鋼拱架柔性支撐穩定性預測判別方法探討

沈才華　童立元

東南大學，江蘇南京210096　河海大學，江蘇南京210098

引言

    隨著對隧道工程特點的不斷了解，新奧法思想。已逐漸得到工程界肯定，基于這種思想，運用錨噴技術的柔性支撐在隧道開挖施工中得到廣泛成功的運用。作為新奧法三大支柱之一的監控量測不斷得到重視，可以說沒有監控量測手段作為保障的隧道是“不存在的”。由于公路隧道目前均呈現出大跨扁平的特點，因此采用鋼拱架為基礎的錨噴柔性支撐在公路隧道施工中最為常用。但對于鋼拱架柔性支撐的監控量測分析仍基本限于強度、變形的極限安全性分析,結合現場初支裂縫的目測，往往當發現鋼拱架出現危險時，已是事故發生之時，甚至是事故發生后。對鋼拱架柔性支撐的實際運用效果及施工安全性預測沒有系統研究和可靠的方法，不能預先進行安全性判別。本文將在分析柔性支撐主要破壞特點基礎上，探討如何運用鋼拱架內力監控量測分析初支設計合理性，并提出鋼架安全性預測簡便實用的判別方法。

1、公路隧道柔性支撐特點與監控量測

    根據新奧法思想，允許圍巖開挖后產生一定量變形，但仍能維持自身穩定，并可以有效減小初始地應力因開挖釋放而對支護產生的被動抵抗力，而柔性支撐允許支護能隨圍巖應力釋放一起變形，使圍巖應力得到一定量的釋放，減小初支的被動抵抗力，這便能按設計有效控制圍巖的變形及穩定。因此控制合理的圍巖變形成為對柔性支撐監控量測的重要內容。

    在鋼拱架+掛網的錨噴支護中，鋼拱架是柔性支護的骨架，是圍巖變形時初支支護作用的主要受力結構。二次襯砌出現裂縫或開挖時出現局部坍塌主要是因為圍巖開挖擾動后支護時間不恰當或開挖擾動太大卻沒有及時采取補救措施造成的。作者根據分析認為，作為柔性支護的鋼拱架是初支的主要‘骨架’，其內力變化能有效反映圍巖變化情況。本文結合現場鋼拱架內力監控量測，針對大跨公路隧道圍巖破壞時鋼拱架內力變化特點，對施工過程中鋼拱架安全性進行分級判別，基本能有效反映施工過程中圍巖穩定性情況。

2、柔性支撐安全性預測與判別分類方法

    三車道以上公路隧道一般均具有大跨扁平的特點，對于軟弱圍巖段開挖過程基本采用分部開挖為主，由于一般地質條件均呈不均勻狀況，圍巖出現偏壓或拱效應Ⅲ不能及時得到發揮往往是產生局部坍塌等事故的主要原因之一。通過實際現場監控量測分析發現，穩定性分析時應充分考慮鋼拱架受彎矩的變化情況，而且其內力變化與圍巖開挖變形情況基本一致，因此通過綜合考慮鋼拱架應力及受彎狀態對其進行安全性分級判斷，能有效預測圍巖開挖過程中安全性變化規律，及時指導現場施工控制，避免事故發生。其具體方法如下：由于型鋼整體性好、宜安裝，公路隧道初支施工中，目前很多鋼拱架開始采用型鋼；對型鋼內力觀測，主要通過應變量測來進行，一般監控量測布置示意如圖1。

圖1 CRD法分部開挖及鋼拱架應變計布置示意圖

    通過布置成對的應變計進行鋼拱架應變監測，然后通過基本結構力學[8]受力轉換分析(見式l、式2)，可計算型鋼不同截面處軸力及彎矩(如圖2所示)，進而通過統計分類，對鋼拱架安全性作出判斷與預測。基本思路及分析過程如下：

    第一判別原則，首先通過鋼拱架翼緣受力狀態安全系數η對鋼拱架安全預測分4個等級：當η<1．2時報警；當η=1.2～1.5為欠安全；當η=1.5～2為基本安全；當η>2為安全。η=εf/ε0，εf為控制極限應變，ε0為實際監測應變；

    第二判別原則，為了考慮鋼拱架拱效應作用情況，應結合考慮鋼拱架受彎情況。因此對鋼拱架受彎進行組合判斷，判斷方法見圖3。彎矩下面受拉為正。

圖2鋼拱架內力簡化計算分析示圖

圖3受彎拱架安全性判別組合分類圖

　　本公路隧道各斷面開挖安全級別預測判斷顯示，圍巖開挖過程中安全級別始終處于安全或基本安全狀態，說明整體施工控制情況屬良好。判別時，彎矩和軸力分別為：M=1．05WxE／2．Ox(ε內一ε外)

　　(1) N=(A／2．O)x(ε內+ε外)xE

　　(2)式中：W為簡化截面抗彎模量；A為截面面積；E為鋼拱架彈性模量；ε內、ε外分別為鋼拱架翼緣實測應變(見圖2)。計算時，規定彎矩向下突起為正；軸力、應變受壓為正。

    考慮到破碎軟弱圍巖容易受到擾動及后期變形較大的影響，第二判別也分4個等級：第一級安全，鋼拱架內力較小，主要合力點作用范圍位于鋼拱架截面內且洞內側受壓較大時，鋼拱架受力較合理，為安全狀態；第二級基本安全，合力點作用范圍位于鋼拱架截面內鋼拱架內側，當軸力以受壓為主彎矩為正，或軸力以受拉為主彎矩為負時為基本安全；第三級欠安全(受彎)，當合力點作用范圍位于鋼拱架截面內，內側鋼拱架受拉時或當合力點作用范圍位于鋼拱架截面外，軸力以壓為主彎矩為負時為欠安全(受彎)狀態，說明彎矩相對較大，受力不是很合理應引起重視；第四級預警，鋼拱架洞內內側受拉且彎矩較大時認為鋼拱架受力出現不合理，應預警以引起施工單位注意，并加強觀測。

    實際應用時，應進行組合分析(圖3)。當翼緣受力狀態安全系數叼判斷安全級別高于彎矩判斷級別時，可采用彎矩判斷級別提高一級作為安全判別狀態；當翼緣受力狀態安全系數叼判斷安全級別低于彎矩判斷級別時采取低安全判別狀態。從整個橫斷面分析考慮，應以橫斷面上最低判斷級別為本斷面安全性級別。

3、工程實例

     某隧道為淺埋破碎巖體大跨公路隧道，采用 CRD （中隔壁法)分部開挖[9]，初支鋼拱架為Q235工字鋼Ⅰl8 b，為充分了解分部開挖過程中初支內力變化情況，對圍巖穩定性作出及時判斷與預測，對初支鋼拱架內力采用應變計進行了監控量測，主要通過應變本身及反映的軸力與彎矩為依據。

    圖4為測點A處圍巖內位移隨開挖分布變化曲線，表1、表2為利用本文介紹方法對A、B測點處鋼拱架內力與安全性進行判別計算結果。計算結果表明，由于采用分部開挖，當下臺階左下部開挖時，圍巖內出現較大位移，初支內力安全級別從安全級下降到基本安全，而且鋼拱架應變變化規律與圍巖變形規律一致，說明下部開挖擾動較大，引起圍巖安全性級別下降一級，顯示本大跨公路隧道分部開挖施工時容易造成對圍巖的擾動，應加強施工控制。

圖4 FK25+600斷面測點A處圍巖內位移分布變化曲線

　　　　　　　　　　　　表1  東隧道下行線FK25+600鋼拱架測點A量測及穩定性預測計算表

　　　　　　　　　　　表2東隧道下行線FK25+600鋼拱架測點B量測及穩定性預測計算表 

4、結論

　　根據公路隧道新奧法施工中柔性支撐的特點分析，認為鋼拱架在柔性支護中起到骨架受力作用，對它的判斷能基本預測整個初支安全穩定性狀態。并以鋼拱架翼緣應變量測結果作為計算參數，提出柔性支撐安全性判斷與預測的方法。從工程應用情況來看，該方法能較好地反映圍巖實際開挖變化情況，預測結果能基本反映圍巖穩定性狀態，既能顯示安全性級別，又能反映初支內力變化規律。由于目前作者實際工程科研數量有限，將在以后工程中進一步驗證該方法的穩定性。但其理論與原理正確，可供其他學者參考。

　　本方法思路清晰，只要通過不復雜的結構力學計算，在簡單計算機程序操作下就能實現，實際現場操作簡單方便，并且可以不用通過復雜昂貴的圍巖內部多點位移計量測分析就能對圍巖開挖穩定性作出判斷與預測，值得推廣運用。

參考文獻

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[9]朱漢華，尚岳全．公路隧道設計與施工新法[M]．北京：人民交通出版社，2002

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)