既有硐室交叉扩建段新型钢拱架支护力学性能试验研究*

刘永明

(中铁(贵州)市政工程有限公司，贵州 贵阳 550000)

本文依托贵州人防工程，通过对异形钢拱架与正常钢拱架进行数值模拟和抗弯承载力试验，得到钢拱架受弯的力学特性，并通过对实际工程中新型钢拱架的应用监测数据对比分析来验证新型钢拱架的稳定性。

1 工程概况

贵州某地下人防工程项目为省级人防指挥所暨国防动员首脑指挥工程项目，截至目前，除了此人防工程，全国所有的省级人防指挥所都完成了改建。根据项目上的钻探成果，按地层时代划分，隧道经过地段自上而下依次可分为第四系覆盖土层(Q)、三叠系中统杨柳井组三段(T2yl3)。其中，包括：①红黏土(Qel+dl) 位于隧道地表层，厚度0～3.3m；②白云岩(T2yl3)，依次分为强风化白云岩与中风化白云岩，其中强风化白云岩主要呈现块状与砂状，等级为V级，厚度为2.2～3.3m；中风化白云岩主要呈现柱状与块状，抗压强度为35.8MPa，围岩等级为Ⅳ级，厚度为3.1～4.6m。

根据设计文件要求，人防硐室支护结构不仅需承受一般地下工程中的围岩静态荷载，还需对武器攻击起到一定的防护效果，达到相应的防护等级，因此各交叉口附近的围岩开挖轮廓及支护结构必须满足断面设计要求，从而对初期支护结构的施工精度和形状提出了非常高的要求。为达到设计断面要求，通过对各交叉口形状及相对位置的分析，提出了一种Y字形主骨架+斜截断拱架的支护形式。其空间形态如图1所示。

图1 主硐室与联络通道交叉口拱架空间

2 钢拱架受力分析

2.1 钢拱架数值模拟

2.1.1模拟方案设计

为了分析交叉段钢拱架的受力情况，采用大型软件ABAQUS对I20和I30主拱架进行数值分析，数值模型中钢拱架采用弹性本构模型。为了减少模型的规模，现阶段对I20钢拱架和I30主拱架单独进行分析，采用隧道力学分析中的荷载-结构模型对钢拱架受力进行分析。

本工程硐室为深埋隧道，围岩压力可按松散压力予以考虑，参考TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》，硐室的竖向压力可按下式计算：

(1)

式中：ω为宽度影响系数，ω=1+i(B-5)；B为硐室宽度；i为B每增减1m时的围岩压力增减率，B<5m时取i=0.2，B>5m时取i=0.1。

水平压力一般考虑为竖向压力(q)乘以相应的系数：Ⅰ～Ⅱ级围岩水平均布压力为0，Ⅲ级围岩为<0.15q，Ⅳ级围岩为(0.151～0.30)q，Ⅴ级围岩为(0.30～0.50)q，Ⅵ级围岩为(0.50～1.0)q。

以上仅用于不产生显著偏压力及膨胀性的一般围岩；仅适用于采用钻爆法施工的隧道，硐室的结构荷载如图2所示。

图2 主硐室和联络通道围岩压力计算示意

主硐室与联络通道交叉口附近5m范围内衬砌需局部拆除，安装相应的钢拱架形成等高交叉空间结构，相应的围岩压力需全部通过局部钢拱架转移至I30主拱架。因此，需先计算主硐室正常段竖向和水平荷载。结合勘察设计文件确定围岩重度为26kN/m3，根据式(1)可知，围岩压力为：

对I30主拱架也单独进行了分析，同样采用隧道力学分析方法中的荷载-结构模型，将周边斜截拱架的线性荷载等效转换为集中荷载作用于斜截拱架与主拱架搭接部位，其换算公式如下：

(2)

此换算过程通过提取主硐室和联络通道拱架承载力分析中结果，在主拱架计算分析中施加实现，I30主拱架模型如图3所示。

图3 主拱架计算模型

2.1.2正常段钢拱架承载特性分析

根据要求，硐室正常段的初支拱架设计应满足相应的围岩压力，由于喷射混凝土施作完成后需一定时间才能达到一定强度，因此在早期围岩压力全部由钢拱架承受，可保守考虑喷射混凝土仅起到封闭和保护围岩的作用，而初支钢拱架承受全部围岩压力，此为最不利情况。则可将硐室正常段此情况下的钢拱架应力、变形作为围岩稳定性和结构安全性的控制标准。

正常段隧道采用I20支护，假设支护初期由钢拱架承受全部荷载，采用有限元方法计算得到的主硐室拱架竖向和水平变形如图4所示。

图4 主硐室拱架位移

由图5可知，主硐室的变形主要为拱顶下沉，最大下沉量约为2.1cm，从拱顶到起拱线逐渐减小，起拱线附近竖向沉降仅为1.5mm，由此可知拱顶沉降的根本原因在于弯曲变形，而不是整体沉降；水平变形最大出现在左、右拱肩位置，最大4mm，通过放大变形量30倍(见图5)可看出变形主要原因是拱顶部位拱架弯曲。

图5 拱架变形放大

对比设计要求的8cm预留变形量可知，隧道正常段的变形量处于可控范围内，拱顶沉降较大可通过增加系统锚杆长度等方式加以控制。

I20拱架近似为梁单元，因此其应力状态也是考察的重要指标，提取工字钢的应力云图如图6所示。

图6 拱架梁单元应力

由图6可看出，主硐室正常段拱架梁单元的最大压应力集中在拱顶部位，最大值为169.4MPa，Q235工字钢屈服强度为235MPa，由此可得到钢拱架的设计安全系数约为1.387。

联络通道宽度为9.2m，高度与主硐室相同，根据规范计算出其荷载更小，因此其拱架沉降变形更小(1.064)，具有更高的安全系数(2.065)，其位移和应力云图在此不再赘述。

2.1.3斜向异形拱架承载特性分析

依然对主拱架在外部荷载作用下的应力和变形进行考察，主拱架的竖向和水平变形如图7所示。

图7 交叉口主拱架位移

由图7可知，I30主拱架的变形主要为竖向变形，其中竖向变形最大部位出现在拱顶偏右侧的斜向拱架上，为2.73cm，在预留变形量范围内，因此竖向变形满足施工要求。值得说明的是，主拱架的变形表现出明显的不对称性：竖向荷载最大出现部位表面两榀斜向拱架受到的荷载更大，存在向左偏移的趋势，这一点可从水平位移云图上看出，也即斜向拱架的竖向荷载导致主拱架的整体左侧偏移，因此在施工期间需加强此部位的锚杆质量控制，还需对锚杆的间距进行适当缩小。

图8所示变形放大图更清晰地展示了交叉口主拱架的变形特征，即斜向拱架靠近拱顶部位的变形最大，局部弯曲效应显著，进而导致左侧主拱架局部上拱。因此有必要在靠近拱架搭接点附近的右侧增加锚杆数量，严格控制锚杆的施工质量，保证其拉拔力。

图8 交叉口主拱架变形(放大10倍)

通过变形图放大可知，主拱架局部弯曲效应明显，因此其上、下翼缘的受力状态是整个拱架安全的关键所在，最大应力必须满足Q235钢材的容许应力要求。

由梁单元应力图可看出，在斜拱架靠近搭接点部位的上翼缘主要承受压应力，其值达到180MPa，此部位的材料安全系数约为1.31。最大压应力出现在斜拱架拱肩位置，达到202.6MPa，此部位的材料安全系数为1.16，整个拱架最大拉应力仅为64.8MPa，抗拉安全系数>3.0。由此可知，对于主拱架而言，由于斜向两榀拱架需承受由斜截拱架传递而来的集中荷载，导致其靠近搭接点附近存在较大竖向变形，造成拱架圆弧部分弯曲明显，加之拱肩部位曲线半径较小，在拱肩部位形成了应力集中，使拱肩部位的材料安全系数明显降低。

2.2 钢拱架抗弯承载力试验

为了探究异形钢拱架的承载力情况，本次试验采用4组试样(I20钢拱架编号N-1，N-2，I20异形钢拱架编号Y-1，Y-2)，分别为2组正常I20和2组异形I20，分别进行抗弯承载力试验，由于试验仪器的局限性，因此采用内弦长为1.0m、外弦长为1.2m的钢拱架，通过比较与正常拱架的弯曲特征来验证异形钢拱架的抗弯强度满足要求。

本试验采用YAS系列微机控制电液伺服压力试验机YAS-2000，由于钢拱架呈弯曲状，因此在试验机上安装了1个由卡座+I50b+I16a凹型钢组成的承力装置，设备布置如图9所示。

图9 试验设备布置

将钢拱架放在电液伺服压力试验机上，根据试验设计安装应变片，调平后通过计算机控制施加在拱架上的压力，记录静态应变测试仪和试验力的变化值，待计算机上的压力值下降或钢拱架变形较大时结束试验。

通过试验得到试验力随时间和位移变化曲线如图10所示，从图中可看出，两组正常钢拱架与异形钢拱架的变化类似，随着位移或时间的增加，试验力逐渐增加，当达到一定时间或位移时，试验力达到一定值后开始减小，最后趋于稳定，最大试验力分别对应N-1为542.6kN，N-2为528.1kN，Y-1为518.8kN，Y-2为503.5kN。通过比较，N-1与N-2的数据有所不同，分析存在的原因可能是在钢拱架摆放过程中没有调平，导致钢拱架受力不在轴力方向，因此当试验力未达到极限承载力钢拱架便发生扭曲。Y-1，Y-2较N-1，N-2都有所减小，考虑到由于异形钢拱架在焊接处破坏了钢拱架的刚度，所以钢拱架的抗弯强度有所减小。通过比较正常钢拱架与异形钢拱架的试验力变化曲线，异形钢拱架的抗弯承载力与正常钢拱架相比<5%，满足承载力要求。

图10 试验力随时间和位移变换的曲线

3 现场监测数据分析

根据交叉段钢拱架的布置方案，在Y字形异形主钢拱架上从左到右依次布置6个监测点，监测点分别为S1，S2，S3，S4，S5，S6，在每个监测点上都布置振弦式钢结构表面应变计，布置如图11所示，采用YTYBJ50型振弦式钢结构表面应变计。

图11 仪器布置

为了监测钢拱架的应变，将钢结构表面应变计安装在Y字形主拱架上，监测钢拱架在衬砌拆除过程中的应变特性。监测点的钢拱架应变变化曲线如图12所示。

图12 钢拱架应变-时间变化曲线

从钢拱架应变随时间变化曲线可看出，在第1～4天，随着衬砌的拆除，钢拱架的应变基本呈直线上升趋势，并在第5天左右达到最大值，随后将趋于稳定。从图12中可看出最大应变值出现在S5位置上，呈现受拉趋势，最大值为236.44με，S3和S4也表现为受拉。受压点为S1，S2，S6 3个位置，最大受压处为S6位置，最大值为143.23με。分析监测数据可得最大应变≤240με，说明围岩对钢拱架的变形影响很小，满足稳定性要求，同时钢拱架的受拉与受压呈现的变形趋势与上述数值模拟类似，从而证明模拟合理。

对衬砌拆除钢拱架的受力特征进行分析表明，新型钢拱架的应用对交叉硐室衬砌拆除过程中的支护满足要求。

4 结语

1)采用I30作为主拱架，其余斜截拱架搭接于斜向I30拱架之上时，主拱架的材料容许应力及其变形均能符合相关要求。且此部分计算校核的假设前提为围岩的所有荷载均由拱架承受，属于最不利情况。考虑到实际情况中围岩变形是缓慢发展，而喷射混凝土在24h即能达到6MPa左右的强度，喷射混凝土的支护作用不容忽视，因此可认为采用异形钢拱架支护方案合理可行。

2)通过正常钢拱架与异形钢拱架的抗弯承载力试验可看出，异形钢拱架的受力变化曲线与正常钢拱架类似，最大抗弯承载力相差≤5%，满足使用要求。

3)根据新型钢拱架在实际工程应用后的监测数据表明，钢拱架的最大应变值≤240με，说明新型钢拱架的支护方式满足在交叉硐室衬砌开挖过程中对围岩的支护。