基于隧道钢拱架支护的失稳破坏分析与对策研究

2017-03-01王林海

黑龙江交通科技 2017年5期

关键词：惯性矩钢架隔板

王林海

(贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州贵阳 550001)

基于隧道钢拱架支护的失稳破坏分析与对策研究

王林海

(贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州贵阳 550001)

隧道施工中经常用到钢拱架作为支护，但在实际支护过程中，钢拱架很容易出现失稳破坏，为整个隧道施工带来潜在风险。因此，本文对隧道钢拱架支护失稳破坏的现象和具体原因进行分析，并对隧道钢拱架失稳破坏的应对策略进行探讨，其包括钢拱架翼缘宽度的增大、横向隔板的增加和钢拱架连接三个方面来进行，对其中最佳的应对策略进行选择。

隧道；钢拱架支护；失稳破坏；分析；对策

1 隧道钢拱架支护失稳破坏的现象和常见原因

1.1 失稳破坏的现象

通常情况下，山岭公路隧道中最容易出现钢拱架失稳破坏的情况，因为这些地区的岩层具有特殊的结构和复杂的性质，很多不稳定因素都会对钢拱架支护造成影响。比如南方某山岭公路隧道中，其岩层地质构造不仅存在较高的发育程度，还有破碎和褶皱等情况，导致施工面临很大阻碍。在经过专业人员的勘测测量以后，确定该隧道施工部分的岩层为Ⅳ级别到Ⅴ级别，需要通过管鹏超前支护的方式来进行。首先进行台阶开挖，并使用爆破法来进行，在上台阶以后将钢拱架进行架设，其型钢架为H型。在完成架设以后，需要立刻喷锚钢拱架，形成有效的一次支护，然后利用混凝土浇筑进行第二次支护，而对于一些特殊区段则需要使用钢筋混凝土支护。

在该隧道工程中，其主要支护主体为H型钢拱架，在一次支护过程中，发现隧道一些区段的顶板下沉情况严重，其中最多下沉的区域超过了850 mm，这将会影响到二次混凝土浇筑支护，更可能使隧道有效断面设计出现难题。为了解决该问题，该施工方对钢拱架之间的距离进行了缩减，由原来的850 mm下降到480 mm，并对钢拱架的数量进行了相应的增加。在完成这些处理方法后，虽然有所程度的缓解了隧道顶板的下沉情况，但并没有有效的控制该情况，整个隧道施工都将因为沉降量而造成影响。

1.2 钢拱架失稳破坏的实际原因

首先，需要从多个角度来分析钢拱架发生的失稳破坏。基于钢拱架自身来讲，H型钢架为本次隧道施工主要使用的，其断面较窄且高，主平面的抗弯能力将能很好的表现出来。同时，这对侧向刚度和抗扭刚度而言则相对较小。如果主平面中是比较小的荷载，则钢拱架的弯曲平衡稳定能够有效保持。而在不断施工的过程中，荷载会随之不断增大，继而减弱钢拱架的侧向支撑，使主平面的导向弯曲在还没有到达挠曲以前就发生了，更可能出现严重的扭转情况，形成钢拱架的失稳破坏。

从其中可以发现，钢架强轴为X轴，钢架弱轴为Y轴，钢拱架的抗弯强度和扭动惯性矩会因为绕X轴而较大的产生，如果绕Y轴则相反，扭动惯性矩和抗弯强度的产生都比较小。同时，H型钢拱架可以通过力学公式实现计算，即IX=t(8bt2+6bh2+12bht+h3)144,IY=t(2b3+t2h)/12。在该公式中，每个符号所代表的内容为，第一是IX，其代表的是钢拱架绕X轴转动产生的转动惯性矩；第二是IY，其代表的是钢拱架绕Y轴转动形成的转动惯性矩；第三是b，其代表的是翼缘宽度；第四是t，其代表的是翼缘和腹板的厚度；第五是h，其代表的是腹板高度。

2 隧道钢拱架失稳破坏的策略研究

2.1 钢拱架翼缘宽度的增大

从理论角度来分析，钢拱架翼缘宽度的适当增大，能够对钢拱架弱轴平面转动惯性矩产生有效的提高作用。但是需要注意的是，如果过大增加钢拱架翼缘宽度，则会对局部稳定性造成影响，反而降低了钢拱架的支护效果。所以，钢拱架翼缘宽度的增大需要根据几个方面的因素来确定，第一是隧道施工的实际情况；第二是钢拱架的材料信号；第三是岩层基本性质等，以合理的调整钢拱架支护结构。同时，对于隧道施工而言，该方法的实施会有很大的困难和复杂性，其在实际施工中并不常用。

2.2 横向隔板的增设

通过对横向隔板的合理增设，钢拱架受弯梁自身的跨度可以得到明显的缩短，继而提升弱轴平面的抗扭性能。在这个实施过程中，横向隔板增设可以等同于滑动支座的原理，对失稳临界载荷起到了有效的提高，并进一步提高钢拱架的支护效果。但是该方法也存在一定的弊端，因为横向隔板发挥的作用是有限制的，其主要是对滑动侧向约束，在隧道施工中的使用概率也相对较低。所以，在实际施工过程中，应结合具体施工情况来确定是否增设横向的隔板。

2.3 钢拱架连接

对于钢拱架的连接而言，其能有效减小钢拱架自身的长度，并在支护效果得到提高的同时，利于施工的操作。在实际施工过程中，通过钢拱架的连接，让其形成为一个整体，以有效转移同一个钢拱架之上的载荷。这样一来，其不仅可以将闲置的钢架有效利用起来，还能实现单个钢拱架承受载荷的大程度降低，最大化的应用了已有资源。除此以外，侧向约束也能通过钢拱架连接来实现，如果具有良好的连接程度，还能将其看做为铰支座，其不仅能够使受弯梁的自身跨度得到减少，还能实现抗曲临界载荷的提高，并能对承载性能加以强化，是目前隧道施工中较为常见的一种支护方案。同时需要注意，主平面受载的钢拱架失稳破坏属于一个复杂的问题，其表现形式也非完全一样，钢拱架承载能力的发挥和各种失稳破坏的临界载荷是有直接关系的。所以，在进行实际隧道施工过程中，需要考虑到方方面面，以有效优化施工设计，保证工程设计的最大化效益。