公路隧道钢拱架支护结构稳定性预判研究

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1、公路隧道2014年第2期(总第86期)公路隧道钢拱架支护结构稳定性预判研究曲直(1．湖北省交通运输厅随岳高速公路管理处武汉430050；2．长安大学公路学院西安710064)摘要本文在现场监测钢拱架内外侧翼缘应力变化的基础上，利用力学原理计算出钢拱架弯矩和轴力，综合考虑其受弯和应力状态，并结合隧道局部坍塌发生特点，进行安全分级、预判支护结构稳定性。结果表明，基于钢拱架应力监测的稳定性预判方法既能显示初支稳定性级别，又能反映钢拱架内力变化规律，且具有较高的灵敏度，可以提前发现失稳趋势，以便采取措施应对局部坍塌。关键词公路隧道钢拱架内力计算稳定性预判准则安全级别

2、拱顶1引言钢拱架在隧道初期支护中应用较广泛，其防治软弱噬道过大变形的效果，已逐渐为隧道工作者所认可[】]。尤其是围岩条件差时，限于围岩本身因素和现场施工条件，常导致径向系统锚杆作用左拱脚效果不明显，且增加隧道建设的成本及延长工期，而此时在初期支护中增设钢拱架，可以迅速提供足够的支护抗力，满足初期支护所需的主要刚度，可快速控制围岩继续松弛和塑性区继续扩大；对限制图1钢筋计的布设示意图围岩的过度变形，保证隧道支护结构体系的稳定起着重要的作用。同时，钢拱架也可以发生一定程度NM，一一了的柔性变形，符合新奥法修建隧道的本质要求。作为柔性支护的“骨架”，钢拱架内力的变

3、化能有效反一I应围岩稳定性和支护结构可靠性，但是如果不能预判柔性支护结构的稳定性，则难以真正实现新奥

4、，由于洞内工序的变化，钢目前对钢拱架应力分析多集中在对其变形和拱架截面上应力分布必然很复杂。现场监测选择在强度的极限状态分析_5]，而作为初期支护骨架的钢工字钢两侧翼缘布置钢筋计，具体布置见图1。拱架，其内力的变化反映施工中支护结构的稳定通过现场量测，可得到工字钢两侧翼缘的应力性，因此有必要建立钢拱架现场实时监测，并通过a。、‰，然后，可认为工字钢横截面上应力分布在综合考虑其受弯及应力状态，对其进行实时稳定性ai、之间按线性分布，并假定钢架处于弹性工作预判，及时指导现场施工控制，尽早发现失稳情况，状态且不考虑工字钢腹板部位喷射混凝土受力，则避免塌方事故发生。

5、对钢拱架稳定性预判可以采根据材料力学相关理论可以计算出工字钢的内用两种判别方法，一是利用翼缘应力安全系数判力L2j，见公式(1)、(2)及图2。别，二是作为拱结构的钢拱架应考虑其内力(弯矩、·6·曲直公路隧道钢拱架支护结构稳定性预判研究tYM图2钠拱架内力计算示意图轴力)状态进行安全性预判。基于这两种考虑，可当钢拱架翼缘应力状态安全系数判断安全级以建立两种判别准则：别高于内力准则判断级别时，可采用将内力判断级(1)应力判别准则，通过钢拱架翼缘应力安全别提高一级作为安全判别状态；当翼缘应力状态安系数入对其进行3类安全性分级，①<1．5时，为全系数判断安全级别低

6、于内力判断级别时采取低不安全状态，应立即预警；②一1．5～2．0，为欠安全安全判别状态。总之，从整个横断面分析考虑，应状态；③>2．0，为安全状态。其中，；一．／，盯以最不利级别为本断面安全级别。实测钢架翼缘应力，为钢材极限强度。3依托工程(2)内力判别准则，为了考虑钢拱架作为拱结构的内力情况，按照截面弯矩和轴力的作用状态进行安3．1工程概况全性预判，根据软弱围岩隧道变形量大持续时间长、依托工程所在隧道为单向双车道山岭隧道，隧易受到扰动等特点，并综合考虑与应力别准则相对址区位于青藏高原东部边缘，岷山山脉地区。隧道照，将内力判别准则也分为3级：①安全，钢拱架内

7、力总长1387m，其中Ⅳ级围岩段占43．26％，V级围岩较小，合力作用点主要位于钢拱架截面内且洞内侧受段占56．74，最大埋深310m。隧道采用新奥法设压较大时；②欠安全，合力点作用范围位于钢架截面计，进出口均为端墙式洞门，洞身为复合式衬砌结内，当轴力以受压为主、弯矩为正，或者当合力点位于构，设计车速为60km／h，隧道行车道宽度8m，左右钢拱架截面外，轴力以压为主、弯矩为正时为欠安全；检修道宽度均为lm，建筑限界净宽为10m，限界高③预警，钢架洞内内侧受拉且弯矩较大时认为钢拱架度5m。隧址区地层由老至新依次为志留系(s)、泥受力出现不合理，应预警以引起施工

8、单位注意，调整盆系(D)、第四系(Q)3类地层。隧道