公路隧道钢拱架支护结构稳定性预判研究

1引言
　　钢拱架在隧道初期支护中应用较广泛，其防治软弱围岩隧道过大变形的效果，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”，钢拱架内力的变化能有效反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法，甚至会造成人员伤亡。因此，有必要对隧道钢拱架支护结构稳定性预判进行研究，以指导软弱围岩隧道设计和施工。
2钢拱架支护结构稳定性性预判方法
2.1钢拱架内力计算原理
　　隧道初期支护中的钢拱架在隧道开挖之后主要承受支护后方的围岩压力，由于洞内工序的变化，钢拱架截面上应力分布必然很复杂。现场监测选择在工字钢两侧翼缘布置钢筋计，具体布置见图1。
　　通过现场量测，可得到工字钢两侧翼缘的应力σｉN、σｏｕｔ，然后，可认为工字钢横截面上应力分布在σｉN、σｏｕｔ之间按线性分布，并假定钢架处于弹性工作状态且不考虑工字钢腹板部位喷射混凝土受力，则根据材料力学相关理论可以计算出工字钢的内力，见公式（1）、（2）及图2。



　　式中，σｉN、σｏｕｔ为钢拱架内、外翼缘实测应力值；N、M为钢拱架轴力和弯矩计算值；A和Ｉ分别为钢拱架横截面积和惯性矩；Ｗ为型钢简化截面抗弯模量。计算时，规定轴力受压为负，受拉为正；弯矩以底部受拉为正。
　　2.2钢拱架柔性支护结构稳定性预判准则
　　目前对钢拱架应力分析多集中在对其变形和强度的极限状态分析，而作为初期支护骨架的钢拱架，其内力的变化反映施工中支护结构的稳定性，因此有必要建立钢拱架现场实时监测，并通过综合考虑其受弯及应力状态，对其进行实时稳定性预判，及时指导现场施工控制，尽早发现失稳情况，避免塌方事故发生。对钢拱架稳定性预判可以采用两种判别方法，一是利用翼缘应力安全系数判别，二是作为拱结构的钢拱架应考虑其内力（弯矩、轴力）状态进行安全性预判。基于这两种考虑，可以建立两种判别准则：


（1）应力判别准则，通过钢拱架翼缘应力安全系数λ对其进行3类安全性分级，①λ＜1.5时，为不安全状态，应立即预警；②λ＝1.5~2.0，为欠安全状态；③λ＞2.0，为安全状态。其中，；λ＝ｆｕｌｔ/σｉ，σｉ实测钢架翼缘应力，ｆｕｌｔ为钢材极限强度。
（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全性预判，根据软弱围岩隧道变形量大持续时间长、易受到扰动等特点，并综合考虑与应力别准则相对照，将内力判别准则也分为3级：①安全，钢拱架内力较小，合力作用点主要位于钢拱架截面内且洞内侧受压较大时；②欠安全，合力点作用范围位于钢架截面内，当轴力以受压为主、弯矩为正，或者当合力点位于钢拱架截面外，轴力以压为主、弯矩为正时为欠安全；③预警，钢架洞内内侧受拉且弯矩较大时认为钢拱架受力出现不合理，应预警以引起施工单位注意，调整工序并加强观测。钢拱架稳定性分级见图3。


　　当钢拱架翼缘应力状态安全系数λ判断安全级别高于内力准则判断级别时，可采用将内力判断级别提高一级作为安全判别状态；当翼缘应力状态安全系数λ判断安全级别低于内力判断级别时采取低安全判别状态。总之，从整个横断面分析考虑，应以最不利级别为本断面安全级别。
3　依托工程
3.1工程概况
　　依托工程所在隧道为单向双车道山岭隧道，隧址区位于青藏高原东部边缘，岷山山脉地区。隧道总长1387m，其中Ⅳ级围岩段占43.26％，V级围岩段占56.74％，最大埋深310m。隧道采用新奥法设计，进出口均为端墙式洞门，洞身为复合式衬砌结构，设计车速为60km/h，隧道行车道宽度8m，左右检修道宽度均为1m，建筑限界净宽为10m，限界高度5m。隧址区地层由老至新依次为志留系（S）、泥盆系（D）、第四系（Q）3类地层。隧道通过桑底－翠谷山及翠谷山区域断层，断层两侧小褶曲发育开，围岩自稳能力差，以炭质页岩为主，属软岩，强度低，且具有膨胀性，易造成支护结构较大变形。
3.2钢拱架内力变化规律
　　根据前面所述钢拱架内力计算原理，可得监测断面各测点的轴力和弯矩时程曲线，从图4和图5，从中可以看出：
（1）钢拱架轴力主要为压力，仅在拱顶和拱脚等较少部位出现拉力。下台阶边墙开挖之前，钢拱架各部位轴力为负值，均处于偏心受压状态；下边墙开挖后，拱顶轴力变为拉力，分析认为下台阶边墙的开挖，造成钢拱架底部悬空，使钢架在上部围岩压力和侧压力的合力作用下，发生下沉和向临空面收敛变形两种运动趋势，致使拱顶钢架出现受拉的情况。
（2）钢架支护的初期阶段和下台阶边墙开挖阶段，其轴力变化较快，随着该阶段施工的结束，钢架轴力迅速趋于稳定，其中下台阶边墙的开挖对钢架的轴力影响较大，
（3）对比钢拱架轴力和弯矩时程曲线图可以发现，仰拱浇筑完，钢架闭合成环后，其内力趋于稳定。最大轴力出现在拱顶位置，为－938.6kN，最小轴力出现在左拱腰位置，为10.01kN；轴力的绝对值大小由顶部沿着开挖边界向底部逐渐减小，拱脚部位架轴力普遍较小。弯矩的变化趋势较轴力复杂，但变化范围较小，在－30kN.m~＋30kN.m之间，大部分监测点弯矩正负交替频繁。




　　仰拱浇筑后，钢架应力趋于稳定，则此时钢拱架的应力值及内力计算值见表1，由表可见，钢架受力稳定时，轴力均为压力，可见整体处于受压状态，最大压力为233.2kN，截面弯矩较小，计算最大弯矩为7.2kN.m。


3.2监测断面钢拱架支护结构稳定性预判
　　以监测断面钢拱架实测应力为依据，采用应力判别准则和内力判别准则对其进行安全性分析，以左拱腰、左拱脚和右拱脚测点为例，见表2~表4。由左拱腰处稳定性预判计算与安全分级表可知，钢拱架左拱腰在整个监测过程中，大部分时间是安全的，仅在测试断面下台阶左边墙开挖时，边墙处围岩向内挤出，钢拱架安全级别由“安全”下降到“欠安全”状况，随着下台阶边墙钢拱架和喷射混凝土施工的完成，其安全级别上升到“安全”。分析左拱脚的安全级别，可见在测试断面下台阶左边墙开挖时，左边墙钢拱架安全级别由“安全”下降为“预警”，分析原因是下台阶左边墙处开挖宽度过宽，现场观测发现，监测断面附近喷射混凝土出现大量环向裂缝，见图6，在随后的下台阶边墙开挖中减小了开挖宽度。








　　分析右拱脚钢拱架的安全级别，可见右拱脚监测过程中安全级别始终为“安全”，说明整体施工控制情况较好，另外与右边墙处岩层情况较好也有直接关系。
　　结果显示，该钢拱架安全评级方法能较好地反映实际开挖和支护变化情况，预判结果能基本反映围岩稳定性状态，既能显示钢拱架安全性级别，又能反映其内力变化规律。
4结语
（1）钢拱架主要受压，较少出现受拉情况，仰拱浇筑前，其内力随着施工阶段的变化处于不断调整中。钢拱架在支护初期和下台阶开挖阶段，其应力和内力变化最快，因此下台阶开挖阶段是本隧道施工控制的重点阶段。
（2）隧道拱部钢拱架轴力大于其他部位。最大轴力出现在拱顶位置，为－938.6kN，最小轴力出现在左拱腰位置，为10.01kN；轴力的绝对值大小由顶部沿着开挖边界向底部逐渐减小，拱脚部位架轴力普遍较小。弯矩的变化趋势较轴力复杂，但变化范围较小，在－30kN·m~＋30kN·m之间，大部分监测点弯矩正负交替频繁。
（3）综合应力判别准则和内力判别准则对钢拱架关键部位进行施工阶段稳定性预判，钢拱架稳定性预判方法既能显示钢拱架安全性级别，又能反映其内力变化规律，且具有较高的灵敏度，能够及早发现失稳情况，采取措施避免局部坍塌发生。