大断面黄土隧道钢架与格栅拱架试验研究

大断面黄土隧道钢架与格栅拱架试验研究

0喷射混凝土和钢拱架、锚杆联合支护体系中的荷载转在隧道防护系统中，当传输混凝土不能提供足够的强度时，钢拱框架的防护机制将影响围岩的变形速度，并随着围岩变化的加剧而逐渐增加。随着射混凝土层硬化和土壤侵蚀的加剧，围岩负荷逐渐增加，由射混凝土、钢拱和锚杆联合防护系统共同支撑。但是，近年来许多隧道工程又普遍使用型钢拱架，特别是在大跨隧道和地质条件较差的隧道中更是如此。目前，正在修建的郑州—西安铁路客运专线上的隧道中，黄土隧道总延长约50km，占全线隧道总长的65%，隧道开挖面积达160m研究方法采用现场对比试验，选取试验条件基本相同的两个试验段进行型钢拱架与格栅拱架的对比试验，测试内容有：拱顶下沉、拱脚下沉、水平收敛、围岩压力、初支钢架应力等，由试验结果综合分析型钢拱架与格栅拱架的适应性。1格栅拱架试验段选取贺家庄隧道为试验工点，隧道位于黄土台塬地区，隧道长1834m，洞身段地形平坦。地层有第四系全新统塌滑堆积(Q型钢拱架试验段和格栅拱架试验段隧道穿越黄土的物理力学性质指标基本相同，其含水率为19%，密度1.83g/cm隧道初期支护参数：型钢拱架试验段采用I20a工字钢，间距0.8m；格栅拱架试验段采用全环4肢Ф25钢筋，间距0.8m；钢筋网直径为φ8，间距20cm×20cm；喷混凝土强度为C25，厚30cm；系统锚杆长3.5m，间距1.0m×1.0m，且拱脚及边墙处设置锁脚锚杆。衬砌为C35的钢筋混凝土，厚0.5m。试验段内采用短台阶七步开挖法施工，具体施工流程如下：第（1）步，拱部进行超前支护后，开挖弧形导坑，及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢拱架并复喷至设计厚度。第（2）步～第（3）步，分别开挖、支护中台阶左右侧边墙。第（4）步～第（5）步分别开挖、支护下台阶左右侧边墙。第（6）步，开挖中部上、中、下台阶的核心土。第（7）步，开挖仰拱并及早封闭成环。每个循环进尺1.6m，每天两个循环，工法如图2所示。两个试验段内地形及地质条件相同，除钢拱架外其它支护参数相同，隧道施工方法相同，因此保证了试验结果的可比性。2试验工作和点的配置2.1格栅拱架试验方案试验段长80m，其中型钢拱架试验段长40m，共布设4个测试断面：DK241+962、DK241+967、DK241+980、DK241+990；格栅拱架试验段长40m，共布设4个测试断面：DK242+063、DK242+065、DK242+073、DK242+075。测试项目：DK241+962、DK241+980、DK242+063、DK242+073断面测试拱顶沉降、拱脚沉降、水平收敛、围岩压力、钢架应力；其余断面只测试拱顶沉降、拱脚沉降和水平收敛。2.2测量对象的布局(1）沉降及水平收敛测点测点布置如图3所示，图中GD1为拱顶沉降测点，GJ1、GJ2为拱脚沉降测点，DSL1～DSL4为绝对水平位移测点，SL1、SL2为相对收敛测线。(2）测量点的围岩压力配置测点沿隧道中线对称布置如图4所示，图中Y1～Y11表示11个压力测点。(3）型钢拱架和格栅测点布置测点沿隧道中线对称布置如图5所示，型钢拱架和格栅测点布置位置相同。图中WE1～WE9表示钢拱架的外侧测点，NE1～NE9表示钢拱架内侧测点。2.3沉降收敛测点的测量自适应变化法拱顶沉降、拱脚沉降及水平收敛量测采用非接触量测方法，测量仪器为TCRA1102型全站仪，通过测量测点的绝对坐标变化值，然后计算出沉降和收敛值，精确度为1mm。围岩压力测试采用双模压力盒，型钢拱架应力测试采用EBJ-57型应变计，格栅拱架应力测试采用CL-XZ-B型钢筋测力计，土压力、应变计及钢筋计的数据采集均采用ZXY-2型频率读数仪。3试验结果及分析3.1测试数据总结试验段的8个测试断面的测试数据见表1，表中数据为断面中各测点的最大值。3.2型钢与格栅拱顶的沉降型钢拱架试验段与格栅拱架试验段各测试断面的隧道拱顶沉降历时曲线见图6，拱脚沉降历时曲线见图7，各施工阶段拱顶沉降比例见表2。可以看出：(1)型钢拱架试验段的拱顶沉降为53～69mm，拱脚沉降为37～69mm，封闭前拱顶沉降约占89%，封闭后拱顶沉降约占11%；(2)格栅拱架试验段的拱顶沉降为55～62mm，拱脚沉降为41～47mm，封闭前拱顶沉降约占82%，封闭后拱顶沉降约占18%；(3)型钢试验段比格栅试验段的沉降略大；(4)前1～3天拱顶与拱脚沉降值基本相同，说明钢拱架主要为整体沉降；(5)断面封闭后一周左右沉降基本稳定。3.3拱脚部水平收敛型钢拱架试验段与格栅拱架试验段各测试断面的隧道水平收敛历时曲线见图8，各施工阶段水平收敛比例见表3。可以看出：(1)型钢拱架试验段拱脚处的水平收敛为31～38mm，封闭前约占83%，封闭后约占17%；(2)格栅拱架试验段拱脚水平收敛为27～48mm，封闭前约占90%，封闭后约占10%；(3)型钢试验段与格栅试验段的水平收敛基本相等；(4)断面封闭后一周左右水平收敛基本稳定。3.4拱腰及边墙土压力型钢拱架试验段与格栅拱架试验段测试断面的土压力分布如图9,10。可以看出：(1)型钢拱架试验段土压力只有12～151kPa，分布规律性差，但总的来说拱腰及边墙部位的土压力较大；(2)格栅拱架试验段土压力只有6～145kPa，分布规律性差，但总的来说拱腰及拱脚部位的土压力较大；(3)量测到的土压力普遍偏小的原因可能是由于压力盒背后土体较松散以及钢架整体沉降较大；(4)总体上看型钢拱架的土压力较格栅拱架的土压力大些。3.5格栅拱架应力型钢拱架试验段与格栅拱架试验段测试断面的钢架应力分布如图11,12，负号表示受压。可以看出：(1)拱部及边墙钢架内、外翼缘均受压。(2)型钢拱架拱顶应力较大为-120.8～-145.0MPa；拱腰和拱脚应力大小相差很大，从-16.2MPa到-240.7MPa，平均约-125MPa；边墙应力大小相差也很大，从1.7MPa到-154.1MPa，平均约-63MPa；仰拱应力最小为-0.2～-63.1MPa。(3)格栅拱架拱顶部应力较大为-92～-125MPa，平均-86MPa；拱腰为-56.8～-154.9MPa，平均-91.2MPa；拱脚为-37.6～-108.6MPa，平均-62.4MPa；边墙为-20.8～-78.5MPa，平均-32.2MPa；仰拱部位钢架应力最小为2.3～-65.8MPa。(4)拱部钢架应力测点埋设后掘进1.6m时，钢架应力达到最终应力的1/4，掘进3.2m时，钢架应力达到最终应力的1/3。(5)型钢拱架的应力从总体上大于格栅拱架的应力，且型钢拱架的应力分布很不均匀，而格栅拱架应力分布相对比较均匀。4联合支护下喷混凝土的强度喷混凝土是唯一能够与围岩壁面大面积牢固黏附的支护方法，适用于各种围岩。在黄土地层的大跨隧道中，喷混凝土与钢拱架组成联合支护共同承受围岩荷载。在喷混凝土还不能提供足够强度时，由钢拱架承受围岩荷载，随着喷混凝土强度的增长，围岩荷载转由喷混凝土、钢拱架等联合支护体系共同承担。因此，喷混凝土的早期强度十分重要，尤其是采用格栅拱架的情况。经现场试验，得到喷混凝土早期抗压强度曲线如图13。从试验结果可以看出：隧道试验段的喷混凝土一天的抗压强度达到了12.4MPa。文献5预应力分布情况分析根据大断面老黄土地层中对型钢、格栅拱架进行的现场对比试验，经综合分析，得到以下结论：(1）型钢拱架试验段比格栅拱架试验段的拱顶、拱脚沉降均略大，水平收敛基本相等；型钢拱架的应力从总体上大于格栅拱架的应力，型钢拱架的应力分布很不均匀，格栅拱架的应力分布相对比较均匀；土压力普遍很小，一般只有几十kPa，但总体上看型钢拱架段土压力比格栅拱架段土压力大些。(2）测点埋设后掘进3.2m（即测点埋设后1天，开挖2个循环，安装4榀钢架）时，型钢拱架的拱顶沉降达总沉降的25%，水平收敛达总收敛的29%，最大应力达总应力的33%；格栅拱架的拱顶沉降达总沉降的27%，水平收敛达总收敛的3