新型铰接式拱架和传统栓接式拱架变形特征比较分析

刘蕤源　高新强　张景　朵生君　杨雨平　朱正国

摘要：基于讓压支护理论，采用岩体力学计算模型，运用FLAC 3D差分元软件计算分析了深埋隧道施工过程中传统栓接式钢架和新型铰接钢架的受力变形特征。结果表明：传统栓接式钢架比铰接式钢架有利于控制围岩位移;铰接式钢架更能适应高地应力围岩大变形隧道围岩压力的较均匀调整，防止初支发生严重破坏。传统栓接式钢架比铰接式钢架产生的钢架位移较小;但在接头位置传统栓接式钢架弯矩较大，铰接式钢架接头位置弯矩为零。喷混混凝土最大压应力基本不受钢架接头形式的影响，铰接式钢架节点部位初支偏心矩减小，安全性增加，其他位置初支的安全性基本不变。

关键词：软岩大变形;让压支护;铰接式拱架;栓接式拱架

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）07-0141-06

Comparative analysis of deformation characteristics between

new articulated arch frame and traditional bolted arch frame

LIU Ruiyuan GAO Xinqiang ZHANG Jing DOU Shengjun YANG Yuping ZHU Zhengguo

（1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China;

2. Engineering Research Center of Railway Industry of Construction Technology for Long Tunnel in Special

and Complex Environment， Xi’an

710043， China;  3.State Key Laboratory of Mechanics Behavior and System Safety of Traffic Engineering

Structures，Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043， China;4. School of Civil Engineering，

Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang 050043， China）

Abstract：Based on the compression support theory， this paper uses rock mass mechanics calculation model and FLAC 3D differential element software to calculate and analyze the force and deformation characteristics of traditional bolted steel frame and new articulated steel frame during the construction of deep-buried tunnels. The research results show that： The traditional bolted steel frame is more conducive to controlling the displacement of the surrounding rock than the articulated steel frame， and the articulated steel frame is more able to adapt to the more uniform adjustment of the surrounding rock pressure of the high ground stress surrounding rock and large deformation tunnel， preventing initial support Serious damage occurred; The displacement of the traditional bolted steel frame is smaller than that of the articulated steel frame， but the bending moment of the traditional bolted steel frame at the joint position is larger， and the bending moment of the joint position of the articulated steel frame is zero;  The maximum compressive stress of sprayed concrete is basically not affected by the joint form of the steel frame. The eccentric moment of the initial support at the joint of the articulated steel frame is reduced， and the safety is increased. The safety of the initial support at other positions is basically unchanged.

Key words：soft rock large deformation; pressure relief support; articulated arch; bolted arch

在高地应力软岩地层中修建隧道，受初始应力水平高，围岩强度低、性状差、遇水易软化等因素的影响，往往会出现诸如隧道净空侵限、钢架扭曲变形、喷混凝土开裂或掉块等问题，严重影响正常施工，对保证隧道工程质量和建成后正常运营提出了严峻考验。如木寨岭隧道[1]、大梁隧道[2]、乌鞘岭隧道[3]、两水隧道[4]和堡镇隧道[5]等在施工过程均出现了不同程度的大变形灾害。

目前国内外对高地应力软岩大变形隧道的支护主要采用及时支护-强支护、分层支护和可缩式支护[6]。及时支护-强支护就是在隧道开挖后，通过及时施作高强度、密间距的钢架来限制围岩变形。大量工程实践表明，在深埋软弱围岩隧道施工过程，开挖后及时施做强支护，限制了围岩内部能量释放，使得容许变形量较小，会发生钢架扭曲、混凝土开裂、掉块甚至塌方等现象。对于分层支护，主要是将初支分多层不同时段进行支护来控制围岩大变形，但目前在分层支护时机和分层厚度等方面还没有较为成熟的理论研究。传统的及时支护-强支护和分层支护理念不能完全适应控制高地应力软岩隧道变形的要求。

随着对高地应力软岩大变形隧道控制技术研究不断深入，出现了越来越多“刚柔并济”的新型支护结构，其中具有代表性的就是可缩式钢架支护形式。如有学者提出的U型钢可缩式钢架，减少了钢架因扭转、翘曲破坏而失效情况的发生[7]。还有自主研发的“限制支护阻力阻尼器”，并在蒙华铁路深埋老黄土段隧道推行应用[8]。又有根据“及时-强-让压支护”设计理念提出由让压锚杆+可缩性钢拱架+带变形槽或让压控制器的喷射混凝土组成的让压支护系统[9]。设计了兼具定量增阻和让压功能的钢管混凝土可缩性节点[10]。提出了一种自适应钢拱架节点，具有恒阻力可控、节点的承载让压机制明确、方便设计和控制等优点[11]。设计的钢筋网壳喷层衬砌結构中可缩接头使衬砌具有一定的让压性能[12]。依托赣龙铁路天心山隧道进口段软弱膨胀围岩段的实际地质情况，设计了柔性可缩性工字钢支架并对其施工方法进行了阐述。认为U型钢可缩性支架的承载能力主要取决于支架自身的整体稳定性，并阐述了卡缆预紧力对支架抗缩动能力的影响以及钢架缩动后的内力计算方法[14-16]。又有提出了双可缩联合支护形式，成功控制了茂名软岩矿区巷道变形与底鼓问题[17]。

虽然可缩式钢架支护在理论研究和工程实践方面都有了长足的进展，但大多数是针对U型可缩式钢架的，而U型可缩式钢架在施工过程可能存在因搭接部位的内力组合达不到满足缩动条件的最小值而产生拒缩现象，达不到预期的支护效果。因此，本文基于既能使围岩能量得到释放，又保证不会产生过大变形影响隧道稳定的思想和可缩式钢架支护理论，提出钢架节点采用铰接，让其有一定变形能力的可转动工字型型钢钢架。采用岩体力学模型，运用FLAC 3D有限差分元软件分析在Ⅳ级围岩条件下超深埋隧道台阶法施工过程中采用新型铰接式拱架和传统的栓接式拱架结构受力变形特征和洞周变形规律研究，包括拱顶沉降的变化，上、下台阶水平位移的变化等。

1可缩式钢架支护理论

软岩大变形隧道具有随着时间增长围岩变形不断累积的特点，所以作用在钢架上的压力较大。当作用在钢架上的压力超过了钢材的极限抗压强度，钢架会因强度不足发生破坏。根据文献[18]的研究可知，传统的钢架支护和系统锚杆因不具备伸缩性和可动性，导致储存在围岩内部的能量无法释放，较大的形变压力往往会导致支护结构的破坏。因此，对大变形隧道，应采用既能适应围岩变形的需要，又能提供稳定恒阻力的新型钢架支护结构。刚性拱架和可缩动钢架支护力学曲线，具体如图1所示。

由图1可知，随着围岩变形增加，刚性拱架受力不断增加;而可缩式钢架相比于刚性拱架支撑多了恒阻位移段。在恒阻位移段，围岩变形增加但钢架受力保持不变，这对钢架受力是有利的。曲线①、曲线②与曲线③交点不同，意味着钢架提供相同支护力。采用可缩式钢架支撑允许围岩产生的变形更大，这大大降低了钢架发生扭曲变形的几率，有利于维持隧道的长期稳定。

可缩式钢架的恒阻力可通过在钢架接头位置增设让压装置和节点铰接来实现。如图2是一U型钢拱架可缩结构的受力分析图。

当接头位置承受的轴力N超过搭接部位型钢和卡缆之间的摩擦力，钢架发生可缩变形，钢架缩动条件满足：

由上式可知，卡缆的预紧力N对钢架的缩动效果有着重要影响。预紧力越大，卡缆与型钢之间的摩擦力越大，钢架的缩动变形越小，让压效果不明显;预紧力太小，钢架变形大，达不到控制围岩变形的效果。所以，在设计时要合理选取预紧力的大小。此外，支护结构不光受到围岩的竖向压力，还有侧向的水平压力，所以在安装钢架时要同时满足钢架在水平和竖直方向的缩动变形，提高整体适应变形的能力。

本文采用的是通过高强度螺栓连接的铰接结构。

2数值模型及计算参数

以某单线铁路隧道为对象建立数值模型，隧道最大开挖跨度9.1 m，开挖高度10.22 m，具体如图3所示。

隧道埋深按1 500 m考虑，仅考虑自重应力的影响。数值模型在长、宽、高3个方向的尺寸分别为60、80和80 m，在模型底部与前后左右边界面施加位移边界条件限制法向位移，模型上边界施加应力边界条件，将模型顶面以上覆土自重31.39 MPa施加到模型顶面上;数值模型具体如图4所示。

采用“两台阶法”开挖，上台阶高4.0 m，上台阶长3.0 m。为了研究铰接式拱架和传统的栓接式拱架连接处结构受力特征的力学变化规律，计算过程通过将钢架连接处分别设置为刚接点和铰接点来模拟铰接式钢架和传统栓接式钢架，钢架接头位置如图5所示。

将围岩和喷混凝土均视为连续、均质和各向同性介质，采用实体单元模拟，围岩和喷混凝土采用摩尔-库伦力学模型，锚杆采用Cable单元模拟，钢拱架型号18号工字钢，采用Beam结构单元，锚杆和钢架采用弹性力学模型。围岩及初期支护材料的物理力学参数指标根据《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）选取，具体如表1所示。

3计算结果分析

3.1围岩位移

不同钢架连接形式围岩位移云图（单位：m），结果如图6所示;不同钢架连接形式洞周围岩位移，结果如表2所示。

从表2可以看出，钢架接头采用不同的连接形式围岩位移大小不同。采用铰接式钢架时，拱顶沉降139.37 mm，采用传统栓接式钢架拱顶沉降115.51 mm，比铰接式钢架减小了17.12%;采用铰接式钢架，上台阶拱脚水平位移107.20 mm，采用传统栓接式钢架上台阶拱脚水平位移81.97 mm，减小了23.54%;采用铰接式钢架下台阶拱脚水平位移58.22 mm，采用传统栓接式钢架下台阶拱脚水平位移42.34 mm，减小了27.28%。由此可见，采用传统栓接式钢架产生的围岩位移更小，铰接式钢架更能适应高地应力围岩大变形的隧道初支。

3.2钢架受力和变形规律分析

铰接式钢架和传统栓接式钢架弯矩图（单位：KN·m），具体如图7所示;钢架接头位置弯矩，结果如表3所示。

由图7可知，铰接式钢架和传统栓接式钢架弯矩沿隧道中线左右对称分布。铰接式钢架接头位置弯矩很小，近似为零;传统栓接式钢架接头位置弯矩不为零。

铰接式钢架和栓接式钢架位移云图（单位：m），结果如图8所示;钢架接头位置位移，结果如表4所示。

从表4可知，传统栓接式钢架拱顶沉降41.18 mm，比铰接式钢架拱顶沉降47.01 mm减小了12.40%;传统栓接式钢架拱肩水平位移25.31 mm，比铰接式钢架拱肩水平位移减小了3.51%;传统栓接式钢架上台阶拱脚水平位移67.77 mm，比铰接式钢架上台阶拱脚水平位移减小了15.66%;传统栓接式钢架下台阶拱脚水平位移13.92 mm，比铰接式钢架下台阶拱脚水平位移减小了13.59%。由此可见，采用传统栓接式钢架产生的位移更小，铰接式钢架更能适应高地应力围岩大变形的隧道初支。

3.3噴混凝土应力规律

传统栓接式钢架和铰接式钢架喷混凝土应力（单位：Pa），结果如图9所示。

从图9可知，采用铰接式钢架喷混凝土最大压应力为21.31 MPa，采用传统栓接式钢架喷混凝土最大压应力为21.19 MPa，二者相差不足1%。所以，无论是采用铰接式钢架还是传统栓接式钢架，对喷混凝土应力基本没有影响，初期支护的安全性基本不变。

综上所述，新型铰接式钢架因其良好的变形特性，更能适应高地应力围岩大变形隧道支护;同时也适用于偏压型隧道支护。

4结语

基于可塑式钢架支护既能使围岩能量得到释放，又能保证围岩稳定的理论，提出了钢架节点采用铰接可转动工字型型钢钢架，并采用数值方法研究了节点受力变形特征。

（1）传统栓接式钢架比铰接式钢架有利于控制围岩位移，铰接式钢架能实现对围岩压力的均匀调整，使初支处于较低应力状态，防止初支因破坏不能继续承载或发生严重变形不利于继续承载现象的发生;

（2）传统栓接式钢架比铰接式钢架产生的钢架位移较小。但在接头位置传统栓接式钢架弯矩较大，铰接式钢架接头位置弯矩为零;

（3）无论采用铰接式钢架还是传统栓接式钢架，喷混混凝土最大压应力基本保持不变，铰接式钢架节点部位初支偏心矩减小，安全性增加，其他位置初支的安全性基本不变;

（4）新型铰接式钢架，能更好的适应高地应力软岩大变形隧道支护。因其能对围岩压力的均匀调整，对存在偏压的隧道也同样适用。

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