結合梁式仰拱與空間受力鋼架在大跨度土質偏壓隧道初支設計上的運用研究

幸芊，張正祿

（1重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2中機中聯工程有限公司，重慶 400040）

0 引言

隨著我國城市建設的快速發展，近年完成的城市隧道設計斷面越來越大。許多西部地區的山地城市出現大量的土石方平場，使得很多隧道需要面對深厚的人工回填土地質，以及在人工填土邊坡內穿過的偏壓情況。而這類隧道的初期支護需要承受較大的荷載，此時如何保證初期支護結構的可靠性是控制施工風險的關鍵所在。

隧道的初支結構設計與其采用的工法相關，一般來說，地質條件較差和隧道洞跨較大時，施工中初支結構存在臨時支撐和最終成型兩種狀態，以保障施工過程的安全。對于這類隧道目前已有大量的研究成果。于麗等[1-2]基于非線性Mohr–Coulomb準則和極限分析上限法，以及圍巖破壞形態和破壞機理建立了分析模型，推導研究了土質隧道的破壞方式。程小虎等[3]從理論上研究了判別無襯砌淺埋土質隧道的穩定性方法。杜立新等[4]通過對拱架內力的施工監測，分析初支結構內力變化規律及分布特征。來弘鵬等[5]從施工工法的角度，研究了大斷面土質隧道施工安全控制技術。莊麗等[6]通過離心試驗手段，研究淺埋大跨度土質隧道的變形和穩定性特征。袁冉等[7]采用土體非共軸各向異性的本構模型，對土質隧道進行數值分析研究。以上研究解決了隧道施工過程的特殊問題，但在實際工程中，尚存在一個特殊的不利階段，需引起重視，即初支拆除臨時支撐至二次襯砌成型之前的這一時段，初支拱架處于跨度最大的“裸拱”狀態。穿越土層的大跨度偏壓隧道這一最大跨度狀態更面臨特殊問題：

（1）土質地質隧道拱墻部位圍巖的彈性抗力較小，無法提供有效抑制拱架側向變形的能力，導致初支拱架產生較大的彎矩與變形；

（2）受偏壓荷載時，隧道初支鋼架拱腳及拱腰部位會產生較大的彎矩；

（3）大跨度土質隧道初支鋼拱架承受的圍巖荷載釋放比例較常規的隧道更高。特別是在噴射混凝土強度尚未形成時，圍巖壓力主要由鋼架承受[8]。鋼拱架承受的圍巖荷載釋放比例宜按80%以上考慮，才能保證施工的長期安全；

（4）隧道初支拆除臨時支撐至二次襯砌成型之前的這一時段持續時間越長，實際的荷載釋放比例將持續增大[8]，施工風險也會增大，故工法上最理想的是：鋼架要么在有臨時支撐結構輔助之下受力，要么能與二襯結構共同受力，盡可能縮短鋼架“裸拱”受力的時間；

（5）大跨度深埋土質隧道圍巖壓力實際空間分布狀態為兩側大、拱頂及仰拱小[9]，增加了拱架的穩定性風險。

基于以上問題，提出如下解決思路：

（1）在初支設計上提供一種有較大剛度的結構，能抑制拱架側向變形；

（2）通過結構優化設計，盡量使鋼拱架上的內力分配均勻合理；

（3）結構優化設計時，結合工法的優化，盡可能縮短鋼架“裸拱”受力的時間，減小荷載釋放的比例。

1 研究項目簡介

本文以重慶市火鳳山隧道穿越斜坡回填土區段為研究背景，提出新的設計方案進行分析。重慶市火鳳山隧道為三車道隧道。隧道起點區段有大約150m范圍屬于土質地層，其中前部分為偏壓地層，襯砌受力非常不利。設計時將斜坡上部削方減載，減少土體的下滑力，下部土體適當堆載，增加抗滑力；隧道周邊土體注漿加固，提高土層抗力。

圖1 土質斜坡區域典型剖面圖

2 結合梁式仰拱

2.1 基本思路

該段隧道按偏壓情況計算分析，初支內力非常大，特別是拱腳、拱腰部位的彎矩過大，需要采用雙層鋼拱架，給施工帶來諸多困難。

從初支拱架的受力分析可知，拱墻區域圍巖對拱架的彈性抗力能阻止拱架的變形，從而有抑制拱架內力和變形的作用；仰拱部分屬于完全彈性地基梁，能進一步加強拱架的基礎剛度，抑制上部拱架的內力和變形。現提出一種優化仰拱構造工法：

（1）仰拱二次襯砌施工期間，不拆除拱架中部的臨時支撐，待拱、墻二襯施工時再切割拆除。這樣可以壓縮裸拱初支獨立支撐荷載的時間，有利于減小荷載釋放的比例，減小施工風險（圖2）。

圖2 施工縱向示意圖

（2）將仰拱二襯與初支鋼架澆筑為一個整體，形成一個下緣為型鋼混凝土、上緣為鋼筋混凝土的結合梁。為使仰拱形成對上部拱架的有效約束剛度，將初支結構的仰拱部分變為結合梁結構，仰拱初支與仰拱二襯之間采用強度較大的剪力鍵連接傳遞剪力，從而通過剛度分配初支的內力。具體設計如圖3所示。

圖3 結合梁式仰拱結構示意圖

2.2 方案計算分析

大跨度土質隧道采用“荷載-結構法”進行計算。建模方式如下：將噴射混凝土層與鋼拱架視為整體進行內力計算，共同分析其承載力，周邊巖體對結構的彈性抗力應按完全的彈性地基梁計算。建立數值分析模型，如圖4所示，將鋼筋混凝土的仰拱二襯模擬為梁單元，初支采用剛度換算原理，折算成混凝土梁單元，其剛度按混凝土和型鋼的剛度折算[10]。二襯仰拱與初支鋼架支架采用彈性連接模擬。荷載釋放比例統一按80%考慮，并按設計最大偏壓情況考慮。

圖4 結合梁仰拱初支結構的數值計算模型

2.3 方案計算結果比對

偏壓情況下拱架彎矩計算結果如表1所示，通過鋼筋混凝土仰拱的內力分配作用，初支鋼架上的拱腳彎矩僅47kN·m，減少81%，可見結合梁式仰拱可有效減少拱腳彎矩，適當減少拱墻彎矩，對拱頂彎矩無影響。

表1 內力優化結果匯總表（單位kN·m）

變形計算結果如表2所示。可見，結合梁仰拱有效限制了拱墻的側向變形，同時也減少了拱頂下撓。

表2 變形優化結果匯總表（單位mm）

3 空間雙向受力的空間鋼架結構方案

3.1 基本思路

在上述方案的基礎上再作如下考慮：對隧道的開挖與支護，掌子面方向因為采用了“CRD法”的工藝，中間設有臨時支撐鋼架，有效減少了洞跨；而二襯澆筑方向，因為二襯形成支撐，也有較好的支撐剛度。而介于初支臨時支撐鋼架剛剛拆除與二襯尚未澆筑的范圍內，初支結構處于最大跨度的“裸拱”狀態，于是考慮將這一受力最不利范圍的結構內力向兩側支撐剛度較好的區域進行分配，參照建筑結構中雙向受力的框架梁結構，考慮在初支鋼架的內側設置縱向連接鋼梁。縱向連接鋼梁、縱向連接鋼筋與環向鋼架焊接成整體，結合預支護的超前導管系統，形成一個強大的空間鋼架受力體系。具體布置如圖5所示。

圖5 鋼架的空間布置圖

3.2 空間雙向受力鋼架方案計算分析

建立數值分析的空間模型，如圖6所示。

圖6 考慮縱梁內力空間分布作用的計算模型

模型考慮縱梁內力空間分布作用，縱向裸拱段按8m考慮。初支折算成混凝土梁單元。縱向分配梁直接按型鋼截面建立梁單元，梁單元一端支撐在二襯上，一端支撐在設有臨時支撐的鋼架區段內。

3.3 計算結果比對

變形計算結果如下：根據空間縱向各環剛架的變形分布圖（圖7），發現靠近二襯形成方向和有臨時支撐鋼架的方向變形較小，介于有臨時支撐鋼架與二襯形成支撐之間的中間范圍變形較大。但因為縱向鋼梁的作用，將變形分配了一部分到兩邊，此時最大5.9mm，而不考慮空間效應時（圖8）為7.8mm，改善24%。結果對比詳見表3。

表3 初支結構位移分布的比對表（單位mm）

圖7 采用空間鋼架方案的鋼架變形分布云圖

圖8 采用常規鋼架方案的鋼架變形分布云圖

彎矩計算結果匯總，如表4所示。考慮縱梁空間分配內力作用下初支的彎矩分布存在明顯的空間效應，縱向分配梁起到了分配內力的作用。此時，中間受力最大部位拱頂彎矩31.2kN·m，而不考慮空間效應時，拱頂彎矩42.4kN·m，改善26.4%。且縱向8m長的裸拱區域，大部分區段彎矩趨于減小，有效減小了施工期間的風險。

表4 初支結構彎矩分布的比對表（單位kN·m）

4 實測數據對比

現場典型斷面監控量測數據詳見圖9，初支拱頂最大變形收斂于17mm，拱墻最大變形收斂于6mm。可見，采取上述措施后隧道初支的變形被有效控制。

圖9 現場變形監測數據發展圖

5 結論

（1）對于偏壓工況，采用大剛度的結合梁仰拱，最直接的作用就是大幅度分配走了初支拱腳的彎矩，而對初支拱頂彎矩的改善作用相對較小。

（2）結合梁式仰拱，從結構分析來看，優化之后需對二襯仰拱的配筋按分配后的彎矩進行設計。

（3）結合梁式仰拱方案，從施工工法來看，壓縮了初支“裸拱”狀態的時間，有利于減小圍巖荷載釋放比例，減小施工風險。

（4）與工法結合，利用空間雙向受力的初支鋼架體系，能合理分配鋼架初支結構的內力，有利于提高施工安全性。

（5）以上兩種方法均減小了“裸拱”施工期間的風險，值得在諸如大跨度土質隧道、偏壓隧道等承受較不利荷載作用的隧道中推廣使用。