隧道風機支承結構承載力檢測方法研究和應用

■許睦暉

(廈門合誠工程檢測有限公司，廈門 361027)

1 引言

隧道內安裝隧道風機是為了輸送和調節空氣或排除煙塵，以確保隧道建設及運營的安全和舒適。一般為了不占用交通面積會專門修建通風道，將風機設計懸掛在隧道頂部。風機自重可達1t，《公路隧道通風設計細則》JTG/T D70/2-02-2014中規定風機的支承結構承載力不應小于15倍風機自重，因此安裝風機前應做支承結構的承載力檢測。本文研究的內容是提出一種風機支承結構承載力的檢測方法以彌補現有的檢測方法空白。研究表明，對一種構件的承載力檢測需要建立一個靜定結構，使被測構件處于平衡地受力狀態下檢測其結構變形情況。因此，本文研究的重點在于制定一種檢測方法，能夠直觀地檢測出風機支承結構的承載力；研究的難點在于設計一種針對懸空構件的反力裝置，該反力裝置應能夠支撐檢測工作的順利開展。

2 研究方向與內容

隧道風機支承結構的具有多樣性的特點，本文著力于研究一種簡單易行、便于攜帶且可重復利用的風機支承結構承載力檢測試驗裝置，以及能夠合理評價風機支承結構承載力的檢測方法，并在研究過程中對多種隧道支承結構進行承載力檢測，以驗證檢測方法的可行性。

風機支承結構包括預埋在拱頂的鋼板和焊接在鋼板上的兩側翼板或U型槽。預埋件、翼板(或U型槽)和隧道襯砌組成一個受力結構，風機通過焊接或螺栓連接在翼板(或U型槽)上。進行風機支承結構荷載檢測需要制作一個配套的試驗反力裝置，用油壓千斤頂分級加荷至15倍風機自重，觀察加荷過程中受力結構的穩定性，以判定風機支承結構是否滿足設計要求。

2.1 風機支承結構承載力檢測的反力裝置研究

將預埋鋼板、翼板(或U型槽)和反力裝置連接在一起，形成一個平衡地受力結構：在兩側翼板(或U型槽)的下端分別通過鋼絲繩組件與鋼墊板的兩端連接。鋼絲繩組件由鋼絲繩和二組以上鋼絲繩卡子組成，鋼絲繩的兩端繞成一個圓環且通過鋼絲繩卡子將圓環固定，兩根鋼絲繩組件下端的圓環通過固定螺栓與鋼墊板連接。鋼墊板上設有四個預留方形孔，每個方形孔下方兩側各焊有一個用于連接鋼絲繩的固定部件，固定部件留有可安裝固定螺絲的圓孔。支承結構、鋼絲繩組件、鋼墊板構成懸索拉桿式結構，可通過調整鋼絲繩組件與鋼墊板間的夾角，最大程度地滿足各種形式的風機預埋件檢測作業需求。本裝置可拆卸重復利用，對主體結構無任何損傷，是一種通用性強，安全可靠，適合多種工況的檢測裝置，檢測效率高。

(1)斜板式風機支承結構常用承載力檢驗裝置

斜板式風機支承結構應將預埋鋼板和翼板看成一個整體，反力裝置的設計有兩種方式，一種是根據翼板的結構尺寸訂制固定的底板，用螺栓連接，如圖1所示；另一種是用鋼絲繩連接翼板與底板，可靈活調整應對不同結構尺寸的支承結構，如圖2所示。

(2)U型槽式風機支承結構常用承載力檢驗裝置

U型槽式風機支承結構受力結構為預埋板和U型槽，反力裝置的設計也有兩種，一種是由鋼筋、鋼掛鉤和固定底板連接，其裝置應按U型槽的結構尺寸進行訂制，如圖3所示；另一種是由鋼絲繩和底板組成，可根據U型槽的結構尺寸進行靈活調整，如圖4所示。

圖1 固定底板式

圖2 鋼絲繩式

圖3 固定鋼板式

2.2 反力裝置的受力分析

圖4 鋼絲繩式

從上述的裝置設計可以看出，采用鋼絲繩式反力裝置靈活便攜。下面重點對該裝置進行受力分析：該裝置的關鍵構件為鋼絲繩、連接螺栓與鋼筋，需對關鍵構件進行安全性驗算。根據對隧道風機的調查發現隧道風機的自重一般小于1 t，驗算時取隧道風機的自重為1 t作為最不利荷載，最不利狀態為單根鋼絲繩承受全部荷載。

對裝置的受力分析采用靜力學的基本原理進行簡化計算，鋼板底座焊接有兩槽鋼，荷載垂直作用于鋼板中心，因此在進行受力分析時，可將施加的荷載分解為F/2，鋼絲繩的受力如圖5所示。

圖5 裝置受力示意圖

對鋼絲繩受力分析：

式中F依據《公路隧道通風設計細則》JTG/T D70/2-02-2014計算試驗荷載值：F=15·γ·G，其中：G為隧道風機自重(kN)；γ為結構重要性系數，取1.1，則最大荷載F=165kN。

由靜力平衡條件可知：F、T1、T2作用線共點，所以：α=β，T1=T2。

依據裝置的受力分析，可知鋼絲繩所受的拉力大小與α、β的角度有關，即與鋼絲繩長度和伸長量有關。該試驗裝置通過調節鋼絲繩鎖扣控制鋼絲繩的長度，由以上所列公式可知角度越大安全性越高，根據實際可操作性、受力情況和試驗安全性等綜合考慮，α、β角度的取值范圍為 45°～75°，當角度為 45°時 T1、T2為最大值，表 1 為角度為45°時鋼絲繩受力計算結果。

表1 鋼絲繩受力計算表

從計算結果可以看出鋼絲繩的安全系數達到1.69，具有足夠的安全儲備。

3 風機支承結構承載力檢測方法

本檢測方法參照混凝土結構構件承載力的試驗方法進行，試驗前期準備需調整鋼絲繩的長度及對鋼絲繩的繩扣擰緊加固，安裝千斤頂。

(1)對支承結構進行量測，計算鋼絲繩所需的長度，保證在承載時鋼絲繩與水平面的夾角在45°～75°之間，安裝隧道風機支承結構承載力檢測裝置，用螺栓或普通鋼筋將測試裝置與風機支承結構緊固形成閉合的支承平臺，在封閉平臺上鋪放反力鋼板。

(2)安裝千斤頂并調整高度與位置，使其與隧道頂部保持適當距離，保證千斤頂上下部位分別與隧道頂部和測試平臺接觸密實緊貼。

(3)施加荷載

①對整個系統實行預加載，加載荷載為預計最大荷載的10%，卸載，調整加載裝置。

②施加分級試驗荷載：以風機靜荷載(風機自重)的15倍作為目標荷載，分5級進行加載，加載應以10～30kN/min的速率勻速增加；每級持荷時間不應少于表2的規定，觀測風機支承結構與周邊部位是否發生異常，并記錄。

表2 試驗加載等級與觀測時間

如有下列異常，應立刻停止加載，及時卸載并撤離人員：發生混凝土剝落、裂縫明顯擴展、聽到異常的聲音等；千斤頂油壓急劇下降，或持荷時間內油表不能維持穩定。

③觀測混凝土裂紋發展情況：如果試驗前預埋件周邊混凝土存在裂紋，應按照規定持續加載最大試驗荷載時間，以檢驗周邊混凝土裂紋的發展情況。

(4)結束試驗：打開回油閥將千斤頂復位，依次卸下球形支座、千斤頂、鋼墊塊、反力裝置。

(5)在隧道風機支承結構承載力檢測過程中出現下列情況可認為檢測不合格：

① 支承結構焊(連)接件開焊、變形、破壞、脫落。

②預埋板變形、破壞、松動、脫落。

③ 加載后，支承結構位移量持續增加，且荷載不能維持穩定。

3 工程案例及結果分析

按照上述檢測方法，對兩個隧道工程進行了風機支承結構承載力試驗，檢測結果分析如下：

3.1 某隧道風機支承結構承載力檢測

本項目風機自重0.55t，在實施承載力檢測時，達到檢驗荷載后未發現預埋件松動、變形和脫落現象，且周邊混凝土也未發現開裂，說明在風機自重15倍的荷載下支承結構承載力滿足要求。檢測結果詳見表3，現場檢測圖片見圖6和圖7。

表3 某隧道支承結構承載力檢測結果

圖6 鋼絲繩式反力裝置

圖7 支承結構加載過程

3.2 某隧道風機支承結構承載力檢測

本項目隧道風機自重0.85t，對左洞兩個風機進行了承載力檢測，在最大力不到檢驗荷載的60%情況下預埋件就出現松動現象，周邊混凝土也發生了開裂，分析其原因，發現是在施工過程中預埋鋼板與襯砌鋼筋連接有缺陷，未達到設計要求；襯砌混凝土的施工質量低于設計要求，導致在千斤頂頂升過程中裂縫發展較快。檢測結果詳見表4，現場檢測圖片見圖8。

表4 某隧道風機支承結構承載力檢測結果

圖8 支承結構加載過程

4 結論

(1)通過對風機支承結構承載力檢測方法和設備研究與應用，對其檢測數據進行分析，結果表明本檢測方法和裝置具有以下優點：

①能夠較好地直觀地反映風機裝置的施工實際水平，及時提供檢測數據；

②該裝置制作簡單易行、便于攜帶，可重復利用；

③該裝置靈活可調整，實用性較強。

(2)通過對風機支承結構的承載力檢測，對風機的施工質量提供了強有力的保障：一是在施工過程中預埋鋼板與襯砌鋼筋的連接、混凝土質量嚴格按設計要求進行施工；二是土建施工時重視預埋鋼板的重要性，及時采取有效措施糾正支承結構承載力不足的現象，從而保證運營時期的風機安全性。