隧道襯砌模板支撐結構受力分析

董承全 陳 輝 李晉平

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

隧道襯砌模板支撐結構受力分析

董承全 陳 輝 李晉平

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

假定隧道二次襯砌處于穩定圍巖壓力作用下，采用“田”字形支撐結構，利用結構力學剛性連接形式，推導出了結構內力與變形計算公式，并且通過實際工程案例作了計算分析，指出利用結構力學方法推導的計算公式為隧道襯砌支撐結構計算提供了新途徑。

隧道襯砌，支撐結構，受力分析

0 引言

隧道建筑是鐵路，公路，水工，市政工程中很重要的建筑結構形式。為保障隧道結構的安全運營，混凝土襯砌施工是一項必要的施工環節。一些文獻[1-6]對隧道設計施工工藝及安全作了必要的論述和規定。一些著作[7]中對隧道設計支撐計算采用不同理論進行了分析，給出了設計計算公式。本文假定處于均勻圍壓作用下的矩形隧道襯砌采用“田”字形支撐體系，利用結構力學方法，推導出支撐在剛性連接條件下的強度及變形計算公式，可作為有關設計施工參考。

1 “田”字形支撐結構內力與變形計算公式

1)如圖1所示為“田”字形支撐結構受力分析示意圖。忽略軸力產生的變形，不考慮線位移，利用轉角方程：

(1)

由于結構對稱，令θA=θB=θC=θD，θE=θF=θG=θH=0。

取A點平衡，求θA：

(2)

將θA代入式(1)得：

(3)

2)內力PAG，PEF計算示意圖見圖2。

取E點平衡，∑ME=0得：

(4)

取y方向平衡，∑yE=0得:

(5)

PAE，PGH計算示意圖見圖3。

取G點平衡，∑MG=0得：

第1自然段：那是一個飄浮著橘黃色光影的美麗黃昏，我忽然對在一旁修剪茉莉花枝的母親問道：“媽媽，你愛爸爸？”

(6)

取x方向平衡，∑x=0得：

(7)

3)變形計算。

變形計算示意圖如圖4所示。

由于對稱，θE=θG=0，wA=wE=wg=0，其中，θ為角變形；w為撓度變形。

(8)

(9)

2 工程應用實例

某隧道工程為一雙線隧道，隧道斷面為10m×10m矩形隧道。該隧道地質圍巖為Ⅲ級，設計二次襯砌混凝土強度等級為C30。襯砌厚度40cm。采用“田”字形支撐結構，模板支撐間距1m。假定隧道在初期支護中圍巖壓力已趨于穩定，二次襯砌忽略圍巖壓力和變形。只考慮混凝土自重壓力，則q1=1m×1m×0.4m×24kN/m3=9.6kN，q2=1m×1m×0.4m×24kN/m3×0.9=8.4kN。q1，q2在“田”字形支撐結構上的分布如圖1所示，支撐結構內力計算示意圖如圖2所示。由式(4)計算PAG：

由示意圖3和式(6)，式(7)計算PAE，PGH內力：

支撐桿材料選擇：

取最大內力值48.63kN計算桿材鋼管截面面積，考慮2倍安全系數，內力97.25kN，按許用應力[σ]=180MPa計算，需截面面積為5.56cm2，選擇φ8cm外徑，壁厚3mm鋼管，截面面積為7.54cm2。

計算變形：

見圖4，計算k1，k2處撓度wk1，wk2，由式(8)，式(9)分別計算：

計算轉角θA：

3 結語

對于處于穩定圍巖壓力作用下的二次襯砌模板支撐體系采用“田”字形結構，利用結構力學方法推導計算支撐桿系受力變形公式，可作為設計施工人員參考。為隧道襯砌支撐結構計算提供了一種新途徑。

[1] 宋非非,姜維成,胡曉光.結構力學[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2] JTG D70-2004，公路隧道設計規范[S].

[3] 鐵建設[2007]47號，新建時速300～350公里客運專線鐵路設計暫行規定(上,下)[M].北京：中國鐵道出版社,2007.

[4] TB 10003-2005，鐵路隧道設計規范[S].

[5] 夏立峰.深基坑鋼板樁支撐結構設計[J].山西建筑，2004，30(5)：23-24.

[6] 劉 磊.框架—支撐結構體系的分類及優缺點[J].山西建筑，2007，33(36)：66-67.

[7] 高秋利.碗扣式鋼管腳手架施工現場實用手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.

Force analysis in structure of formwork support of tunnel lining

DONG Cheng-quan CHEN Hui LI Jin-ping

(ChinaAcademyofRailwaySciencesRailwayEngineeringResearchInstitute,Beijing100081,China)

This paper assumes that the tunnel lining is in the stable surrounding rock pressure, the internal force of the structure and deformation calculation formula are derived by using the “Tian” font support structure and rigid connection type in structural mechanics principle. Through the practical engineering case made calculation and analysis, pointed out that using structural mechanic method derived the calculation formula provided a new way for the calculation of tunnel lining support structure.

tunnel lining, supporting structure, stress analysis

1009-6825(2014)13-0181-03

2014-02-20

董承全(1951- )，男，高級工程師； 陳 輝(1982- )，男，助理研究員； 李晉平(1977- )，男，高級工程師

U451.4

A