“鋼拱架+鋼格柵+噴射混凝土”聯合支護結構的力學特性研究

朱林 陳瑞 李智 張勇

摘要 黃土隧道傳統的支護方式主要是“鋼拱架+噴射混凝土”和“鋼格柵+噴射混凝土”，根據黃土隧道變形大、強度低的特點，文章提出采用新型的“鋼拱架+鋼格柵+噴射混凝土”聯合支護結構。基于經典彈性薄殼理論，研究聯合支護結構力學特性，建立了各支護組分的軸力、彎矩等力學參數的理論公式，結合某隧道工程，研究支護間距和噴層厚度等參數對各支護組分承載能力的影響。

關鍵詞 超挖;隧道工程;數值模擬;穩定性分析

中圖分類號 U456.31 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0095-04

0 引言

我國黃土地層覆蓋寬闊，隨著我國社會經濟水平的不斷發展，當前越來越多的在建和擬建的隧道會穿越黃土地層[1]。由于黃土具有變形大、強度低的特性，致使隧道開挖后容易發生大變形[2-4]。因此，針對黃土隧道上述特點，開展適用于黃土隧道的支護結構研究具有重要的意義。

目前關于黃土隧道支護方式的研究主要集中在“鋼拱架+噴射混凝土”和“鋼格柵+噴射混凝土”等支護方式在不同圍巖條件下的適應性問題。趙占廠[5]等對淺埋黃土公路隧道的襯砌受力進行現場測試。譚忠盛[6]等研究表明鋼拱架及格柵拱架均能適用于IV級黏質老黃土隧道，但格柵拱架更具優越性。霍潤科[7]等通過數值模擬，給出定西隧道初期支護的優化參數。該文綜合考慮傳統支護方式的適應條件以及黃土隧道開挖后變形大等特點，提出了“鋼拱架+鋼格柵+噴射混凝土”聯合支護方式。研究了不同噴射混凝土厚度和不同鋼拱架與鋼格柵的間距對各支護組分承載比例的影響，結合收斂-約束法驗證了“鋼拱架+鋼格柵+噴射混凝土”聯合支護結構在黃土隧道中的可行性和優越性。

1 聯合支護結構力學分析

假定隧道開挖斷面為圓形，將聯合支護結構簡化為圖1所示的殼體結構進行力學分析，并且假定殼體結構為均質構造。參考文獻[8-9]，依據彈性力學理論[10]，得到該薄殼微元體軸力和彎矩與位移之間的關系：

（1）

（2）

式中，R表示殼體半徑，θ為與水平方向的夾角，N、M分別表示微元殼體結構所受的軸力和彎矩，ur、uθ分別表示該微元體在徑向和切向上的位移，D為微元體的抗壓系數，K為微元體的抗彎系數。

彈性薄殼理論中將鋼格柵、鋼拱架與噴射混凝土組成的聯合支護結構假定為均質殼體結構。圖2所示為聯合支護結構單元以及等效后的單元示意圖，其中A表示鋼拱架，G表示鋼格柵，S表示噴射混凝土，鋼格柵與鋼拱架之間的距離為a，聯合支護結構的厚度為t，等效后的聯合支護厚度為teq，聯合支護結構單元長度為b。

3 結論

針對黃土隧道變形大、強度低等特點，在統籌考慮鋼格柵和鋼拱架兩種支護結構的基礎上，該文提出“鋼拱架+鋼格柵+噴射混凝土”聯合支護結構。基于經典彈性薄殼理論，對聯合支護結構的力學特性進行分析，研究支護間距和噴層厚度等參數對各支護組分承載能力的影響，結合收斂-約束法驗證聯合支護結構在黃土隧道中的適用性，取得了如下結論：

（1）研究結果得到了聯合支護結構的軸力、彎矩和剪力等力學參數，并推導了各支護組分的承載比例公式，揭示了聯合支護結構的內力分配規律。

（2）初期支護厚度的變化對支護結構所承擔的彎矩的影響比對軸力的影響大，鋼拱架和鋼格柵之間間距大小的變化對支護效果的影響在前期較不明顯，但在0.6 m以下開始出現明顯變化。

（3）噴射混凝土所承載的軸力和彎矩的比例較大，而鋼拱架和鋼格柵所承載的比例相差不大，說明了聯合支護結構在黃土隧道中應用的可行性，為其實際應用提供了指導意義。

參考文獻

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