U型鋼柔性拱架承載能力及穩定性的試驗研究*

張浩文，莊元順，吳 南，高旭東，鄭 軍

(1.中鐵工程服務有限公司，四川 成都 610036; 2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

0 引 言

隨著國內外高地應力大變形隧道施工案例越來越多，高地應力大變形問題受到了越來越多學者的關注。作為我國即將建設的戰略性重點工程，川藏鐵路的施工建設就迫切地需要解決高地應力大變形問題。在解決高地應力大變形問題的方法中，基于收斂約束法[1-2]的支護方法在多個高地應力大變形隧道中得到了成功應用，如瑞士的圣哥達基線隧道、日本的Enasan tunnel Ⅱ隧道、南昆鐵路家竹箐隧道等均采用U型鋼柔性拱架對隧道進行初期支護，實現了對隧道的大變形控制[3]。李雪峰等[4]對馬蹄形U型鋼封閉式可縮性鋼架做了詳細的室內試驗，研究了不同數量和不同位置的接頭對拱架承載特性的影響。汪成兵等[5]采用數值模擬方法對不同結構形式的U型鋼可縮性支架進行了優化研究，結果表明直墻拱形巷道斷面采用U型可縮性支架支護效果最佳；并基于理論計算對支護參數進行了設計，現場試驗效果較好。蔣斌松等[6]提出U型鋼可縮性支架的有限元計算方法，并討論支架縮動后幾何形狀及殘余內力的計算方法。尤春安[7-8]討論了考慮U型鋼可縮性支架穩定性的承載能力問題，尤其對支架搭接部分對穩定性的影響進行了充分地研究，利用等效截面參數處理搭接部分，對U型鋼可縮性支架進行強度計算以及穩定性分析。謝文兵等[9]通過理論分析、室內試驗和現場試驗相結合的方法，分析U型鋼支架失穩的原因和支架工作過程中的承載特征，提出了支護阻穩技術、支護結構補償原理和補償技術。荊升國[10]提出棚-索協同支護的方案來提高支護承載能力和穩定性，并將棚-索協同支護成功應用于工程實例。肖鋒[11]提出了U型鋼可縮性支架配合壁后填充與錨注加固的聯合支護方法，并通過數值模擬及工程實例印證了該方法的可行性。目前國內外對于U型剛柔拱架研究甚多，在理論以及數值研究方面較為廣泛，但對承載能力及穩定性的試驗研究相對較少。筆者通過設計U29型鋼柔性拱架室內加載試驗，在不同拱架直徑工況下研究卡纜螺栓預緊力、拱架直徑變化以及偏載對拱架承載能力及穩定性的影響，為U型鋼柔性拱架的設計提供參考。

1 試驗概況

文中首先結合實際試驗條件，設計了不同直徑(拱架內徑)的圓形斷面U29型鋼柔性拱架，內徑規格分別為2.2 m、3.3 m、4.4 m。以2.2 m為基礎尺寸，后者與其分別為1.5倍及2倍關系，便于對比分析。拱架分段方式如圖1所示，拱架平均分為4段，型鋼搭接長度均為400 mm[12]。每個可縮性接頭均安裝兩副卡纜，采用8.8級M24螺栓和8級M24螺母連接，卡纜為腰定位式，U29型鋼為耳定位式。為保證不因卡纜強度和剛度不足導致拱架失穩，同時使卡纜上卡板不隨U型鋼滑動而剪切卡纜螺栓，在卡纜下卡板焊接了加強筋，如圖2所示。試驗工況如表1所列。通過試驗得出在不同拱架直徑工況下卡纜螺栓預緊力、拱架直徑變化以及偏載對拱架承載能力及穩定性的影響。

圖1 柔性拱架分段示意圖

圖2 卡纜示意圖

表1 試驗工況

本試驗采用三組油缸對拱架三個方向進行加載，如圖3所示。

圖3 柔性拱架試驗臺

試驗過程保證油缸同步加載，安裝7組位移傳感器分別檢測拱架不同方向的徑向位移，并通過油壓傳感器監測油缸的工作壓力，傳感器信號采集周期為1s。加載底座上安裝了型鋼支撐架對拱架進行軸向限位，保證拱架始終在平面內受力，防止側翻。當對拱架進行偏載試驗時，將原0°方向油缸安裝至20°方向，如圖3(c)所示。

試驗時，先對拱架施加40 kN載荷進行預壓2 min后泄壓，使拱架接頭處各零件結合緊密，確保拱架初始尺寸的準確性。完成預壓后再次檢測各螺栓預緊力矩，保證螺栓預緊力矩仍滿足試驗要求，而后開始對拱架進行加載。加載過程控制液壓泵輸出流速使每個油缸的伸長速度均為2 cm/min，油缸壓力每上升5bar就穩壓3 min。試驗過程中通過網絡攝像頭遠程觀察可縮性接頭縮動情況及拱架整體變形情況。

2 試驗結果與分析

2.1 非偏載工況下的拱架承載特性

非偏載工況下，不同卡纜螺栓預緊力的拱架極限承載能力結果統計如表2所列。工況11加載過程中拱架出現明顯阻滑現象，直至拱架發生明顯塑性變形時接頭仍未縮動。工況9～10加載過程中也出現了阻滑現象，導致拱架在接頭縮動量很小的情況下發生了塑性變形。工況1～3中接頭縮動順暢，極限承載能力最大，分別為1 480 kN、1 632 kN和1 742 kN。工況5～6縮動順暢，工況7在外載荷接近極限承載能力時，拱架接頭處型鋼發生擠壓變形，出現阻滑現象，隨后拱架持續變形，達到承載極限。工況5～7極限承載能力分別為1 320 kN、1 496 kN和1 233 kN。工況9～11均較早出現阻滑現象，使拱架失去“柔性”，極限承載能力最小，分別為999 kN、971 kN和963 kN。可見，拱架極限承載能力隨直徑的增大而逐漸降低。在拱架保持穩定縮動的工況中，拱架承載能力隨卡纜螺栓預緊力提高而增大。在發生阻滑的工況中，拱架承載能力隨卡纜螺栓預緊力增大而減小。

Rafael Rodríguez[13]等總結的拱架變形特征曲線中將變形過程分為四個階段，如圖4所示。第一階段拱架為彈性變形，與傳統剛性拱架作用效果類似。此階段支護剛度較大，拱架徑向位移量較小。第二階段為讓壓變形階段，該階段拱架支護剛度較小，隨著外載荷的增大，拱架徑向位移較大，整體形狀基本保持不變。隨著載荷增大，型鋼曲率半徑減小，接頭阻力增大，拱架變形進入第三階段。該階段拱架表現出較大剛性，發生彈性變形。第四階段中接頭出現阻滑，型鋼發生屈服變形，拱架達到承載極限。

圖4 柔性拱架理論支護特性曲線

工況1～3較為明顯地反映出了前三階段的變形特征。在讓壓變形階段多次出現由于接頭突然快速縮動而導致的卸壓。此階段外載荷增長較小，如圖5(a)～(c)所示。工況5～7并未出現大量的讓壓變形和卸壓現象，僅在外載較小時出現短時的讓壓變形，此后整體表現為彈性變形，如圖5(d)～(f)所示。以上工況，拱架收縮過程均較為順暢。而對于工況9～11，拱架在不同時期發生了明顯的阻滑現象，導致拱架直接從彈性變形過渡到屈服變形階段。在45°和315°方向出現較大的側向扭曲(拱架軸向翻轉)，拱架在該處徑向收縮量出現負增長，如圖5(g)～(i)所示，現場試驗結果如圖6所示。同等徑向收縮量下，直徑較小的拱架曲率變化較快，更易發生接頭快速縮動導致的卸壓。而隨著拱架直徑增大，讓壓變形階段中卸壓現象將減少，縮動過程更加穩定。

圖5 拱架變形特征曲線

圖6 工況11拱架扭曲變形

2.2 偏載工況下的拱架承載特性

就總體趨勢而言，隨著拱架直徑的增大，承載極限表現為逐漸減小。相對無偏載條件，偏載情況下拱架極限承載能力趨于減小，如表3所列。

表3 偏載下的拱架極限承載能力

圖7為不同直徑拱架在偏載作用下的變形特征曲線?？梢钥闯觯r4偏載與工況1不偏載的拱架變形特征曲線大致相同，同樣多次出現卸壓，表明偏載對直徑為2.2m拱架的縮動影響較小。而與工況5相比，工況8中拱架出現多次卸壓，卸壓幅值較大，導致315°方向出現徑向收縮量回彈，該方向徑向收縮量整體為負增長，45°方向增大，0°方向減小。與工況9相比，工況12拱架315°方向徑向收縮量負增長幅度更大，45°方向發生了順暢穩定的縮動，使徑向收縮量增大，而0°方向減小。偏載對直徑3.3 m和4.4 m拱架徑向收縮量影響較大，對兩種工況下拱架315°及0°方向徑向收縮量有負增長作用，對45°方向有促進縮動作用，使該方向徑向收縮量增大，且偏載對工況12的縮動影響大于工況8。可見偏載對小直徑拱架影響較小，隨著拱架直徑增大，偏載對其縮動影響也隨之增大。

圖7 偏載下的拱架變形特征曲線

加載過程中，工況12未出現大的卸壓，整體變形趨于穩定增長。工況8和工況12中拱架45°方向接頭縮動最為明顯，315°方向加載前期出現少量收縮，而后接頭處型鋼折彎，內外型鋼發生擠壓變形，出現阻滑，45°方向接頭繼續縮動，導致拱架315°方向出現側向扭曲及向外鼓起。隨著加載過程繼續，拱架整體形狀發生改變，出現側向失穩，最終拱架喪失承載能力，如圖8、9所示。

圖8 偏載下拱架變形示意圖

圖9 工況12拱架扭曲變形

3 分析與討論

3.1 卡纜螺栓預緊力對拱架極限承載能力的影響

如本文實驗結果所示，工況1～3及工況5～6試驗過程中拱架始終保持縮動，均未出現阻滑現象，縮動后整體形狀依然為圓形，結構穩定性較好，承載能力隨卡纜螺栓預緊力增大而增長。工況7及工況9～11中拱架均在不同時期發生阻滑，承載能力隨卡纜螺栓預緊力增大而衰減?？梢?，在接頭順暢縮動的前提下，較大的卡纜螺栓預緊力利于充分發揮拱架的承載能力。而在發生阻滑的工況中，較大的卡纜螺栓預緊力使拱架更早發生阻滑，使拱架在較低的外載荷下破壞。如圖10所示，對拱架接頭進行分析，型鋼軸力N為推動拱架縮動的主動力。卡纜預緊力Fn所產生的摩擦力是阻止接頭發生縮動的阻力之一。拱架縮動過程必然伴隨型鋼曲率的減小，使接頭處型鋼彎矩M增大，縮動阻力隨之增大。較大的卡纜螺栓預緊力可能導致拱架提前發生阻滑，進而導致拱架在未達到理論最大承載能力時破壞。

圖10 柔性拱架接頭受力分析示意圖

較低的螺栓預緊力雖可保證接頭迅速縮動，但會導致拱架過早達到斷面設計收斂變形量，起不到預期的讓壓支護效果。在實際工程中，接頭縮動速率過大會直接導致作用于接頭位置處的外荷載迅速降低，拱架受載荷分布不均勻，降低拱架的實際承載力。即在保證拱架接頭平穩有效縮動的前提下，提高螺栓預緊力是保證拱架高阻支護的關鍵，利于充分發揮拱架承載能力。

3.2 直徑對拱架極限承載能力及穩定性的影響

本文試驗中所有工況拱架分段方式均相同，隨拱架直徑的增大，單段型鋼增長，接頭處彎矩M隨之增大，致使拱架由于較大的縮動阻力發生阻滑。在非偏載工況中，拱架直徑越大，阻滑越早，相應承載能力也越低。僅有工況9～11中發生阻滑的接頭處發生了側向扭曲，在持續的載荷作用下，拱架整體形狀改變，側向扭曲愈加明顯，直至喪失支護能力?？梢?，較大直徑的拱架側向抗彎能力及穩定性較差。實際工程中要求拱架各節型鋼長度不宜大于4 m，且拱架拼接后平面翹曲應小于2 cm，橫向安裝誤差小于5 cm。避免單段型鋼過長，可降低兩端接頭較早阻滑的風險。較小的平面翹曲量和橫向誤差可降低拱架側向扭曲失穩的風險。

3.3 偏載對拱架極限承載能力及穩定性的影響

拱架縮動過程克服接頭處摩擦阻力，同時使接頭處型鋼彎曲，曲率減小。偏載工況中偏載力更加靠近45°方向，使該處型鋼撓曲變形更大，利于45°方向接頭縮動，反之，距偏載力較遠的315°方向接頭則不易縮動。型鋼兩端收縮量差異持續增大，即出現圖8所示情況。且隨拱架直徑增大，偏載力與相鄰兩接頭距離之差也隨之增大，對兩接頭縮動差異的影響也愈大。即偏載主要影響了相鄰接頭之間縮動量的差異，單段U型鋼上距離外載荷較近一端的接頭更容易縮動，且縮動過程較為穩定，而另一端的接頭則容易發生阻滑。當一端接頭發生阻滑，一端接頭不斷縮動時將導致拱架整體變形，同時發生阻滑的接頭處會向外鼓起且發生側向扭曲，直至拱架發生失穩后達到承載極限。在隧道內，由于圍巖對拱架的徑向約束，拱架并不會向外鼓起，均表現為側向扭曲。實際隧道施工過程中不易準確定位主應力的方向，主要在拱架安裝后期通過拱架變形觀測并進行針對性的加強措施。

4 結 論

通過室內試驗，研究分析了不同拱架直徑工況下卡纜螺栓預緊力、拱架直徑變化以及偏載對拱架承載能力及穩定性的影響。相關結論總結如下。

(1) 相同的徑向收縮量下，直徑較小的拱架曲率變化較快，更易發生接頭快速縮動所導致的卸壓。隨著拱架直徑增大，讓壓變形階段中卸壓現象將減少，縮動過程更加穩定。

(2) 在保證拱架接頭平穩有效縮動的前提下，提高螺栓預緊力是保證拱架高阻支護的關鍵，利于充分發揮拱架承載能力。

(3) 拱架單段型鋼較長時易使接頭縮動阻力較大，使拱架發生阻滑，降低拱架實際承載力。實際工程中要求拱架各節型鋼長度不宜大于4 m。較大直徑的拱架側向抗彎能力及穩定性較差，當接頭發生阻滑時拱架易發生側向扭曲。

(4) 偏載主要影響了相鄰接頭之間縮動量的差異，距偏載力較近的接頭更易發生縮動，而遠離偏載力的接頭則不易縮動甚至發生阻滑。當相鄰接頭縮動量差異較大時，易導致拱架發生整體變形及側向失穩。在工程施工中應對拱架偏載處進行針對性補強措施以降低拱架失穩風險。