方式不易得到保證，焊接工藝要求高；防水板在隧道壁上的固定方式難以保障；二次襯砌施工時易將防水板撞破［6］。

鋼板混凝土支護結構能夠實現混凝土的無縫對接，避免接縫透水，這一點和單一襯砌相同，不過免去了單一襯砌對混凝土材料本身特殊的設計，只需要采用較高抗滲等級的防水混凝土（＞S8），提高襯砌本身防水性能。

3.4 承載能力

假設一個工程概況，在計算中，地面荷載取為20kN／m2，隧道埋深為9.0m，上覆土的容重為20kN／m2，隧道位于粘土層中，其側壓系數為0.6，基床系數為30MPa／m，隧道的開挖內徑為6.3m，按水土合算，混凝土選擇C50。

用ANSYE有限元軟件建立模型，模型用勻質圓環模型來模擬鋼板混凝土壁筒和預制鋼筋混凝土管片的內力和變形分析，得出內力和變形的范圍值，為盾構隧道的襯砌結構設計提供依據。

以前者為例，用BEAM3梁單元模型來模擬型鋼骨架鋼板混凝土襯砌結構，BEAM3WE為2D彈性梁單元，模型被劃分為60個彈簧單元，每個彈簧單元由2個節點連接而成，一端與圍巖相連，一端與襯砌結構相連，需要在襯砌結構上外周邊即1～60的節點上施加X，Y方向節點應力。帶荷載和邊界條件的有限元模型如圖3所示。

圖3 帶荷載和邊界條件的有限元模型

經過ANSYS求解后處理工作，得到鋼板混凝土支護結構和鋼筋混凝土管片支護結構在350mm壁厚時，結構的每個節點的彎矩、剪力、軸力的值，以及每個節點的位移值大小，可以用命令“PRETAB，SMIS6，SMIS12，SMIS1，SMIS7，SMIS2，SMIS8”及“PRNSOL，DOF”，將值圖導出來，限于篇幅不再貼出，其部分計算結果見表1。

表1 有限元計算結果比較

通過表1可以看出，鋼板混凝土襯砌結構發生最大位移的節點的變形量為0.48mm，最大壓應力為14.4MPa，最大拉應力為1.75MPa。從文獻［7］可以查出，C50混凝土的抗壓強度設計值為23.1MPa，抗拉強度設計值為1.89MPa，可以看出，壓應力和拉應力都在C50混凝土的強度設計值范圍內，是符合要求的。同時3個值都要小于預制鋼筋混凝土管片襯砌結構。

350mm壁厚鋼筋混凝土管片支護結構最大拉應力為2.43MPa，大于鋼板混凝土的1.78MPa，值不一樣的其中一個原因和兩者的剛度有關，是鋼筋混凝土管片襯砌結構的剛度比鋼板混凝土管片襯砌結構小（經過計算，同壁厚情況下兩者用鋼量比值為1∶1.44，前者用鋼量偏多），鋼板承受的拉力比重大于鋼筋承受的拉力比重造成的［8］。

4 結 語

1）用鋼版混凝土進行隧道支護在制作和施工技術上是有一定可行性的。

2）降低隧道支護作業面的風險性，提高施工進度。

3）防水性能上避免了管片襯砌的接縫漏水問題，提高了一次襯砌的防水能力，與單一襯砌防水相比，施工過程簡單，可操作性強。

4）當截面尺寸相同時，鋼板混凝土支護結構比鋼筋混凝土管片襯砌結構的用鋼量雖然多一些，但是卻能很好地達到支護要求，優化襯砌結構的內力分布，減小隧道的變形量。

［1］ 劉豐軍，朱合華，廖少明，等.纖維混凝土在盾構隧道襯砌管片中的應用研究［J］.地下空間與工程學報，2007，3（1）：83-86，91.

［2］ 韋灼彬，張小鵬，王鐵成.帶型鋼加勁肋的鋼板－混凝土組合板的力學性能［J］.建筑結構學報，2006，27（1）：77-82.

［3］ 張新金，劉維寧，路美麗，等.北京地鐵盾構法施工問題及解決方案［J］.土木工程學報，2008，41（10）：93-97.

［4］ 王振信.盾構法隧道的耐久性［J］.地下工程與隧道，2002（2）：2-5.

［5］ 朱祖熹.若干重大隧道與軌道交通工程的防水創新技術［J］.中國建筑防水，2004（3）：24-27.

［6］ 袁勇，姜孝謨，周欣，等.我國隧道防水技術的現狀［J］.世界隧道，1999（4）：41-43.

［7］ 李黎明.ANSYS有限元分析實用教程［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［8］ 黃鐘暉，廖少明，劉國彬.上海軟土盾構法隧道管片厚度的優化［J］.巖土力學，2000，21（4）：350-354.