隧道衬砌模板支撑结构受力分析

董承全 陈 辉 李晋平

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

隧道衬砌模板支撑结构受力分析

董承全 陈 辉 李晋平

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

假定隧道二次衬砌处于稳定围岩压力作用下，采用“田”字形支撑结构，利用结构力学刚性连接形式，推导出了结构内力与变形计算公式，并且通过实际工程案例作了计算分析，指出利用结构力学方法推导的计算公式为隧道衬砌支撑结构计算提供了新途径。

隧道衬砌，支撑结构，受力分析

0 引言

隧道建筑是铁路，公路，水工，市政工程中很重要的建筑结构形式。为保障隧道结构的安全运营，混凝土衬砌施工是一项必要的施工环节。一些文献[1-6]对隧道设计施工工艺及安全作了必要的论述和规定。一些著作[7]中对隧道设计支撑计算采用不同理论进行了分析，给出了设计计算公式。本文假定处于均匀围压作用下的矩形隧道衬砌采用“田”字形支撑体系，利用结构力学方法，推导出支撑在刚性连接条件下的强度及变形计算公式，可作为有关设计施工参考。

1 “田”字形支撑结构内力与变形计算公式

1)如图1所示为“田”字形支撑结构受力分析示意图。忽略轴力产生的变形，不考虑线位移，利用转角方程：

(1)

由于结构对称，令θA=θB=θC=θD，θE=θF=θG=θH=0。

取A点平衡，求θA：

(2)

将θA代入式(1)得：

(3)

2)内力PAG，PEF计算示意图见图2。

取E点平衡，∑ME=0得：

(4)

取y方向平衡，∑yE=0得:

(5)

PAE，PGH计算示意图见图3。

取G点平衡，∑MG=0得：

第1自然段：那是一个飘浮着橘黄色光影的美丽黄昏，我忽然对在一旁修剪茉莉花枝的母亲问道：“妈妈，你爱爸爸？”

(6)

取x方向平衡，∑x=0得：

(7)

3)变形计算。

变形计算示意图如图4所示。

由于对称，θE=θG=0，wA=wE=wg=0，其中，θ为角变形；w为挠度变形。

(8)

(9)

2 工程应用实例

某隧道工程为一双线隧道，隧道断面为10m×10m矩形隧道。该隧道地质围岩为Ⅲ级，设计二次衬砌混凝土强度等级为C30。衬砌厚度40cm。采用“田”字形支撑结构，模板支撑间距1m。假定隧道在初期支护中围岩压力已趋于稳定，二次衬砌忽略围岩压力和变形。只考虑混凝土自重压力，则q1=1m×1m×0.4m×24kN/m3=9.6kN，q2=1m×1m×0.4m×24kN/m3×0.9=8.4kN。q1，q2在“田”字形支撑结构上的分布如图1所示，支撑结构内力计算示意图如图2所示。由式(4)计算PAG：

由示意图3和式(6)，式(7)计算PAE，PGH内力：

支撑杆材料选择：

取最大内力值48.63kN计算杆材钢管截面面积，考虑2倍安全系数，内力97.25kN，按许用应力[σ]=180MPa计算，需截面面积为5.56cm2，选择φ8cm外径，壁厚3mm钢管，截面面积为7.54cm2。

计算变形：

见图4，计算k1，k2处挠度wk1，wk2，由式(8)，式(9)分别计算：

计算转角θA：

3 结语

对于处于稳定围岩压力作用下的二次衬砌模板支撑体系采用“田”字形结构，利用结构力学方法推导计算支撑杆系受力变形公式，可作为设计施工人员参考。为隧道衬砌支撑结构计算提供了一种新途径。

[1] 宋非非,姜维成,胡晓光.结构力学[M].北京：清华大学出版社，2007.

[2] JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S].

[3] 铁建设[2007]47号，新建时速300～350公里客运专线铁路设计暂行规定(上,下)[M].北京：中国铁道出版社,2007.

[4] TB 10003-2005，铁路隧道设计规范[S].

[5] 夏立峰.深基坑钢板桩支撑结构设计[J].山西建筑，2004，30(5)：23-24.

[6] 刘 磊.框架—支撑结构体系的分类及优缺点[J].山西建筑，2007，33(36)：66-67.

[7] 高秋利.碗扣式钢管脚手架施工现场实用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

Force analysis in structure of formwork support of tunnel lining

DONG Cheng-quan CHEN Hui LI Jin-ping

(ChinaAcademyofRailwaySciencesRailwayEngineeringResearchInstitute,Beijing100081,China)

This paper assumes that the tunnel lining is in the stable surrounding rock pressure, the internal force of the structure and deformation calculation formula are derived by using the “Tian” font support structure and rigid connection type in structural mechanics principle. Through the practical engineering case made calculation and analysis, pointed out that using structural mechanic method derived the calculation formula provided a new way for the calculation of tunnel lining support structure.

tunnel lining, supporting structure, stress analysis

1009-6825(2014)13-0181-03

2014-02-20

董承全(1951- )，男，高级工程师； 陈 辉(1982- )，男，助理研究员； 李晋平(1977- )，男，高级工程师

U451.4

A