结合梁式仰拱与空间受力钢架在大跨度土质偏压隧道初支设计上的运用研究

2021-11-26幸芊张正禄

重庆建筑 2021年11期

幸芊，张正禄

（1重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2中机中联工程有限公司，重庆 400040）

0 引言

随着我国城市建设的快速发展，近年完成的城市隧道设计断面越来越大。许多西部地区的山地城市出现大量的土石方平场，使得很多隧道需要面对深厚的人工回填土地质，以及在人工填土边坡内穿过的偏压情况。而这类隧道的初期支护需要承受较大的荷载，此时如何保证初期支护结构的可靠性是控制施工风险的关键所在。

隧道的初支结构设计与其采用的工法相关，一般来说，地质条件较差和隧道洞跨较大时，施工中初支结构存在临时支撑和最终成型两种状态，以保障施工过程的安全。对于这类隧道目前已有大量的研究成果。于丽等[1-2]基于非线性Mohr–Coulomb准则和极限分析上限法，以及围岩破坏形态和破坏机理建立了分析模型，推导研究了土质隧道的破坏方式。程小虎等[3]从理论上研究了判别无衬砌浅埋土质隧道的稳定性方法。杜立新等[4]通过对拱架内力的施工监测，分析初支结构内力变化规律及分布特征。来弘鹏等[5]从施工工法的角度，研究了大断面土质隧道施工安全控制技术。庄丽等[6]通过离心试验手段，研究浅埋大跨度土质隧道的变形和稳定性特征。袁冉等[7]采用土体非共轴各向异性的本构模型，对土质隧道进行数值分析研究。以上研究解决了隧道施工过程的特殊问题，但在实际工程中，尚存在一个特殊的不利阶段，需引起重视，即初支拆除临时支撑至二次衬砌成型之前的这一时段，初支拱架处于跨度最大的“裸拱”状态。穿越土层的大跨度偏压隧道这一最大跨度状态更面临特殊问题：

（1）土质地质隧道拱墙部位围岩的弹性抗力较小，无法提供有效抑制拱架侧向变形的能力，导致初支拱架产生较大的弯矩与变形；

（2）受偏压荷载时，隧道初支钢架拱脚及拱腰部位会产生较大的弯矩；

（3）大跨度土质隧道初支钢拱架承受的围岩荷载释放比例较常规的隧道更高。特别是在喷射混凝土强度尚未形成时，围岩压力主要由钢架承受[8]。钢拱架承受的围岩荷载释放比例宜按80%以上考虑，才能保证施工的长期安全；

（4）隧道初支拆除临时支撑至二次衬砌成型之前的这一时段持续时间越长，实际的荷载释放比例将持续增大[8]，施工风险也会增大，故工法上最理想的是：钢架要么在有临时支撑结构辅助之下受力，要么能与二衬结构共同受力，尽可能缩短钢架“裸拱”受力的时间；

（5）大跨度深埋土质隧道围岩压力实际空间分布状态为两侧大、拱顶及仰拱小[9]，增加了拱架的稳定性风险。

基于以上问题，提出如下解决思路：

（1）在初支设计上提供一种有较大刚度的结构，能抑制拱架侧向变形；

（2）通过结构优化设计，尽量使钢拱架上的内力分配均匀合理；

（3）结构优化设计时，结合工法的优化，尽可能缩短钢架“裸拱”受力的时间，减小荷载释放的比例。

1 研究项目简介

本文以重庆市火凤山隧道穿越斜坡回填土区段为研究背景，提出新的设计方案进行分析。重庆市火凤山隧道为三车道隧道。隧道起点区段有大约150m范围属于土质地层，其中前部分为偏压地层，衬砌受力非常不利。设计时将斜坡上部削方减载，减少土体的下滑力，下部土体适当堆载，增加抗滑力；隧道周边土体注浆加固，提高土层抗力。

图1 土质斜坡区域典型剖面图

2 结合梁式仰拱

2.1 基本思路

该段隧道按偏压情况计算分析，初支内力非常大，特别是拱脚、拱腰部位的弯矩过大，需要采用双层钢拱架，给施工带来诸多困难。

从初支拱架的受力分析可知，拱墙区域围岩对拱架的弹性抗力能阻止拱架的变形，从而有抑制拱架内力和变形的作用；仰拱部分属于完全弹性地基梁，能进一步加强拱架的基础刚度，抑制上部拱架的内力和变形。现提出一种优化仰拱构造工法：

（1）仰拱二次衬砌施工期间，不拆除拱架中部的临时支撑，待拱、墙二衬施工时再切割拆除。这样可以压缩裸拱初支独立支撑荷载的时间，有利于减小荷载释放的比例，减小施工风险（图2）。

图2 施工纵向示意图

（2）将仰拱二衬与初支钢架浇筑为一个整体，形成一个下缘为型钢混凝土、上缘为钢筋混凝土的结合梁。为使仰拱形成对上部拱架的有效约束刚度，将初支结构的仰拱部分变为结合梁结构，仰拱初支与仰拱二衬之间采用强度较大的剪力键连接传递剪力，从而通过刚度分配初支的内力。具体设计如图3所示。

图3 结合梁式仰拱结构示意图

2.2 方案计算分析

大跨度土质隧道采用“荷载-结构法”进行计算。建模方式如下：将喷射混凝土层与钢拱架视为整体进行内力计算，共同分析其承载力，周边岩体对结构的弹性抗力应按完全的弹性地基梁计算。建立数值分析模型，如图4所示，将钢筋混凝土的仰拱二衬模拟为梁单元，初支采用刚度换算原理，折算成混凝土梁单元，其刚度按混凝土和型钢的刚度折算[10]。二衬仰拱与初支钢架支架采用弹性连接模拟。荷载释放比例统一按80%考虑，并按设计最大偏压情况考虑。

图4 结合梁仰拱初支结构的数值计算模型

2.3 方案计算结果比对

偏压情况下拱架弯矩计算结果如表1所示，通过钢筋混凝土仰拱的内力分配作用，初支钢架上的拱脚弯矩仅47kN·m，减少81%，可见结合梁式仰拱可有效减少拱脚弯矩，适当减少拱墙弯矩，对拱顶弯矩无影响。

表1 内力优化结果汇总表（单位kN·m）

变形计算结果如表2所示。可见，结合梁仰拱有效限制了拱墙的侧向变形，同时也减少了拱顶下挠。

表2 变形优化结果汇总表（单位mm）

3 空间双向受力的空间钢架结构方案

3.1 基本思路

在上述方案的基础上再作如下考虑：对隧道的开挖与支护，掌子面方向因为采用了“CRD法”的工艺，中间设有临时支撑钢架，有效减少了洞跨；而二衬浇筑方向，因为二衬形成支撑，也有较好的支撑刚度。而介于初支临时支撑钢架刚刚拆除与二衬尚未浇筑的范围内，初支结构处于最大跨度的“裸拱”状态，于是考虑将这一受力最不利范围的结构内力向两侧支撑刚度较好的区域进行分配，参照建筑结构中双向受力的框架梁结构，考虑在初支钢架的内侧设置纵向连接钢梁。纵向连接钢梁、纵向连接钢筋与环向钢架焊接成整体，结合预支护的超前导管系统，形成一个强大的空间钢架受力体系。具体布置如图5所示。

图5 钢架的空间布置图

3.2 空间双向受力钢架方案计算分析

建立数值分析的空间模型，如图6所示。

图6 考虑纵梁内力空间分布作用的计算模型

模型考虑纵梁内力空间分布作用，纵向裸拱段按8m考虑。初支折算成混凝土梁单元。纵向分配梁直接按型钢截面建立梁单元，梁单元一端支撑在二衬上，一端支撑在设有临时支撑的钢架区段内。

3.3 计算结果比对

变形计算结果如下：根据空间纵向各环刚架的变形分布图（图7），发现靠近二衬形成方向和有临时支撑钢架的方向变形较小，介于有临时支撑钢架与二衬形成支撑之间的中间范围变形较大。但因为纵向钢梁的作用，将变形分配了一部分到两边，此时最大5.9mm，而不考虑空间效应时（图8）为7.8mm，改善24%。结果对比详见表3。

表3 初支结构位移分布的比对表（单位mm）

图7 采用空间钢架方案的钢架变形分布云图

图8 采用常规钢架方案的钢架变形分布云图

弯矩计算结果汇总，如表4所示。考虑纵梁空间分配内力作用下初支的弯矩分布存在明显的空间效应，纵向分配梁起到了分配内力的作用。此时，中间受力最大部位拱顶弯矩31.2kN·m，而不考虑空间效应时，拱顶弯矩42.4kN·m，改善26.4%。且纵向8m长的裸拱区域，大部分区段弯矩趋于减小，有效减小了施工期间的风险。