既有隧道新浇筑混凝土钢模支架结构分析

2023-01-02梅志远张志强

四川建筑 2022年6期

梅志远，张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

隧道作为一种重要的交通结构，因其在许多方面具有优越性而被大力发展着。随着隧道建设的发展，部分较早修建的隧道在各种因素影响下会出现损伤。对于较大的损伤修护会采用大面积破除既有结构进行重新浇筑混凝土的方法。因此，有必要对新浇混凝土时钢模支架结构的合理布置方式进行研究。

目前许多学者对于既有隧道维护进行了研究，朱旺等[1]以某铁路隧道工程为背景，检测出衬砌背后空洞、二衬裂缝、施工间隙缝较多，从各病害出现原因入手针对性总结出解决措施；陈有玉[2]对既有高速公路隧道渗漏水病害进行研究，归纳总结了各种渗漏水病害的发展，并对每种病害提出解决措施；陈平等[3]以猫头岭隧道底板掏空病害的二次整治措施为例，针对第一次整治后病害仍存在的原因进行了分析,通过2次整治措施的对比,论述了有效进行既有线富水隧道掏空病害整治的技术措施；刘均红[4]以拉滨铁路太平岭隧道为工程背景,分析了隧道衬砌开裂的成因、性质和特点,并根据不同程度的衬砌破坏情况,提出了整治衬砌开裂病害的原则、措施和施工方法；曾水长[5]针对大面积渗漏水、施工缝与伸缩缝渗漏水、衬砌开裂等几种铁路隧道病害类型,分别提出拱部衬砌壁后注浆、引排堵漏、WTD中空注浆锚杆与网喷混凝土等整治方案与具体施工方法、安全措施。本文以某双线既有铁路隧道为工程依托，通过对新浇混凝土时的钢模支架结构进行计算，以期为后期类似工程提供有益参考。

1 工程概况

1.1 隧道断面

本工程为某双线既有铁路隧道，因隧道某位置出现大面积病害，主要分布在拱顶180°范围，隧道断面如图1所示。经研究决定破除既有二次衬砌结构进行新浇筑混凝土，二次衬砌厚度为500 mm，浇筑纵向长度为10 m 。采用5 mm厚的钢板和18号工字钢进行支护。

图1 隧道横断面示意

1.2 荷载计算

本次结构计算考虑永久荷载和可变荷载。各荷载如表1所示，各工况设置如表2所示，通过计算可得施加在钢模板荷载为30.3 kN/m2。

表1 计算参数

表2 计算工况

2 数值模拟

隧道模型尺寸如图2所示，三维模型的边界范围为按照隧道隧道横断面尺寸，以及各构件尺寸进行建模，模型纵向长度为10 m，并设置相应边界条件。

图2 隧道横断面示意

2.1 各工况钢架应力计算结果

各工况钢架计算结果如图3所示，从图3中可知，钢架应力分布情况为拱脚处较大，其它部位较小，工况1应力最大值为182.2 MPa，工况2应力最大值为212.2 MPa，工况3应力最大值为251.5.0 MPa。钢架应力分布绝大部分区域应力值小于150 MPa，极少处应力值大于150 MPa。

图3 各工况钢架应力分布

2.2 各工况钢模板应力计算结果

各工况钢模板应力计算结果如图4所示，从图4中可知，钢架与钢模板接触区域应力值较大，其它区域数值较小。工况1应力最大值为31.7 MPa，工况2应力最大值为99.0 MPa，工况3应力最大值为68.6 MPa。

图4 各工况钢模板应力分布

2.3 各工况钢模板竖向位移计算结果

各工况钢模板竖向位移计算结果如图5所示，从图5中可知，拱腰处钢架与钢模板接触区域竖向位移值值较大，其它区域数值较小。工况1位移最大值为3.44 mm，工况2位移最大值为4.29 mm，工况3位移最大值为5.84 mm。

图5 钢模板竖向位移分布

2.4 各工况既有混凝土应力计算结果

各工况既有混凝土应力计算结果如图6所示，从图6中可知，既有混凝土最大主应力值较小，呈上部受拉，下部受压。工况1最大拉应力为24.8 kPa，最大压应力为12.9 kPa，工况2最大拉应力为24.9 kPa，最大压应力为12.9 kPa，工况3最大拉应力为25.1 kPa，最大压应力为25.7 kPa。