钢板混凝土在隧道支护中的应用

第３５卷第３期　２Ｏ１４年Ｏ６月　长春工业大学学报（自然科学版）　ｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．３５　ＮＯ．３　Ｊｕｎ．２ｏ１４　钢板混凝土在隧道支护中的应用　李晓明　，　臧德胜。　（１．枣庄学院城市与建筑工程学院，山东枣庄　２３０００９；　２．合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥２７７１６０）　摘　要：针对目前隧道支护方法中存在的诸多问题，提出在隧道工程中采用钢板混凝土实行　围岩支护。介绍了新支护方法的施工工艺，并且从隧道施工的安全、进度、防水、承载力４个方　面出发，与管片衬砌支护和锚喷支护进行对比分析，发现该支护方法能提高隧道的工程质量，　加快施工进度，降低工程造价，为后续隧道施工支护提供一个新的方案思路。　关键词：钢板混凝土；隧道支护；施工工艺；承载力　中图分类号：ＴＵ　９４．２　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４—１３７４（２０１４）０３—０２８４—０４　Ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ＬＩ　Ｘｉａｏ—ｍｉｎｇ　．　ＺＡＮＧ　Ｄｅ—ｓｈｅｎｇ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｔｙ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｚａｏｚｈｕａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚａｏｚｈｕａｎｇ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ　２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２７７１６０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ，ｗｅ　ａｐｐｌｙ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｕｐｐｏｒｔ．Ｈｅｒｅ　ｗｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｓａｆｅｔｙ，ｐｒｏｇｒｅｓｓ，ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ，ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｌｉｎｉｎｇ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｂｏｌｔ—ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｕｐｐｏｒｔ，ａ　ｎｅｗ　ｓｕｐｐｏｒｔ，ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｑｕａｌｉｔｙ，ｓｈｏｒｔｅｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ．　０　引　言　目前，新奥法和盾构法是国内暗挖隧道的主　的产生，充分发挥围岩的自承能力，但是使用也是　有一定条件的，在围岩的自立能力差、有涌水及大　面积淋水处，地层松软处就很难成型，同时其施工　要方法，对应的隧道支护方法主要是锚喷支护和　管片衬砌支护。锚喷支护是由喷射混凝土、锚杆、　工序的复杂性减缓了施工进度；管片衬砌支护是　伴随着盾构机的出现应用而生的，预制混凝土管　片是盾构隧道普遍使用的衬砌结构形式，但在制　作过程中出现的缺角、掉边，施工中的顶裂、破损　钢筋网等结构组合起来的支护形式，它能及时支　护，有效地控制围岩的变形，防止岩块坠落和坍塌　收稿日期：２０１４－０２—２２　基金项目：枣庄市科学技术发展计划项目（２０１３４４）　作者简介：李晓明（１９８６），男，汉族，山东临沂人，枣庄学院助教，硕士，主要从事岩土工程方向研究，Ｅｍａｉｌ：ｚｚｌｘｍ２０１２＠１２６　第３期　李晓明，等：钢板混凝土在隧道支护中的应用　２８５　以及使用中所遇到的发生裂缝、踏步等问题影响　结构的防水和耐久性　］。针对上述问题，提出一　种全新的隧道支护方法——钢板混凝土支护。文　中将具体介绍新围护结构的施工工艺，并且和上　述两种支护方法进行多个方面的分析对比，为其　实际应用给出理论指导和帮助。　ｌ钢板混凝土支护结构形式　钢板混凝土支护结构是用型钢做为骨架，内　外侧均为钢板组成的一个环形壁筒，钢板环内现　浇高强度混凝土，混凝土处于三向受压状态，大幅　改善了筒壁的力学性能。混凝土本身具有很高的　抗压强度，但抗弯能力很弱，而钢材，尤其是型钢　的抗弯能力强，具有良好的弹塑性，但在受压时容　易失稳而丧失轴向抗压能力。而型钢骨架钢板混　凝土在结构上能够将二者的优点结合在一起，其　抗压强度可成倍提高。同时由于混凝土的存在，　提高了钢板的刚度，两者共同发挥作用，从而大大　地提高了承载能力　］。　２钢板混凝土支护施工工艺　钢板混凝土支护结构在工程中体现出的结构　是一个整体的带有一定厚度的圆筒，分段灌注混　凝土。以内径为６．３　ｍ的隧道为例，内侧钢板周　长２７【ｒ一１９．７８２　ｍ，每一个设计段沿纵线的长度　为１．５　ｍ，超出一般的管片尺寸幅度，横向可以采　用３块弧形钢板拼接，每块弧形钢板弧长６．６　ｍ，　板厚取５　ｍｍ。每段弧形钢板之间靠槽钢连接，　在每段之间设置一圈槽钢增强结构的整体性。槽　钢与钢板之间用螺栓连接，如图１和图２所示。　图ｉ钢板及横向槽钢之间的连接　图２钢板及纵向槽钢之间的连接　钢板之间尽量的密实以防止漏浆，钢板的尺　寸不要过大，以防混凝土振捣后水在钢板旁积聚　无法扩散，影响筒壁的强度。　在壁筒的连接处用外径３．５　ｍ，内径３．１５　ｍ　的圆环形模板将壁筒的开口处堵住，起到浇筑时　封闭壁筒的作用，模板可以选取木质的或者钢质　的，视施工条件而定。连接时可以用钢插销将模　板和钢板连接，同时以支架辅助支撑。圆环形的　模板可以用３段等弧长模板拼接，在靠近拱顶的　模板上端开口作为进砼口和振捣口。同时在每段　各片弧形钢板上均匀开口，作为进砼口和振捣口，　待浇注完毕后把进砼口修饰平整。等竖直灌注高　度直径五分之四时，就利用顶端模板的进砼口灌　注和振捣混凝土。等一段弧形钢板施工完毕后，　待到下一段壁筒的钢骨架焊接完毕后，等混凝土　初凝到一定的强度后，就撤去模板，继续进行下一　段的施工，如此循环。考虑到施工缝的影响，可以　在每段混凝土的连接处辅以长４００～５００　ｍｍ、直　径１６￣２０　ｍｍ的光圆钢筋在连接面上均匀布置，　防止两次浇筑混凝土在此处产生裂缝。　新支护形式无论是盾构机施工还是新奥法施　工，都可以使用。盾构机在推进时可以将型钢骨　架钢板壁筒做为千斤顶的依托，而且省去了盾构　机管片自动拼装装置，降低了成本＿３］。　３支护方法对比分析　３．１施工安全性　对比锚喷支护，在锚杆施工时对周边围岩的　扰动性比较大，提高了隧道监控量测的难度，同时　作业面附近已施工区域受混凝土养护影响，强度　难以快速保证施工安全性，这些都增加了施工人　２８６　长春工业大学学报（自然科学版）　第３５卷　员作业的危险性。新的支护结构具有初期一次衬　砌支护的作用，当型钢骨架和钢板快速安装完毕　后，就可以起到临时支护的作用，浇筑完混凝土　后，结构整体强度会迅速提高，为施工人员提供安　全的作业空间。　３．２　施工进度　新的支护方法在盾构法和新奥法施工中都可　以使用，所以进度影响主要表现在隧道支护施工　时间的长短上。盾构机采用管片自动拼装，速度　要比钢板混凝土施工快，但是机械维修和检查会　随着机械化程度的提高而愈加频繁ｌ＿４］。新奥法施　工时，复杂的工序无疑延缓了施工进度，相比之　下，钢板混凝土支护缺少了大面积的拆模工作，工　序少的多，同时受混凝土养护时间的影响也小，缩　短了工期。　３．３　防水性能　国内外隧道防水的方法主要有衬砌防水、排　水法防水以及注浆防水等几种常用隧道防水做　法。排水防水方法对于上述３种隧道支护施工方　式都适用，区别不大，这里不再赘述　Ｊ。　衬砌防水方面，管片接缝处是盾构隧道渗漏　水的主要位置。受国内水膨胀材料研发水平和隧　道防水等级的要求，有时候需要进行２次衬砌防　水，无疑加大了施工成本。新奥法主要防水方法　有复合衬砌、单一衬砌。复合衬砌存在以下问题：　初期支护难以保护；防水板间的连接方式不易得　到保证，焊接工艺要求高；防水板在隧道壁上的固　定方式难以保障；二次衬砌施工时易将防水板撞　破　。　钢板混凝土支护结构能够实现混凝土的无缝　对接，避免接缝透水，这一点和单一衬砌相同，不　过免去了单一衬砌对混凝土材料本身特殊的设　计，只需要采用较高抗渗等级的防水混凝土　（＞ｓ８），提高衬砌本身防水性能。　３．４承载能力　假设一个工程概况，在计算中，地面荷载取为　２０　ｋＮ／ｍ　，隧道埋深为９．０　ｍ，上覆土的容重为　２０　ｋＮ／ｍ。，隧道位于粘土层中，其侧压系数为　０．６，基床系数为３０　ＭＰａ／ｍ，隧道的开挖内径为　６．３　ｍ，按水土合算，混凝土选择Ｃ５０。　用ＡＮＳＹＥ有限元软件建立模型，模型用匀　质圆环模型来模拟钢板混凝土壁筒和预制钢筋混　凝土管片的内力和变形分析，得出内力和变形的　范围值，为盾构隧道的衬砌结构设计提供依据。　以前者为例，用ＢＥＡＭ３梁单元模型来模拟　型钢骨架钢板混凝土衬砌结构，ＢＥＡＭ３ＷＥ为　２Ｄ弹性梁单元，模型被划分为６０个弹簧单元，每　个弹簧单元由２个节点连接而成，一端与围岩相　连，一端与衬砌结构相连，需要在衬砌结构上外周　边即１～６０的节点上施加Ｘ，ｙ方向节点应力。　带荷载和边界条件的有限元模型如图３所示。　图３带荷载和边界条件的有限兀模型　经过ＡＮＳＹＳ求解后处理工作，得到钢板混　凝土支护结构和钢筋混凝土管片支护结构在　３５０　ｍｍ壁厚时，结构的每个节点的弯矩、剪力、轴　力的值，以及每个节点的位移值大小，可以用命令　“ＰＲＥＴＡＢ，ＳＭＩＳ６，ＳＭＩＳ１２，ＳＭＩＳ１，ＳＭＩＳ７，　ＳＭＩＳ２，ＳＭＩＳ８”及“ＰＲＮＳＯＬ，ＤＯＦ”，将值图导出　来，限于篇幅不再贴出，其部分计算结果见表１。　表１有限元计算结果比较　结构类型　最　力／最　力／最大　值／　通过表１可以看出，钢板混凝土衬砌结构发　生最大位移的节点的变形量为０．４８　ｍｍ，最大压　应力为１４．４　ＭＰａ，最大拉应力为１．７５　ＭＰａ。从　文献［７］可以查出，Ｃ５０混凝土的抗压强度设计值　为２３．１　ＭＰａ，抗拉强度设计值为１．８９　ＭＰａ，可以　看出，压应力和拉应力都在Ｃ５０混凝土的强度设　计值范围内，是符合要求的。同时３个值都要小　于预制钢筋混凝土管片衬砌结构。　３５０　ｍｍ壁厚钢筋混凝土管片支护结构最大　第３期　李晓明，等：钢板混凝土在隧道支护中的应用　２８７　拉应力为２．４３　ＭＰａ，大于钢板混凝土的　１．７８　ＭＰａ，值不一样的其中一个原因和两者的刚　度有关，是钢筋混凝土管片衬砌结构的刚度比钢　板混凝土管片衬砌结构小（经过计算，同壁厚情况　下两者用钢量比值为１：１．４４，前者用钢量偏　多），钢板承受的拉力比重大于钢筋承受的拉力比　重造成的［８］。　４　结　语　１）用钢版混凝土进行隧道支护在制作和施工　技术上是有一定可行性的。　２）降低隧道支护作业面的风险性，提高施工　进度。　３）防水性能上避免了管片衬砌的接缝漏水问　题，提高了一次衬砌的防水能力，与单一衬砌防水　］　］　］　］　］相比，施工过程简单，可操作性强。　４）当截面尺寸相同时，钢板混凝土支护结构　比钢筋混凝土管片衬砌结构的用钢量虽然多一　些，但是却能很好地达到支护要求，优化衬砌结构　的内力分布，减小隧道的变形量。　参考文献：　刘丰军，朱合华，廖少明，等．纤维混凝土在盾构隧　道衬砌管片中的应用研究ＥＪ］．地下空间与工程学　报，２００７，３（１）：８３－８６，９１．　韦灼彬，张小鹏，王铁成．带型钢加劲肋的钢板一混凝　土组合板的力学性能［Ｊ］．建筑结构学报，２００６，２７　（１）：７７—８２．　张新金，刘维宁，路美丽，等．北京地铁盾构法施工　问题及解决方案［Ｊ］．土木工程学报，２００８，４１（１０）：　９３—９７．　王振信．盾构法隧道的耐久性［Ｊ］．地下工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