新型隧道支护体系钢架选型对比试验研究

2021-02-25杨志男

铁道标准设计 2021年2期

刘军,常舒,杨志男,韩旭

(北京建筑大学土木与交通工程学院,北京 100044)

引言

在隧道建设中，钢拱架作为初期支护的主要构件，能够稳定土体压力，控制结构变形[1-2]。目前国内外针对支护结构的变形和风险规避已经做了很多研究[3-8]，田明杰[9]等为保证隧道自稳，通过对初期支护进行优化，提出优化方案，成功缩短了施工工期；金强国[10]为解决郑万高铁大断面隧道建造过程中的支护结构安全和经济问题，提出支护参数优化方案，保证了隧道安全与稳定，并降低了成本；李书兵[11]基于现场试验监测，通过数值模拟分析了初期支护结构受力情况，与现场量测数据相符，较好地反映了初期支护受力特征，为建立科学支护体系提供了参考。尽管有如此多的研究，但是国内外对初期支护钢拱架是采用型钢还是格栅及其适用性仍旧存在不同观点。

城市轨道交通工程中，为了满足地铁运营功能要求，需要设置停车线、折返线等特殊暗挖地下区间。在地铁隧道施工时，传统的矿山法隧道是在断面开挖后，及时采用钢架、钢筋网或连接筋、混凝土等结合的方式支护，以保证隧道开挖结构的安全性。但该工法存在很多问题，需拆除临时支撑，且结构受力转换次数多，施工过程中安全性不能得到保证等[12-14]。

为增强结构安全，避免出现上述工法存在的种种弊端，提出了新型矿山法隧道支护体系，并在北京地铁16号线起点—北安河站区间地下新型隧道施工中应用[15]。该支护体系以钢支撑作为初期支护，二衬和防水独立施作，具有施工方式简便、施工造价低等优点[16]。但是新型隧道支护体系仍存在一些尚未解决的问题，比如初期支护中纵向连接筋的连接方式对型钢钢架受力特性有何影响；型钢喷射混凝土与格栅拱架喷射混凝土的承载力和变形有何不同等。

在隧道复合式衬砌形式中，支护体系对于整个施工过程十分关键，其中初期支护起着核心作用[17]，能够有效控制结构的变形，增强稳定性[18]。隧道施工中钢支撑一般采用型钢和格栅两种，选择哪种支护种类是非常重要的[19-21]。因此有必要通过试验研究型钢拱架与格栅钢架承载力及受力变形特征。

1 试验概况

1.1 构件设计

型钢钢架与格栅钢架对初支结构性能对比试验构件编号为X，见表1。实验室制作钢架喷混构件：2.5 m×1.68 m型钢构件，2.5 m×1.802 m格栅构件，厚度为300 mm，型钢采用工20a，Q235钢材，材料屈服强度f=215 MPa，fv=125 MPa，φ6 mm钢筋网，150 mm×150 mm(迎土侧)搭接一个网格，混凝土强度等级采用C30，详见图1、图2。基于试验目的，纵向连接筋设置为焊接和插入式连接两种，见图3。

表1 构件设计参数

图1 构件型钢平面布置(单位:mm)

图2 构件钢格栅平面布置(单位:mm)

图3 插入式连接示意

本次试验共计8个构件，每组2个，所有试验构件需严格按照上述尺寸加工制作，且考虑到加载的精确性，构件表面需要抹平。构件现场制作照片见图4。

1.2 试验加载与数据量测

本次室内试验的目的在于，通过试验获得两种结构的裂缝扩展及破坏受力规律，以及两种结构的承载力情况。事实上，隧道钢架属于偏心受压构件，然而室内试验的钢架属于纯弯曲钢架，在结构受力上，前者明显优于后者。因此，型钢和格栅钢架室内试验在一定程度上能够反映型钢钢架和格栅钢架的受力、变形和破坏特征的不同。

在实际情况下，作用在初期支护结构上的围岩荷载分布往往是不均匀的，且受试验条件限制，按《混凝土结构试验方法标准》，故试验将均布荷载等效简化为四分点集中力来模拟。如图5所示。

本次试验加载装置如图6所示，试验构件主要受力由4榀钢拱架承担，在不考虑混凝土作用，以1榀工字钢拱架为对象计算荷载，四分点荷载状态下(假设每个四分点荷载均为F)，梁中最大弯矩为Fl(跨中)，最大剪力为F(支座)，由于工字钢浇筑在混凝土内部(不考虑其整体稳定性)，为使构件达到破坏状态，故

My=Fl≥fyWx=50.955 kN·m⟹F≥88.62 kN

V=F≥fvIxt/Sx=1.50 kN⟹F≥1.50 kN

图6 试验加载装置示意

因此，在仅考虑工字钢梁的情况下加载千斤顶至少需要提供708.96 kN推力，考虑到上述荷载计算未考虑钢筋网片以及混凝土作用，且未减去加载梁和分配梁自重，所以最终确定选用最大荷载为2 000 kN的千斤顶。

构件主要受到弯矩作用，可能出现的破坏情况是：自混凝土受拉区出现裂缝不再受力之后，拉应力全部由工字钢承担，直到工字钢出现屈服并破坏。试件的工字钢屈服点在708.96 kN左右，但在这之前混凝土已经产生较大裂缝，保守认为千斤顶推力达到30 kN左右，混凝土将出现裂缝。试验采用分等级单调加载，初始加载时，按承载能力计算值0.2倍设置每级承受加载值；超过设计值后，每级承受加载值为承载能力计算值0.1倍；当构件出现明显弯曲后，每级承受加载值为0.05倍的承载能力计算值。此外，15 min是每级加载完成后的持续荷载时间，且每级持荷间隔时间相等。首次试验每级加载的数值为承载能力计算值的0.1倍，出现明显弯曲后，每级加载值适当放慢以防止出现意外状况。

试验进行过程中，要进行数据的实时量测，量测的内容有荷载、位移、裂缝和应变。其中荷载和位移用量测传感器(量测传感器与16通道采集板相接)直接量测；应变通过粘贴应变片测得；裂缝通过试验开始前在试件侧面涂刷的白色石灰浆观测，并绘制100×100的网格以便在试验过程中在侧面上画出混凝土裂缝。混凝土裂缝应从小到大编号以区别裂缝产生的先后顺序，如图7所示。试验中量测传感器应按要求保质保量安装，对于预埋传感器，应做好足够的保护措施(防水措施、抗压措施)。

图7 混凝土裂缝绘制示意

2 型钢喷混初支结构承载力优化分析

2.1 构件破坏情况

各构件破坏情况如图8所示，裂缝通过实验前在试件侧面涂刷的白色石灰浆观测得到。

图8 各构件加载开裂情况

构件A，采用焊接式纵向连接筋，加载到200 kN时，2条竖向裂缝出现在跨中区域纯弯段，裂缝延伸长度为构件高度的25%，加载到600 kN时，4条垂直于长边的裂缝在剪弯段呈对称出现，伴有2条斜裂缝，裂缝长度延伸至构件高度的35%。继续加载至1 620 kN时裂缝数目达到最多，共计10条，裂缝长度最长达构件高度的84%，接近受压区。

构件B，采用插入式纵向连接筋，受加载条件限制，荷载最多加载至2 000 kN，由于记录人员疏忽，实际荷载应为记录荷载2倍。加载至400 kN时，在跨中区域的纯弯段出现1条垂直于构件长边的裂缝，裂缝长度达到构件高度的17%。加载至1 280 kN，在剪弯段有5条垂直裂缝成对称出现，裂缝长度延伸至构件高度42%。继续加载至1 920 kN时，裂缝数达到7条，裂缝长度最长至构件高度的67%。

构件C，采用迎土侧焊接，背土侧套筒连接，加载到600 kN时，在跨中区域纯弯段出现2条竖向裂缝，裂缝长度是构件高度的26%。加载到1 520 kN时，在剪弯段出现了3条纵向裂缝，并伴有4条斜裂缝，裂缝长度延伸至构件高度的34%。继续承载至1 720 kN时，共达到9条裂缝，裂缝长度最长至构件高度的66%。

综上所述，从纵向连接筋的连接方式上来看，采用插入式连接筋，裂缝的开展变慢，开裂程度较小，斜裂缝数目减少，可以看出，构件的承载力明显高于其他两种方式，其次，插入式连接是通过套筒连接在型钢上，减少焊接造成的损坏，连接的效果更好。

2.2 荷载-位移关系

图9反映出不同连接筋设置情况下的构件A、B、C荷载-位移关系曲线，可以看出，三构件在持荷过程中，位移与荷载呈对应增长变化，构件A、C在荷载处于1 780,1 290 kN时，处于弹塑性阶段，接近屈服点，且构件A、C的曲线形式接近；而构件B在持荷至1 750 kN时，还未屈服。对比构件A、B，在荷载加载至800 kN以前，构件A、B在相同荷载下的位移基本一致，荷载超过800 kN之后，构件B相对于A构件所能承担的荷载更大，比如在位移为6 mm处，构件A所承受的荷载是构件B的85%；而对比构件B、C，施加力至1 200 kN之前，同一荷载下构件C的位移稍小于构件B，但构件C已为弹塑性阶段，构件B还未达到屈服，荷载超过1 200 kN之后，构件B相对于构件C所能承担的荷载更大，比如在位移6 mm处，构件C所承受的荷载是构件B的86%。

图9 荷载-位移曲线

由此可见，在加载初期，构件C的承载力水平稍强于其他两个构件，但在加载后期，构件B承载力水平明显高。故迎土侧和背土侧均采用插入式连接筋更能够有效提升结构的承载力水平，约束构件的变形，而且在荷载加载初期，混凝土主要承担荷载，纵向连接筋随着荷载的增加开始发挥作用，型钢与其协同受力，共同抵抗变形，可看出，构件B在此过程中优势更加突出，更能够抵抗塑性变形，提高承载力水平，对提升支护的整体性起到关键的作用。

2.3 应变-荷载关系

图10、图11曲线中，随着受力增大，构件A、B、C历经了弹性变形和弹塑性变形阶段。

图10 混凝土应变-荷载曲线

图11 型钢应变-荷载曲线

图10中构件C的混凝土应变值明显高于其他构件，当荷载加载至800 kN之前，构件A、B、C的受力特性基本一致，当荷载加载至1 310 kN，C构件接近屈服点，应变值达到了412 με，此时构件A、B应变值分别为构件C的35%，18%，仍处于弹塑性变形阶段。图11中构件C的型钢应变也明显高于其他构件，当荷载加载至1 200 kN时，构件C的应变值达到890 με，此时构件A、B应变值分别为构件C的6.7%，4.5%。

纵向连接筋设置能够使型钢与混凝土的联系更加紧密，并能在不同程度上参与结构受力。加载初期，主要是混凝土承担受力，连接方式的不同引起的变化甚微，但是在加载后期，型钢参与受力，连接筋优势凸显，不同连接方式的型钢、混凝土应变均发生改变，其中构件C的应变增长速度急剧加大，构件B的应变增长最少。由此可以看出，迎土侧和背土侧均采用插入式连接筋能够在很大程度上减少构件变形，提升承载力水平。

图12为各构件连接筋的应变-荷载曲线，当荷载加至1 000 kN之前，构件C的应变值低于其他构件，但是其应变增长速率随着荷载的增加远大于其他构件，存在受力状态不稳定的情况；当荷载超过1 000 kN之后，构件C的应变值明显增大，此时构件A应变随荷载增大斜率在不断增加，而构件B的应变值最小且趋于稳定；当荷载为1 600 kN时，构件B的应变值为330 με，而构件A、C应变值分别达到B的179%，230%。

图12 连接筋应变-荷载曲线

由此得出，在荷载加载至1 000 kN之前，构件C连接筋的应变均小于其他两个构件，说明早期构件C连接筋力学性能更强；随着荷载增大，型钢钢架的迎土侧和背土侧均采用插入式连接筋更能发挥连接筋的连接能力，连接效果更佳，在减小变形的情况下承载能力得到更大的提高。

3 钢架选型承载能力对比试验

通过前文对比分析了不同纵向连接筋对型钢承载能力，发现迎土侧和背土侧均采用插入式连接的构件B相对来说承载能力最好。为对比型钢与格栅喷混初支结构承载能力差别，故选取相同纵向连接筋插入方式的构件进行对比。

3.1 构件破坏情况

构件B的开裂破坏情况见图8(b)，构件D的开裂情况见图13。

图13 构件D开裂情况

裂缝扩展情况：加载初期，钢筋混凝土构件表现出典型的弯曲性能，构件内部受力较协调。随着荷载增加，钢筋传递纵向剪切力于混凝土，首先在构件中间底部受压区出现裂缝；然后由于不同轴拉拔作用，试件两端底部的垫块产生局部应力，导致裂缝数量于构件的端部及局部，随着荷载的增加而不断增多；当荷载达到构件屈服荷载时裂缝数量不再增加，但其长度与宽度逐渐变大，当裂缝延伸至混凝土受压区时就不再扩展，其宽度达到2～3 mm。

从图13可知格栅钢架的受力破坏情况，加载初期，构件在跨中部分受拉区只有细小的竖向裂缝，随着受力增大，跨中部分受拉区出现了纵向曲折裂缝，构件端部斜裂缝开展并增多，并且从端部一直向上延伸至跨中受压区。

从型钢构件的破坏情况可以看出，在破坏形态上，型钢与格栅存在显著不同。型钢钢架的裂缝数目在接近构件极限荷载时增多，裂缝长度延伸至构件高度的2/3，但是型钢钢架未出现斜裂缝，从整个试验过程可以看出，型钢钢架的受力情况要显著优于格栅钢架。

3.2 试验结果及分析

3.2.1 荷载-位移关系

图14为构件B、D的荷载-位移关系，在加载早期，型钢钢架与格栅钢架的位移差距很小，两者变化均成正比，但在后期，荷载-位移曲线出现弯曲，但是型钢的强度储备高于格栅，相同荷载情况下，格栅钢架位移显著大于型钢钢架，而且差距在不断增大，例如在荷载为1 200 kN时，构件D的位移为构件B的240%，由此可以看出，型钢钢架的刚度要大于格栅钢架，而且承载力水平比格栅高。

图14 荷载-位移曲线

3.2.2 应变-荷载关系

图15、图16分别为型钢与格栅应变-荷载关系及混凝土的应变-荷载关系，可以看出，两者的应变-荷载均经历了弹性、弹塑性变化阶段。图15中在相同荷载下，格栅应变明显高于型钢，在荷载为1 600 kN时，构件D的应变达到了构件B的230%。图16中在相同荷载下，格栅构件混凝土应变高于型钢构件，在荷载为1 400 kN时，构件D的应变达到了构件B的192%。

图15 型钢及格栅应变-荷载曲线

图16 混凝土应变-荷载曲线

在加载前期，构件的承载力主要受到混凝土的影响，在加载至200 kN之前，型钢与格栅混凝土的应变差距很小，所以初期对结构承载力的影响甚微，在加载后期，承载力主要受型钢和格栅构件的影响。可以看出，型钢与格栅的应变差距在显著增大，相比于格栅构件，型钢构件的优势体现出来，因此，型钢相较于格栅能有效提高结构的承载能力。

从图15、图16可知，在相同荷载下，加载初期型钢与格栅构件同混凝土的协同作用相差很小，但是在后期加载中相差明显，在荷载为1 200 kN时，型钢及格栅的应变分别为37，114 με，相对应混凝土应变分别为73，147 με，型钢应变与混凝土应变相差36 με，而格栅应变与混凝土应变相差33 με；在荷载为1 600 kN时，型钢与格栅应变同混凝土应变相差分别为51，35 με。由此可得，格栅钢架和混凝土的结合力好，更能协同工作，共同受力；型钢截面和刚度大，在喷射混凝土未到某一强度前，其可单独受力，但混凝土喷射密实较难，协同作用相对较差。

钢架混凝土构件之间存在协同作用，当混凝土开裂使得钢筋应力沿轴向变化时，周围混凝土就会提供粘结应力，内力在钢筋及混凝土间传递，实际受荷时，格栅与混凝土接触的面积大，因而粘结作用更好，而型钢构件与混凝土有相对滑移的趋势，传力效果较弱。由以上分析可知，采用插入式连接筋的钢架，在加载前期，型钢钢架与格栅钢架受力特性相差不多，两者的差距均在加载后期逐渐变大，体现出型钢钢架的刚度大，相较于格栅能够有效提升承载能力，但是其与混凝土的粘结协同作用较差。