基于歐標體系公路隧道鋼拱架的優(yōu)化研究

曹岳嵩

(湖南省交通水利建設(shè)集團有限公司,湖南 長沙 410018)

隨著我國設(shè)計、施工企業(yè)逐步走出國門，走向海外，對于歐標體系的接觸和適應(yīng)就變得理所當(dāng)然。許多學(xué)者和專家對歐標體系下的工程建設(shè)進行了研究。趙美凱[1]結(jié)合阿爾及利亞東西高速公路項目，對歐標體系下國際工程總承包項目中設(shè)計工作控制與管理的方向和前景進行了展望。梁慶[2]等依托黑山南北高速公路項目，分析了國內(nèi)高速公路項目的質(zhì)量管控。何險高[3]等分析了歐標與國標的區(qū)別。此外，許曉東[4]、岳巍[5]、樊凡[6]、李想[7]、董天真[8]等也對歐標體系進行了研究。特別是針對歐標體系下海外高速公路的研究，也變得越來越多。

由于支護結(jié)構(gòu)對于圍巖的穩(wěn)定性非常重要，支護結(jié)構(gòu)特別是鋼拱架的研究成為我們關(guān)注的重點。葉萬軍[9]等研究了深埋土質(zhì)隧道鋼拱架的空間受力特征，給出了一種基于空間受力狀態(tài)的拱架承載力加強方案。代穎[10]等采用MIDAS/GTS有限元軟件，探索不同鋼拱架支護結(jié)構(gòu)在拱頂下沉和拱腳內(nèi)移中的支護效果。熊明康[11]等采用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的手段，分析和探討了松散堆積體隧道鋼拱架不同間距對隧道洞周位移及應(yīng)力的影響特征。此外，趙偉[12]，陳濤[13]，HAN X[14]，WENTING Z[15]等也對鋼拱架支護進行了研究。

在地質(zhì)條件較差的隧道，為防止圍巖開挖后產(chǎn)生過快過大變形，需要保證在第一時間具有一定的剛度，鋼拱架支護結(jié)構(gòu)剛度大，相比其它支護方式具有顯著的優(yōu)勢。而歐標體系下也采用雙拼鋼拱架對圍巖進行支護，但雙拼鋼拱架加工復(fù)雜，不易安設(shè)。如何能使其支護更為及時，施工方便，且受力更為合理，將成為主要的研究課題。

本文結(jié)合格魯吉亞E60高速公路隧道的工程特點，通過對不同形式的鋼拱架結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬分析，研究圍巖壓力下鋼拱架的受力和變形特點，提出優(yōu)化方案，以滿足現(xiàn)場隧道工程建設(shè)需要。

1 工程概況

1.1 工程簡介

格魯吉亞E60高速公路F2標為“一帶一路”項目，該項目為雙向四車道高速公路，設(shè)計時速100 km/h，是連接格魯吉亞東西部的重點工程，路線總長度17.5 km，其中隧道20座，共長9.1 km。包括2個既有單線隧道(隧道名稱：TUN-2001-TA和TUN-2003-TA，2個與既有隧道平行的臨近新建隧道，長度與既有隧道相同；其中最長隧道為TUN-2009，TA線長度為1 352.9 m。隧道情況見表1。

表1 隧道情況表Table 1 Tunnel mformation table 隧道AT/TA線長度1TUN2001AT702TA113.53TUN2002AT189.74TUN2003AT1005TA150.36TUN2004AT4037TUN2005AT2908TA2409TUN2006AT21010TA27011TUN2007AT551.512TA552.3613TUN2008AT284.414TA32515TUN2009AT1 334.516TA1 352.917TUN2010AT71818TA66619TUN2011AT68920TA623.2U

1.2 地質(zhì)情況

沿線隧道洞口段存在松散堆積體，巖體較為破碎。洞身主要穿越風(fēng)化的花崗巖、輝長巖，巖體較完整，有少量基巖裂隙水，穩(wěn)定性較好。

2 原設(shè)計方案

原設(shè)計依據(jù)不同圍巖級別，將洞身支護型式分為A0、A1、A0V、B0、B1、B0V、B2V這7類，隧道初期支護采用20 cm厚C40鋼纖維噴射混凝土+雙拼工字鋼進行支護，雙拼工字鋼采用IPN180、IPN160兩種，雙拼工字鋼鋼架間距分為1.0、1.2、1.4 m共3種。以B0V為例，設(shè)計采用兩榀IPN180鋼架通過型鋼焊接形成整體，具體見圖1～圖3。

圖1 鋼拱架支護典型斷面圖(單位：cm)

圖2 剖面圖(單位：cm)

圖3 1-1剖面(單位：cm)

3 優(yōu)化后設(shè)計方案

3.1設(shè)計思路

由節(jié)2可知，原設(shè)計采用兩榀IPN180鋼架通過型鋼焊接形成整體，單段最大鋼架單元重量約530 kg，鋼架重量大，制作、拼裝和移動難度十分大，現(xiàn)場施工效率低下。為了提高施工效率，改善結(jié)構(gòu)受力，將原設(shè)計的雙拼鋼拱架優(yōu)化為單榀施作，鋼拱架間距由原設(shè)計雙拼100 cm調(diào)整為單榀50 cm，鋼架間距加密，保持鋼架總榀數(shù)不變，如圖4所示。

采用該方案具有鋼架加工簡便、施工操作方便、施工效率高的優(yōu)點，且初期支護鋼架剛度更加均勻和合理。

(a)

3.2 優(yōu)化后鋼拱架的數(shù)值模擬分析

利用SOFiSTiK有限元軟件進行分析計算，采用歐標EN1997中的DA1/1和DA1/2荷載組合，考慮地震工況的分項系數(shù)取值，地震工況水平地震系數(shù)取0.09，豎向地震系數(shù)取0.045。

雙拼鋼拱架由兩根鋼架間距為290 mm、截面為IPN180的鋼梁組成；單榀鋼拱架由截面為IPN180的鋼梁組成。兩個模型均由以梁單元模擬的鋼拱架和殼單元模擬的襯砌組成。其中，初期支護為20 cm厚噴射混凝土。

雙拼鋼拱架計算模型和單榀鋼拱架計算模型如圖5、圖6所示。

圖5 雙拼鋼拱架計算模型

圖6 單榀鋼拱架計算模型

雙拼鋼拱架和單榀鋼拱架應(yīng)力與材料強度比如圖7、圖8所示。

圖7 雙拼鋼拱架應(yīng)力與材料強度比

圖8 單根鋼拱架應(yīng)力與材料強度比

應(yīng)力分析結(jié)果表明：單榀鋼架最小安全系數(shù)位于拱部，安全系數(shù)為1/0.543=1.841 6，雙拼鋼架最小安全系數(shù)值也位于拱部，安全系數(shù)為1/0.617=1.620 7。從受力上分析，兩種結(jié)構(gòu)受力特性基本一致，安全性都能滿足要求，且單榀鋼架更趨于安全。

雙拼鋼拱架和單榀鋼拱架豎向位移分布如圖9、圖10所示。

圖9 單榀鋼拱架豎向位移分布

圖10 雙拼鋼拱架位移值

變形分析表明：鋼架最大位移也位于拱部，單根鋼架最大豎向位移為0.023 5 m，雙拼鋼架最大豎向位移為0.022 2 m。從變形上分析，兩種結(jié)構(gòu)變形特性規(guī)律一致，單榀鋼架豎向位移略大0.001 5 m。

4 現(xiàn)場監(jiān)測驗證

依據(jù)現(xiàn)場實際情況，對部分洞段采用單根鋼拱架進行支護，從中選擇斷面布設(shè)拱頂下沉和周邊收斂測點進行觀測。測點具體布置如圖11所示。

圖11 斷面周邊收斂及拱頂下沉測點布置示意圖

隧道斷面拱頂下沉監(jiān)測、周邊收斂監(jiān)測沉降變化曲線如圖12所示。

(a) 洞頂累計沉降量變化曲線

由圖12可以看出，隧道拱頂下沉及周邊收斂速率均呈減小趨勢，累計變形值遠小于極限值。通過現(xiàn)場驗證分析可知，采用優(yōu)化后的單榀鋼拱架方式是可行的。

5 結(jié)論

a.針對歐標體系下鋼拱架的支護特點，結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，將原設(shè)計的雙拼鋼拱架結(jié)構(gòu)優(yōu)化為單根鋼拱架結(jié)構(gòu)，解決了原設(shè)計中存在的鋼架重量大，制作、拼裝和移動難度十分大，現(xiàn)場施工效率低下等問題，極大地提高了工作效率，降低了工程造價。

b.利用SOFiSTiK有限元軟件，依據(jù)歐標規(guī)范要求，對雙拼鋼拱架和單根鋼拱架兩種方案進行數(shù)值模擬分析。從計算結(jié)果分析可知，采用單根鋼拱架方式進行支護，結(jié)構(gòu)受力和豎向位移均滿足要求。

c.現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，采用單根鋼拱架方案支護后，圍巖的收斂及拱頂下沉量均滿足要求。說明采用單根鋼拱架方式進行支護是可行的，同時也滿足歐洲標范及標準的要求，可為類似海外公路項目提供借鑒。