全封闭钢拱架（共4篇）
全封闭钢拱架 篇1
1 概述
无论是采用喷射混凝土还是锚杆 (抑或是加长、加密锚杆) 或是在混凝土中加入钢筋网、钢纤维, 主要是利用其柔性和韧性, 而对其整体刚度并未过多要求, 这对支护不太破碎的围岩并使其稳定是可行的;对于围岩软弱破碎严重且自稳定性差时, 开挖后增设钢拱架 (半封闭) 支护, 以阻止围岩的过度变形和承受部分松弛荷载;而对于黄土隧洞, 采用全封闭钢拱架支护, 能够迅速地支承围岩, 在阻止围岩拱顶下层、周边位移等方面效果显著, 确保了施工的连续性和安全性。
2 工程地质情况
在引洮二期项目中, 引水隧洞穿越了大量黄土地层段, 特别是在各隧洞的进出口位置, 围岩地质较差, 主要以马兰黄土为主, 围岩类别为V1~V2类。马兰黄土结构松散, 土质均一, 具中高压缩性、自重强湿陷性。黄土状土结构稍密~中密, 土质不均, 属中低压缩非~轻微湿陷性土。黄土洞段基本无地下水, 属黄土隧洞V1类围岩;黄土洞段位于地下水位附近, 相对持水呈软塑状, 处于饱水状态, 属黄土隧洞V2类围岩, 围岩自身稳定性差。
3 钢拱架组成及性能
(1) 钢拱架的组成。钢拱架的受力结构一般由工字钢、连接钢板、锁脚锚杆、连接钢筋等组成, 直接在施工现场采用冷弯机弯制成型; (2) 钢拱架性能特点。1) 钢拱架的整体刚度很大, 可以提供较大的早期支护刚度;2) 钢拱架可以很好的与超前管棚、锚杆、钢筋网、喷射混凝土相结合, 构成联合支护, 增强支护的有效性, 且受力条件较好;3) 钢拱架的加工制作、洞内架设较为方便。
4 设计要点
(1) 从理论上讲, 钢拱架要按其与锚杆、喷射混凝土共同工作状态来设计, 即按照P=Ku (P为支护阻力;K为支护刚度;u为位移) 来确定初期支护的最大阻力。但由于在软弱破碎围岩中, 围岩变形和支护之间的极限平衡随着支护变形程度而变化, 难以确定。另一方面由于软弱破碎围岩早期变行快, 有可能造成较大变形和一定范围的松弛荷载, 因此钢拱架的设计可按照其单独承受早期松弛荷载来设计。根据设计、施工经验、早期松弛荷载的量值一般按照全部松弛荷载的10~40%来考虑, 用下式表示:Q=uq。Q—刚拱承受的早期松弛荷载;q—围岩松弛荷载, 按照松弛荷载统计公式计算;u—钢拱架的荷载系数, 一般为0.1~0.4; (2) 拟定钢拱架尺寸后, 进行强度、刚度、稳定性检算; (3) 钢拱架的截面高度应与喷射混凝土厚度相适应, 一般为16~20cm, 且要有一定的保护层; (4) 为架设方便, 每榀钢拱架一般分为2~6节, 并保证接头刚度, 节数应与断面大小及开挖方法相适应; (5) 每榀钢拱架拱脚对称设置锁脚锚杆, 钢拱架之间应设置直径不小于22mm的纵向连接筋; (6) 当围岩变形量较小或只容许围岩有小变形量时, 钢拱架可以设计为固定性。当围岩流动性强、变形量大, 且容许围岩较大变形时, 宜将拱架设计为可缩行, 其可缩节点设置在拱顶节点处; (7) 基于上述设计要点, 本案例中的钢拱架设计参数为:采用14号工字钢;钢拱架之间设置Φ25纵向连接筋 (间距50cm) ;由于是采用全封闭钢拱架故不设置锁脚锚杆;钢拱架分4节安装, 即拱顶1节、拱墙各1节、仰拱1节, 拱顶与拱墙间采用8mm厚的连接钢板螺栓连接, 仰拱与拱墙间采用焊接;由于隧洞底部为黄土, 故在仰拱位置设置了干硬性砼垫层。
5 钢拱架施工要点
(1) 钢拱架应紧贴岩面, 架设在隧道横向竖直平面内, 其垂直度容许误差±2°; (2) 钢拱架的拱脚应稳定, 一般设有垫、纵向托梁、锁脚锚杆等; (3) 钢拱架的安设应该在开挖后的两小时内完成; (4) 钢拱架应尽可能多的与锚杆露头及钢筋网焊接, 以增强其联合支护效应; (5) 喷射混凝土时, 应注意将钢拱架与岩面之间的间隙喷射密实; (6) 喷射混凝土应分层分次喷射完成, 初期喷混凝土应尽早完成, 复喷混凝土应在量测指导下进行, 以保证其适时、有效; (7) 本案例中全封闭钢拱架一般先安装拱顶及拱墙部分的钢拱架, 仰拱的安装稍许滞后, 采取分段安装, 以避免每循环施作仰拱干硬性砼而影响隧洞开挖进度。仰拱钢拱架的安装与掌子面的距离间隔根据围岩的地质情况分3种类型确定:1) 围岩地质情况较好, 无地下水渗出, 土体含水率小于15%, 仰拱钢拱架的安装与掌子面的距离可为10m;2) 围岩地质情况较好, 无地下水渗出, 土体含水率为15%~20%, 仰拱钢拱架的安装与掌子面的距离可为5m;3) 围岩地质情况较差, 有地下水渗出, 土体含水率大于20%, 仰拱钢拱架的安装必须与拱顶、拱墙钢拱架同时安装, 并对掌子面进行及时封闭。
6 钢拱架与锚喷支护的结合
(1) 在隧道工程中, 为适应地质条件和结构条件变化, 常将各种单一结构进行恰当组合, 共同构成较为合理的、有效的、经济的支护结构体系, 通常为联合支护; (2) 目前在隧道工程中, 作为初期支护, 使用最多的组合形式是锚杆 (主要指系统锚杆) 加喷射混凝土 (素喷或者网喷) 。因此, 初期支护可以称为喷锚支护, 它是一种最基本的组合形式; (3) 联合支护施工不仅应满足各部件安设施工的技术要求, 还应该注意以下事项:1) 联合支护宜联不宜散, 彼此要直接的牢固相连, 以充分发挥联合支护效应;2) 钢筋网及钢拱架要尽可能多的与锚杆头焊连, 锚杆头要适量露头;3) 钢筋网及钢拱架要被喷射混凝土所包裹、覆盖、即喷射混凝土要与钢筋网和钢拱架包裹密实;4) 分次施作的联合支护, 应尽快将其连接, 如超前管棚与系统锚杆及钢拱架链接。
7 结论
通过将全封闭钢拱架应用到黄土隧洞开挖及一次支护中, 解决了围岩稳定性差、易变形、坍塌、施工安全风险大、施工进度慢的难题, 确保了工程的施工安全、工程质量、施工进度, 同时在降低工程投资, 节约施工成本方面效果显著。在一次支护完成后, 通过对支护断面的变形观测, 隧洞周边变形量均在允许的变形标准值范围内, 论证了全封闭钢拱架在黄土隧洞中的支护效果, 为以后的黄土隧洞的施工积累了经验。
摘要：在引水隧洞开挖支护施工中, 通过对钢拱架初期支护的具体实践, 论述了钢拱架支护的施工技术。通过对支护断面的后续变形观测, 论证了钢拱架的支护效果, 为以后的黄土隧洞的施工积累了经验。
关键词：全封闭钢拱架,黄土隧洞,应用
参考文献
[1]《水利水电工程施工手册》[K].中国电力出版社, 2002 (12) .
[2]《水利水电工程施工组织设计手册》[K].水利电力出版社, 1990 (02) .
[3]《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-2001[S].
[4]《水利水电工程锚喷支护技术规范》SL377-2007[S].
浅谈隧道钢拱架支护的施工要点 篇2
1 隧道钢拱架支护施工概述
1.1 隧道钢拱架支护概述
隧道钢拱架支护是我国隧道工程建设过程中较为常用的一种技术形式, 在进行建设的过程中为了对隧道进行更好的固定 (特别是对地质较差的围岩) , 更好地完成相应的工程建设, 需要对隧道的顶部和周围进行支护。这样能够保证生产和建设人员的安全同时能够提升隧道工程的整体建设质量, 在我国进行钢拱架建设的过程中较多采用的是钢筋格栅钢拱架、工字钢钢拱架、U形钢钢拱架等。在运用钢拱架在进行建设和使用的过程中能够发挥自身不同的作用和特点。因此在进行建设的过程中应当依据与隧道工程的整体建设要求选用钢拱架, 在隧道工程中进行建设。这关系到整个工程的施工进度, 施工安全以及企业的整体形象, 因此在进行建设的过程中应当重视对于钢骨架支护的建设工作。
1.2 隧道钢拱架支护建设的特点
在进行隧道钢拱架建设的过程中主要有以下特点, 在进行建设的过程中, 要选用喷混凝土来发挥钢拱架支撑作用。同时在进行建设的过程中应当对喷射混凝土进行补强, 这样能够达到更好的建设强度和建设效果。同时在进行建设的过程中钢拱架应当作为超前支护的支点, 对于隧道的整体重量进行支撑。同时在进行建设的过程中应当, 发挥锚杆喷射混凝土的共同作用, 只有这样才能够达到更好的隧道工程支护建设效果。
1.3 隧道钢拱架支护施工难点
在进行隧道工程建设的过程中钢拱架支护施工具有一定的难度, 钢拱架整体加工质量直接影响到隧道工程整体建设的安全性和稳定性。钢拱架支护施工难点主要有以下两点。由于隧道钢拱架类型尺寸和数量, 以及施工企业的自身成本控制, 在进行生产和使用的过程中, 往往不能够达到很高的使用标准和建设标准, 钢拱架自身的质量参差不齐。同时施工人员受现场施工环境影响在建设的过程中, 由于自身素质不高, 在进行电焊和测量的过程中并不能够达到相应的需求。这些建设难点都需要在施工的过程中进行克服。
2 隧道钢拱架支护施工过程中存在的问题
2.1 隧道钢拱架加工不符合标准
我国在进行隧道工程建设的过程中, 尤其是在对隧道钢拱架进行加工的过程中不能够符合工程建设标准和国家的相应质量标准。在进行隧道钢拱架加工的过程中, 往往会出现钢拱架的扭曲。同时钢拱架的整体弧度并不能够适应隧道工程的整体建设弧度, 同时在进行钢拱架连接的过程中会出现较大的缝隙, 在使用的过程中不具有较强的稳定性。在对钢骨架进行焊接的过程中会出现焊缝不牢固的情况影响到钢骨架的整体质量。
2.2 隧道钢拱架架设不符合标准
相关施工单位在运用隧道钢骨架进行隧道整体支护的过程中, 需要对隧道钢骨架进行架设在进行建设的过程中, 往往不能够适应工程的整体建设标准, 不利于提升工程整体建设的稳定性。这主要体现在, 在进行隧道工程建设的过程中, 往往选用质量较差的钢材进行建设, 同时中线偏差较大, 拱架连接焊接的质量较差, 并不能够在使用的过程中发挥很好的作用。
2.3 隧道钢拱架拱背的缝隙过大
在进行隧道钢拱架建设和使用的过程中钢拱架与隧道的连接部分会出现较大的缝隙, 因此导致空间再生的过程中并不能够与隧道进行紧密的结合, 在发生坍塌事故的过程中跟我讲不能够发挥自身的支护作用, 不利于整体建设质量的提升影响到整体建设的安全性。
3 隧道钢拱架施工要点
3.1 隧道钢拱架的加工工作
要想提升钢拱架的整体支护质量就要重视钢拱架的加工工作。在进行加工的过程中首先应懂选用合适的钢材, 在选用钢材的过程中应当依据与隧道工程的整体建设要求以及国家的相应建设标准。设计图纸对于钢材的标志、品种、数量、外观等进行检查。同时在进行, 加工的过程中应当选用综合素质较高的建设人员进行相应的建设工作, 只有这样才能够提升钢拱架的整体加工质量。同时在进行加工的过程中应当依据有关的设计图来进行相应的建设工作, 应当提升钢骨架的阶段数目, 只有这样才能够提升空间的整体承载力, 在加工完成之后, 应当对于公共空间的整体建设进行检查, 对于出现问题的部分应当进行及时的修正, 防止其在使用的过程中出现问题。
3.2 隧道钢拱架的架设工作
要想提升钢拱架的整体支护作用就要在进行隧道工程将建设的过程中, 注重隧道钢拱架的架设工作, 在进行建设之前应当对隧道开挖面的尺寸, 以及相应的数据进行充分了解。只有这样才能够在进行钢拱架建设的过程中依据隧道的具体情况进行架设工作, 更好地发挥钢拱架在隧道建设中的作用。在进行架设的过程中应当对于整体的架设工作尤其是钢拱架与锚杆、钢筋网片等组成部分之间的连接结合做好充分准备, 特殊情况下还应考虑在未进行喷射混凝土施工前对钢拱架进行自身的固定 (如增设锚杆) , 对钢拱架在进行建设的过程中通过这样的方式能够达到更好的效果, 提升钢拱架的支护性。因此进行隧道钢拱架架设工作的过程中应当对整体的建设和架设数据进行整理。
3.3 隧道钢拱架横向隔板建设工作
在进行隧道钢拱架建设的过程中应当注重钢拱架横向隔板的建设工作。横向隔板在空间整体上发挥着十分重要的作用, 通过对钢拱架横向拓宽的建设能够, 提升整体建设的强度, 提升整体钢拱架的整体稳定性。提升空间的整体施工能力, 能够在隧道建设过程中发挥更好的效果并且提升隧道工程的整体建设质量和安全性。
3.4 隧道钢拱架翼缘宽度建设工作
在进行隧道钢拱架建设的过程中应当注重于钢拱架翼缘宽度的建设工作。在进行建设过程中应当保证原有宽度在一定范围之内, 应当尽量缩小翼缘的整体宽度, 只有这样才能够提升空间的整体稳定性和承载力。同时应当在进行建设的过程中应当选用合适的材料型号进行建设, 根据隧道工程的整体建设特点, 开展整体建设工作, 这样能够减少隧道支护施工的难度。
4 结束语
综上所述, 钢拱架是我国在进行隧道工程建设过程中十分重要的支护手段, 也是一种比较成熟和安全的施工方法。在进行建设的过程中, 通过对钢拱架的使用能够提升隧道工程的整体稳定性、安全性和建设效率。但是我国目前进行隧道工程建设过程中, 隧道钢骨架的加工不符合标准, 隧道钢拱架的整体建设工作不符合相应的要求。这些问题都导致了在进行建设的过程中, 钢拱架并不能够发挥自身的支护作用。因此在进行建设的过程中, 应当加强对于隧道钢拱架的设计和建设工作。同时应当加强对于隧道钢拱架横向隔板以及, 翼缘宽度的建设。只有这样才能够提升我国隧道工程的整体建设质量。
参考文献
[1]徐坤.隧道施工质量控制的关键技术研究[D].西南交通大学, 2011.
全封闭钢拱架 篇3
关键词：隧道,斜井,交叉口,施工
1 工程概况
新蜀河隧道渔王沟斜井工区全断面围岩为炭质片岩,无渗水。掌子面围岩为炭质片岩,片理呈曲面,片理及节理裂隙发育,岩质软,并有少量渗水;夹有簿层石英云母片岩,片理及节理裂隙发育,岩质较软,并有揉皱现象,潮湿无水,属Ⅴ级围岩炭质片岩。而且交叉口施工正洞时斜井边墙由于围岩压力过大产生变形,侵入二衬达50 cm左右,同时交叉口正洞也发生变形,根据监控量测数据,围岩变形速度在持续发展,没有稳定的趋势,而且正洞初期支护喷射混凝土已经开裂。为保证渔王沟斜井交叉口施工安全,正洞钢拱架受力转换的工程质量及施工安全,针对该情况设计了施工方案[1,2]。
2 基本拆除方案
由于斜井右侧围岩情况相对左侧较好,所以考虑方案时左侧初期支护基本不进行拆除,只拆除右侧初期支护。拆除后及时施作二次衬砌,厚度保证在40 cm,局部为30 cm,且二衬施作后出渣车辆能在小范围内转弯,达到运输路线顺畅的目的[3]。1)二衬断面拟定为斜井Ⅴ级围岩二衬断面尺寸,二衬厚度为40 cm,施作二衬后净高为5.2 m,净宽为4.3 m。2)斜井二衬左侧内边线沿已施工段二衬内边线进行,右侧二衬内边线按净空进行调整,对原初期支护进行拆除加宽处理。具体拆除里程从斜井0+18段开始至交叉口,拆除长度10.5 m。3)在交叉口1 m范围内设垂直于正洞轴线方向的混凝土衬砌,来承担正洞交叉口钢架压力。
3 施工步骤及技术措施
3.1 正洞加固
对于正洞已经施工的地段,左右两侧各加设一道纵梁,对口撑按照1榀/m的间距与纵梁连接。对口撑采用圆木或ϕ150 mm的钢管,钢管口必须安装法兰盘。要求对口撑、纵梁与现有的钢拱架进行连接,一端与现有的初期支护钢架点焊,另一端必须采用对口楔楔紧后与钢拱架焊接,防止下断面施工时,产生掉落现象。
3.2 径向注浆
对正洞已施工段初期支护采用小导管进行注浆处理。小导管上的注浆孔必须采用钻孔,严禁用电焊进行烧孔。同时,对下半断面未开挖的边墙部位也要进行注浆固结,使整个初期支护外的松动圈形成一个固结体,以承受围岩的压力。注浆过程中,随时量测监控围岩收敛变形情况并做好记录,一旦发生突变,立即停止压浆。注浆的具体参数如下:
1)小导管尺寸:ϕ42小导管长度为4.0 m以上。注浆孔采用台钻钻ϕ10 mm孔,间距15 cm,梅花形布置,前端加工成尖锥形,导管尾部80 cm长度范围内不钻孔,作为止浆段,见图1。
2)小导管间距:纵向×环向=1.0 m×1.0 m(根据现场实际注浆情况再调整间距)。
3)注浆管安装:在导管上预定的位置,用蘸有稠水泥浆的麻丝缠绕成不小于孔径的纺锤形柱塞。采用风动凿岩机钻孔和顶管,钻进过程中,掌握好钢管的偏斜度,再用冲击设备把管子打入到要求的深度,使麻丝柱塞与孔壁充分挤压紧密。然后再用锚固剂填充小导管与初期支护之间的空隙及孔口。注浆管的外露长度为30 cm,并与钢拱架进行焊接,以便连接孔口阀门和管路,并防止在注浆过程中,小导管被压出。
4)小导管安装角度:垂直于现有的初期支护表面。
5)水泥浆浓度:1∶(0.8～1.25),开始注浆时,浆液由稀到浓逐级变换,即先注稀浆,等到整个注浆的通道打通后,浆液逐步变浓直到1∶1.25为止。注浆宜用普通水泥或早强水泥,拌浆时可掺入减水剂。
6)注浆压力:根据新蜀河隧道渔王沟斜井开挖出露的炭质片岩情况,结合以往的施工经验,采用一次升压法,即注浆一开始就在短时间内将压力升到设计值,并一直保持到注浆结束。
7)注浆顺序:两台压浆机从拱脚向拱顶方向间隔进行,并且两侧拱脚对称进行。
8)止浆:注完浆的钢管口要立即用锚固剂堵塞孔口,防止浆液外流。
在注浆过程中,经常发生浆液从其他孔流出的现象,这种现象称为串浆。发生串浆时,用两台注浆机同时注浆,无条件时应将串浆孔及时堵塞。轮到该孔注浆时,再拔下堵塞物,用铁丝或细钢筋将孔内杂物清除并用高压风或水冲洗,然后注浆。当注浆压力长时间保持不变,吸浆量也保持一定时,则应调整浆液浓度及配合比,缩短凝胶时间,进行小泵量低压力注浆或间歇式注浆,使浆液在裂隙中有相对停留时间,以便凝胶,但停留时间不能超过浆液的凝胶时间。
3.3 超强支撑
注浆完毕后,采用圆木或钢管立柱(下垫混凝土预制板或钢板)对正洞现有DZK255+855～DZK255+871段初期支护进行支撑,防止斜井0+22～0+11段拆除过程中造成正洞初期支护再次下沉、变形。
3.4正洞交叉口钢架受力转换
斜井交叉口二衬全部施作完成后及时对正洞交叉口钢架拱脚进行处理,使正洞交叉口钢架受力全部由斜井门形混凝土结构承担,采取在交叉口1 m范围混凝土衬砌结构中提前预埋Ⅰ25工字钢和钢架拱脚焊接,浇筑二层混凝土,确保交叉口钢拱架的稳定。
4施工注意事项
为确保工程质量及施工安全,必须严格按照施工顺序进行。1)钻孔施工:开钻前,在初期支护表面标明钻孔位置。钻头点位与布孔点之距相差不得大于2 cm,钻杆度不得大于1°。对于钻孔的角度,确保径向注浆孔垂直于初期支护的表面,保证钻孔角度正确。2)配料:采用准确的计量工具,严格按照设计配方配料施工。3)注浆:每段进浆量要准确,注浆压力严格控制在1.0 MPa～1.2 MPa。当压力突然上升或从邻孔溢浆,应立即停止注浆,每段注浆量应严格按设计进行,跑浆时,应采取措施确保注浆量满足设计要求。4)用支撑加固正洞的初期支护时,必须在立柱下垫混凝土垫板或钢垫板,并且与初期支护的钢拱架顶紧,以保证立柱在斜井拆除过程中,初期支护不下沉。5)拆除初期支护时,严禁超标拆除,每次拆除长度严格控制在1.0 m～1.5 m之间,拆除完成经技术人员测量后立即进行混凝土的浇筑施工。对于斜井拆除时,根据拆除的情况,适时进行超前小导管注浆加固,以防产生新的塌方。6)拆除斜井与正洞边墙交叉点时,考虑变更后的正洞开挖尺寸大于现在的开挖尺寸,故在拆除、二衬时,认真进行测量,防止正洞拆换时,重复拆除,影响施工进度。7)斜井0+11～1+22段在二次衬砌时,必须在混凝土中加入钢纤维,以增强混凝土的抗拉性,防止围岩压力使混凝土开裂。
5结语
该方案充分利用小导管超前支护和钢支撑支护围岩,步步成环,在开挖轮廓线外形成环向支撑,有效地阻止了松散土体坍塌现象,且避免了传统挑顶方案的严重超挖、回填现象,经济性好该挑顶方案安全、经济,且适应性强,不足之处是通风较为困难。
参考文献
[1]钱大桐.双连拱隧道施工技术[J].山西建筑,2006,32(9):125-126.
[2]郭学平.大断面隧道施工方法研究[J].山西建筑,2006,32(10):114-115.
全封闭钢拱架 篇4
在我国道路交通建设规模不断扩大、速度不断提升的背景下, 隧道工程已经成为其中一项十分重要的施工环节。由于隧道施工的岩层性质特殊复杂, 需要利用钢拱架对隧道进行支护, 确保其稳定性。但是, 由于钢拱架支护的稳定性计算较为复杂, 其支护性能除了和钢拱架自身性能直接相关外, 还和隧道岩层的实际情况紧密联系。因此, 需要对钢拱架发生失稳破坏的情况进行深入分析, 明确钢拱架的破坏形式和基本原理, 以便解决隧道施工存在的问题。
1 判断隧道钢拱架支护稳定性的方法分析
1.1 基本计算原理
针对隧道施工而言, 钢拱架支护的作用变化比较明显。在支护初期, 钢拱架主要承受围岩压力。随着隧道施工不断进行, 隧道内部的岩层结构及受力会出现一定变化, 进而导致钢拱架的受力更加复杂。这种情况下, 对钢拱架的内力进行分析计算, 就需要结合实际图形, 图1所示为某隧道中钢拱架的支护示意图。
经过现场测量能够得出工字钢的两侧应力, 在两侧应力之间, 横截面的应力可以看作是按照线性分布的。在此情况下, 假定钢拱架为弹性状态, 且忽略喷射混凝土对工字钢腹板产生的冲击力, 就可以写出工字钢内部内力的计算公式。
其中N=A (σin+σout) /2, M=W (σin-σout) /2。式中钢拱架的两侧应力分别表示为σin和σout, N是钢拱架的轴力, M是钢拱架的弯矩, A是钢拱架的横截面面积, I是钢拱架的惯性矩, W是钢拱架抗弯模量。值得注意的是, 在计算过程中, 需要确定拉力为正, 压力为负, 底部受拉弯矩为正。
1.2 稳定性判断
由于钢拱架内力的变化能够反映出施工特征, 因此, 需要通过实时监测对钢拱架的应力及受弯情况作出判断。通常情况下, 判断钢拱架的稳定性可以利用两种方法进行:其一是以钢拱架的内力状态对其稳定安全性作出判断, 其二是通过钢拱架翼缘应力安全系数对稳定性作出判断。在这两种判断方法下, 可以得出两个基本的依据准则。
第一是应力判断, 根据钢拱架翼缘应力系数能够对安全性作出三个等级的划分:应力安全系数小于1.5时, 表明钢拱架状态不安全;在应力安全系数在1.5~2.0之间时, 钢拱架状态为欠安全;在应力安全系数超过2.0之后, 则表明钢拱架的状态为安全。而应力安全系数λ的计算方法为λ=fult/σi, 式中, fult为钢材强度极限, σi为钢拱架翼缘应力。
第二是内力判断, 内力判断和应力判断存在相似之处, 也可以分为三个安全等级:内力较小, 内力的合力作用于截面之上, 而且隧道内侧存在较大受压, 这种情况就是安全状态;内力的合力作用于截面上, 但是存在正弯矩和轴压力, 或者内力合力作用于截面外, 但是存在正弯矩和轴压力, 这两种情况都是欠安全的状态;钢拱架受力不合理, 弯矩或侧压较大时, 钢拱架就属于非安全状态, 也就是预警状态, 需要施工单位及时进行处理。
2 隧道钢拱架支护失稳破坏的现象和原因
2.1 失稳破坏现象
钢拱架失稳破坏的现象存在于不少山岭公路隧道当中, 由于这些区域岩层性质复杂、结构特殊, 导致钢拱架支护存在许多难以预估的影响因素。比如, 在四川省境内的某一山岭公路隧道中, 岩层属于断裂、褶皱和破碎等地质构造发育程度较高, 施工存在很大困难。经过测量组勘察后得出, 隧道施工部分的岩层属于IV到V级别, 主要使用管棚超前支护的形式进行施工。利用钻爆法分台阶开挖, 在上台阶之后就立即假设钢拱架, 钢拱架为H型钢架。架设完成之后, 及时对钢拱架进行喷锚, 以此形成一次支护。然后可以通过混凝土浇筑形成二次支护, 其中有些区段是采用钢筋混凝土支护。
H型钢拱架是该隧道工程的主要支护主体, 在一次支护时, 隧道部分区段的顶板产生了较大程度的下沉, 其中下沉最多的地方超过了800 mm, 对进行二次混凝土浇筑支护产生了很大影响, 甚至导致隧道有效断面设计出现问题。在这一情况下, 该施工单位缩减了钢拱架之间的距离, 从原先的800 mm缩减至500 mm, 同时适当增加钢拱架的数量。在采取这些措施之后, 隧道顶板的下沉现象虽然有所缓解, 但是并没有被有效控制, 沉降量依然对隧道施工存在严重影响, 如图2所示。
2.2 钢拱架失稳破坏的具体原因
钢拱架发生失稳破坏, 需要从多个方面进行分析。就钢拱架自身而言, 该隧道工程使用的是H型钢架, 断面高而窄, 能够在主平面内表现出良好的抗弯能力。但是, 抗扭刚度和侧向刚度就相对较小了。如果主平面中的载荷较小, 那么就可以保持钢拱架的弯曲平衡稳定。在载荷随着施工进行而不断增大的过程中, 钢拱架的侧向支撑会相对减弱, 进而导致主平面还没达到挠曲就发生倒向弯曲, 严重时可能出现扭转, 这就会引起钢拱架的失稳破坏。
从图3可以看出, 将X轴作为钢架强轴, Y轴作为钢架弱轴, 钢拱架绕X轴就可以产生较大的抗弯刚度以及转动惯性矩, 而绕Y轴就只能产生较小的抗弯刚度和转动惯性矩。依照材料力学的相关公式可以对该H型钢拱架展开计算, 即
式中, IX为钢拱架绕X轴转动产生的转动惯性矩;IY为钢拱架绕Y轴转动产生的转动惯性矩;b为翼缘宽度;t为腹板和翼缘的厚度;h为腹板高度。通过X轴和Y轴的惯性矩计算式可以得出:
因为t是远远小于h的, 所以可以将t/h的项直接消去, 进而可以得到:
如果h和b相等, 那么就可以得出IX/IY=3.5。如果h大于b, IX/IY就大于3.5。由于H钢拱架的h正常情况下都是大于b的, 所以就可以看出绕X轴的惯性矩是远大于绕Y轴的惯性矩的。因此, 在强轴平面内容易出现弱轴屈伸失稳和塑形失稳两种失稳破坏情况, 此外还有腹板、翼缘等局部区域产生的失稳破坏。
3 隧道钢拱架失稳破坏的应对策略
根据相关研究, 钢拱架在主平面承受载荷时, 可以通过公式计算临界载荷。该式中主平面的临界弯矩用Mcr表示, 扭转系数用β表示, 转动惯性矩用Il表示, 钢拱架的弹性模量用E表示, 剪切模量用G表示, 支撑点之间的距离用l表示。通过这一计算式可以知道, 想要提升H型钢拱架的支护性能, 可以通过缩短钢架自由长度、对钢架之间适当设置支撑、加强钢拱架自身承载以及增加IY来实现。就实际情况而言, 钢拱架在弱轴平面上发生的屈曲失稳是一个被严重忽略的稳定性问题, 在隧道施工中表现为仅仅通过增加钢拱架数量实现提升隧道支护效果, 并没有充分发挥钢拱架自身的支护效用, 导致钢拱架的性能存在严重浪费。因此, 想要提升钢拱架对隧道的支护效果, 可以从以下几个方面入手。
第一, 增大钢拱架翼缘宽度。从理论上看, 通过增大钢拱架翼缘宽度的手段, 可以实现提升钢拱架弱轴平面转动惯性矩IY的的作用。但是, 如果钢拱架翼缘宽度增加过大, 有可能引起局部失稳的情况, 反而导致钢拱架支护效果降低。因此, 需要根据隧道施工的实际情况、岩层基本性质、钢拱架材料信号等多方面的因素, 灵活合理地对钢拱架支护结构进行调整。但是, 这种方法会给隧道施工带来一定困难, 因此并非首选。
第二, 增设横向隔板。通过增设横向隔板, 可以有效缩短钢拱架受弯梁自身的跨度, 使弱轴平面的抗扭性能得到提升。在这一过程, 增设的横向隔板就相当于是一个滑动支座, 其有效加大了失稳临界载荷, 能够起到提升钢拱架支护效果的作用。但是, 由于横向隔板的作用比较有限, 只能实现滑动侧向约束, 因此也并非首选方案。
第三, 连接钢拱架。连接钢拱架的意义在于可以实现钢拱架自身长度的减小, 在提升支护效果的同时, 也比较便于施工。通过连接钢拱架, 能够使其成为一个整体, 使作用于一个钢拱架之上的载荷实现转移, 不仅可以降低单个钢拱架承受的载荷, 而且可以有效利用闲置钢架, 实现资源利用最大化。不仅如此, 连接钢拱架也能对其实现侧向约束, 如果连接程度足够, 甚至可以将其视作铰支座, 可以有效减小受弯梁自身跨度, 在提升抗屈曲临界载荷的同时强化其承载性能, 是一种优良的首选支护方案。
4 结束语
钢拱架在隧道施工支护中对稳定性的要求很高, 需对其发生失稳的现象和原因进行深入剖析, 并结合施工实际制定出对应的解决措施, 选择最优良的方案加强隧道钢拱架支护, 确保相关工程项目安全和质量。
参考文献
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