李曉明, 臧德勝
(1.棗莊學(xué)院城市與建筑工程學(xué)院,山東棗莊 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽合肥 277160)
目前,新奧法和盾構(gòu)法是國(guó)內(nèi)暗挖隧道的主要方法,對(duì)應(yīng)的隧道支護(hù)方法主要是錨噴支護(hù)和管片襯砌支護(hù)。錨噴支護(hù)是由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)等結(jié)構(gòu)組合起來(lái)的支護(hù)形式,它能及時(shí)支護(hù),有效地控制圍巖的變形,防止巖塊墜落和坍塌的產(chǎn)生,充分發(fā)揮圍巖的自承能力,但是使用也是有一定條件的,在圍巖的自立能力差、有涌水及大面積淋水處,地層松軟處就很難成型,同時(shí)其施工工序的復(fù)雜性減緩了施工進(jìn)度;管片襯砌支護(hù)是伴隨著盾構(gòu)機(jī)的出現(xiàn)應(yīng)用而生的,預(yù)制混凝土管片是盾構(gòu)隧道普遍使用的襯砌結(jié)構(gòu)形式,但在制作過(guò)程中出現(xiàn)的缺角、掉邊,施工中的頂裂、破損以及使用中所遇到的發(fā)生裂縫、踏步等問(wèn)題影響結(jié)構(gòu)的防水和耐久性[1]。針對(duì)上述問(wèn)題,提出一種全新的隧道支護(hù)方法——鋼板混凝土支護(hù)。文中將具體介紹新圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工工藝,并且和上述兩種支護(hù)方法進(jìn)行多個(gè)方面的分析對(duì)比,為其實(shí)際應(yīng)用給出理論指導(dǎo)和幫助。
鋼板混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)是用型鋼做為骨架,內(nèi)外側(cè)均為鋼板組成的一個(gè)環(huán)形壁筒,鋼板環(huán)內(nèi)現(xiàn)澆高強(qiáng)度混凝土,混凝土處于三向受壓狀態(tài),大幅改善了筒壁的力學(xué)性能?;炷帘旧砭哂泻芨叩目箟簭?qiáng)度,但抗彎能力很弱,而鋼材,尤其是型鋼的抗彎能力強(qiáng),具有良好的彈塑性,但在受壓時(shí)容易失穩(wěn)而喪失軸向抗壓能力。而型鋼骨架鋼板混凝土在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起,其抗壓強(qiáng)度可成倍提高。同時(shí)由于混凝土的存在,提高了鋼板的剛度,兩者共同發(fā)揮作用,從而大大地提高了承載能力[2]。
鋼板混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)在工程中體現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)是一個(gè)整體的帶有一定厚度的圓筒,分段灌注混凝土。以內(nèi)徑為6.3m的隧道為例,內(nèi)側(cè)鋼板周長(zhǎng)2πr=19.782m,每一個(gè)設(shè)計(jì)段沿縱線的長(zhǎng)度為1.5m,超出一般的管片尺寸幅度,橫向可以采用3塊弧形鋼板拼接,每塊弧形鋼板弧長(zhǎng)6.6m,板厚取5mm。每段弧形鋼板之間靠槽鋼連接,在每段之間設(shè)置一圈槽鋼增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。槽鋼與鋼板之間用螺栓連接,如圖1和圖2所示。
圖1 鋼板及橫向槽鋼之間的連接
圖2 鋼板及縱向槽鋼之間的連接
鋼板之間盡量的密實(shí)以防止漏漿,鋼板的尺寸不要過(guò)大,以防混凝土振搗后水在鋼板旁積聚無(wú)法擴(kuò)散,影響筒壁的強(qiáng)度。
在壁筒的連接處用外徑3.5m,內(nèi)徑3.15m的圓環(huán)形模板將壁筒的開口處堵住,起到澆筑時(shí)封閉壁筒的作用,模板可以選取木質(zhì)的或者鋼質(zhì)的,視施工條件而定。連接時(shí)可以用鋼插銷將模板和鋼板連接,同時(shí)以支架輔助支撐。圓環(huán)形的模板可以用3段等弧長(zhǎng)模板拼接,在靠近拱頂?shù)哪0迳隙碎_口作為進(jìn)砼口和振搗口。同時(shí)在每段各片弧形鋼板上均勻開口,作為進(jìn)砼口和振搗口,待澆注完畢后把進(jìn)砼口修飾平整。等豎直灌注高度直徑五分之四時(shí),就利用頂端模板的進(jìn)砼口灌注和振搗混凝土。等一段弧形鋼板施工完畢后,待到下一段壁筒的鋼骨架焊接完畢后,等混凝土初凝到一定的強(qiáng)度后,就撤去模板,繼續(xù)進(jìn)行下一段的施工,如此循環(huán)。考慮到施工縫的影響,可以在每段混凝土的連接處輔以長(zhǎng)400~500mm、直徑16~20mm的光圓鋼筋在連接面上均勻布置,防止兩次澆筑混凝土在此處產(chǎn)生裂縫。
新支護(hù)形式無(wú)論是盾構(gòu)機(jī)施工還是新奧法施工,都可以使用。盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)時(shí)可以將型鋼骨架鋼板壁筒做為千斤頂?shù)囊劳校沂∪チ硕軜?gòu)機(jī)管片自動(dòng)拼裝裝置,降低了成本[3]。
對(duì)比錨噴支護(hù),在錨桿施工時(shí)對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)性比較大,提高了隧道監(jiān)控量測(cè)的難度,同時(shí)作業(yè)面附近已施工區(qū)域受混凝土養(yǎng)護(hù)影響,強(qiáng)度難以快速保證施工安全性,這些都增加了施工人員作業(yè)的危險(xiǎn)性。新的支護(hù)結(jié)構(gòu)具有初期一次襯砌支護(hù)的作用,當(dāng)型鋼骨架和鋼板快速安裝完畢后,就可以起到臨時(shí)支護(hù)的作用,澆筑完混凝土后,結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度會(huì)迅速提高,為施工人員提供安全的作業(yè)空間。
新的支護(hù)方法在盾構(gòu)法和新奧法施工中都可以使用,所以進(jìn)度影響主要表現(xiàn)在隧道支護(hù)施工時(shí)間的長(zhǎng)短上。盾構(gòu)機(jī)采用管片自動(dòng)拼裝,速度要比鋼板混凝土施工快,但是機(jī)械維修和檢查會(huì)隨著機(jī)械化程度的提高而愈加頻繁[4]。新奧法施工時(shí),復(fù)雜的工序無(wú)疑延緩了施工進(jìn)度,相比之下,鋼板混凝土支護(hù)缺少了大面積的拆模工作,工序少的多,同時(shí)受混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間的影響也小,縮短了工期。
國(guó)內(nèi)外隧道防水的方法主要有襯砌防水、排水法防水以及注漿防水等幾種常用隧道防水做法。排水防水方法對(duì)于上述3種隧道支護(hù)施工方式都適用,區(qū)別不大,這里不再贅述[5]。
襯砌防水方面,管片接縫處是盾構(gòu)隧道滲漏水的主要位置。受國(guó)內(nèi)水膨脹材料研發(fā)水平和隧道防水等級(jí)的要求,有時(shí)候需要進(jìn)行2次襯砌防水,無(wú)疑加大了施工成本。新奧法主要防水方法有復(fù)合襯砌、單一襯砌。復(fù)合襯砌存在以下問(wèn)題:初期支護(hù)難以保護(hù);防水板間的連接方式不易得到保證,焊接工藝要求高;防水板在隧道壁上的固定方式難以保障;二次襯砌施工時(shí)易將防水板撞破[6]。
鋼板混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土的無(wú)縫對(duì)接,避免接縫透水,這一點(diǎn)和單一襯砌相同,不過(guò)免去了單一襯砌對(duì)混凝土材料本身特殊的設(shè)計(jì),只需要采用較高抗?jié)B等級(jí)的防水混凝土(>S8),提高襯砌本身防水性能。
假設(shè)一個(gè)工程概況,在計(jì)算中,地面荷載取為20kN/m2,隧道埋深為9.0m,上覆土的容重為20kN/m2,隧道位于粘土層中,其側(cè)壓系數(shù)為0.6,基床系數(shù)為30MPa/m,隧道的開挖內(nèi)徑為6.3m,按水土合算,混凝土選擇C50。
用ANSYE有限元軟件建立模型,模型用勻質(zhì)圓環(huán)模型來(lái)模擬鋼板混凝土壁筒和預(yù)制鋼筋混凝土管片的內(nèi)力和變形分析,得出內(nèi)力和變形的范圍值,為盾構(gòu)隧道的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
以前者為例,用BEAM3梁?jiǎn)卧P蛠?lái)模擬型鋼骨架鋼板混凝土襯砌結(jié)構(gòu),BEAM3WE為2D彈性梁?jiǎn)卧?,模型被劃分?0個(gè)彈簧單元,每個(gè)彈簧單元由2個(gè)節(jié)點(diǎn)連接而成,一端與圍巖相連,一端與襯砌結(jié)構(gòu)相連,需要在襯砌結(jié)構(gòu)上外周邊即1~60的節(jié)點(diǎn)上施加X(jué),Y方向節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。帶荷載和邊界條件的有限元模型如圖3所示。
圖3 帶荷載和邊界條件的有限元模型
經(jīng)過(guò)ANSYS求解后處理工作,得到鋼板混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土管片支護(hù)結(jié)構(gòu)在350mm壁厚時(shí),結(jié)構(gòu)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的彎矩、剪力、軸力的值,以及每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移值大小,可以用命令“PRETAB,SMIS6,SMIS12,SMIS1,SMIS7,SMIS2,SMIS8”及“PRNSOL,DOF”,將值圖導(dǎo)出來(lái),限于篇幅不再貼出,其部分計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 有限元計(jì)算結(jié)果比較
通過(guò)表1可以看出,鋼板混凝土襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生最大位移的節(jié)點(diǎn)的變形量為0.48mm,最大壓應(yīng)力為14.4MPa,最大拉應(yīng)力為1.75MPa。從文獻(xiàn)[7]可以查出,C50混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為23.1MPa,抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.89MPa,可以看出,壓應(yīng)力和拉應(yīng)力都在C50混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值范圍內(nèi),是符合要求的。同時(shí)3個(gè)值都要小于預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌結(jié)構(gòu)。
350mm壁厚鋼筋混凝土管片支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為2.43MPa,大于鋼板混凝土的1.78MPa,值不一樣的其中一個(gè)原因和兩者的剛度有關(guān),是鋼筋混凝土管片襯砌結(jié)構(gòu)的剛度比鋼板混凝土管片襯砌結(jié)構(gòu)?。ń?jīng)過(guò)計(jì)算,同壁厚情況下兩者用鋼量比值為1∶1.44,前者用鋼量偏多),鋼板承受的拉力比重大于鋼筋承受的拉力比重造成的[8]。
1)用鋼版混凝土進(jìn)行隧道支護(hù)在制作和施工技術(shù)上是有一定可行性的。
2)降低隧道支護(hù)作業(yè)面的風(fēng)險(xiǎn)性,提高施工進(jìn)度。
3)防水性能上避免了管片襯砌的接縫漏水問(wèn)題,提高了一次襯砌的防水能力,與單一襯砌防水相比,施工過(guò)程簡(jiǎn)單,可操作性強(qiáng)。
4)當(dāng)截面尺寸相同時(shí),鋼板混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土管片襯砌結(jié)構(gòu)的用鋼量雖然多一些,但是卻能很好地達(dá)到支護(hù)要求,優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布,減小隧道的變形量。
[1] 劉豐軍,朱合華,廖少明,等.纖維混凝土在盾構(gòu)隧道襯砌管片中的應(yīng)用研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2007,3(1):83-86,91.
[2] 韋灼彬,張小鵬,王鐵成.帶型鋼加勁肋的鋼板-混凝土組合板的力學(xué)性能[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2006,27(1):77-82.
[3] 張新金,劉維寧,路美麗,等.北京地鐵盾構(gòu)法施工問(wèn)題及解決方案[J].土木工程學(xué)報(bào),2008,41(10):93-97.
[4] 王振信.盾構(gòu)法隧道的耐久性[J].地下工程與隧道,2002(2):2-5.
[5] 朱祖熹.若干重大隧道與軌道交通工程的防水創(chuàng)新技術(shù)[J].中國(guó)建筑防水,2004(3):24-27.
[6] 袁勇,姜孝謨,周欣,等.我國(guó)隧道防水技術(shù)的現(xiàn)狀[J].世界隧道,1999(4):41-43.
[7] 李黎明.ANSYS有限元分析實(shí)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.
[8] 黃鐘暉,廖少明,劉國(guó)彬.上海軟土盾構(gòu)法隧道管片厚度的優(yōu)化[J].巖土力學(xué),2000,21(4):350-354.