隧道初期支护型钢钢架与格栅钢架对比研究

关键词：型钢钢架;格栅钢架;结构计算

中图分类号：   U455.7        文献标识码：A

作者简介：杨宝锋（1988-），男，浙江省诸暨市人，工学学士，工程师，主要从事隧道与地下工程结构设计与研究工作。

1前言

随着国家基础建设的快速发展，钢架在工程中得到了广泛的应用。在隧道工程方面，其主要应用于开挖之后的初期支护，所采用的种类主要有型钢钢架和钢筋格栅钢架两种。型钢钢架刚度大，承载能力强，一般应用于隧道内土质围岩或对围岩变形控制要求较高的段落，其规格以各种型号的工字钢为主，部分大断面隧道还会采用强度更大的H型钢。格栅钢架由钢筋焊接而成，刚度相对较低，对于隧道内初始地应力较大且允许围岩有适当变形的岩质围岩段，往往采用格栅钢架。

然而隧道工程由于其专业特殊性，开挖后围岩形态千变万化，现场实际情况往往与理论上的描述无法完全匹配。因此，结合掌子面实际情况，合理选择钢拱架的形式极其重要。以此为出发点，本文以IV级围岩衬砌类型为计算例，对比分析了初期支护（钢架分别为H15cm×20cm格栅钢架和I18工字钢两种情况）的刚度、变形及受力情况。

2 计算过程

2.1计算参数

本次计算的各级围岩物理力学指标按下表选取。

2.2 基本假定

①当围岩压力作用于钢架时，其不受沿隧道纵向方向的空间影响，即按平面问题进行计算;②钢架始终处于弹性阶段，符合一般结构力学的计算;③围岩对结构的变形约束以弹性抗力表示;④根据现行《公路隧道设计规范》9.2.5中关于初期支护受力的规定，偏安全计，本次计算取初期支护承担70%的荷载。⑤不考虑锚杆作用[1]。

2.3 计算模型的简化

（1）弹性模量等效计算

根据计算模型，隧道支护形式为格栅钢架（工字钢）+喷射混凝土支护。对初期支护进行适当的简化，假定工字钢、钢筋网、喷射混凝土共同起到封闭围岩的作用，对钢架支撑不予以单独考虑，而是把它的影响结合在喷射混凝土中，采用梁单元模拟[1]。初期支护梁结构的横断面等效成下图所示的矩形截面。

其中，E、A分别为等效后梁单元的弹性模量和横截面积;E1、A1分别为喷射混凝土的弹性模量和横截面积;E2、A2分别为格栅钢架（钢拱架）的弹性模量和横截面積。等效后梁单元的力学参数和几何参数如表2.2所示。

（2）初期支护刚度等效计算

根据结构设计原理，对I18工字钢的初期支护及H15×20的初期支护进行初期支护刚度等效计算，其计算公式为：

EI=E1I1+E2I2

其中，E、I分别为等效后初期支护的弹性模量和惯性矩;E1、I1分别为喷射混凝土的弹性模量和惯性矩;E2、I2分别为格栅钢架（钢拱架）的弹性模量和惯性矩。EI为等效后初期支护的刚度。

从上述结果中可以看出：如采用I18工字钢代替H15×20格栅钢架，初期支护刚度增加约7.8%。

2.4 计算原理

为简化计算，初期支护（格栅钢架）参考《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）“附录K.钢筋混凝土受弯和受压构件配筋量计算方法”进行计算，对喷射混凝土结构的截面强度进行校核。型钢拱架与喷射混凝土组成型钢混凝土结构，依据《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001），对型钢混凝土结构的截面强度进行校核[2]。

3计算结果分析

在隧道施工过程中，初期支护的位移及内力情况是保证隧道开挖初期结构安全的重要指标[3]，也是新奥法的核心内容之一。现场施工时应根据支护结构的位移情况做好动态设计。本次计算亦对上述两方面内容进行对比分析。

3.1 初期支护计算结果

初期支护节点分布及受力云图如图3.1、3.2所示，各截面安全系数及变形如表3.1、3.2所示。

经统计，S-IVa衬砌类型初期支护采用H15×20cm格栅钢架时，其安全系数均大于1。最小安全系数出现在节点24处，其安全系数为1.24。变形最大处出现在拱顶位置，变形量为14.42mm。

S-IVa衬砌类型初期支护采用I18工字钢时，其安全系数同样均大于1，最小安全系数出现在拱脚位置，其安全系数为2.25。变形最大处出现在拱顶位置，变形量为13.93mm。

4 结论

1）经计算，两种初期支护衬砌类型无论是安全系数还是变形均满足规范相关要求，且呈现出相同的规律。其最小安全系数均出现在拱脚位置。从数值上来说，采用I18工字钢的初期支护安全系数大于采用H15×20cm格栅钢架。两者变形相差不大，采用I18工字钢时略小。。计算表明，从长期角度看，钢拱架的初期支护的承载能力更佳。

2）型钢钢架的刚度较大，施作后可立即对围岩形成支撑，及时承受围岩荷载，对围岩变形的控制效果较好[4]。IVa（IV级围岩较破碎段）介于V级围岩与IV级围岩之间，施工现场对支护结构的变形控制要求采往往较高，用I18工字钢代替H15×20格栅钢架，初期支护刚度增加7.8%，更加有利于控制变形从而保证安全。

3）在现场施工中，格栅钢架支护方案存在构件加工困难、质量不易控制、运输中易变形及影响工期等弊端，同时由于时间和空间的关系，格栅拱架在现场施工中无法有效发挥其协调变形的优势，而钢拱架加工简便、质量可控且极大缩短支护时间，有效保证现场施工质量、安全和工期。

参考文献

[1] 殷怀连.隧道工程中合理钢架支护形式选择[J].隧道建设.2005（06）

[2] 徐帮树，杨为民，王者超，王育奎.公路隧道型钢喷射混凝土初期支护安全评价研究[J].岩土力学.2012（01）

[3] 王志超.隧道钢架喷混凝土支护安全性评价方法研究[D].北京交通大学.2008

[4] 张顶立，陈峰宾，房倩. 隧道初期支护结构受力特性及适用性研究[J].工程力学.2014（07）

[5] JTG D70-2004.公路隧道设计规范[S].

[6] JTG/T D70-2010.公路隧道设计细则[S].

[7] JGJ 138-2001.型钢混凝土组合结构技术规程[S].