钢板混凝土在隧道支护中的应用

2014-03-26李晓明臧德胜

长春工业大学学报 2014年3期

李晓明，臧德胜

（1.枣庄学院城市与建筑工程学院，山东枣庄 230009；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 277160）

0 引言

目前，新奥法和盾构法是国内暗挖隧道的主要方法，对应的隧道支护方法主要是锚喷支护和管片衬砌支护。锚喷支护是由喷射混凝土、锚杆、钢筋网等结构组合起来的支护形式，它能及时支护，有效地控制围岩的变形，防止岩块坠落和坍塌的产生，充分发挥围岩的自承能力，但是使用也是有一定条件的，在围岩的自立能力差、有涌水及大面积淋水处，地层松软处就很难成型，同时其施工工序的复杂性减缓了施工进度；管片衬砌支护是伴随着盾构机的出现应用而生的，预制混凝土管片是盾构隧道普遍使用的衬砌结构形式，但在制作过程中出现的缺角、掉边，施工中的顶裂、破损以及使用中所遇到的发生裂缝、踏步等问题影响结构的防水和耐久性［1］。针对上述问题，提出一种全新的隧道支护方法——钢板混凝土支护。文中将具体介绍新围护结构的施工工艺，并且和上述两种支护方法进行多个方面的分析对比，为其实际应用给出理论指导和帮助。

1 钢板混凝土支护结构形式

钢板混凝土支护结构是用型钢做为骨架，内外侧均为钢板组成的一个环形壁筒，钢板环内现浇高强度混凝土，混凝土处于三向受压状态，大幅改善了筒壁的力学性能。混凝土本身具有很高的抗压强度，但抗弯能力很弱，而钢材，尤其是型钢的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力。而型钢骨架钢板混凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，其抗压强度可成倍提高。同时由于混凝土的存在，提高了钢板的刚度，两者共同发挥作用，从而大大地提高了承载能力［2］。

2 钢板混凝土支护施工工艺

钢板混凝土支护结构在工程中体现出的结构是一个整体的带有一定厚度的圆筒，分段灌注混凝土。以内径为6.3m的隧道为例，内侧钢板周长2πr＝19.782m，每一个设计段沿纵线的长度为1.5m，超出一般的管片尺寸幅度，横向可以采用3块弧形钢板拼接，每块弧形钢板弧长6.6m，板厚取5mm。每段弧形钢板之间靠槽钢连接，在每段之间设置一圈槽钢增强结构的整体性。槽钢与钢板之间用螺栓连接，如图1和图2所示。

图1 钢板及横向槽钢之间的连接

图2 钢板及纵向槽钢之间的连接

钢板之间尽量的密实以防止漏浆，钢板的尺寸不要过大，以防混凝土振捣后水在钢板旁积聚无法扩散，影响筒壁的强度。

在壁筒的连接处用外径3.5m，内径3.15m的圆环形模板将壁筒的开口处堵住，起到浇筑时封闭壁筒的作用，模板可以选取木质的或者钢质的，视施工条件而定。连接时可以用钢插销将模板和钢板连接，同时以支架辅助支撑。圆环形的模板可以用3段等弧长模板拼接，在靠近拱顶的模板上端开口作为进砼口和振捣口。同时在每段各片弧形钢板上均匀开口，作为进砼口和振捣口，待浇注完毕后把进砼口修饰平整。等竖直灌注高度直径五分之四时，就利用顶端模板的进砼口灌注和振捣混凝土。等一段弧形钢板施工完毕后，待到下一段壁筒的钢骨架焊接完毕后，等混凝土初凝到一定的强度后，就撤去模板，继续进行下一段的施工，如此循环。考虑到施工缝的影响，可以在每段混凝土的连接处辅以长400～500mm、直径16～20mm的光圆钢筋在连接面上均匀布置，防止两次浇筑混凝土在此处产生裂缝。

新支护形式无论是盾构机施工还是新奥法施工，都可以使用。盾构机在推进时可以将型钢骨架钢板壁筒做为千斤顶的依托，而且省去了盾构机管片自动拼装装置，降低了成本［3］。

3 支护方法对比分析

3.1 施工安全性

对比锚喷支护，在锚杆施工时对周边围岩的扰动性比较大，提高了隧道监控量测的难度，同时作业面附近已施工区域受混凝土养护影响，强度难以快速保证施工安全性，这些都增加了施工人员作业的危险性。新的支护结构具有初期一次衬砌支护的作用，当型钢骨架和钢板快速安装完毕后，就可以起到临时支护的作用，浇筑完混凝土后，结构整体强度会迅速提高，为施工人员提供安全的作业空间。

3.2 施工进度

新的支护方法在盾构法和新奥法施工中都可以使用，所以进度影响主要表现在隧道支护施工时间的长短上。盾构机采用管片自动拼装，速度要比钢板混凝土施工快，但是机械维修和检查会随着机械化程度的提高而愈加频繁［4］。新奥法施工时，复杂的工序无疑延缓了施工进度，相比之下，钢板混凝土支护缺少了大面积的拆模工作，工序少的多，同时受混凝土养护时间的影响也小，缩短了工期。

3.3 防水性能

国内外隧道防水的方法主要有衬砌防水、排水法防水以及注浆防水等几种常用隧道防水做法。排水防水方法对于上述3种隧道支护施工方式都适用，区别不大，这里不再赘述［5］。

衬砌防水方面，管片接缝处是盾构隧道渗漏水的主要位置。受国内水膨胀材料研发水平和隧道防水等级的要求，有时候需要进行2次衬砌防水，无疑加大了施工成本。新奥法主要防水方法有复合衬砌、单一衬砌。复合衬砌存在以下问题：初期支护难以保护；防水板间的连接方式不易得到保证，焊接工艺要求高；防水板在隧道壁上的固定方式难以保障；二次衬砌施工时易将防水板撞破［6］。

钢板混凝土支护结构能够实现混凝土的无缝对接，避免接缝透水，这一点和单一衬砌相同，不过免去了单一衬砌对混凝土材料本身特殊的设计，只需要采用较高抗渗等级的防水混凝土（＞S8），提高衬砌本身防水性能。

3.4 承载能力

假设一个工程概况，在计算中，地面荷载取为20kN／m2，隧道埋深为9.0m，上覆土的容重为20kN／m2，隧道位于粘土层中，其侧压系数为0.6，基床系数为30MPa／m，隧道的开挖内径为6.3m，按水土合算，混凝土选择C50。

用ANSYE有限元软件建立模型，模型用匀质圆环模型来模拟钢板混凝土壁筒和预制钢筋混凝土管片的内力和变形分析，得出内力和变形的范围值，为盾构隧道的衬砌结构设计提供依据。

以前者为例，用BEAM3梁单元模型来模拟型钢骨架钢板混凝土衬砌结构，BEAM3WE为2D弹性梁单元，模型被划分为60个弹簧单元，每个弹簧单元由2个节点连接而成，一端与围岩相连，一端与衬砌结构相连，需要在衬砌结构上外周边即1～60的节点上施加X，Y方向节点应力。带荷载和边界条件的有限元模型如图3所示。

图3 带荷载和边界条件的有限元模型

经过ANSYS求解后处理工作，得到钢板混凝土支护结构和钢筋混凝土管片支护结构在350mm壁厚时，结构的每个节点的弯矩、剪力、轴力的值，以及每个节点的位移值大小，可以用命令“PRETAB，SMIS6，SMIS12，SMIS1，SMIS7，SMIS2，SMIS8”及“PRNSOL，DOF”，将值图导出来，限于篇幅不再贴出，其部分计算结果见表1。

表1 有限元计算结果比较

通过表1可以看出，钢板混凝土衬砌结构发生最大位移的节点的变形量为0.48mm，最大压应力为14.4MPa，最大拉应力为1.75MPa。从文献［7］可以查出，C50混凝土的抗压强度设计值为23.1MPa，抗拉强度设计值为1.89MPa，可以看出，压应力和拉应力都在C50混凝土的强度设计值范围内，是符合要求的。同时3个值都要小于预制钢筋混凝土管片衬砌结构。

350mm壁厚钢筋混凝土管片支护结构最大拉应力为2.43MPa，大于钢板混凝土的1.78MPa，值不一样的其中一个原因和两者的刚度有关，是钢筋混凝土管片衬砌结构的刚度比钢板混凝土管片衬砌结构小（经过计算，同壁厚情况下两者用钢量比值为1∶1.44，前者用钢量偏多），钢板承受的拉力比重大于钢筋承受的拉力比重造成的［8］。