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摘要：通過柔性支護(hù)鋼拱架作用特點研究，在現(xiàn)場鋼拱架上應(yīng)變計監(jiān)控量測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用力學(xué)原理，對鋼拱架初支彎矩與軸力綜合考慮，結(jié)合隧道開挖中事故發(fā)生過程的特點，進(jìn)行分等級判別安全性，提出鋼拱架錨噴支護(hù)安全性預(yù)測判別方法。...

鋼拱架柔性支撐穩(wěn)定性預(yù)測判別方法探討

沈才華　童立元

東南大學(xué)，江蘇南京210096　河海大學(xué)，江蘇南京210098

引言

    隨著對隧道工程特點的不斷了解，新奧法思想。已逐漸得到工程界肯定，基于這種思想，運用錨噴技術(shù)的柔性支撐在隧道開挖施工中得到廣泛成功的運用。作為新奧法三大支柱之一的監(jiān)控量測不斷得到重視，可以說沒有監(jiān)控量測手段作為保障的隧道是“不存在的”。由于公路隧道目前均呈現(xiàn)出大跨扁平的特點，因此采用鋼拱架為基礎(chǔ)的錨噴柔性支撐在公路隧道施工中最為常用。但對于鋼拱架柔性支撐的監(jiān)控量測分析仍基本限于強度、變形的極限安全性分析,結(jié)合現(xiàn)場初支裂縫的目測，往往當(dāng)發(fā)現(xiàn)鋼拱架出現(xiàn)危險時，已是事故發(fā)生之時，甚至是事故發(fā)生后。對鋼拱架柔性支撐的實際運用效果及施工安全性預(yù)測沒有系統(tǒng)研究和可靠的方法，不能預(yù)先進(jìn)行安全性判別。本文將在分析柔性支撐主要破壞特點基礎(chǔ)上，探討如何運用鋼拱架內(nèi)力監(jiān)控量測分析初支設(shè)計合理性，并提出鋼架安全性預(yù)測簡便實用的判別方法。

1、公路隧道柔性支撐特點與監(jiān)控量測

    根據(jù)新奧法思想，允許圍巖開挖后產(chǎn)生一定量變形，但仍能維持自身穩(wěn)定，并可以有效減小初始地應(yīng)力因開挖釋放而對支護(hù)產(chǎn)生的被動抵抗力，而柔性支撐允許支護(hù)能隨圍巖應(yīng)力釋放一起變形，使圍巖應(yīng)力得到一定量的釋放，減小初支的被動抵抗力，這便能按設(shè)計有效控制圍巖的變形及穩(wěn)定。因此控制合理的圍巖變形成為對柔性支撐監(jiān)控量測的重要內(nèi)容。

    在鋼拱架+掛網(wǎng)的錨噴支護(hù)中，鋼拱架是柔性支護(hù)的骨架，是圍巖變形時初支支護(hù)作用的主要受力結(jié)構(gòu)。二次襯砌出現(xiàn)裂縫或開挖時出現(xiàn)局部坍塌主要是因為圍巖開挖擾動后支護(hù)時間不恰當(dāng)或開挖擾動太大卻沒有及時采取補救措施造成的。作者根據(jù)分析認(rèn)為，作為柔性支護(hù)的鋼拱架是初支的主要‘骨架’，其內(nèi)力變化能有效反映圍巖變化情況。本文結(jié)合現(xiàn)場鋼拱架內(nèi)力監(jiān)控量測，針對大跨公路隧道圍巖破壞時鋼拱架內(nèi)力變化特點，對施工過程中鋼拱架安全性進(jìn)行分級判別，基本能有效反映施工過程中圍巖穩(wěn)定性情況。

2、柔性支撐安全性預(yù)測與判別分類方法

    三車道以上公路隧道一般均具有大跨扁平的特點，對于軟弱圍巖段開挖過程基本采用分部開挖為主，由于一般地質(zhì)條件均呈不均勻狀況，圍巖出現(xiàn)偏壓或拱效應(yīng)Ⅲ不能及時得到發(fā)揮往往是產(chǎn)生局部坍塌等事故的主要原因之一。通過實際現(xiàn)場監(jiān)控量測分析發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定性分析時應(yīng)充分考慮鋼拱架受彎矩的變化情況，而且其內(nèi)力變化與圍巖開挖變形情況基本一致，因此通過綜合考慮鋼拱架應(yīng)力及受彎狀態(tài)對其進(jìn)行安全性分級判斷，能有效預(yù)測圍巖開挖過程中安全性變化規(guī)律，及時指導(dǎo)現(xiàn)場施工控制，避免事故發(fā)生。其具體方法如下：由于型鋼整體性好、宜安裝，公路隧道初支施工中，目前很多鋼拱架開始采用型鋼；對型鋼內(nèi)力觀測，主要通過應(yīng)變量測來進(jìn)行，一般監(jiān)控量測布置示意如圖1。

 

圖1 CRD法分部開挖及鋼拱架應(yīng)變計布置示意圖

    通過布置成對的應(yīng)變計進(jìn)行鋼拱架應(yīng)變監(jiān)測，然后通過基本結(jié)構(gòu)力學(xué)[8]受力轉(zhuǎn)換分析(見式l、式2)，可計算型鋼不同截面處軸力及彎矩(如圖2所示)，進(jìn)而通過統(tǒng)計分類，對鋼拱架安全性作出判斷與預(yù)測。基本思路及分析過程如下：

    第一判別原則，首先通過鋼拱架翼緣受力狀態(tài)安全系數(shù)η對鋼拱架安全預(yù)測分4個等級：當(dāng)η<1．2時報警；當(dāng)η=1.2～1.5為欠安全；當(dāng)η=1.5～2為基本安全；當(dāng)η>2為安全。η=εf/ε0，εf為控制極限應(yīng)變，ε0為實際監(jiān)測應(yīng)變；

    第二判別原則，為了考慮鋼拱架拱效應(yīng)作用情況，應(yīng)結(jié)合考慮鋼拱架受彎情況。因此對鋼拱架受彎進(jìn)行組合判斷，判斷方法見圖3。彎矩下面受拉為正。

圖2鋼拱架內(nèi)力簡化計算分析示圖

 

圖3受彎拱架安全性判別組合分類圖

　　本公路隧道各斷面開挖安全級別預(yù)測判斷顯示，圍巖開挖過程中安全級別始終處于安全或基本安全狀態(tài)，說明整體施工控制情況屬良好。判別時，彎矩和軸力分別為：M=1．05WxE／2．Ox(ε內(nèi)一ε外)

　　(1) N=(A／2．O)x(ε內(nèi)+ε外)xE

　　(2)式中：W為簡化截面抗彎模量；A為截面面積；E為鋼拱架彈性模量；ε內(nèi)、ε外分別為鋼拱架翼緣實測應(yīng)變(見圖2)。計算時，規(guī)定彎矩向下突起為正；軸力、應(yīng)變受壓為正。

    考慮到破碎軟弱圍巖容易受到擾動及后期變形較大的影響，第二判別也分4個等級：第一級安全，鋼拱架內(nèi)力較小，主要合力點作用范圍位于鋼拱架截面內(nèi)且洞內(nèi)側(cè)受壓較大時，鋼拱架受力較合理，為安全狀態(tài)；第二級基本安全，合力點作用范圍位于鋼拱架截面內(nèi)鋼拱架內(nèi)側(cè)，當(dāng)軸力以受壓為主彎矩為正，或軸力以受拉為主彎矩為負(fù)時為基本安全；第三級欠安全(受彎)，當(dāng)合力點作用范圍位于鋼拱架截面內(nèi)，內(nèi)側(cè)鋼拱架受拉時或當(dāng)合力點作用范圍位于鋼拱架截面外，軸力以壓為主彎矩為負(fù)時為欠安全(受彎)狀態(tài)，說明彎矩相對較大，受力不是很合理應(yīng)引起重視；第四級預(yù)警，鋼拱架洞內(nèi)內(nèi)側(cè)受拉且彎矩較大時認(rèn)為鋼拱架受力出現(xiàn)不合理，應(yīng)預(yù)警以引起施工單位注意，并加強觀測。

    實際應(yīng)用時，應(yīng)進(jìn)行組合分析(圖3)。當(dāng)翼緣受力狀態(tài)安全系數(shù)叼判斷安全級別高于彎矩判斷級別時，可采用彎矩判斷級別提高一級作為安全判別狀態(tài)；當(dāng)翼緣受力狀態(tài)安全系數(shù)叼判斷安全級別低于彎矩判斷級別時采取低安全判別狀態(tài)。從整個橫斷面分析考慮，應(yīng)以橫斷面上最低判斷級別為本斷面安全性級別。

3、工程實例

     某隧道為淺埋破碎巖體大跨公路隧道，采用 CRD （中隔壁法)分部開挖[9]，初支鋼拱架為Q235工字鋼Ⅰl8 b，為充分了解分部開挖過程中初支內(nèi)力變化情況，對圍巖穩(wěn)定性作出及時判斷與預(yù)測，對初支鋼拱架內(nèi)力采用應(yīng)變計進(jìn)行了監(jiān)控量測，主要通過應(yīng)變本身及反映的軸力與彎矩為依據(jù)。

    圖4為測點A處圍巖內(nèi)位移隨開挖分布變化曲線，表1、表2為利用本文介紹方法對A、B測點處鋼拱架內(nèi)力與安全性進(jìn)行判別計算結(jié)果。計算結(jié)果表明，由于采用分部開挖，當(dāng)下臺階左下部開挖時，圍巖內(nèi)出現(xiàn)較大位移，初支內(nèi)力安全級別從安全級下降到基本安全，而且鋼拱架應(yīng)變變化規(guī)律與圍巖變形規(guī)律一致，說明下部開挖擾動較大，引起圍巖安全性級別下降一級，顯示本大跨公路隧道分部開挖施工時容易造成對圍巖的擾動，應(yīng)加強施工控制。

  

圖4 FK25+600斷面測點A處圍巖內(nèi)位移分布變化曲線

 

　　　　　　　　　　　　表1  東隧道下行線FK25+600鋼拱架測點A量測及穩(wěn)定性預(yù)測計算表

 

　　　　　　　　　　　表2東隧道下行線FK25+600鋼拱架測點B量測及穩(wěn)定性預(yù)測計算表 

4、結(jié)論

　　根據(jù)公路隧道新奧法施工中柔性支撐的特點分析，認(rèn)為鋼拱架在柔性支護(hù)中起到骨架受力作用，對它的判斷能基本預(yù)測整個初支安全穩(wěn)定性狀態(tài)。并以鋼拱架翼緣應(yīng)變量測結(jié)果作為計算參數(shù)，提出柔性支撐安全性判斷與預(yù)測的方法。從工程應(yīng)用情況來看，該方法能較好地反映圍巖實際開挖變化情況，預(yù)測結(jié)果能基本反映圍巖穩(wěn)定性狀態(tài)，既能顯示安全性級別，又能反映初支內(nèi)力變化規(guī)律。由于目前作者實際工程科研數(shù)量有限，將在以后工程中進(jìn)一步驗證該方法的穩(wěn)定性。但其理論與原理正確，可供其他學(xué)者參考。

　　本方法思路清晰，只要通過不復(fù)雜的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算，在簡單計算機(jī)程序操作下就能實現(xiàn)，實際現(xiàn)場操作簡單方便，并且可以不用通過復(fù)雜昂貴的圍巖內(nèi)部多點位移計量測分析就能對圍巖開挖穩(wěn)定性作出判斷與預(yù)測，值得推廣運用。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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