隧道初期支护钢拱架早期承载性能试验研究

庄一舟, 薛琛博, 郑国平, 李长俊, 冯 展, 陆钰铨

(1.浙江工业大学土木工程学院, 浙江 杭州 030014; 2.浙江数智交院科技股份有限公司, 浙江 杭州 030014)

0 引言

我国山岭公路隧道设计和施工普遍采用新奥法，并采用复合式衬砌结构。在围岩条件较差的地段、洞口段、浅埋段或地面沉降有严格限制地段，通常需要在喷射混凝土层中增设钢拱架以提高初期支护承载力。目前常用的钢拱架类型主要有型钢钢架和格栅钢架2种，其中，型钢钢架由H型钢或工字钢等制作，而格栅钢架由主筋、八字筋、U型筋、匝筋和角钢连接板组成。根据现行《公路隧道设计规范》[1]，推荐采用格栅钢架支护。然而，由于格栅钢架存在加工复杂、焊接质量难控、初期强度偏低等问题，实际工程中大量采用型钢钢架代替格栅钢架。

为推广格栅钢架的使用，学者们针对不同类型钢拱架的构造选型、力学性能、质量控制等进行了一系列研究。Choi等[2]的试验研究表明，在格栅钢架内部增加U型蜘蛛网筋可以提升格栅钢架的最大承载能力；Kim等[3]针对格栅构造的不足，研发了新型矩形格栅，并验证了新型矩形格栅的适用范围和优缺点；龚铖[4]的试验研究表明，双线H180腹筋优化型与标准型在极限承载能力上和破坏形式上相差无几，采用优化型可以降低钢筋用量，节约成本；王刚等[5]的模型试验研究表明，格栅钢架的腹筋直径减小对其极限承载力没有任何影响；谭忠盛[6]、宋远等[7]的对比试验研究表明，高强格栅和钢管钢架与传统格栅钢架相比，在承载力和适用性方面有一定的优越性；陈军浩等[8]的试验研究表明，拱架采用双拱形式比单拱形式具有更好的力学性能，外立柱比内立柱可多分担50%的荷载；Nomikos等[9]的试验研究表明，分析公式可能不适用于解决一般加载情况，但是通过公式计算荷载与试验检测数据进行比较，可以检验数值模型的准确性；Kim等[10]的试验证明了格栅钢架质量控制的重要性，非标准试件与标准试件相比，支撑性能降低高达18%。此外，文献[11-15]针对不同支护形式的格栅钢架在软弱围岩中的应用研究表明：1)格栅钢架适用于Ⅳ、Ⅴ级围岩，且变形收敛值、钢架应力、喷射混凝土应力均在允许范围内；2)提出的“先柔后刚”支护模式，使围岩应力在变形中得到有效释放，减小了对支护体的压力。

综上所述，已有文献多数集中在钢架与混凝土结合并达到设计强度后的支护能力研究，对于格栅钢架和型钢钢架力学特性对比研究较少，尤其缺乏受荷初期阶段的研究。为此，本文通过室内模型试验，研究不同龄期混凝土对钢拱架基本构件受力特性的影响，横向比较不同类型钢拱架的力学性能，总结不同类型钢拱架的适用范围和结构优化方式，以期为实际工程提供理论依据。

1 试验设计

1.1 试件设计

本文所涉及的2种格栅钢架模型示意图见图1，剖面图见图2。格栅钢架采取HRB400热轧带肋钢筋作为主筋、热轧光圆钢筋作为腹筋和箍筋，型钢选取14号工字钢，不同类型钢拱架用钢量见表1。试验中格栅钢架的截面尺寸是140 mm(宽)×140 mm(高)，喷射混凝土试件保护层厚度为25 mm。试验采用C40混凝土制作试件，混凝土添加早强剂以模拟喷射混凝土强度，各龄期混凝土轴心抗压强度见表2。同时，基于试件加载的可操作性和研究目的，喷射混凝土的龄期定为3、7、14 d。

(a)三肢格栅

(a)三肢格栅

表1 不同类型钢拱架用钢量(每榀)

表2 混凝土各龄期轴心抗压强度

基于以上背景，本文采用模型试验方法，研究不同龄期喷射混凝土对不同类型钢拱架的力学性能的影响。由于试验条件受限，根据庄一舟等[16]的研究结果，本试验利用钢拱架节段代替整拱进行加载分析。通过查阅《混凝土结构试验方法标准》[17]，将均布荷载简化为试件跨中集中力加载，试验工况设置为一端铰接(无水平滑动)、另一端自由滑动。同时，为了全面研究钢拱架的受力性能，本文对钢拱架的裸拱以及不同养护龄期喷射混凝土钢拱架试件进行了试验研究。钢拱架裸拱试验组见表3，喷射混凝土钢拱架试验组见表4。

表3 钢拱架裸拱试验组

表4 喷射混凝土钢拱架试验组

1.2 试件制备

本试验构件加工完全参照隧道施工现场试件的加工方式，将最终的加工误差控制在1%以内。试件详细制作流程见图3。

(a)格栅钢架构件加工架制作

1.3 试验设备

本试验设备采用型号为ZBM2000的电液伺服剪压试验系统，该系统通过控制活塞对试件跨中施加竖向荷载，最大加压荷载为2 000 kN。位移计型号为ZY-DT100，可测得的最大位移为100 mm。钢拱架试件加载及量测装置示意图见图4,其实际现场布置见图5。本试验在试件两侧1/4跨各安装1个位移计，跨中位移由系统自动记录，共3个测点。钢筋应变计安装在跨中上下侧及1/4跨处，共3个测点。

图5 钢拱架试件加载及量测装置实际现场布置

1.4 试验方法

本试验加载时由系统控制活塞对试件跨中施加轴心荷载，采用输入荷载数值的方式进行缓慢加载，每个阶段增加2 kN的荷载(约在30 s加载完毕)，同时在加载完成后持力2 min，来保证试件受力的稳定性。

2 加载试验结果分析

2.1 钢材性能系数

钢拱架性能参数众多，为直观地比较各种类型钢架的综合性能，本文引入钢材性能系数I来反映钢拱架的承载力和经济性。

(1)

式中：I为集中荷载下钢拱架的钢材性能系数；pi为试件的极限破坏荷载(构件加载至破坏时达到的最大荷载)；ρi为试件全部钢筋的质量。

钢材性能系数可科学评价各类钢拱架的承载效率，钢材性能系数越高，其承载效率越高。

2.2 钢拱架的裸拱试验结果分析

不同类型变腹筋直径钢拱架裸拱试验结果见表5，相应的破坏图见图6。

表5 钢拱架裸拱试验结果

(a)三肢格栅 (b)四肢格栅 (c)型钢

由表5可以看出，裸拱状态下型钢钢架的钢材性能系数高于格栅钢架。试件极限承载力和钢材性能系数随着腹筋直径的增加而增大，三肢格栅相较于四肢格栅提升更明显。四肢格栅的极限承载力是型钢钢架的87%，用钢量比型钢高出22%；三肢格栅的极限承载力是型钢钢架的98%，用钢量与型钢接近。

从图6可以看出，在加载过程中，试件跨中区域向单侧倾斜，伴有扭转破坏的趋势，整体变形较大。说明在实际应用中，试件会遭受偏心荷载，建议在实际设计中增加抗扭钢筋的布置。三肢格栅试件均表现为外主筋先屈服而内主筋保持稳定的力学性能，说明内外主筋的直径配比存在不合理性，建议在设计中加大外主筋与内主筋的直径比率，从而提升试件的钢材性能系数以及试件自身的整体性；四肢格栅试件的内外主筋均同步屈服，说明内外主筋的直径配比较为合理，在以后的设计中可以延续这种设计方案。格栅钢架在实际工程中焊接碳点多、运输途中破坏概率大，考虑到三肢格栅的焊缝数量更少、长度更短，当围岩压力较小时选择三肢格栅钢架可以节约更多的工程成本。当围岩压力较大时，选择型钢可以提供更高的承载力。

2.3 喷射混凝土钢拱架的试验结果分析

2.3.1 龄期对钢拱架受力性能的影响分析

混凝土龄期3 d时试件荷载-应变变化如图7所示，相应的加载破坏图见图8，试验结果见表6。从表6可以看出，L3-3的极限承载力是I-3的97.1%，其钢材性能系数是I-3的98.0%；L4-3的极限承载力是I-3的95.4%，其钢材性能系数是I-3的81.2%。

表6 混凝土龄期3 d时试件试验结果

(a)L3-3

(a)L3-3 (b)L4-3 (c)I-3

混凝土龄期7 d时试件荷载-应变变化如图9所示，相应的加载破坏图见图10，试验结果见表7。从表7可以看出，L3-7的极限承载力是I-7的95.4%，其钢材性能系数是I-7的96.3%；L4-7的极限承载力是I-7的91.4%，其钢材性能系数是I-7的77.8%。

表7 混凝土龄期7 d时试件试验结果

(a)L3-7

(a)L3-7 (b)L4-7 (c)I-7

混凝土龄期14 d时试件荷载-应变变化如图11所示，相应的加载破坏图见图12，试验结果见表8。从表8可以看出，L3-14的极限承载力是I-14的94.8%，其钢材性能系数是I-14的95.6%；L4-14的极限承载力是I-7的96.0%，其钢材性能系数是I-14的81.8%。

表8 混凝土龄期14 d时试件试验结果

(a)L3-14

(a)L3-14 (b)L4-14 (c)I-14

基于以上结果可以看出，混凝土龄期对试件钢材性能系数的影响显著。对于三肢格栅试件钢材性能系数，7 d龄期较3 d龄期提升6%，14 d龄期较3 d龄期提升12.5%；对于四肢格栅试件钢材性能系数，7 d龄期较3 d龄期提升3.4%，14 d龄期较3 d龄期提升18.9%；对于型钢试件钢材性能系数，7 d龄期较3 d龄期提升6.8%，14 d龄期较3 d龄期提升14.5%。四肢格栅试件在14 d龄期时钢材性能系数提升较大的原因是，龄期为3 d和7 d时试件均发生受压区混凝土翘起破坏，从而导致加载试验提前结束，没有达到应有的极限承载力。同时，可以看出3种试件的极限承载力与裸拱相比得到明显提升，三肢格栅钢架提升了182%，四肢格栅钢架提升了147%，型钢钢架提升了141%。通过提升倍数可以看出，三肢格栅钢架提升最多，说明其与混凝土的结合最紧密，四肢格栅钢架与型钢钢架相差不大。根据以上结果可以得出结论：四肢格栅的构造形式不合理，需要对构造形式进行优化。

从加载过程来看，龄期3 d时，试件L3-3、L4-3、I-3裂缝出现时荷载依次为25、30、33 kN，随着荷载的增加，格栅试件和型钢试件分别在55 kN和50 kN时出现斜向裂缝。这说明两者均承受偏心荷载，但格栅试件与混凝土结合更好，承受荷载的能力更强。龄期7 d时，试件L3-3、L4-3、I-3裂缝出现时荷载依次为30、32、38 kN，此时混凝土更多地参与受压。当荷载达到64.41 kN时，试件L4-7跨中裂缝自受拉侧向受压侧斜上贯通,试件破坏；当达到60 kN时，试件I-7裂缝向两侧延伸，自受拉侧向受压侧斜上发展。根据以上结果可以看出，随着混凝土自身强度的增加，可以更好地与钢架共同抵抗偏心荷载。龄期14 d时，试件L3-3、L4-3、I-3裂缝出现时荷载依次为35、39、44 kN，3个试件加载至破坏时均未出现斜向裂缝。由此可以推测出，当混凝土强度达到设计强度时，在实际设计中增加抗扭钢筋的布置，试件扭转破坏的概率将大大降低。从荷载应变图可以看出，三肢格栅试件加载至破坏时内外主筋位移相差较大，外主筋是内主筋的1.3～1.6倍，在后续设计中应调整内外主筋直径以充分利用钢材性能；而四肢格栅内外主筋位移变化差别不大，破坏时同步屈服，设计较为合理，可在后续设计中继续沿用。

从破坏形态来看，型钢试件破坏时均为上翼缘与混凝土脱离，随着龄期的增加，结合程度有所提高。型钢试件在龄期3 d和7 d时破坏面光滑，仅有混凝土残渣；龄期14 d时破坏面粗糙，型钢上翼缘表面有部分混凝土残余。说明在初期支护阶段，若遭遇集中力作用，型钢试件相较于格栅试件更加危险。同时，在长期使用后，由于格栅钢架与混凝土的结合比型钢钢架更牢固，混凝土不易脱落，所以格栅钢架的长期使用安全性比型钢钢架更好。

2.3.2 龄期对钢拱架刚度的影响分析

钢拱架喷混凝土后荷载-位移曲线如图13和图14所示。通过比较荷载-位移曲线、极限荷载和破坏位移，即可判断钢架在受力时的刚度。荷载-位移曲线斜率大则刚度大，刚度越大，对初期支护时沉降和水平位移约束越大。

(a)3 d龄期

从图13可以看出，混凝土龄期对试件刚度的提升明显，喷混凝土试件的刚度是裸拱的4倍。同时，对比四肢格栅试件曲线图，可以看出不同龄期四肢格栅试件曲线相差较大。分析原因为：龄期3 d时，四肢格栅试件发生受压区混凝土翘起破坏；龄期7 d时，四肢格栅试件出现贯穿斜裂。结合裸拱试验可以推测：此时试件承受偏心荷载，发生扭转破坏，所以导致3个试件的曲线拟合较差。

(a)三肢格栅

从图14可以看出，三肢格栅试件与四肢格栅试件的极限承载力和破坏位移相差很小，考虑到四肢格栅在加工、运输、存放过程中破坏概率大，所以当围岩压力较小时选择三肢格栅钢架有更好的经济性。同时，从图中可以看出，不同龄期型钢试件的峰前斜率均大于格栅钢架试件，表明在受荷初期型钢试件的刚度始终大于格栅试件，证明型钢钢架对围岩的位移和沉降的约束能力更强；格栅钢架的位移始终大于型钢钢架，说明格栅钢架的延性好，可以更好地吸收围岩变形。因此，型钢钢架适合应用在围岩应力较大的隧道中，格栅钢架适合应用于初期支护时吸收围岩变形。

3 结论与建议

本文采用节段试验的方法，研究了不同龄期时不同类型钢拱架的承载力学性能，得出以下结论和建议：

1)格栅钢架与混凝土的结合更紧密，结合后的综合承载性能比型钢更好。喷射混凝土早期，型钢试件破坏的主要原因是型钢与混凝土的结合较弱。在初期支护阶段，若遇到集中力的作用，型钢试件比格栅试件更容易遭到破坏。因此，建议在型钢的上下翼缘及腹板处增设铆钉，不仅可增加型钢钢架与混凝土之间的抗滑移能力，还可以使喷射混凝土更容易附着在型钢上。

2)当围岩压力较小时，选择三肢格栅钢架经济性更佳。格栅钢架的延性比型钢钢架更好，可以更好地与围岩形成整体，释放围岩变形；在围岩变形较大的隧道中，初期支护建议使用格栅钢架释放变形，便于二次衬砌的浇筑以及增强其支护能力。

3)三肢格栅内外主筋直径匹配不合理。从试验加载过程来看，三肢格栅试件内外主筋的位移变化有明显差异，破坏位移相差大，外主筋是内主筋的1.3～1.6倍；而四肢格栅内外主筋位移变化差别不大，设计较为合理。

4)建议在实际设计中增加四肢格栅架跨中箍筋、纵向抗扭钢筋及U型筋的布置量以提高抗扭性能。从试验加载过程来看，钢拱架在实际使用中均会受到偏心荷载作用，其中四肢格栅钢架受到的影响最显著。另外，针对四肢格栅构造形式复杂以及焊缝多的问题，建议在焊点处包裹一圈卡箍以代替焊接，不仅可以减少焊接质量不稳定的焊缝，还可以增加一定的承载力。

5)本研究是在特定目标下进行的，只对比分析了3种典型的初期支护钢拱架在不同龄期喷射混凝土下的承载能力和变形特征，对不同围岩级别、锚杆与钢架的相互作用等影响因素尚未讨论分析，这些问题将在后续的试验和分析中进行拓展研究。