0 引言
隨著我國鐵路客運專(zhuan) 線的建設，高速鐵路米兰国际在线娱乐技術也得到了長足的發展。客運專(zhuan) 線及高速鐵路隧道多采用單洞雙線模式，黃土地區已修建了大量的公路、鐵路隧道及各種洞室，人們(men) 對黃土隧道的認識水平也在不斷提高。黃土鐵路隧道建成後不久襯砌開裂的現象，使我們(men) 對黃土隧道的支護體(ti) 係及理論進行了大量的科學研究，並且取得了豐(feng) 富的成果。黃土隧道由於(yu) 黃土強度較低，開挖擾動後變形較大，加之客運專(zhuan) 線隧道大跨徑、大斷麵等特點，“強支護”應作為(wei) 黃土米兰国际在线娱乐的指導原則。黃土隧道的圍岩條件較差，複合式襯砌一般采用鋼拱架與(yu) 噴射混凝土及錨杆組成的初期支護，噴錨支護也是當前隧道建設中采用最為(wei) 廣泛的支護形式。黃土隧道初期支護前期變形量大，所以鋼架的使用應結合黃土天然含水量及隧道埋深情況，為(wei) 控製初期支護的收斂變形量，在淺埋隧道段應采用型鋼鋼架，型鋼的剛度大，架設後受力快，對圍岩能夠迅速提供支撐作用。初期支護承受巨大的應力主要來自土的附加壓力與(yu) 自重，會(hui) 使初期支護的噴射混凝土發生開裂，拱架發生彎曲變形。初期支護提供的支護壓力主要受支護體(ti) 彈性模量的影響，對於(yu) 支護體(ti) 的彈性模量，國內(nei) 主要通過將鋼拱架彈性模量等效折算成混凝土彈性模量進行計算，在國外MirkoCorigliano通過平麵應變單元模擬以獲得支護體(ti) 等效彈性模量，但在我國工程實例中幾乎未曾使用。本文依托寶蘭(lan) 客運專(zhuan) 線鐵路王家溝隧道工程，采用2種計算方法對影響初期支護等效彈性模量的因素進行研究，比較分析了2種結果的差異性，得出更符合工程實際的等效彈性模量計算法，以期為(wei) 後續類似工程設計與(yu) 施工提供參考。
1 工程概況
王家溝隧道為(wei) 單孔雙線隧道，位於(yu) 蘭(lan) 州榆中縣境內(nei) ，地處黃土梁茆溝壑區。海拔高程1870～2100m，相對高差200～250m，隧道起訖裏程DK983+685～DK986+306，全長2621m，洞身大約埋深214m。隧道洞身穿越的地層主要為(wei) :第四係全新統衝(chong) 積砂質黃土，上更新統風積、衝(chong) 積砂質黃土，衝(chong) 積礫砂，第四係中更新統風積黏質黃土、洪積中砂，第三係上新統泥岩。隧道各溝穀中基本無水，洞身穿越黃土層，地下水主要為(wei) 黃土孔隙裂隙水，賦存於(yu) 第四係砂質黃土的孔隙裂隙中，區內(nei) 降水量少，地下水接受大氣降水的季節性補給，隧道地表水和地下水對圬工均具有氯鹽和硫酸鹽侵蝕性。隧道主要以三台階法施工，由於(yu) 隧道進口淺埋段黃土含水量大，造成隧道沉降過大，引起了拱架嚴(yan) 重變形和噴射混凝土開裂，部分危險段采用CRD法施工，如圖1所示。
(a)三台階法
(b)CRD法
圖1 施工方法
2 初期支護彈性模量分析
基於(yu) 客運專(zhuan) 線大斷麵黃土米兰国际在线娱乐環境，初期支護結構安全度應能適應黃土特性，適應大斷麵快速施工要求，初期支護彈性模量的取值決(jue) 定著初期支護提供的支護壓力，進一步也關(guan) 係到初期支護的結構安全(見圖2)。目前對於(yu) 其彈性模量的計算主要有2種方法:1)鋼拱架采用等效方法計算，即將鋼拱架彈性模量折算給混凝土，其等效彈性模量E可按式(1)計算(折算法);2)初期支護采用線彈性各向同性的平麵應變單元模擬，其等效彈性模量Eeq可按式(2)計算(模擬法)。本文將以王家溝隧道采用的I25a型鋼鋼架和厚度30cm噴射混凝土為(wei) 主，通過2種計算方法對初期支護結構安全起重要作用的彈性模量進行比較分析。
圖2 初期支護橫截麵
式中:E為(wei) 折算法等效彈性模量，MPa;Eeq為(wei) 模擬法等效彈性模量，MPa;Ec、Eshot分別為(wei) 噴射混凝土的彈性模量，MPa;Ea、Esteel分別為(wei) 鋼拱架的彈性模量，MPa;Aa、Asteel分別為(wei) 鋼拱架的橫截麵麵積，cm2;S為(wei) 噴射混凝土厚度，cm;d為(wei) 鋼拱架縱向布置間距，cm;Ac為(wei) 噴射混凝土橫斷麵麵積，cm2;A為(wei) 初期支護整體(ti) 橫斷麵麵積，cm2;Jsteel為(wei) 鋼拱架橫截麵慣性距。
2.1鋼拱架間距
初期支護提供的支護壓力主要來自鋼拱架和噴射混凝土組成的支護體(ti) ，其主要取決(jue) 於(yu) 材料的彈性模量，等效彈性模量受拱架間距影響較為(wei) 明顯。如圖3所示，2種計算所得的等效彈性模量都隨鋼拱架間距的增大逐漸減小，模擬法的彈性模量始終略小於(yu) 折算法的彈性模量，其相對差值δ為(wei) 1%～3%，相對差值隨拱架間距的線性關(guan) 係為(wei) :δ=－0.023d+4.1，相關(guan) 係數為(wei) 0.96。
2.2噴射混凝土厚度
隧道開挖初期，支護壓力主要由鋼拱架提供，待噴射混凝土達到一定強度後，圍岩支護壓力則由拱架和噴射混凝土組成的初期支護體(ti) 提供。噴射混凝土的厚度直接影響著支護壓力，其厚度與(yu) 鋼拱架截麵高度相差無幾。初期支護的等效彈性模量隨噴射混凝土厚度的變化規律如圖4所示，折算彈性模量隨厚度的增大而減小收斂，模擬彈性模量隨厚度的增大而增大收斂。根據施工經驗，支護壓力不會(hui) 隨噴射混凝土厚度的增大而減小，若厚度過薄其所提供支護壓力肯定小，所以合適的噴射厚度才能提供最有效的支護壓力，可見模擬彈性模量在此較為(wei) 合適。2種等效彈性模量在噴射混凝土厚度為(wei) 30～40cm時最為(wei) 接近，則:Eeq=E(0.42lnS－0.47)，相關(guan) 係數為(wei) 0.98，一般米兰国际在线娱乐初期支護的噴射混凝土厚度約為(wei) 30cm。
圖3 彈性模量與(yu) 拱架間距關(guan) 係
圖4 彈性模量與(yu) 噴射混凝土厚度關(guan) 係
2.3鋼拱架型號
隧道采用的各種型鋼拱架(如:H鋼、工字鋼、槽鋼)與(yu) 噴射混凝土組成的初期支護等效彈性模量如表1所示，可以看出折算法彈性模量隨噴射混凝土厚度在減小，這與(yu) 實際工程不相符，故采取模擬法計算初期支護彈性模量更為(wei) 合適。圖5為(wei) 采用TableCuver3D技術對數值計算數據結果生成的三維曲麵，分析噴射混凝土厚度與(yu) 型鋼鋼架間距對初期支護等效彈性模量的影響，從(cong) 中可以得出三者之間的相互關(guan) 係表達式及相關(guan) 係數。由圖5可知，拱架間距和噴射混凝土厚度對不同型號拱架組成的初期支護彈性模量的影響都比較顯著，其中噴射混凝土厚度對等效模量的影響比拱架間距更加突出。
表1 初期支護等效彈性模量
2.4工字鋼型號
工字鋼作為(wei) 隧道的鋼拱架最為(wei) 普遍，采用不同型號的工字鋼作為(wei) 拱架既影響米兰国际在线娱乐質量安全又關(guan) 係著施工成本，更影響著初期支護等效彈性模量。等效彈性模量隨工字鋼型號(即截麵麵積的大小)的變化規律如圖6所示，折算彈性模量始終表現為(wei) 隨截麵麵積的增大而線性增大，而模擬彈性模量隨截麵麵積總是起起伏伏，但變化範圍較小，表現的更為(wei) 穩定。二者的比值隨拱架截麵麵積在0.95～1.01之間變化，則:Eeq=E(－0.074lnAa+1.27)，相關(guan) 係數為(wei) 0.85。
3 初期支護壓力
王家溝隧道進口淺埋黃土段，由於(yu) 黃土含水量過高，采用了I25a型鋼拱架，拱架間距60cm，噴射混凝土等級為(wei) C25，噴射厚度30cm。由式(3)求得初期支護中鋼拱架最大支護壓力，鋼拱架提供的最大支護壓力隨拱架間距的增大而減小，最大支護壓力為(wei) 360kPa(見圖7)。噴射混凝土最大支護抗力由鋼拱架與(yu) 混凝土組成的支護體(ti) 共同提供，根據式(4)由折算法與(yu) 模擬法得到的等效彈性模量求得支護體(ti) 的單軸抗壓強度，再由式(5)計算出支護體(ti) 能承受的最大支護抗力。圖8為(wei) 噴射混凝土28d後達到標準強度得出的最大支護抗力，由折算法得出的最大支護抗力隨噴射厚度的增大先減小後逐漸增大，而模擬法得出最大支護抗力隨噴射厚度的增大線性增大，最大支護抗力分別為(wei) 1851kPa和1680kPa，並且在噴射厚度35cm附近，折算法計算出的最大支護抗力略等於(yu) 模擬法，模擬法顯得更加保守。從(cong) 計算結果看出，拱架提供的支護壓力遠小於(yu) 噴射混凝土提供的支護抗力，由於(yu) 噴射混凝土噴射一段時間後才能達到強度要求用以提供支護抗力，所以起初抵抗圍岩壓力的抗力主要由鋼拱架提供。
(a)H型鋼(H20)
(b)工字鋼(I22a)
(c)槽鋼(I22b)
圖5 等效彈性模量擬合曲麵
圖6 彈性模量與(yu) 拱架截麵麵積關(guan) 係
式中:Pmax，set為(wei) 鋼拱架提供的最大支護壓力，kPa;Pmax，shot為(wei) 噴射混凝土提供的最大支護抗力，kPa;R為(wei) 隧道開挖半徑，m;σ為(wei) 鋼拱架材料的屈服強度，MPa;hset為(wei) 鋼拱架厚度，m;σc，shot為(wei) 噴射混凝土的單軸抗壓強度，MPa。
圖7 鋼拱架最大支護壓力與(yu) 間距關(guan) 係
圖8 噴射混凝土最大支護抗力與(yu) 厚度關(guan) 係
混凝土軸心抗壓強度隨齡期單調增長，但增長速度逐漸減小並趨向收斂。折算法和模擬法計算出的噴射混凝土支護體(ti) 的支護抗力隨齡期變化趨勢如圖9所示，早期強度低變化快，折算法和模擬法得出支護體(ti) 的支護抗力在噴射1d後分別達到426kPa和386kPa。王家溝隧道進口淺埋段DK983+892.2處黃土斷麵埋入監測圍岩壓力壓力盒，圍岩監測壓力分布如圖10所示。隧道拱頂與(yu) 拱腰圍岩壓力過小，主要原因是隧道圍岩的黃土含水量過大，接近飽和狀態，開挖過程中黃土由於(yu) 自重墜落，出現了開挖過剩，最終導致噴射混凝土與(yu) 圍岩沒有形成嚴(yan) 密地接觸，故未監測到實際的拱頂與(yu) 拱腰處圍岩壓力。根據監測結果可知，隧道最寬處的圍岩壓力達到了400kPa左右，正好位於(yu) 386kPa和426kPa附近，說明運用模擬法得出抗力的支護體(ti) 更容易發生變形破壞，這與(yu) 施工現場混凝土噴射不久後發生的嚴(yan) 重變形相吻合，故模擬法計算的等效彈性模量更為(wei) 合理、更加適用。
圖9 噴射混凝土支護抗力與(yu) 齡期關(guan) 係
(a)監測圍岩壓力壓力盒
(b)圍岩監測壓力分布
圖10 監測斷麵圍岩壓力分布圖(單位:kPa)
4 結論及討論
鋼拱架和噴射混凝土組成的初期支護結構與(yu) 隧道圍岩共同承擔開挖而形成的荷載。本文通過對二者組成的支護體(ti) 等效彈性模量進行深入分析，得到以下結論:
1)初期支護體(ti) 等效彈性模量的計算方法主要有折算法和模擬法，應該按隧道不同支護形式選擇更貼近工程實際的計算方法。
2)初期支護體(ti) 等效彈性模量主要受鋼拱架間距、噴射混凝土厚度與(yu) 拱架型號等因素的影響。
3)采用模擬法計算出的等效彈性模量在影響因素作用下更為(wei) 穩定、合理、適用。
4)噴射混凝土達到標準強度後，其最大支護抗力遠大於(yu) 圍岩壓力，足夠可以維護圍岩穩定，支護體(ti) 變形破壞發生在混凝土早期齡期，原因在於(yu) 抵抗圍岩壓力的抗力主要由鋼拱架提供，而鋼拱架提供的最大支護壓力很小。
米兰国际在线娱乐中初期支護安全是隧道安全的重中之重，尤其在含水量大的黃土隧道中，其黃土圍岩的變形特征與(yu) 支護體(ti) 提供壓力的作用機理還有待進一步研究。
作者：李春清，梁慶國，吳旭陽，孫凱
轉自：《隧道建設》