隧道初期支護型鋼鋼架與格柵鋼架對比研究

關鍵詞：型鋼鋼架;格柵鋼架;結構計算

中圖分類號： ? U455.7 ? ? ? ?文獻標識碼：A

作者簡介：楊寶鋒（1988-），男，浙江省諸暨市人，工學學士，工程師，主要從事隧道與地下工程結構設計與研究工作。

1前言

隨著國家基礎建設的快速發展，鋼架在工程中得到了廣泛的應用。在隧道工程方面，其主要應用于開挖之后的初期支護，所采用的種類主要有型鋼鋼架和鋼筋格柵鋼架兩種。型鋼鋼架剛度大，承載能力強，一般應用于隧道內土質圍巖或對圍巖變形控制要求較高的段落，其規格以各種型號的工字鋼為主，部分大斷面隧道還會采用強度更大的H型鋼。格柵鋼架由鋼筋焊接而成，剛度相對較低，對于隧道內初始地應力較大且允許圍巖有適當變形的巖質圍巖段，往往采用格柵鋼架。

然而隧道工程由于其專業特殊性，開挖后圍巖形態千變萬化，現場實際情況往往與理論上的描述無法完全匹配。因此，結合掌子面實際情況，合理選擇鋼拱架的形式極其重要。以此為出發點，本文以IV級圍巖襯砌類型為計算例，對比分析了初期支護（鋼架分別為H15cm×20cm格柵鋼架和I18工字鋼兩種情況）的剛度、變形及受力情況。

2 計算過程

2.1計算參數

本次計算的各級圍巖物理力學指標按下表選取。

2.2 基本假定

①當圍巖壓力作用于鋼架時，其不受沿隧道縱向方向的空間影響，即按平面問題進行計算;②鋼架始終處于彈性階段，符合一般結構力學的計算;③圍巖對結構的變形約束以彈性抗力表示;④根據現行《公路隧道設計規范》9.2.5中關于初期支護受力的規定，偏安全計，本次計算取初期支護承擔70%的荷載。⑤不考慮錨桿作用[1]。

2.3 計算模型的簡化

（1）彈性模量等效計算

根據計算模型，隧道支護形式為格柵鋼架（工字鋼）+噴射混凝土支護。對初期支護進行適當的簡化，假定工字鋼、鋼筋網、噴射混凝土共同起到封閉圍巖的作用，對鋼架支撐不予以單獨考慮，而是把它的影響結合在噴射混凝土中，采用梁單元模擬[1]。初期支護梁結構的橫斷面等效成下圖所示的矩形截面。

其中，E、A分別為等效后梁單元的彈性模量和橫截面積;E1、A1分別為噴射混凝土的彈性模量和橫截面積;E2、A2分別為格柵鋼架（鋼拱架）的彈性模量和橫截面積。等效后梁單元的力學參數和幾何參數如表2.2所示。

（2）初期支護剛度等效計算

根據結構設計原理，對I18工字鋼的初期支護及H15×20的初期支護進行初期支護剛度等效計算，其計算公式為：

EI=E1I1+E2I2

其中，E、I分別為等效后初期支護的彈性模量和慣性矩;E1、I1分別為噴射混凝土的彈性模量和慣性矩;E2、I2分別為格柵鋼架（鋼拱架）的彈性模量和慣性矩。EI為等效后初期支護的剛度。

從上述結果中可以看出：如采用I18工字鋼代替H15×20格柵鋼架，初期支護剛度增加約7.8%。

2.4 計算原理

為簡化計算，初期支護（格柵鋼架）參考《公路隧道設計規范》（JTG D70-2004）“附錄K.鋼筋混凝土受彎和受壓構件配筋量計算方法”進行計算，對噴射混凝土結構的截面強度進行校核。型鋼拱架與噴射混凝土組成型鋼混凝土結構，依據《型鋼混凝土組合結構技術規程》（JGJ138-2001），對型鋼混凝土結構的截面強度進行校核[2]。

3計算結果分析

在隧道施工過程中，初期支護的位移及內力情況是保證隧道開挖初期結構安全的重要指標[3]，也是新奧法的核心內容之一。現場施工時應根據支護結構的位移情況做好動態設計。本次計算亦對上述兩方面內容進行對比分析。

3.1 初期支護計算結果

初期支護節點分布及受力云圖如圖3.1、3.2所示，各截面安全系數及變形如表3.1、3.2所示。

經統計，S-IVa襯砌類型初期支護采用H15×20cm格柵鋼架時，其安全系數均大于1。最小安全系數出現在節點24處，其安全系數為1.24。變形最大處出現在拱頂位置，變形量為14.42mm。

S-IVa襯砌類型初期支護采用I18工字鋼時，其安全系數同樣均大于1，最小安全系數出現在拱腳位置，其安全系數為2.25。變形最大處出現在拱頂位置，變形量為13.93mm。

4 結論

1）經計算，兩種初期支護襯砌類型無論是安全系數還是變形均滿足規范相關要求，且呈現出相同的規律。其最小安全系數均出現在拱腳位置。從數值上來說，采用I18工字鋼的初期支護安全系數大于采用H15×20cm格柵鋼架。兩者變形相差不大，采用I18工字鋼時略小。。計算表明，從長期角度看，鋼拱架的初期支護的承載能力更佳。

2）型鋼鋼架的剛度較大，施作后可立即對圍巖形成支撐，及時承受圍巖荷載，對圍巖變形的控制效果較好[4]。IVa（IV級圍巖較破碎段）介于V級圍巖與IV級圍巖之間，施工現場對支護結構的變形控制要求采往往較高，用I18工字鋼代替H15×20格柵鋼架，初期支護剛度增加7.8%，更加有利于控制變形從而保證安全。

3）在現場施工中，格柵鋼架支護方案存在構件加工困難、質量不易控制、運輸中易變形及影響工期等弊端，同時由于時間和空間的關系，格柵拱架在現場施工中無法有效發揮其協調變形的優勢，而鋼拱架加工簡便、質量可控且極大縮短支護時間，有效保證現場施工質量、安全和工期。

參考文獻

[1] 殷懷連.隧道工程中合理鋼架支護形式選擇[J].隧道建設.2005（06）

[2] 徐幫樹，楊為民，王者超，王育奎.公路隧道型鋼噴射混凝土初期支護安全評價研究[J].巖土力學.2012（01）

[3] 王志超.隧道鋼架噴混凝土支護安全性評價方法研究[D].北京交通大學.2008

[4] 張頂立，陳峰賓，房倩. 隧道初期支護結構受力特性及適用性研究[J].工程力學.2014（07）

[5] JTG D70-2004.公路隧道設計規范[S].

[6] JTG/T D70-2010.公路隧道設計細則[S].

[7] JGJ 138-2001.型鋼混凝土組合結構技術規程[S].