送風(fēng)口處支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析及斷面型式研究

錢文斐

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

送風(fēng)口處支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析及斷面型式研究

錢文斐

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

對(duì)于送風(fēng)口處支護(hù)內(nèi)力分析及斷面形式等方面的研究，現(xiàn)行規(guī)范及學(xué)者研究得較少，現(xiàn)通過(guò)對(duì)通風(fēng)風(fēng)道在不同矢跨比的工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及斷面形式的分析研究，得出了通過(guò)在通風(fēng)通道與主隧道的交界處采取如下措施可在保證支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)增大通風(fēng)面積：（1）增加風(fēng)道板厚度的同時(shí)在支護(hù)結(jié)構(gòu)中增設(shè)鋼拱架；（2）增設(shè)錨桿，利用錨桿的抗拔力約束支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。該成果為送風(fēng)口處的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及斷面形式的選取提供了一定程度的參考價(jià)值。

送風(fēng)口；通風(fēng)風(fēng)道；矢跨比；風(fēng)道板

0 引言

關(guān)于送風(fēng)口處支護(hù)受力分析及斷面型式研究，現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004）中條文未涉及相關(guān)內(nèi)容，《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70-2010）中20.4.6中僅提到“送風(fēng)口宜設(shè)置于隧道拱部……”，也未涉及支護(hù)受力分析及斷面形式研究。

為此，本文擬對(duì)送風(fēng)口處襯砌的斷面形式及受力性能進(jìn)行分析、探討及研究。

1 研究對(duì)象

以設(shè)計(jì)速度為80 km/h、雙向4車道隧道為例，洞身所處圍巖為Ⅲ級(jí)圍巖。相關(guān)斷面見(jiàn)圖1所示。

圖1 通風(fēng)口處襯砌斷面圖

1.1 計(jì)算條件

設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算條件如下：

（1）初期支護(hù)采用C20噴射混凝土12 cm。

（2）考慮到洞身圍巖為Ⅲ級(jí)，初期支護(hù)承受全部圍巖壓力，二次襯砌僅作為安全儲(chǔ)備及內(nèi)裝，故該項(xiàng)研究?jī)H模擬初期支護(hù)的受力性能。

1.2 荷載確定

采用“荷載—結(jié)構(gòu)”法，圍巖壓力值根據(jù)現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行確定。

1.3 研究?jī)?nèi)容

該項(xiàng)研究擬研究通風(fēng)風(fēng)道處不同矢跨比（H/L，見(jiàn)圖1）的情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及斷面形式的合理選擇。對(duì)于拱頂出作為送風(fēng)口結(jié)構(gòu)部分，按照不同的矢跨比分別進(jìn)行分析、比較。擬分為工況一（矢跨比1/4.34（與既有拱腰順接））、工況二（矢跨比1/4）、工況三（矢跨比1/3.5）、工況四（矢跨比1/3）、工況五（矢跨比1/2.5），共五種工況對(duì)初期支護(hù)的彎矩、軸力、剪力進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)力云圖

以工況五為例，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力云圖見(jiàn)圖2～圖4所示。

2.2 內(nèi)力值

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)拱頂（1點(diǎn)）、拱腰（2點(diǎn)、3點(diǎn)）、拱腳（4點(diǎn)）位置處的內(nèi)力值進(jìn)行整理（見(jiàn)圖5、圖6）。

由圖5可以看出，不同工況下，各位置處的軸力值相差較小，1點(diǎn)處軸力值最大浮動(dòng)范圍為21%，2點(diǎn)處軸力值最大浮動(dòng)范圍為1.8%，3點(diǎn)處軸力值最大浮動(dòng)范圍為3.2%，4點(diǎn)處軸力值最大浮動(dòng)范圍為11.7%。

圖2 彎矩云圖

圖3 軸力云圖

圖4 剪力云圖

圖5 不同工況下各點(diǎn)的軸力值曲線圖

圖6 不同工況下各點(diǎn)的彎矩值曲線圖

由圖6可以看出，不同工況下，各位置處的彎矩值變化大，1點(diǎn)處彎矩值最大浮動(dòng)范圍為47.2%，2點(diǎn)處彎矩值最大浮動(dòng)范圍為1424.7%，3點(diǎn)處彎矩值最大浮動(dòng)范圍為735.1%，4點(diǎn)處彎矩值最大浮動(dòng)范圍為35%。

由力學(xué)知識(shí)可知：在軸力值變化幅度不大的情況下，彎矩值的大小將直接影響結(jié)構(gòu)的受力性能，經(jīng)整理，各點(diǎn)應(yīng)力值如圖7所示。

圖7 不同工況下各點(diǎn)的軸向應(yīng)力值曲線圖

由圖7可以看出：當(dāng)工況四、工況五（即矢跨比大于1/3.5），特別是工況五（當(dāng)矢跨比達(dá)到1/2.5）時(shí)，送風(fēng)通道與主隧道交界處（2點(diǎn)、3點(diǎn)位置）結(jié)構(gòu)處于不利的受力狀態(tài)，成為整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的薄弱點(diǎn)，初期支護(hù)的破壞將首先在此位置發(fā)生，從而影響支護(hù)安全。

各點(diǎn)的剪力值見(jiàn)圖8所示。

圖8 不同工況下各點(diǎn)的剪力值曲線圖

從圖8可以得出：不同工況下，1點(diǎn)處剪力值最大浮動(dòng)范圍為210.3%，2點(diǎn)處彎矩值最大浮動(dòng)范圍為299.7%，3點(diǎn)處彎矩值最大浮動(dòng)范圍為370%，4點(diǎn)處彎矩值最大浮動(dòng)范圍為28%。當(dāng)工況四～工況五（即矢跨比大于1/3.5），特別是工況五（當(dāng)矢跨比達(dá)到1/2.5）時(shí)，送風(fēng)通道與主隧道交界處（2點(diǎn)、3點(diǎn)位置）剪力增長(zhǎng)十分明顯，與軸向應(yīng)力值變化趨勢(shì)相同。

2.3 結(jié)果分析

通過(guò)以上的計(jì)算分析可知：如選擇盡可能大的送風(fēng)道面積（見(jiàn)表1）時(shí)，則結(jié)構(gòu)的安全性則大大降低，因此解決風(fēng)道面積與結(jié)構(gòu)安全性的矛盾是關(guān)鍵性問(wèn)題。

表1 不同工況下通風(fēng)口面積一覽表

同時(shí)，由表1看出：當(dāng)工況四（矢跨比為1/3.5）時(shí)，風(fēng)道面積較之工況一增大約27%，并不明顯，而當(dāng)工況五（矢跨比為1/2.5）時(shí)，風(fēng)道面積較之工況一增大約87%。在允許風(fēng)速區(qū)間值的情況下，應(yīng)盡可能選擇較大的風(fēng)道面積，以滿足需風(fēng)量的要求，即選擇工況五（矢跨比為1/2.5）。

通過(guò)對(duì)工況一、工況五進(jìn)行分析對(duì)比，造成工況五2點(diǎn)、3點(diǎn)位置處的內(nèi)力值較大的原因在于：矢跨比較大時(shí)，由于通風(fēng)通道與主隧道的交界處結(jié)構(gòu)形式變化較明顯，2點(diǎn)、3點(diǎn)位置處的位移值偏大（工況一時(shí)為0.10 m，工況五時(shí)為0.23m）。

如能有效控制2點(diǎn)、3點(diǎn)處的位移則將大大改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，并能有效增加通風(fēng)道面積。

3 小結(jié)

經(jīng)分析，控制2點(diǎn)、3點(diǎn)處位移主要有以下兩種方案。

3.1 增大風(fēng)道板的剛度

增大風(fēng)道板剛度的主要措施如下：（1）提供風(fēng)道板混凝土強(qiáng)度等級(jí)；（2）增加風(fēng)道板厚度；（3）可考慮在主隧道支護(hù)及風(fēng)道板中設(shè)置鋼拱架（見(jiàn)圖9）。

圖9 鋼拱架布置斷面圖

3.2 約束2點(diǎn)、3點(diǎn)處變形

具體措施如下：在2點(diǎn)、3點(diǎn)處布置錨桿（見(jiàn)圖10），利用錨桿的抗拔力約束支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

圖10 約束錨桿布置斷面圖

通過(guò)對(duì)送風(fēng)通道與主隧道交界處施加一定的約束并經(jīng)過(guò)計(jì)算，2點(diǎn)、3點(diǎn)處應(yīng)力值變化情況如表2所列。

表2 2點(diǎn)、3點(diǎn)處應(yīng)力值變化一覽表

綜上可以得出如下結(jié)論：

（1）為了加大通風(fēng)面積，可以考慮在隧道拱部采用較大矢跨比的圓弧結(jié)構(gòu)形式。

（2）為改善拱部較大矢跨比圓弧結(jié)構(gòu)的不利受力情況，可考慮在通風(fēng)通道與主隧道的交界處采取如下措施：a.增加風(fēng)道板厚度的同時(shí)在支護(hù)結(jié)構(gòu)中增設(shè)鋼拱架；b.增設(shè)錨桿，利用錨桿的抗拔力約束支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從理論方面討論了通風(fēng)口處盡可能采用較大的風(fēng)道斷面面積而采取的一些必要的支護(hù)結(jié)構(gòu)措施，但尚需在實(shí)際工程中進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)以進(jìn)行驗(yàn)證及修正，從而更好地為工程設(shè)計(jì)服務(wù)。

U453.1

A

1009-7716（2017）04-0212-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.062

2017-01-17

錢文斐（1977-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，高級(jí)工程師，從事巖土工程與地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。