基于欧标体系公路隧道钢拱架的优化研究

曹岳嵩

(湖南省交通水利建设集团有限公司,湖南 长沙 410018)

随着我国设计、施工企业逐步走出国门，走向海外，对于欧标体系的接触和适应就变得理所当然。许多学者和专家对欧标体系下的工程建设进行了研究。赵美凯[1]结合阿尔及利亚东西高速公路项目，对欧标体系下国际工程总承包项目中设计工作控制与管理的方向和前景进行了展望。梁庆[2]等依托黑山南北高速公路项目，分析了国内高速公路项目的质量管控。何险高[3]等分析了欧标与国标的区别。此外，许晓东[4]、岳巍[5]、樊凡[6]、李想[7]、董天真[8]等也对欧标体系进行了研究。特别是针对欧标体系下海外高速公路的研究，也变得越来越多。

由于支护结构对于围岩的稳定性非常重要，支护结构特别是钢拱架的研究成为我们关注的重点。叶万军[9]等研究了深埋土质隧道钢拱架的空间受力特征，给出了一种基于空间受力状态的拱架承载力加强方案。代颖[10]等采用MIDAS/GTS有限元软件，探索不同钢拱架支护结构在拱顶下沉和拱脚内移中的支护效果。熊明康[11]等采用数值模拟与理论分析相结合的手段，分析和探讨了松散堆积体隧道钢拱架不同间距对隧道洞周位移及应力的影响特征。此外，赵伟[12]，陈涛[13]，HAN X[14]，WENTING Z[15]等也对钢拱架支护进行了研究。

在地质条件较差的隧道，为防止围岩开挖后产生过快过大变形，需要保证在第一时间具有一定的刚度，钢拱架支护结构刚度大，相比其它支护方式具有显著的优势。而欧标体系下也采用双拼钢拱架对围岩进行支护，但双拼钢拱架加工复杂，不易安设。如何能使其支护更为及时，施工方便，且受力更为合理，将成为主要的研究课题。

本文结合格鲁吉亚E60高速公路隧道的工程特点，通过对不同形式的钢拱架结构进行数值模拟分析，研究围岩压力下钢拱架的受力和变形特点，提出优化方案，以满足现场隧道工程建设需要。

1 工程概况

1.1 工程简介

格鲁吉亚E60高速公路F2标为“一带一路”项目，该项目为双向四车道高速公路，设计时速100 km/h，是连接格鲁吉亚东西部的重点工程，路线总长度17.5 km，其中隧道20座，共长9.1 km。包括2个既有单线隧道(隧道名称：TUN-2001-TA和TUN-2003-TA，2个与既有隧道平行的临近新建隧道，长度与既有隧道相同；其中最长隧道为TUN-2009，TA线长度为1 352.9 m。隧道情况见表1。

表1 隧道情况表Table 1 Tunnel mformation table 隧道AT/TA线长度1TUN2001AT702TA113.53TUN2002AT189.74TUN2003AT1005TA150.36TUN2004AT4037TUN2005AT2908TA2409TUN2006AT21010TA27011TUN2007AT551.512TA552.3613TUN2008AT284.414TA32515TUN2009AT1 334.516TA1 352.917TUN2010AT71818TA66619TUN2011AT68920TA623.2U

1.2 地质情况

沿线隧道洞口段存在松散堆积体，岩体较为破碎。洞身主要穿越风化的花岗岩、辉长岩，岩体较完整，有少量基岩裂隙水，稳定性较好。

2 原设计方案

原设计依据不同围岩级别，将洞身支护型式分为A0、A1、A0V、B0、B1、B0V、B2V这7类，隧道初期支护采用20 cm厚C40钢纤维喷射混凝土+双拼工字钢进行支护，双拼工字钢采用IPN180、IPN160两种，双拼工字钢钢架间距分为1.0、1.2、1.4 m共3种。以B0V为例，设计采用两榀IPN180钢架通过型钢焊接形成整体，具体见图1～图3。

图1 钢拱架支护典型断面图(单位：cm)

图2 剖面图(单位：cm)

图3 1-1剖面(单位：cm)

3 优化后设计方案

3.1设计思路

由节2可知，原设计采用两榀IPN180钢架通过型钢焊接形成整体，单段最大钢架单元重量约530 kg，钢架重量大，制作、拼装和移动难度十分大，现场施工效率低下。为了提高施工效率，改善结构受力，将原设计的双拼钢拱架优化为单榀施作，钢拱架间距由原设计双拼100 cm调整为单榀50 cm，钢架间距加密，保持钢架总榀数不变，如图4所示。

采用该方案具有钢架加工简便、施工操作方便、施工效率高的优点，且初期支护钢架刚度更加均匀和合理。

(a)

3.2 优化后钢拱架的数值模拟分析

利用SOFiSTiK有限元软件进行分析计算，采用欧标EN1997中的DA1/1和DA1/2荷载组合，考虑地震工况的分项系数取值，地震工况水平地震系数取0.09，竖向地震系数取0.045。

双拼钢拱架由两根钢架间距为290 mm、截面为IPN180的钢梁组成；单榀钢拱架由截面为IPN180的钢梁组成。两个模型均由以梁单元模拟的钢拱架和壳单元模拟的衬砌组成。其中，初期支护为20 cm厚喷射混凝土。

双拼钢拱架计算模型和单榀钢拱架计算模型如图5、图6所示。

图5 双拼钢拱架计算模型

图6 单榀钢拱架计算模型

双拼钢拱架和单榀钢拱架应力与材料强度比如图7、图8所示。

图7 双拼钢拱架应力与材料强度比

图8 单根钢拱架应力与材料强度比

应力分析结果表明：单榀钢架最小安全系数位于拱部，安全系数为1/0.543=1.841 6，双拼钢架最小安全系数值也位于拱部，安全系数为1/0.617=1.620 7。从受力上分析，两种结构受力特性基本一致，安全性都能满足要求，且单榀钢架更趋于安全。

双拼钢拱架和单榀钢拱架竖向位移分布如图9、图10所示。

图9 单榀钢拱架竖向位移分布

图10 双拼钢拱架位移值

变形分析表明：钢架最大位移也位于拱部，单根钢架最大竖向位移为0.023 5 m，双拼钢架最大竖向位移为0.022 2 m。从变形上分析，两种结构变形特性规律一致，单榀钢架竖向位移略大0.001 5 m。

4 现场监测验证

依据现场实际情况，对部分洞段采用单根钢拱架进行支护，从中选择断面布设拱顶下沉和周边收敛测点进行观测。测点具体布置如图11所示。

图11 断面周边收敛及拱顶下沉测点布置示意图

隧道断面拱顶下沉监测、周边收敛监测沉降变化曲线如图12所示。

(a) 洞顶累计沉降量变化曲线

由图12可以看出，隧道拱顶下沉及周边收敛速率均呈减小趋势，累计变形值远小于极限值。通过现场验证分析可知，采用优化后的单榀钢拱架方式是可行的。

5 结论

a.针对欧标体系下钢拱架的支护特点，结合现场的实际情况，将原设计的双拼钢拱架结构优化为单根钢拱架结构，解决了原设计中存在的钢架重量大，制作、拼装和移动难度十分大，现场施工效率低下等问题，极大地提高了工作效率，降低了工程造价。

b.利用SOFiSTiK有限元软件，依据欧标规范要求，对双拼钢拱架和单根钢拱架两种方案进行数值模拟分析。从计算结果分析可知，采用单根钢拱架方式进行支护，结构受力和竖向位移均满足要求。

c.现场监测结果表明，采用单根钢拱架方案支护后，围岩的收敛及拱顶下沉量均满足要求。说明采用单根钢拱架方式进行支护是可行的，同时也满足欧洲标范及标准的要求，可为类似海外公路项目提供借鉴。