公路隧道中钢拱架与钢格栅支护效果对比分析

■夏承明

（三明莆炎高速公路有限责任公司，三明 365000）

钢架结构是隧道新奥法施工中必不可少的支护结构， 既是临时支撑也是永久支护结构的一部分，其主要作用是在喷射混凝土未达到设计强度之前或不能及时进行喷混凝土支护位置预先承担围岩压力和约束变形， 提高初期支护系统的抗力，确保洞内施工安全；同时在后期支护中成为永久支护系统的一部分，有利于洞身结构稳定。 钢架安装施工快捷，能够控制围岩变形，后与锚杆、钢筋网、喷射混凝土共同作用，协调变形，从而提高初期支护全过程的强度和刚度， 保证隧道开挖的安全性，因此在软弱破碎围岩开挖中得到广泛运用。

钢架结构主要包括钢拱架和钢格栅，但在规范[1]中未对钢拱架和钢格栅进行区别， 统称钢支撑，但两者结构形式与工程表现中存在一定的差异，支护效果各有优势。 相对而言，钢拱架的刚度较钢格栅的刚度要大，造价相对也会高。 因此设计施工中，在IV 级围岩中多采用钢格栅， 而在V 级围岩中多采用钢拱架。

对钢拱架和钢格栅各自的力学承载性能，已经有不少研究成果。 对于两者支护效果的对比分析，也有一些研究成果。 曲海峰等[2]研究了钢拱架支护形式下的初始释放荷载规律，其次分析两种支护结构承载力随时间的变化规律, 结合实测荷载释放规律，给出了二者的选择条件。 但工程中考虑围岩的流变特征，在技术上存在一定难度，影响了结论的实际应用推广。 宋元平等[3]把钢格栅看成钢筋混凝土结构，经过对比发现钢筋格栅具备非常优秀的综合性能,施工方便、经济,与喷射混凝土结合更好,初期支护质量更能保证等方面的优点, 认为隧道初支应优先选择采用钢筋格栅。 王任国等[4]从围岩变形曲线及支护特征曲线进行研究，认为钢拱架的刚度大于钢格栅，所以更有利于协调围岩变形。

为进一步分析二者的支护效果及经济技术比，本研究通过有限元计算，首先对钢拱架和刚格栅分别在相同截面积下的支护效果进行了对比，然后进一步对钢拱架在局部脱空的支护性能进行研究，为两种支护形式的方案比选提供参考。

1 有限元模型的建立

1.1 隧道的有限元模型

以莆炎高速公路典型双车道隧道深埋段的Ⅴ级围岩的典型断面为研究对象，建立有限元计算模型，依据荷载结构法进行数值模拟计算。 隧道采用上下台阶法进行分部开挖，跨径10.74 m，上台阶高度5.37 m。 由于只分析软弱围岩段开挖初期的支护效果， 故模拟开挖上台阶阶段支护结构的应力应变情况，力学模型示意图见图1。 沿隧道纵向取单位长度进行模拟计算，喷射混凝土、钢拱架、钢格栅均采用1D 梁单元模拟。 混凝土厚度取30 cm， 弹性模量23 GPa。 采用弹性抗力系数K=200 MPa/m 的径向弹簧模拟地层反力， 由于土体抗拉强度较小，弹簧考虑仅受压，两个拱脚处设置铰接。 根据规范计算深埋隧道松散荷载垂直均布压力及水平均布压力。

图1 力学模型示意图

隧道断面的计算参数围岩级别S 为IV、隧道宽度B 为10.74 m、 围岩重度γ 为22.5 kN·m-3、i 为0.1、ω 为1.57、h 为11.33 m,， 计算竖向荷载q 为254.93 kN/m2，水平向荷载e1为127.46 kN/m2，e2为172.17 kN/m2。 在有限元模型中的计算荷载分布见图2。

图2 有限元模型计算荷载分布

1.2 钢拱架和钢格栅的计算模型

按设计资料，取钢拱架模型取结构参数为h 为200 mm、翼缘b 为200、t 为8 mm，单位长度理论质量49.9 kg/m。在同质量情况下设计钢格栅截面形式和尺寸，采用的钢格栅布置4 根主筋Υ25，两根辅筋φ14，钢筋排布按照刚度最大原则。 两种钢架的断面形式见图3。 钢架间距都取0.7 m，根据等效刚度换算法计算两种模型的刚度， 换算公式为E1I1+E2I2=E1I3，计算得到的结果见表1。

表1 钢拱架与钢格栅刚度对比

图3 两种钢架断面形式

式中E1为混凝土弹模,E2为钢材弹模,I1为计算模型混凝土惯性矩;I2为钢架虚线轴惯性矩;I3为等效后的惯性矩;E1I3为等效混凝土的刚度。 取E1=23 GPa；E2=210 GPa[5]。

2 结果与分析

2.1 相同钢材质量时支护效果对比

由上述计算结果可知，相同质量、相同间距的钢架时，钢拱架的刚度大于钢格栅的刚度。 在荷载作用相同的情况下，根据应力应变关系可知，钢格栅对应的隧道拱顶沉降在理论上应当大于钢拱架对应的隧道拱顶下沉。 有限元定量计算结果进一步证实了以上分析。 分别取拱顶沉降和最大水平位移进行比较(表2)，其位移云图见图4。 从计算结果可知，钢格栅支护的拱顶沉降为6.81 mm，钢拱架支护下为6.24 mm，两者相差8.4%；钢格栅支护下围岩最大水平变形为0.18 mm， 钢拱架支护下围岩最大水平变形为0.14 mm，两者相差22.2%。两者对比结果表明，在相同的钢材质量及相同间距下，对于相同围岩条件，钢拱架对围岩变形的控制效果稍优于钢格栅，但相差不大。

图4 两种钢架主要位移云图

表2 钢拱架和钢格栅位移对比

2.2 钢拱架存在脱空时效果对比

在隧道现场施工中，特别在V 级围岩中，理想的光面爆破效果相对较难实现，存在大量各种程度的超挖或欠挖现象；即便经过初喷，也很难保证隧道轮廓的平滑； 加之钢拱架有相对较宽的翼板，钢拱架翼板和围岩之间无法紧密接触；如果喷射不到位会造成混凝土不够密实， 甚至造成脱空现象，未能与喷射混凝土形成完整的整体，从而成为结构薄弱点，导致整个支护体系的承载能力降低。 而钢格栅由于其结构特点，喷射混凝土容易穿过钢筋间的空隙，与围岩紧密贴合，通常情况下不会出现上述混凝土喷射不密实而导致的脱空现象。

因此，在计算钢拱架支护的力学效应时，应该进行合理的支护效果折算， 来考虑现场施工中脱空现象造成的影响。 在有限元计算中模拟脱空时，认为该位置不承受围岩压力， 按脱空部位长度占拱的周长比例，将脱空部分荷载转移到其他部位。为简便起见，取拱顶、拱腰3 处长度各为20 cm 的脱空作为典型工况， 计算分析有脱空时钢拱架的变形情况。

通过有限元模拟计算，考虑脱空时钢拱架的位移云图见图5，与2.1 节位移结果对比见表3。可知，有脱空时钢拱架对应的拱顶下沉为8.37 mm， 大于钢格栅的拱顶下沉6.81 mm， 二者相差约23%；钢拱架最大水平位移为0.2 mm，大于钢格栅的水平位移0.18 mm，两者相差约10%。 上述对比结果表明，当喷射混凝土贴合不紧密造成钢拱架背后脱空时，其变形量比贴合紧密时显著增大，且明显大于钢格栅的变形量。

图5 脱空后的钢拱架主要位移云图

表3 钢拱架(有脱空)和钢格栅位移对比

3 结论

从以上计算对比分析，可以得出以下结论：（1）在钢材质量相同的条件下， 钢拱架刚度大于钢格栅，相应的钢拱架初支的变形量也小于钢格栅初支，竖向变形相差8.4%， 两者相差不显著； 水平变形相差22.2%， 但在理论条件下绝对值只差只有0.04 mm。（2）考虑钢拱架背后局部脱空的情形，在拱顶、拱腰各有20 cm 脱空时，钢拱架初支的变形明显大于钢格栅的变形， 特别是竖向变形明显大于钢格栅，理论条件下绝对值相差1.44 mm， 差值比例达23%；水平变形值也大于钢格栅10%。 可见，相同用钢质量时，钢拱架的支护效果稍优于钢格栅；但如果考虑到工程实际，钢格栅构件间空隙大，喷射混凝土方便，不易造成空洞现象，支护效果明显优于钢拱架，反而是更优的选择。 本研究未考虑钢格栅的加工费用及时间成本，在实际应用中，可结合现场实际情况综合考虑。