隧道初期支護鋼拱架早期承載性能試驗研究

莊一舟, 薛琛博, 鄭國平, 李長俊, 馮 展, 陸鈺銓

(1.浙江工業大學土木工程學院, 浙江 杭州 030014; 2.浙江數智交院科技股份有限公司, 浙江 杭州 030014)

0 引言

我國山嶺公路隧道設計和施工普遍采用新奧法，并采用復合式襯砌結構。在圍巖條件較差的地段、洞口段、淺埋段或地面沉降有嚴格限制地段，通常需要在噴射混凝土層中增設鋼拱架以提高初期支護承載力。目前常用的鋼拱架類型主要有型鋼鋼架和格柵鋼架2種，其中，型鋼鋼架由H型鋼或工字鋼等制作，而格柵鋼架由主筋、八字筋、U型筋、匝筋和角鋼連接板組成。根據現行《公路隧道設計規范》[1]，推薦采用格柵鋼架支護。然而，由于格柵鋼架存在加工復雜、焊接質量難控、初期強度偏低等問題，實際工程中大量采用型鋼鋼架代替格柵鋼架。

為推廣格柵鋼架的使用，學者們針對不同類型鋼拱架的構造選型、力學性能、質量控制等進行了一系列研究。Choi等[2]的試驗研究表明，在格柵鋼架內部增加U型蜘蛛網筋可以提升格柵鋼架的最大承載能力；Kim等[3]針對格柵構造的不足，研發了新型矩形格柵，并驗證了新型矩形格柵的適用范圍和優缺點；龔鋮[4]的試驗研究表明，雙線H180腹筋優化型與標準型在極限承載能力上和破壞形式上相差無幾，采用優化型可以降低鋼筋用量，節約成本；王剛等[5]的模型試驗研究表明，格柵鋼架的腹筋直徑減小對其極限承載力沒有任何影響；譚忠盛[6]、宋遠等[7]的對比試驗研究表明，高強格柵和鋼管鋼架與傳統格柵鋼架相比，在承載力和適用性方面有一定的優越性；陳軍浩等[8]的試驗研究表明，拱架采用雙拱形式比單拱形式具有更好的力學性能，外立柱比內立柱可多分擔50%的荷載；Nomikos等[9]的試驗研究表明，分析公式可能不適用于解決一般加載情況，但是通過公式計算荷載與試驗檢測數據進行比較，可以檢驗數值模型的準確性；Kim等[10]的試驗證明了格柵鋼架質量控制的重要性，非標準試件與標準試件相比，支撐性能降低高達18%。此外，文獻[11-15]針對不同支護形式的格柵鋼架在軟弱圍巖中的應用研究表明：1)格柵鋼架適用于Ⅳ、Ⅴ級圍巖，且變形收斂值、鋼架應力、噴射混凝土應力均在允許范圍內；2)提出的“先柔后剛”支護模式，使圍巖應力在變形中得到有效釋放，減小了對支護體的壓力。

綜上所述，已有文獻多數集中在鋼架與混凝土結合并達到設計強度后的支護能力研究，對于格柵鋼架和型鋼鋼架力學特性對比研究較少，尤其缺乏受荷初期階段的研究。為此，本文通過室內模型試驗，研究不同齡期混凝土對鋼拱架基本構件受力特性的影響，橫向比較不同類型鋼拱架的力學性能，總結不同類型鋼拱架的適用范圍和結構優化方式，以期為實際工程提供理論依據。

1 試驗設計

1.1 試件設計

本文所涉及的2種格柵鋼架模型示意圖見圖1，剖面圖見圖2。格柵鋼架采取HRB400熱軋帶肋鋼筋作為主筋、熱軋光圓鋼筋作為腹筋和箍筋，型鋼選取14號工字鋼，不同類型鋼拱架用鋼量見表1。試驗中格柵鋼架的截面尺寸是140 mm(寬)×140 mm(高)，噴射混凝土試件保護層厚度為25 mm。試驗采用C40混凝土制作試件，混凝土添加早強劑以模擬噴射混凝土強度，各齡期混凝土軸心抗壓強度見表2。同時，基于試件加載的可操作性和研究目的，噴射混凝土的齡期定為3、7、14 d。

(a)三肢格柵

(a)三肢格柵

表1 不同類型鋼拱架用鋼量(每榀)

表2 混凝土各齡期軸心抗壓強度

基于以上背景，本文采用模型試驗方法，研究不同齡期噴射混凝土對不同類型鋼拱架的力學性能的影響。由于試驗條件受限，根據莊一舟等[16]的研究結果，本試驗利用鋼拱架節段代替整拱進行加載分析。通過查閱《混凝土結構試驗方法標準》[17]，將均布荷載簡化為試件跨中集中力加載，試驗工況設置為一端鉸接(無水平滑動)、另一端自由滑動。同時，為了全面研究鋼拱架的受力性能，本文對鋼拱架的裸拱以及不同養護齡期噴射混凝土鋼拱架試件進行了試驗研究。鋼拱架裸拱試驗組見表3，噴射混凝土鋼拱架試驗組見表4。

表3 鋼拱架裸拱試驗組

表4 噴射混凝土鋼拱架試驗組

1.2 試件制備

本試驗構件加工完全參照隧道施工現場試件的加工方式，將最終的加工誤差控制在1%以內。試件詳細制作流程見圖3。

(a)格柵鋼架構件加工架制作

1.3 試驗設備

本試驗設備采用型號為ZBM2000的電液伺服剪壓試驗系統，該系統通過控制活塞對試件跨中施加豎向荷載，最大加壓荷載為2 000 kN。位移計型號為ZY-DT100，可測得的最大位移為100 mm。鋼拱架試件加載及量測裝置示意圖見圖4,其實際現場布置見圖5。本試驗在試件兩側1/4跨各安裝1個位移計，跨中位移由系統自動記錄，共3個測點。鋼筋應變計安裝在跨中上下側及1/4跨處，共3個測點。

圖5 鋼拱架試件加載及量測裝置實際現場布置

1.4 試驗方法

本試驗加載時由系統控制活塞對試件跨中施加軸心荷載，采用輸入荷載數值的方式進行緩慢加載，每個階段增加2 kN的荷載(約在30 s加載完畢)，同時在加載完成后持力2 min，來保證試件受力的穩定性。

2 加載試驗結果分析

2.1 鋼材性能系數

鋼拱架性能參數眾多，為直觀地比較各種類型鋼架的綜合性能，本文引入鋼材性能系數I來反映鋼拱架的承載力和經濟性。

(1)

式中：I為集中荷載下鋼拱架的鋼材性能系數；pi為試件的極限破壞荷載(構件加載至破壞時達到的最大荷載)；ρi為試件全部鋼筋的質量。

鋼材性能系數可科學評價各類鋼拱架的承載效率，鋼材性能系數越高，其承載效率越高。

2.2 鋼拱架的裸拱試驗結果分析

不同類型變腹筋直徑鋼拱架裸拱試驗結果見表5，相應的破壞圖見圖6。

表5 鋼拱架裸拱試驗結果

(a)三肢格柵 (b)四肢格柵 (c)型鋼

由表5可以看出，裸拱狀態下型鋼鋼架的鋼材性能系數高于格柵鋼架。試件極限承載力和鋼材性能系數隨著腹筋直徑的增加而增大，三肢格柵相較于四肢格柵提升更明顯。四肢格柵的極限承載力是型鋼鋼架的87%，用鋼量比型鋼高出22%；三肢格柵的極限承載力是型鋼鋼架的98%，用鋼量與型鋼接近。

從圖6可以看出，在加載過程中，試件跨中區域向單側傾斜，伴有扭轉破壞的趨勢，整體變形較大。說明在實際應用中，試件會遭受偏心荷載，建議在實際設計中增加抗扭鋼筋的布置。三肢格柵試件均表現為外主筋先屈服而內主筋保持穩定的力學性能，說明內外主筋的直徑配比存在不合理性，建議在設計中加大外主筋與內主筋的直徑比率，從而提升試件的鋼材性能系數以及試件自身的整體性；四肢格柵試件的內外主筋均同步屈服，說明內外主筋的直徑配比較為合理，在以后的設計中可以延續這種設計方案。格柵鋼架在實際工程中焊接碳點多、運輸途中破壞概率大，考慮到三肢格柵的焊縫數量更少、長度更短，當圍巖壓力較小時選擇三肢格柵鋼架可以節約更多的工程成本。當圍巖壓力較大時，選擇型鋼可以提供更高的承載力。

2.3 噴射混凝土鋼拱架的試驗結果分析

2.3.1 齡期對鋼拱架受力性能的影響分析

混凝土齡期3 d時試件荷載-應變變化如圖7所示，相應的加載破壞圖見圖8，試驗結果見表6。從表6可以看出，L3-3的極限承載力是I-3的97.1%，其鋼材性能系數是I-3的98.0%；L4-3的極限承載力是I-3的95.4%，其鋼材性能系數是I-3的81.2%。

表6 混凝土齡期3 d時試件試驗結果

(a)L3-3

(a)L3-3 (b)L4-3 (c)I-3

混凝土齡期7 d時試件荷載-應變變化如圖9所示，相應的加載破壞圖見圖10，試驗結果見表7。從表7可以看出，L3-7的極限承載力是I-7的95.4%，其鋼材性能系數是I-7的96.3%；L4-7的極限承載力是I-7的91.4%，其鋼材性能系數是I-7的77.8%。

表7 混凝土齡期7 d時試件試驗結果

(a)L3-7

(a)L3-7 (b)L4-7 (c)I-7

混凝土齡期14 d時試件荷載-應變變化如圖11所示，相應的加載破壞圖見圖12，試驗結果見表8。從表8可以看出，L3-14的極限承載力是I-14的94.8%，其鋼材性能系數是I-14的95.6%；L4-14的極限承載力是I-7的96.0%，其鋼材性能系數是I-14的81.8%。

表8 混凝土齡期14 d時試件試驗結果

(a)L3-14

(a)L3-14 (b)L4-14 (c)I-14

基于以上結果可以看出，混凝土齡期對試件鋼材性能系數的影響顯著。對于三肢格柵試件鋼材性能系數，7 d齡期較3 d齡期提升6%，14 d齡期較3 d齡期提升12.5%；對于四肢格柵試件鋼材性能系數，7 d齡期較3 d齡期提升3.4%，14 d齡期較3 d齡期提升18.9%；對于型鋼試件鋼材性能系數，7 d齡期較3 d齡期提升6.8%，14 d齡期較3 d齡期提升14.5%。四肢格柵試件在14 d齡期時鋼材性能系數提升較大的原因是，齡期為3 d和7 d時試件均發生受壓區混凝土翹起破壞，從而導致加載試驗提前結束，沒有達到應有的極限承載力。同時，可以看出3種試件的極限承載力與裸拱相比得到明顯提升，三肢格柵鋼架提升了182%，四肢格柵鋼架提升了147%，型鋼鋼架提升了141%。通過提升倍數可以看出，三肢格柵鋼架提升最多，說明其與混凝土的結合最緊密，四肢格柵鋼架與型鋼鋼架相差不大。根據以上結果可以得出結論：四肢格柵的構造形式不合理，需要對構造形式進行優化。

從加載過程來看，齡期3 d時，試件L3-3、L4-3、I-3裂縫出現時荷載依次為25、30、33 kN，隨著荷載的增加，格柵試件和型鋼試件分別在55 kN和50 kN時出現斜向裂縫。這說明兩者均承受偏心荷載，但格柵試件與混凝土結合更好，承受荷載的能力更強。齡期7 d時，試件L3-3、L4-3、I-3裂縫出現時荷載依次為30、32、38 kN，此時混凝土更多地參與受壓。當荷載達到64.41 kN時，試件L4-7跨中裂縫自受拉側向受壓側斜上貫通,試件破壞；當達到60 kN時，試件I-7裂縫向兩側延伸，自受拉側向受壓側斜上發展。根據以上結果可以看出，隨著混凝土自身強度的增加，可以更好地與鋼架共同抵抗偏心荷載。齡期14 d時，試件L3-3、L4-3、I-3裂縫出現時荷載依次為35、39、44 kN，3個試件加載至破壞時均未出現斜向裂縫。由此可以推測出，當混凝土強度達到設計強度時，在實際設計中增加抗扭鋼筋的布置，試件扭轉破壞的概率將大大降低。從荷載應變圖可以看出，三肢格柵試件加載至破壞時內外主筋位移相差較大，外主筋是內主筋的1.3～1.6倍，在后續設計中應調整內外主筋直徑以充分利用鋼材性能；而四肢格柵內外主筋位移變化差別不大，破壞時同步屈服，設計較為合理，可在后續設計中繼續沿用。

從破壞形態來看，型鋼試件破壞時均為上翼緣與混凝土脫離，隨著齡期的增加，結合程度有所提高。型鋼試件在齡期3 d和7 d時破壞面光滑，僅有混凝土殘渣；齡期14 d時破壞面粗糙，型鋼上翼緣表面有部分混凝土殘余。說明在初期支護階段，若遭遇集中力作用，型鋼試件相較于格柵試件更加危險。同時，在長期使用后，由于格柵鋼架與混凝土的結合比型鋼鋼架更牢固，混凝土不易脫落，所以格柵鋼架的長期使用安全性比型鋼鋼架更好。

2.3.2 齡期對鋼拱架剛度的影響分析

鋼拱架噴混凝土后荷載-位移曲線如圖13和圖14所示。通過比較荷載-位移曲線、極限荷載和破壞位移，即可判斷鋼架在受力時的剛度。荷載-位移曲線斜率大則剛度大，剛度越大，對初期支護時沉降和水平位移約束越大。

(a)3 d齡期

從圖13可以看出，混凝土齡期對試件剛度的提升明顯，噴混凝土試件的剛度是裸拱的4倍。同時，對比四肢格柵試件曲線圖，可以看出不同齡期四肢格柵試件曲線相差較大。分析原因為：齡期3 d時，四肢格柵試件發生受壓區混凝土翹起破壞；齡期7 d時，四肢格柵試件出現貫穿斜裂。結合裸拱試驗可以推測：此時試件承受偏心荷載，發生扭轉破壞，所以導致3個試件的曲線擬合較差。

(a)三肢格柵

從圖14可以看出，三肢格柵試件與四肢格柵試件的極限承載力和破壞位移相差很小，考慮到四肢格柵在加工、運輸、存放過程中破壞概率大，所以當圍巖壓力較小時選擇三肢格柵鋼架有更好的經濟性。同時，從圖中可以看出，不同齡期型鋼試件的峰前斜率均大于格柵鋼架試件，表明在受荷初期型鋼試件的剛度始終大于格柵試件，證明型鋼鋼架對圍巖的位移和沉降的約束能力更強；格柵鋼架的位移始終大于型鋼鋼架，說明格柵鋼架的延性好，可以更好地吸收圍巖變形。因此，型鋼鋼架適合應用在圍巖應力較大的隧道中，格柵鋼架適合應用于初期支護時吸收圍巖變形。

3 結論與建議

本文采用節段試驗的方法，研究了不同齡期時不同類型鋼拱架的承載力學性能，得出以下結論和建議：

1)格柵鋼架與混凝土的結合更緊密，結合后的綜合承載性能比型鋼更好。噴射混凝土早期，型鋼試件破壞的主要原因是型鋼與混凝土的結合較弱。在初期支護階段，若遇到集中力的作用，型鋼試件比格柵試件更容易遭到破壞。因此，建議在型鋼的上下翼緣及腹板處增設鉚釘，不僅可增加型鋼鋼架與混凝土之間的抗滑移能力，還可以使噴射混凝土更容易附著在型鋼上。

2)當圍巖壓力較小時，選擇三肢格柵鋼架經濟性更佳。格柵鋼架的延性比型鋼鋼架更好，可以更好地與圍巖形成整體，釋放圍巖變形；在圍巖變形較大的隧道中，初期支護建議使用格柵鋼架釋放變形，便于二次襯砌的澆筑以及增強其支護能力。

3)三肢格柵內外主筋直徑匹配不合理。從試驗加載過程來看，三肢格柵試件內外主筋的位移變化有明顯差異，破壞位移相差大，外主筋是內主筋的1.3～1.6倍；而四肢格柵內外主筋位移變化差別不大，設計較為合理。

4)建議在實際設計中增加四肢格柵架跨中箍筋、縱向抗扭鋼筋及U型筋的布置量以提高抗扭性能。從試驗加載過程來看，鋼拱架在實際使用中均會受到偏心荷載作用，其中四肢格柵鋼架受到的影響最顯著。另外，針對四肢格柵構造形式復雜以及焊縫多的問題，建議在焊點處包裹一圈卡箍以代替焊接，不僅可以減少焊接質量不穩定的焊縫，還可以增加一定的承載力。

5)本研究是在特定目標下進行的，只對比分析了3種典型的初期支護鋼拱架在不同齡期噴射混凝土下的承載能力和變形特征，對不同圍巖級別、錨桿與鋼架的相互作用等影響因素尚未討論分析，這些問題將在后續的試驗和分析中進行拓展研究。