浩吉铁路黄土隧道初期支护格栅钢架应用研究

为验证重载铁路黄土隧道初期支护推广应用格栅钢架的可靠性,通过全环格栅钢架混凝土1∶1模型试验,现场初期支护变形收敛、围岩压力、格栅钢架和喷射混凝土力学性能测试,以及基于大数据的初期支护变形收敛数据统计分析等方法进行研究。研究结果表明:1)全环格栅钢架混凝土结构表现出较高的承载能力兼顾较大的变形协调能力,H180型格栅钢架混凝土结构在极限状态下可承载相当于32.56 m的黄土自重; 2)格栅钢架可应用于Ⅳ、Ⅴ级围岩大跨度黄土隧道,能保证围岩稳定及初期支护结构的安全; 3)大跨度黄土隧道初期支护采用格栅钢架,初期支护拱顶下沉及水平收敛值控制良好,总体在开挖预留变形量控制值内。     

漫谈矿山法隧道技术第四讲——钢架

介绍型钢钢架的类型、应用要点及功能效果。重点阐述能使型钢钢架发挥支护效果的关键因素(包括： 与围岩紧密接触、增强脚部支持力、与喷混凝土形成一体、采用高规格型钢钢架),强调应坚持钢架与围岩间用楔块楔紧;提出当围岩条件恶劣时,可借鉴日本开发的用型钢代替大拱脚的方法;认为当断面大、围岩差时,有必要用高规格的H型钢代替工字钢,可不增加开挖断面面积和喷混凝土的数量。介绍瑞士在Gotthard隧道预计会出现大变形时,采用的可缩式钢支撑,具有使坑道刚性逐渐提高的效果。我国钢架多采用人工架设,速度慢且架设质量难以保证,介绍日本的钢架架设设备（带举重臂的一体型喷射台车和搭载在钻孔台车上的架设机械）,这些设备可以提高钢架架设的安全性和作业效率。介绍日本对型钢钢架的施工管理规定。从国外隧道施工趋势来看,采用型钢钢架很少,采用格栅钢架更为普遍。在格栅钢架的应用方面,与国外相比,我国的经验更为成熟。我国的格栅是4肢的,美国、日本、欧洲一些国家的格栅是3肢的。比较详细地介绍了挪威的钢筋肋。日本在二川公路隧道的试验,认为在与标准支护模式同等承载力的条件下,3根主筋构成的格栅,每榀比H型钢大约节约100 kg钢材。日本正在研究用高强度喷混凝土代替型钢钢架的可行性,值得关注。最后强调： 1）钢架如果与围岩不紧密接触,就不可能发挥其应有的支护功能,因此,设置楔块必不可少,喷混凝土时钢架与围岩间要喷密实; 2）应进一步研究格栅钢架和型钢钢架的应用及适用条件。     

直接弹性抗力法及其在隧道初期支护结构计算中的应用

为更加直观地证明隧道初期支护具有单独承载能力的事实,提出直接弹性抗力法原理。直接弹性抗力法以拱(圆曲梁)和弹性地基拱(弹性地基圆曲梁)2段函数分别反映拱部支护结构脱离围岩以及侧壁支护结构压向围岩2段结构的内力及位移,能极大地简化计算过程,较为真实地反映隧道支护结构的应力状态;并结合链杆支座拱、铰支座拱模型,分别模拟实际施工的无分布锚杆影响、有分布锚杆影响但锚杆无切向力、有分布锚杆影响且锚杆有切向力3种支护应力状态,比较全面地概括隧道支护施工可能产生的应力状态,充分证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论事实。强调"先柔后刚,先放后抗"属于概念,初期支护变形的主要原因是地基承载力不足造成沉降,锚杆锚固力和喷射混凝土早期强度等严重影响初期支护单独承载;再根据隧道支护结构各种可能的应力状态,提出对隧道初期支护结构细节设计的改进建议,如锚杆与钢架的连接、钢架之间的连接、钢架底脚的处理、锁脚管桩、型钢钢架与格栅钢架的组合结构等,通过实践证明隧道初期支护具有单独承载能力的理论。     

承担全部设计荷载的隧道初期支护的设计计算方法

针对当前隧道初期支护设计存在不能承担全部设计荷载、以初期支护仰拱闭合的有利结构而不是以仰拱未闭合的最不利结构为最终设计目标而造成结构存在安全隐患以及给不出锚杆锚固力设计值和现场围岩变形很大使得采用岩体力学进行设计初期支护不具备条件的问题,提出按照“荷载-结构”的计算模型,采取结构力学力法对隧道初期支护承担全部设计荷载、对应施工“三台阶”法、对型钢钢架和喷射混凝土按变形协调条件确定各自承担荷载的比例系数、就钢架和喷射混凝土承载能力分别进行计算分析,明确在各部施工时对喷射混凝土强度以及锚杆的锚固力的要求。计算结果表明： 1）采取除中心夹角60°范围外其余均匀布置分布锚杆、采用“型钢钢架+分布锚杆+喷射混凝土”支护型式的隧道初期支护完全具有承担全部设计荷载的能力,且仰拱开挖不会威胁支护的稳定; 2）应将锚杆作为支护结构的链杆支座来确定锚杆锚固力; 3）锚杆和喷射混凝土3 h的强度对支护结构的承载能力影响很大。     

超大跨度隧道上台阶CD法中隔壁力学计算模型及施工力学行为研究

为研究超大跨度隧道分部开挖法施工中隔壁结构的施工力学行为,以山东滨莱高速公路改扩建工程双向八车道乐疃隧道为依托,基于初期支护钢架与中隔壁钢架之间的内力传递、变形协调及拱脚变位,将支护体系等效为支座可移动的三次超静定无铰拱-梁固接结构,建立了上台阶先导初期支护钢架-中隔壁钢架共同承载变位力学计算模型,采用理论分析、现场测试和力学模型计算相结合的方法,对超大跨度隧道上台阶CD法施工时中隔壁的力学行为进行分析。研究结果表明:拱顶沉降和周边收敛主要经历急剧增长、缓慢变形和趋于稳定3个阶段,且各变形值均小于设计预留变形量150 mm;受施工工序和结构约束条件变化的影响,钢架内外侧应力整体呈现出先急剧变化后逐渐趋于稳定的规律,各测点应力小于型钢屈服强度235 MPa;力学模型计算结果和现场实测数据的平均相对误差为12.6%,且规律基本一致;钢架轴力在上台阶施工过程中始终为受压,且最大值均在钢架拱脚处,受后导开挖影响,中隔壁钢架轴力增大,初期支护钢架轴力减小;先导开挖时钢架弯矩大部分部位为正,拱顶部位为负,受后导开挖影响,中隔壁钢架正弯矩值及正弯矩区域减小,同时初期支护钢架正弯矩区域减小,钢架拱脚附近弯矩出现负值;钢架结构整体处于偏心受压状态,受后导开挖影响,中隔壁钢架和初期支护钢架小偏心受压区域均发生移动,且两者钢架小偏心受压长度占比增大。     

大连地铁2号线兴工街站浅埋大跨隧道双层初期支护组合形式及合理参数分析

拱部采用双层初期支护的浅埋大跨地铁隧道工程实例十分有限,支护结构的组合形式选择与每层厚度确定还缺乏经验。针对这一问题,以大连地铁2号线兴工街站隧道工程为背景,通过现场试验与数值模拟,分析双层支护的组合形式及支护的刚度比对结构上的围岩压力及隧道上覆地层沉降的影响。研究表明:1)在双层格栅、外层型钢-内层格栅、外层格栅-内层型钢3种组合形式中,外层格栅-内层型钢最适合兴工街车站隧道,合理的支护厚度为外层35 cm,内层20 cm。2)外层初期支护为主要承载结构,承担的围岩压力随外层与内层支护刚度比增大而增大;内层初期支护为次要承载结构,承担的围岩压力随外层与内层支护刚度比增大而减小。     

蒙华重载铁路矿山法隧道设计与施工关键技术

为解决铁路隧道施工中存在的忽视围岩的承载主体地位、过分强调支护作用和过度使用支护手段等问题,进一步提高隧道建设技术和管理水平,蒙华铁路公司组织参建各方和科研院所采用科研先行、试验验证、专家论证的技术路线,综合运用模型试验、现场试验和数值模拟等方法对隧道初期支护优化和隧道限阻耗能型支护结构的研发等关键技术进行了研究,形成了适合蒙华铁路建设条件和地质条件的矿山法隧道初期支护体系:在试验表明不设系统锚杆也能满足隧道稳定性要求的前提下,蒙华铁路有钢架的Ⅳ,Ⅴ级围岩地段隧道取消了系统锚杆;隧道喷混凝土结构普遍为小偏心受压状态,格栅钢架代替型钢钢架能够保证隧道的安全,蒙华铁路矿山法隧道的初支钢架全部采用格栅钢架;经全线229座隧道推广应用,支护优化成果得到了充分验证。研发了钢板式限阻耗能型支护新结构,有效解决了老黄土地层和高地应力水平岩层隧道结构开裂破坏的难题,全线推广应用达7 km,取得了显著效益。通过以上矿山法隧道关键技术,实现了全线隧道按时贯通和“0”重伤及以上人身安全事故的总目标。     

基于现场实测的隧道初期支护受力模式分析

为研究隧道初期支护的受力模式,以蒙华铁路在建隧道为工程依托,开展隧道洞周位移和初期支护受力状态的现场测试。结果表明:1)初期支护普遍受压,结构处于小偏心受压状态;2)隧道洞周位移收敛值较小,且隧道整体向净空侧变形,与初期支护普遍受压的受力模式一致;3)洞周位移、锚杆轴力和初期支护的受力状态均不符合塌落拱式的受力模式,而符合围岩与支护相互作用而产生的形变压力特征;4)格栅钢架对结构的抗压-剪承载力贡献非常小,初期支护斜截面的抗剪强度主要由混凝土控制,格栅钢架的作用仅是在混凝土开裂后提供峰后韧性。     

8字结形格栅钢架腹筋力学作用试验研究

在山岭隧道复合式衬砌施工中,格栅钢架被广泛应用。为研究8字结形格栅钢架腹筋的力学作用,采用模型试验方法,设计一系列格栅钢架试件,系统地研究腹筋直径和焊缝长度对格栅钢架的力学作用影响。研究结果表明： 1）随着8字结腹筋直径的减小,喷混凝土格栅钢架极限承载力基本没有降低,但优化指数大幅度增大; 2）对于腹筋直径,只需满足格栅钢架加工、存放、运输和安装过程中主筋架立和固定的要求即可; 3）主腹筋焊缝长度的减小对格栅钢架的承载力基本没有影响,但可以大幅降低格栅钢架的制作成本。     

初期支护组合形式有效性现场试验研究

初期支护组合形式的有效性一直存在较多争议。依托蒙华铁路在建隧道,针对初期支护不同组合形式有效性问题开展大量现场试验,量测内容包括拱顶沉降、水平收敛、系统锚杆轴力、喷射混凝土应力及钢架应力。通过对花岗岩、板岩、砂泥岩、黄土4种地层进行试验,分析具有代表性的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级花岗岩和Ⅴ级黄土试验段数据,研究深埋岩质和土质隧道初期支护中钢筋网喷射混凝土、钢架及系统锚杆不同组合形式的有效性。结果表明： 1）现阶段“网喷+钢架+系统锚杆”的初期支护组合形式未充分发挥其作用效果,有效性差,措施过于保守,存在很大优化空间; 2）在土质或浅埋破碎岩质隧道初期支护中,系统锚杆无明显作用,可以取消,而只采用“网喷+钢架”组合形式; 3）在深埋岩质隧道初期支护中,采用“网喷+钢架”或“网喷+系统锚杆”2类组合形式之一即可。考虑到目前现场系统锚杆施作机具和施工质量,采用“网喷+钢架”的组合形式是合理和可行的。     

钢拱架锈蚀作用下型钢混凝土梁抗弯承载力研究

针对海底隧道中的钢拱架锈蚀使初期支护承载力降低的问题,为从宏观角度体现锈蚀对于钢拱架承载力的影响,采用电加速腐蚀试验得到不同锈蚀率的钢拱架,并将不同锈蚀率的钢拱架混凝土梁进行抗弯承载力试验。 结合数值模拟分析,得到以下结论: 1)锈蚀后的工字钢混凝土梁承载力随锈蚀率增加而减小,锈蚀率每增高1%,承载力平均下降 5.1 kN; 2)锈蚀工字钢混凝土梁加载过程中,当锈蚀率小于或等于1.5%时混凝土梁主要出现横向裂缝,锈蚀率大于1.5%时则主要出现贯通的纵向裂缝; 3)随着锈蚀率的增大,混凝土与工字钢之间的黏结作用减弱,混凝土应力、应变增大,反之工字钢应力、应变减小。     

公路隧道软弱破碎围岩高强钢筋格栅拱架支护性能研究

软弱破碎地层围岩稳定性差,与支护间接触压力大,支护结构应力状态复杂,因此支护结构的支护性能是满足隧道施工及运营期安全与稳定的重要保障。高强钢筋格栅拱架是以高强钢筋为主材的一种格栅拱架形式,具有支护强度高,与混凝土黏结性好,重量轻等诸多优点,但其在公路隧道软弱破碎围岩中的支护性能仍有待考量。为此,结合圆管弹性应变理论推导出的支护刚度计算公式,对不同拱架结构进行等截面换算,得出高强钢筋格栅拱架和型钢拱架的支护特征曲线;采用有限元数值计算方法将钢拱架与混凝土分部建模,进一步分析2种支护拱架的力学特性和变形特征;最后在现场开展对比试验,通过监测沉降收敛位移、围岩压力、拱架应力,分析施工中高强钢筋格栅拱架的支护性能。理论验算和数值分析结果表明,高强钢筋格栅拱架与I20b型钢拱架的极限承载力基本相同,但高强钢筋格栅拱架支护刚度相较I20b型钢拱架弱,I20b型钢拱架对变形控制能力更强;现场对比试验结果显示,2种支护拱架产生的收敛变形相差不多,且围岩接触压力分布规律基本相同,高强钢筋格栅相较I20b型钢拱架的承载应力更高,但远小于材料本身屈服强度;此外,现场施工表明采用高强钢筋格栅拱架能有效提升人工支护作业效率,对于特长公路隧道快速施工具有更好的应用价值。综合分析,高强钢筋格栅拱架在软弱破碎地层能够提供与I20b型钢拱架相近的支护抗力,适用作特长公路隧道软弱破碎围岩的初期支护拱架结构。     

钢拱架裸拱线形及预抬高值迭代算法研究

大跨径拱桥主拱圈施工特别是缆索吊装钢拱架现浇主拱圈施工是一个复杂的过程。为保证施工安全,控制施工精度,需要精确确定钢拱架裸拱线形及其吊装过程扣索的控制索力。以某主跨108m的上承式钢筋混凝土拱桥为例,对缆索吊装钢拱架现测主拱圈的施工过程进行模拟,给出钢拱架裸拱线形及预抬高值的迭代算法及合理的扣索索力,对同类型桥梁仿真计算具有借鉴意义。     

大断面软岩隧道变形特征及多层初支控制研究

以连城山大断面软岩隧道工程为依托,基于施工监测数据,对比分析了单层I22b钢拱架初期支护、单层H20b型钢拱架初期支护、双层I22b工字钢拱架初期支护和双层H20b型钢拱架初期支护4种支护方案下围岩的变形规律与支护的受力特征。结果表明,单层和双层I22b钢拱架初期支护均不能控制隧道的大变形,而双层H20b型钢拱架初期支护可以控制隧道围岩变形。采用数值软件进一步比较了4种支护措施对于控制围岩变形的有效性,计算结果表明,I22b钢拱架的支护控制围岩变形的效果明显较差,尤其是单层I22b钢拱架的支护方案条件下围岩发生了较大的变形。采用双层初期支护的方案后围岩变形分布更均匀,支护结构与围岩协同变形。研究结果可为类似工程的设计与施工提供一定的参考。     

环向预应力钢绞线加固RC拱肋力学性能试验

通过RC方柱偏压试验和RC拱肋面内受力全过程试验,对环向预应力钢绞线（LPSW）加固拱桥方法进行研究。对相对偏心距分别为0,0.25,0.5的3类RC方柱进行偏心受压试验,偏心试验表明：RC方柱加固后,预应力钢绞线先于箍筋约束混凝土,有效抑制了混凝土裂缝的纵向开展,预应力钢绞线及箍筋之间具有良好的变形协调性;LPSW加固柱承载力提高了3%～34%,LPSW加固技术适合于小偏心受压结构,偏心距越小,增强效果越明显。在偏压试验基础上,拓展了LPSW加固RC拱肋的模型试验,对LPSW加固模型拱荷载-挠度曲线、截面应变和结构破坏模式等方面进行分析。拱肋试验表明：LPSW拱肋受力过程和破坏模式与RC拱肋相似,分为弹性阶段、裂缝开展阶段和钢筋屈服阶段,最终因出现5个塑性铰形成机构而呈塑性破坏。由于环向预应力钢绞线约束,使RC拱肋提前处于3向受压应力状态,横向膨胀受到约束,避免拱肋出现拉应力,加固拱肋的初裂荷载、钢筋屈服荷载和极限荷载为未加固拱的2倍、1.6倍和1.47倍。基于偏压柱及拱肋试验结果,利用弹塑性失稳理论的等效梁柱法,建立LPSW加固拱肋极限承载力的计算公式,计算值与试验值吻合较好,且偏于安全,可用于评估实际加固拱桥的承载能力。     

中承式钢箱提篮拱桥设计

武汉市汉口至阳逻江北快速路新河大桥采用(48+196+48)m的中承式钢箱提篮拱桥。主拱采用等截面钢箱提篮拱,截面尺寸为2.5 m×4 m(宽×高),拱肋分为25个节段,采用斜拉扣挂缆索吊装法施工。2片钢箱主拱肋间设5道横撑,并外包装饰板。边拱采用预应力混凝土结构,为等高矩形截面,截面尺寸为2.5 m×4 m(宽×高),采用现浇法施工。主跨桥面系采用“钢纵横格子梁+混凝土桥面板”的组合梁体系,边跨桥面系采用混凝土格子梁体系;沿全桥通长设置钢绞线柔性系杆。吊杆采用环氧喷涂钢绞线成品索。拱座采用大体积混凝土结构,拱座主拱外包混凝土处设置装饰段,使边、主拱曲线流畅过渡。建立整体及局部模型进行计算分析,结果表明结构安全可靠。     

大跨度连续组合拱桥整体顶推施工临时撑杆方案设计

某跨江大桥主航道桥为单孔跨径188m,全长608m的大跨度组合梁-钢拱组合体系拱桥。根据桥梁方案特点及建桥条件,该桥采用钢拱、钢梁在岸上先期组拼为一体,利用顶推设备进行整体顶推的施工方法。为了保证顶推过程中钢拱、钢梁受力满足规范要求,需在钢拱、钢梁之间设置多个临时撑杆。该文着重介绍拱梁之间临时撑杆的方案选择和受力分析要点。     

渡槽贝雷钢拱架稳定性及承载能力分析

以悬拼贝雷钢拱架施工拱圈的某拱式渡槽为背景,通过对拱架结构的稳定性及承载能力进行分析,揭示拱圈现浇过程中拱架的力学行为,并对拱架不同约束形式下其稳定性和承载力的变化进行比较,得出拱架采用固结约束较铰接能显著提高拱架稳定性且不降低拱架承载能力的结论,可为以后类似工程设计施工提供参考。     

大跨度钢管混凝土拱桥整体吊装法施工的抗风研究

南昌生米大桥主桥为两主跨跨径228m的钢管混凝土连拱,该桥主拱肋的施工在国内首次使用大型门式膺架进行整体吊装,为了保证该桥主拱架设期间的安全,对其进行了风洞试验。首先给出了主拱肋的动力特性计算结果,然后对风洞试验的结果进行了分析,重点讨论了主拱肋最大悬臂状态和合龙状态的风偏角影响以及上游已安装拱肋的尾流对下游拱的影响。结果表明,主拱肋在施工期间未出现涡激振动,先架设的上游拱对后架设的下游拱的动力响应有影响。