送風口處支護結構受力分析及斷面型式研究

錢文斐

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

送風口處支護結構受力分析及斷面型式研究

錢文斐

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

對于送風口處支護內力分析及斷面形式等方面的研究，現行規范及學者研究得較少，現通過對通風風道在不同矢跨比的工況下支護結構受力狀態及斷面形式的分析研究，得出了通過在通風通道與主隧道的交界處采取如下措施可在保證支護結構安全的同時增大通風面積：（1）增加風道板厚度的同時在支護結構中增設鋼拱架；（2）增設錨桿，利用錨桿的抗拔力約束支護結構變形。該成果為送風口處的支護結構設計及斷面形式的選取提供了一定程度的參考價值。

送風口；通風風道；矢跨比；風道板

0 引言

關于送風口處支護受力分析及斷面型式研究，現行《公路隧道設計規范》（JTG D70-2004）中條文未涉及相關內容，《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010）中20.4.6中僅提到“送風口宜設置于隧道拱部……”，也未涉及支護受力分析及斷面形式研究。

為此，本文擬對送風口處襯砌的斷面形式及受力性能進行分析、探討及研究。

1 研究對象

以設計速度為80 km/h、雙向4車道隧道為例，洞身所處圍巖為Ⅲ級圍巖。相關斷面見圖1所示。

圖1 通風口處襯砌斷面圖

1.1 計算條件

設計參數及計算條件如下：

（1）初期支護采用C20噴射混凝土12 cm。

（2）考慮到洞身圍巖為Ⅲ級，初期支護承受全部圍巖壓力，二次襯砌僅作為安全儲備及內裝，故該項研究僅模擬初期支護的受力性能。

1.2 荷載確定

采用“荷載—結構”法，圍巖壓力值根據現行《公路隧道設計規范》進行確定。

1.3 研究內容

該項研究擬研究通風風道處不同矢跨比（H/L，見圖1）的情況下支護結構的受力狀態及斷面形式的合理選擇。對于拱頂出作為送風口結構部分，按照不同的矢跨比分別進行分析、比較。擬分為工況一（矢跨比1/4.34（與既有拱腰順接））、工況二（矢跨比1/4）、工況三（矢跨比1/3.5）、工況四（矢跨比1/3）、工況五（矢跨比1/2.5），共五種工況對初期支護的彎矩、軸力、剪力進行分析。

2 結果與分析

2.1 內力云圖

以工況五為例，結構的內力云圖見圖2～圖4所示。

2.2 內力值

通過對計算結果進行分析，對拱頂（1點）、拱腰（2點、3點）、拱腳（4點）位置處的內力值進行整理（見圖5、圖6）。

由圖5可以看出，不同工況下，各位置處的軸力值相差較小，1點處軸力值最大浮動范圍為21%，2點處軸力值最大浮動范圍為1.8%，3點處軸力值最大浮動范圍為3.2%，4點處軸力值最大浮動范圍為11.7%。

圖2 彎矩云圖

圖3 軸力云圖

圖4 剪力云圖

圖5 不同工況下各點的軸力值曲線圖

圖6 不同工況下各點的彎矩值曲線圖

由圖6可以看出，不同工況下，各位置處的彎矩值變化大，1點處彎矩值最大浮動范圍為47.2%，2點處彎矩值最大浮動范圍為1424.7%，3點處彎矩值最大浮動范圍為735.1%，4點處彎矩值最大浮動范圍為35%。

由力學知識可知：在軸力值變化幅度不大的情況下，彎矩值的大小將直接影響結構的受力性能，經整理，各點應力值如圖7所示。

圖7 不同工況下各點的軸向應力值曲線圖

由圖7可以看出：當工況四、工況五（即矢跨比大于1/3.5），特別是工況五（當矢跨比達到1/2.5）時，送風通道與主隧道交界處（2點、3點位置）結構處于不利的受力狀態，成為整個結構體系的薄弱點，初期支護的破壞將首先在此位置發生，從而影響支護安全。

各點的剪力值見圖8所示。

圖8 不同工況下各點的剪力值曲線圖

從圖8可以得出：不同工況下，1點處剪力值最大浮動范圍為210.3%，2點處彎矩值最大浮動范圍為299.7%，3點處彎矩值最大浮動范圍為370%，4點處彎矩值最大浮動范圍為28%。當工況四～工況五（即矢跨比大于1/3.5），特別是工況五（當矢跨比達到1/2.5）時，送風通道與主隧道交界處（2點、3點位置）剪力增長十分明顯，與軸向應力值變化趨勢相同。

2.3 結果分析

通過以上的計算分析可知：如選擇盡可能大的送風道面積（見表1）時，則結構的安全性則大大降低，因此解決風道面積與結構安全性的矛盾是關鍵性問題。

表1 不同工況下通風口面積一覽表

同時，由表1看出：當工況四（矢跨比為1/3.5）時，風道面積較之工況一增大約27%，并不明顯，而當工況五（矢跨比為1/2.5）時，風道面積較之工況一增大約87%。在允許風速區間值的情況下，應盡可能選擇較大的風道面積，以滿足需風量的要求，即選擇工況五（矢跨比為1/2.5）。

通過對工況一、工況五進行分析對比，造成工況五2點、3點位置處的內力值較大的原因在于：矢跨比較大時，由于通風通道與主隧道的交界處結構形式變化較明顯，2點、3點位置處的位移值偏大（工況一時為0.10 m，工況五時為0.23m）。

如能有效控制2點、3點處的位移則將大大改善支護結構受力，并能有效增加通風道面積。

3 小結

經分析，控制2點、3點處位移主要有以下兩種方案。

3.1 增大風道板的剛度

增大風道板剛度的主要措施如下：（1）提供風道板混凝土強度等級；（2）增加風道板厚度；（3）可考慮在主隧道支護及風道板中設置鋼拱架（見圖9）。

圖9 鋼拱架布置斷面圖

3.2 約束2點、3點處變形

具體措施如下：在2點、3點處布置錨桿（見圖10），利用錨桿的抗拔力約束支護結構變形。

圖10 約束錨桿布置斷面圖

通過對送風通道與主隧道交界處施加一定的約束并經過計算，2點、3點處應力值變化情況如表2所列。

表2 2點、3點處應力值變化一覽表

綜上可以得出如下結論：

（1）為了加大通風面積，可以考慮在隧道拱部采用較大矢跨比的圓弧結構形式。

（2）為改善拱部較大矢跨比圓弧結構的不利受力情況，可考慮在通風通道與主隧道的交界處采取如下措施：a.增加風道板厚度的同時在支護結構中增設鋼拱架；b.增設錨桿，利用錨桿的抗拔力約束支護結構變形。

4 結語

本文從理論方面討論了通風口處盡可能采用較大的風道斷面面積而采取的一些必要的支護結構措施，但尚需在實際工程中進行監控量測以進行驗證及修正，從而更好地為工程設計服務。

U453.1

A

1009-7716（2017）04-0212-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.062

2017-01-17

錢文斐（1977-），男，江蘇鎮江人，高級工程師，從事巖土工程與地下結構設計研究工作。