送风口处支护结构受力分析及断面型式研究

钱文斐

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

送风口处支护结构受力分析及断面型式研究

钱文斐

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

对于送风口处支护内力分析及断面形式等方面的研究，现行规范及学者研究得较少，现通过对通风风道在不同矢跨比的工况下支护结构受力状态及断面形式的分析研究，得出了通过在通风通道与主隧道的交界处采取如下措施可在保证支护结构安全的同时增大通风面积：（1）增加风道板厚度的同时在支护结构中增设钢拱架；（2）增设锚杆，利用锚杆的抗拔力约束支护结构变形。该成果为送风口处的支护结构设计及断面形式的选取提供了一定程度的参考价值。

送风口；通风风道；矢跨比；风道板

0 引言

关于送风口处支护受力分析及断面型式研究，现行《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）中条文未涉及相关内容，《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）中20.4.6中仅提到“送风口宜设置于隧道拱部……”，也未涉及支护受力分析及断面形式研究。

为此，本文拟对送风口处衬砌的断面形式及受力性能进行分析、探讨及研究。

1 研究对象

以设计速度为80 km/h、双向4车道隧道为例，洞身所处围岩为Ⅲ级围岩。相关断面见图1所示。

图1 通风口处衬砌断面图

1.1 计算条件

设计参数及计算条件如下：

（1）初期支护采用C20喷射混凝土12 cm。

（2）考虑到洞身围岩为Ⅲ级，初期支护承受全部围岩压力，二次衬砌仅作为安全储备及内装，故该项研究仅模拟初期支护的受力性能。

1.2 荷载确定

采用“荷载—结构”法，围岩压力值根据现行《公路隧道设计规范》进行确定。

1.3 研究内容

该项研究拟研究通风风道处不同矢跨比（H/L，见图1）的情况下支护结构的受力状态及断面形式的合理选择。对于拱顶出作为送风口结构部分，按照不同的矢跨比分别进行分析、比较。拟分为工况一（矢跨比1/4.34（与既有拱腰顺接））、工况二（矢跨比1/4）、工况三（矢跨比1/3.5）、工况四（矢跨比1/3）、工况五（矢跨比1/2.5），共五种工况对初期支护的弯矩、轴力、剪力进行分析。

2 结果与分析

2.1 内力云图

以工况五为例，结构的内力云图见图2～图4所示。

2.2 内力值

通过对计算结果进行分析，对拱顶（1点）、拱腰（2点、3点）、拱脚（4点）位置处的内力值进行整理（见图5、图6）。

由图5可以看出，不同工况下，各位置处的轴力值相差较小，1点处轴力值最大浮动范围为21%，2点处轴力值最大浮动范围为1.8%，3点处轴力值最大浮动范围为3.2%，4点处轴力值最大浮动范围为11.7%。

图2 弯矩云图

图3 轴力云图

图4 剪力云图

图5 不同工况下各点的轴力值曲线图

图6 不同工况下各点的弯矩值曲线图

由图6可以看出，不同工况下，各位置处的弯矩值变化大，1点处弯矩值最大浮动范围为47.2%，2点处弯矩值最大浮动范围为1424.7%，3点处弯矩值最大浮动范围为735.1%，4点处弯矩值最大浮动范围为35%。

由力学知识可知：在轴力值变化幅度不大的情况下，弯矩值的大小将直接影响结构的受力性能，经整理，各点应力值如图7所示。

图7 不同工况下各点的轴向应力值曲线图

由图7可以看出：当工况四、工况五（即矢跨比大于1/3.5），特别是工况五（当矢跨比达到1/2.5）时，送风通道与主隧道交界处（2点、3点位置）结构处于不利的受力状态，成为整个结构体系的薄弱点，初期支护的破坏将首先在此位置发生，从而影响支护安全。

各点的剪力值见图8所示。

图8 不同工况下各点的剪力值曲线图

从图8可以得出：不同工况下，1点处剪力值最大浮动范围为210.3%，2点处弯矩值最大浮动范围为299.7%，3点处弯矩值最大浮动范围为370%，4点处弯矩值最大浮动范围为28%。当工况四～工况五（即矢跨比大于1/3.5），特别是工况五（当矢跨比达到1/2.5）时，送风通道与主隧道交界处（2点、3点位置）剪力增长十分明显，与轴向应力值变化趋势相同。

2.3 结果分析

通过以上的计算分析可知：如选择尽可能大的送风道面积（见表1）时，则结构的安全性则大大降低，因此解决风道面积与结构安全性的矛盾是关键性问题。

表1 不同工况下通风口面积一览表

同时，由表1看出：当工况四（矢跨比为1/3.5）时，风道面积较之工况一增大约27%，并不明显，而当工况五（矢跨比为1/2.5）时，风道面积较之工况一增大约87%。在允许风速区间值的情况下，应尽可能选择较大的风道面积，以满足需风量的要求，即选择工况五（矢跨比为1/2.5）。

通过对工况一、工况五进行分析对比，造成工况五2点、3点位置处的内力值较大的原因在于：矢跨比较大时，由于通风通道与主隧道的交界处结构形式变化较明显，2点、3点位置处的位移值偏大（工况一时为0.10 m，工况五时为0.23m）。

如能有效控制2点、3点处的位移则将大大改善支护结构受力，并能有效增加通风道面积。

3 小结

经分析，控制2点、3点处位移主要有以下两种方案。

3.1 增大风道板的刚度

增大风道板刚度的主要措施如下：（1）提供风道板混凝土强度等级；（2）增加风道板厚度；（3）可考虑在主隧道支护及风道板中设置钢拱架（见图9）。

图9 钢拱架布置断面图

3.2 约束2点、3点处变形

具体措施如下：在2点、3点处布置锚杆（见图10），利用锚杆的抗拔力约束支护结构变形。

图10 约束锚杆布置断面图

通过对送风通道与主隧道交界处施加一定的约束并经过计算，2点、3点处应力值变化情况如表2所列。

表2 2点、3点处应力值变化一览表

综上可以得出如下结论：

（1）为了加大通风面积，可以考虑在隧道拱部采用较大矢跨比的圆弧结构形式。

（2）为改善拱部较大矢跨比圆弧结构的不利受力情况，可考虑在通风通道与主隧道的交界处采取如下措施：a.增加风道板厚度的同时在支护结构中增设钢拱架；b.增设锚杆，利用锚杆的抗拔力约束支护结构变形。

4 结语

本文从理论方面讨论了通风口处尽可能采用较大的风道断面面积而采取的一些必要的支护结构措施，但尚需在实际工程中进行监控量测以进行验证及修正，从而更好地为工程设计服务。

U453.1

A

1009-7716（2017）04-0212-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.062

2017-01-17

钱文斐（1977-），男，江苏镇江人，高级工程师，从事岩土工程与地下结构设计研究工作。