初期支护承受全部围岩荷载时钢架锈蚀对二次衬砌承载力影响分析

初期支护承受全部围岩荷载时钢架锈蚀对二次衬砌承载力影响分析

李海军

（中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司）

摘要：为探明施工期间初期支护承受全部围岩荷载时，钢架锈蚀对二次衬砌承载能力的影响，分析了钢架不同锈蚀情况下二次衬砌内力和安全系数的变化，结果表明：（1）钢架锈蚀造成二次衬砌内力重新分布，随着钢架锈蚀率增加，二次衬砌各部位轴力绝对值随锈蚀率增加而增大，二次衬砌拱顶弯矩随锈蚀率增加而减小，二次衬砌边墙弯矩早期变化较小、中期有突变、后期幅度放缓。（2）二次衬砌各部位安全系数随钢架锈蚀率增加而减小，拱顶安全系数降低达10%。

1  前言

某隧道毛洞开挖跨度为17m、高度12.5m，最大静水压力0.68MPa，具有隧道水压大、断面大、围岩渗透性好等特点[1][ 2] ，采用钻爆法施工。由于围岩软弱和地下水影响，现场初期支护开裂、异常变形较为常见，无法保证钢架的耐久性。同时注浆堵水、初期支护补强、换拱操作频繁，二次衬砌施作滞后现象比较普遍。通过调查，发现初期支护闭合至拱墙二次衬砌浇筑完成，历时超过1年成为常态，围岩荷载在二次衬砌施作前得到了充分的释放。初期支护是隧道支护体系的重要组成部分，当其施工期间承受了全部的围岩荷载，其工作状态直接影响到二次衬砌的内力和安全性能。因此，为研究初期支护承担全部围岩荷载时，钢架锈蚀弱化对二次衬砌承载能力的影响，进行了本文研究工作。

2初期支护承担全部围岩荷载时钢拱架锈蚀对二次衬砌承载能力影响

该隧道二次衬砌为70cm厚C45高性能耐腐蚀钢筋混凝土，初期支护为32cm厚C25喷混凝土，钢架为工22a型钢，间距为0.5m。本文研究时采用纵向长1m荷载-结构模型，二次衬砌和初期支护砼采用三维实体单元，型钢钢架采用梁单元，在二次衬砌和初期支护砼之间采用接触单元，在钢架与初期支护砼之间设置粘结单元[3] [4] [5] 。材料的物理力学参数参考文献[6]，钢架材料的非线性特性参考文献[7]。荷载分布见图1，由于施工时初期支护渗漏水严重，故考虑水压力全部由二次衬砌承担。

图1  荷载示意图

2.1 荷载加载及模拟工况

第一步将围岩荷载全部加载在带仰拱的初期支护上进行计算；第二步激活二次衬砌单元，将水压全部施加在二次衬砌上进行计算；第三步计算中根据锈蚀率修改工字钢单元屈服强度等，根据锈蚀钢架与混凝土粘结滑移曲线修改工字钢与混凝土之间粘结强度。共计算了锈蚀率为0、5、10、20、30、40、50、60、70、80共10种工况。

2.2钢拱架锈蚀对二次衬砌承载能力影响

二次衬砌各部位轴力随锈蚀率的变化规律见图2，二次衬砌各部位弯矩随锈蚀率的增加的变化规律见图3，二次衬砌各部位安全系数随锈蚀率的增加的变化规律见图4，80%锈蚀率时二次衬砌安全系数降低见表1。

（a）左边墙

（b）拱顶

（c）右边墙

图2 二次衬砌轴力与锈蚀率的关系

由图1可知，随着钢拱架锈蚀，二次衬砌各部位轴力变化规律基本相同，二次衬砌轴力绝对值随锈蚀率增加而增大；曲线成反“s型”，锈蚀率为40~50%为第一转折点，锈蚀率为70%为第二转折点；钢架锈蚀率在40%~60%之间时，二次衬砌轴力绝对值随钢架锈蚀加速增加，钢架锈蚀率大于70%时，二次衬砌轴力随钢架锈蚀增速减缓。

（a）左边墙

（b）拱顶

（c）右边墙

图3二次衬砌弯矩与锈蚀率的关系

由图3可知，随着钢拱架锈蚀，二次衬砌拱顶弯矩随锈蚀率增加而减小，当锈蚀率大于60%后增速放缓。二次衬砌边墙随锈蚀率增加，早期变化较小; 锈蚀率超过10%和40%时左边墙弯矩有突变，锈蚀率超过40%时右边墙弯矩有突变；当锈蚀率大于50~60%时，变化放缓。

（a）左边墙

（b）拱顶

（c）右边墙

图4二次衬砌安全系数与锈蚀率的关系

表1  初期支护承担全部围岩荷载时二次衬砌安全系数降低(ρ=80%)

由图4和表1可知，二次衬砌拱顶安全系数随锈蚀率增加而减小。从表1可知，施工阶段初期支护承担全部围岩荷载时，二次衬砌各部位安全系数随钢架锈蚀率增加而减小，二次衬砌拱顶安全系数降低达10%。 

3.结论

通过以上分析，得出结论如下：

1）施工阶段初期支护承担全部围岩荷载时，钢架锈蚀造成二次衬砌内力重新分布。随着钢架锈蚀率增加，二次衬砌各部位轴力绝对值随锈蚀率增加而增大，变化曲线成反“S” 型；随着钢拱架锈蚀率增加，二次衬砌拱顶弯矩随锈蚀率增加而减小，当锈蚀率大于60%后增速放缓，二次衬砌边墙随锈蚀率增加，早期变化较小，中期有突变，当锈蚀率大于50~60%时，变化放缓。

2）施工阶段初期支护承担全部围岩荷载时，二次衬砌各部位安全系数随钢架锈蚀率增加而减小，二次衬砌拱顶安全系数降低达10%。

参考文献：

[1] 俞尚宇.厦门东通道大断面海底隧道陆域段施工安全评价，西南交通大学硕士论文，2006

[2] 宋南涛.厦门东通道海底隧道陆域段异常变形原因分析及对策研究,西南交通大学硕士论文,2007

[3] 王明年,李海军,周国军.海底隧道钢拱架锈蚀对支护体系安全性的影响[J].西南交通大学学报,2010,45(01):39-44.

[4]张伟平,商登峰,顾祥林.锈蚀钢筋应力-应变关系研究[J].同济大学学报(自然科学版),2006(05):586.

[5] 童建军,邵国霞.海底隧道钢拱架锈蚀对承载力影响研究[J].铁道建筑,2011(06):81-83.

[6] 公路隧道设计规范（JTG 3370.1-2018），北京：人民交通出版社，2018.12

[7] 中华人民共和国建设部. GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社.2011.5