基于隧道鋼拱架支護的失穩破壞分析與對策研究

王林海

(貴州橋梁建設集團有限責任公司，貴州 貴陽 550001)

?

基于隧道鋼拱架支護的失穩破壞分析與對策研究

王林海

(貴州橋梁建設集團有限責任公司，貴州 貴陽 550001)

隧道施工中經常用到鋼拱架作為支護，但在實際支護過程中，鋼拱架很容易出現失穩破壞，為整個隧道施工帶來潛在風險。因此，本文對隧道鋼拱架支護失穩破壞的現象和具體原因進行分析，并對隧道鋼拱架失穩破壞的應對策略進行探討，其包括鋼拱架翼緣寬度的增大、橫向隔板的增加和鋼拱架連接三個方面來進行，對其中最佳的應對策略進行選擇。

隧道；鋼拱架支護；失穩破壞；分析；對策

1 隧道鋼拱架支護失穩破壞的現象和常見原因

1.1 失穩破壞的現象

通常情況下，山嶺公路隧道中最容易出現鋼拱架失穩破壞的情況，因為這些地區的巖層具有特殊的結構和復雜的性質，很多不穩定因素都會對鋼拱架支護造成影響。比如南方某山嶺公路隧道中，其巖層地質構造不僅存在較高的發育程度，還有破碎和褶皺等情況，導致施工面臨很大阻礙。在經過專業人員的勘測測量以后，確定該隧道施工部分的巖層為Ⅳ級別到Ⅴ級別，需要通過管鵬超前支護的方式來進行。首先進行臺階開挖，并使用爆破法來進行，在上臺階以后將鋼拱架進行架設，其型鋼架為H型。在完成架設以后，需要立刻噴錨鋼拱架，形成有效的一次支護，然后利用混凝土澆筑進行第二次支護，而對于一些特殊區段則需要使用鋼筋混凝土支護。

在該隧道工程中，其主要支護主體為H型鋼拱架，在一次支護過程中，發現隧道一些區段的頂板下沉情況嚴重，其中最多下沉的區域超過了850 mm，這將會影響到二次混凝土澆筑支護，更可能使隧道有效斷面設計出現難題。為了解決該問題，該施工方對鋼拱架之間的距離進行了縮減，由原來的850 mm下降到480 mm，并對鋼拱架的數量進行了相應的增加。在完成這些處理方法后，雖然有所程度的緩解了隧道頂板的下沉情況，但并沒有有效的控制該情況，整個隧道施工都將因為沉降量而造成影響。

1.2 鋼拱架失穩破壞的實際原因

首先，需要從多個角度來分析鋼拱架發生的失穩破壞。基于鋼拱架自身來講，H型鋼架為本次隧道施工主要使用的，其斷面較窄且高，主平面的抗彎能力將能很好的表現出來。同時，這對側向剛度和抗扭剛度而言則相對較小。如果主平面中是比較小的荷載，則鋼拱架的彎曲平衡穩定能夠有效保持。而在不斷施工的過程中，荷載會隨之不斷增大，繼而減弱鋼拱架的側向支撐，使主平面的導向彎曲在還沒有到達撓曲以前就發生了，更可能出現嚴重的扭轉情況，形成鋼拱架的失穩破壞。

從其中可以發現，鋼架強軸為X軸，鋼架弱軸為Y軸，鋼拱架的抗彎強度和扭動慣性矩會因為繞X軸而較大的產生，如果繞Y軸則相反，扭動慣性矩和抗彎強度的產生都比較小。同時，H型鋼拱架可以通過力學公式實現計算，即IX=t(8bt2+6bh2+12bht+h3)144,IY=t(2b3+t2h)/12。在該公式中，每個符號所代表的內容為，第一是IX，其代表的是鋼拱架繞X軸轉動產生的轉動慣性矩；第二是IY，其代表的是鋼拱架繞Y軸轉動形成的轉動慣性矩；第三是b，其代表的是翼緣寬度；第四是t，其代表的是翼緣和腹板的厚度；第五是h，其代表的是腹板高度。

2 隧道鋼拱架失穩破壞的策略研究

2.1 鋼拱架翼緣寬度的增大

從理論角度來分析，鋼拱架翼緣寬度的適當增大，能夠對鋼拱架弱軸平面轉動慣性矩產生有效的提高作用。但是需要注意的是，如果過大增加鋼拱架翼緣寬度，則會對局部穩定性造成影響，反而降低了鋼拱架的支護效果。所以，鋼拱架翼緣寬度的增大需要根據幾個方面的因素來確定，第一是隧道施工的實際情況；第二是鋼拱架的材料信號；第三是巖層基本性質等，以合理的調整鋼拱架支護結構。同時，對于隧道施工而言，該方法的實施會有很大的困難和復雜性，其在實際施工中并不常用。

2.2 橫向隔板的增設

通過對橫向隔板的合理增設，鋼拱架受彎梁自身的跨度可以得到明顯的縮短，繼而提升弱軸平面的抗扭性能。在這個實施過程中，橫向隔板增設可以等同于滑動支座的原理，對失穩臨界載荷起到了有效的提高，并進一步提高鋼拱架的支護效果。但是該方法也存在一定的弊端，因為橫向隔板發揮的作用是有限制的，其主要是對滑動側向約束，在隧道施工中的使用概率也相對較低。所以，在實際施工過程中，應結合具體施工情況來確定是否增設橫向的隔板。

2.3 鋼拱架連接

對于鋼拱架的連接而言，其能有效減小鋼拱架自身的長度，并在支護效果得到提高的同時，利于施工的操作。在實際施工過程中，通過鋼拱架的連接，讓其形成為一個整體，以有效轉移同一個鋼拱架之上的載荷。這樣一來，其不僅可以將閑置的鋼架有效利用起來，還能實現單個鋼拱架承受載荷的大程度降低，最大化的應用了已有資源。除此以外，側向約束也能通過鋼拱架連接來實現，如果具有良好的連接程度，還能將其看做為鉸支座，其不僅能夠使受彎梁的自身跨度得到減少，還能實現抗曲臨界載荷的提高，并能對承載性能加以強化，是目前隧道施工中較為常見的一種支護方案。同時需要注意，主平面受載的鋼拱架失穩破壞屬于一個復雜的問題，其表現形式也非完全一樣，鋼拱架承載能力的發揮和各種失穩破壞的臨界載荷是有直接關系的。所以，在進行實際隧道施工過程中，需要考慮到方方面面，以有效優化施工設計，保證工程設計的最大化效益。

3 結束語

總而言之，在現代化的隧道施工中，對鋼拱架的穩定性要求越來越嚴格，是保證施工人員生命安全的重要途徑。因此，在實踐過程中，相關負責人必須要深入分析鋼拱架失穩破壞的現象和原因，并根據實際施工情況來確保解決措施的有效制定，以及對隧道鋼拱架支護的方案進行最佳選擇，以有效保證隧道施工的穩定性和安全性。

[1] 雷得鴻.隧道鋼拱架支護的施工要點分析[J].建筑工程技術與設計,2016,(23):1056-1056.

[2] 厲勤杰.淺談隧道鋼拱架支護的施工要點[J].科技創新與應用,2016,(20):261.

[3] 于國輝.高地應力隧道鋼架支護變形與防護措施[J].湖南城市學院學報(自然科學版),2016,25(2):46-47.

2017-04-10

王林海(1986-)，男，貴州貴陽人，助理工程師，研究方向：公路工程。

U455.7

C

1008-3383(2017)05-0155-01