偏压隧道不均匀来压下钢拱架应力变化的机理分析

胡江春，李 渊，崔 力，孙发用，吉梦洁

(中原工学院 建筑工程学院，河南 郑州 450007)

喷锚支护是隧道建设中最为常用的支护形式之一[1]。钢拱架常作为隧道初期支护中重要的受力构件，在初期支护时增设钢拱架不仅能增强支护强度，而且能防止软弱围岩隧道的变形[2-4]。钢拱架作为支护体最主要的“骨架”，其应力主要来自围岩压力，不同来压对钢拱架应力会产生不同的影响[5]。许多学者对初期支护的钢拱架应力进行了相关的研究，如：左乾坤等通过数值分析方法研究了隧道钢拱架支护结构的受力特征[6]；文竞舟等通过钢拱架应力反分析了隧道初期支护的力学性能[7]；廖伟等研究了隧道初期支护钢拱架的应力分布规律[8]。这些研究主要集中在隧道初期支护下钢拱架的受力特征和力学性能方面，然而，对偏压隧道不均匀来压下钢拱架应力变化的机理研究甚少。

本文结合某铁路隧道出口段围岩压力与钢拱架应力的监测数据，以钢拱架为研究对象，通过有限元分析软件SAP2000建立相关的钢拱架模型，来探究偏压隧道不均匀来压对钢拱架应力的影响机理，旨在对隧道支护结构的设计与施工提供一定的借鉴。

1 计算模型

1.1 依托工程

某铁路隧道出口段左线ZDK35+353～+410，右线YDK35+370～+423，隧道埋深37～53 m，地表为水田。该地段围岩分布极不均匀，有些地段为全风化中细粒花岗斑岩，其余地段则为全风化中细粒花岗斑岩夹花岗岩孤石，地下水发育，围岩稳定性极差，易坍塌，属于偏压隧道。

SAP2000是一款功能强大的通用结构分析软件，操作简单，具有极强的分析功能[9]。邹红英等采用SAP2000研究了中外隧洞衬砌结构的分析方法[10]。王修军等采用SAP2000分析了钢结构悬臂式交通显示屏结构变形问题[11]。本文主要采用“Curved Frame”模块来分析围岩压力下钢拱架的应力变化。

1.2 基本假定

由于隧道温度变化较小，且钢拱架的变形多集中在水平和垂直方向，因此本文做如下假定：①不考虑温度荷载；②钢拱架采用工字型钢；③下部钢拱架采用固定支座；④只考虑水平方向和垂直方向的变形。钢拱架模型采用工字型钢，模型宽8 m，高7 m，泊松比为0.3。结合上述假定和隧道支护结构的布置情况，用SAP2000建立计算模型见图1。

图1 计算模型简图

1.3 现场监测的围岩压力

围岩与初期支护间的接触应力用振弦式双膜土压力盒量测。初期支护各测点实测围岩压力最大值分布如图2所示。

图2 ZDK35+393.0断面各测点初期支护实测最大围岩压力(单位：kN)

前期测试表明，断面围岩具有来压快的特点。由图2可以看出，实测初期支护围岩压力最大值在左边墙，为1 283.9 kN，左拱腰围岩压力为186.6 kN，拱顶为150.2 kN，且存在显著的偏压现象，尤其是左拱腰和左边墙处的围岩压力明显大于右拱腰和右边墙。此外，左边墙围岩压力达1 283.9 kN，其附近其他测点的围岩压力仅为186.6 kN。

隧道左边墙出现偏压现象的主要原因是该处围岩质量局部分布不均匀，且通过勘察资料可知，边墙及以上部分为全风化花岗岩内普遍夹花岗岩弧石。

1.4 钢拱架计算模型的应力加载

为了更好地探究钢拱架应力的变化情况，分别在左拱脚、左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙、右拱脚施加与现场监测相近的围岩压力。施加力的大小与位置见表1和图3。

表1 钢拱架压力一览表

图3 钢拱架压力施加示意图(单位：kN)

2 计算结果分析

由图4可以看出，拱顶最大剪力为381.83 kN，左边墙最大剪力为562.43 kN，右边墙最大剪力为353.53 kN。钢拱架左边墙剪力大于右边墙，拱顶剪力也较大，右边墙附近剪力较小。现场实测数据显示，左边墙和拱顶的围岩压力较大，右边墙附近围岩压力较小。

由图5可以看出，左边墙钢拱架应力最大值为3.06 MPa，拱顶钢拱架应力最大值为0.39 MPa，右边墙钢拱架应力最大值为1.26 MPa。钢拱架最大应力出现在左边墙处，而右边墙、右拱腰、拱顶的应力较小，这主要是因为左边墙受到了较大的围岩压力，以致左边墙钢拱架应力比右侧大。这也说明钢拱架应力受来压影响较大，表现为围岩压力越大，钢拱架位移变化也越大，钢拱架位移最大处附近钢拱架位移变化也较大。

图4 钢拱架剪力图(单位：kN)

图5 钢拱架S11应力图(单位：Pa)

从图6可以看出，左边墙钢拱架应力最大值为3.06 MPa，左拱腰钢拱架应力最大值为1.82 MPa，拱顶钢拱架应力最大值为0.39 MPa，右边墙钢拱架应力最大值为1.26 MPa，右拱腰钢拱架应力最大值为1.54 MPa。左边墙和左拱腰的钢拱架应力变化较大，而右边墙和右拱腰钢拱架应力变化较小，钢拱架最大应力出现在左边墙处，这主要是因为左边墙附近围岩压力较大，而右边墙和右拱腰附近围岩压力相对较小。钢拱架应力变化不仅与自身材质有关，还与围岩压力的作用位置有关，尤其在应力集中的部位钢拱架应力变化较大。这也说明，围岩压力大的部位，钢拱架的应力也大。由此可知，在进行支护设计时，若前期勘探资料发现围岩质量不均匀或者夹有大弧石，当围岩压力较大时，在此部位应做重点支护，重点监测，以防工程事故发生。

图6 钢拱架Smax应力图(单位：Pa)

3 结 论

通过在钢拱架模型不同部位施加与现场监测相近的围岩压力，对不同来压的钢拱架的应力变化的数值进行模拟，得出以下结论：

(1) 在隧道初期支护中，围岩压力越大，钢拱架应力变化也越大。

(2) 偏压隧道钢拱架的应力变化与围岩压力作用位置有关，发生应力集中的部位钢拱架应力变化较大。

(3) 在隧道中围岩质量极不均匀的部位，应做重点支护，重点监测，为安全施工提供保障。