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1、隧道初期支护中的工字钢钢架在隧道开挖之后主要承受支护后方的围岩压 力作用，由丁洞内工序的变化，钢架截面上的应力分布必然很复杂。对丁某一个特定工字钢横截面而言，现场观测中无法沿该横截面全断面布置仪器，因此现场观测选择在工字钢量测翼缘布置应变计。如图2-13所示，通过现场跟踪量测，可得到工字钢靠近围岩里外两侧翼缘的 应变如、&out，由下式可分别确定里外两侧翼缘的应力 bin、bout。O=E(2-1)式中，Eg为型钢的弹性模量，一般情况下按 210GPa取值。确定里外两侧翼缘的应力Qin、Tout之后，可认为工字钢横截面上应力分布在 bin、Bout之间按线性分布，由此得到工字钢
2、横截面上的应力分布。由中性轴定 义，即横截面与应力平面的交线上各点的正应力值均为零，由此可确定横截面上中性轴的位置，取中性轴位置为横截面上的计算轴，则有N = JodA(2-2)AM =y rdA( 2-3)A图2-1工字钢横截面应力分布示意图换算出钢拱架与喷射混凝土的轴力和弯矩后，就必须进行其强度校核。按公路隧道设计规范JTG D70-2004规定，对喷射混凝土及钢拱架强度校核可按如 下方法分别进行：轴力由钢拱架与喷射混凝同承担， 而弯矩则仅有钢拱架承 担，分别计算出各自的内力后再进行强度校核。 这里假定已知进行强度验算断面 的轴力和弯矩分另U为N、M,则有：(1)喷射混凝土承担
4、架压应力应满足如下要求：N 0 11AgM gWggy(2-12)钢拱架拉应力应满足如下要求:N n01AgM gWg，.典gi(2-13)式中，N、M分别为单位长度内校核截面轴力及弯矩；Eh、Eg分别为喷射混凝土及钢拱架的弹性模量；Nh、Ng分别为喷射混凝土及钢拱架分别承担的轴力；Khy喷射混凝土的抗压极限强度安全系数；Kg钢拱架的抗压极限强度安全系数;Rhy、Rgy和Rgl分别为喷射混凝土的极限抗压强度和钢拱架的极限抗压、抗拉强度；Ah、Ag分别为喷射混凝土及钢拱架的计算截面面积；Wg为钢拱架抗弯刚度， 对格栅拱架Wg =AgRj，对型钢钢架查阅相关表格；a偏心影响系数，按规范取 值；h为
5、计算截面厚度。型钢拱架内力2.3.3.1 DIIK2194+670 断面为确保应变计及时正确反应型钢拱架内力的变化情况，一旦型钢拱架架设完毕立即进行应变计埋置工作，并进行长期监测直至该断面二次衬砌浇筑完毕。金 沙洲隧道穿越沙贝立交桥段是本次工程的重点和难点，而钢拱架内力的变化能直 接反映不同施工阶段钢拱架的受力特征和安全状态。自2009年5月17日起，根据金沙洲隧道施工进度，在 DIIK2194+670断面上台阶开挖后、以及随后的左右 中导、下导和仰拱开挖后，根据钢拱架架设时间先后，分别沿拱顶、拱腰、拱脚、 边墙和仰拱位置埋设20个JMZX-212型智能弦式应变计量测钢拱架的应变（测 点布置如
6、错误！未找到引用源。（a）所示）。根据钢材的弹性模量（E=210GPa, 可将钢拱架应变转换为应力，获得的各测点钢拱架应力时态曲线所示，图中拉应力为正，压应力为负。洞内掘进施工时，掌子面左侧出现黑色泥层，该黑色泥层较掌子面其他位置 黄色泥层偏软，具体表现在实际施工时掌子面上、中台阶其他位置需挖机开挖， 该黑色泥层处人工开挖即可轻松完成。图2-2 DIIK2194+670掌子面左侧黑色泥层出露图图2-3 DIIK2194+670三台阶法临时仰拱钢拱架应力时态曲线表明钢支撑应力在初期支护施作前期变化较大，特别是不同台阶的施工转换引起应力会有突然的应力增大现象或受力状态会在受拉与 受
7、压之间发生急剧变化；仰拱钢拱架施工完成后，受力变化较小，二衬施作后受 力更是趋丁稳定。具体表现在：（1）上台阶预留核心土， 5月17日掏槽开挖架立钢拱架后立即布点跟踪观 测。上台阶开挖后最初几天，右侧上台阶 A2截面钢拱架外侧（靠近二衬内轮廓 面的测点，下同）一直处丁受压状态，而内侧（靠近围岩的测点，下同）则由受 压转换成受拉，5月22日中台阶开挖之前，A2截面内、外侧应力分别为9.34MPa、 -13.44MPa；中台阶开挖后，该位置应力突然增大，5月23日内、外侧应力分别 为19.72MPa、-28.98MPa,随着中台阶临时仰拱（含临时斜撑，图 2-3）的施 工，右侧上台阶应力略有回落；
8、5月30日下台阶开挖后，A2截面应力乂有突然 增大，内、外侧应力分别为 35.40MPa、-65.10MPa；随着仰拱的浇筑，内侧始 终处丁受拉状态，同时应力有所回落，至二衬浇筑完毕后内侧应力稳定在 22.66MPa,外侧应力则持续增长，随着时间的延长该点应力最终稳定在 -97.44MPa。上台阶开挖后，左侧上台阶 A1截面内侧除在第一天处丁受拉状态外，其他 时间均处丁受压状态。5月22日中台阶开挖之前，A1截面内、外侧应力分别为 -82.32MPa、-5.88MPa；中台阶开挖后，内侧拱架应力急剧下降，外侧则有所增 大，5月29日A1截面内、外侧拱架应力分别为-8.82MPa、-41.16M
9、Pa； 5月30 日下台阶开挖后，内侧拱架应力有一定的波动，应力先是增大到-11.55MPa,随后乂减小到-8.52MPa、-3.15MPa,外侧拱架应力却有所减小，为-36.75MPa；随 着仰拱的浇筑，内侧拱架应力开始增大，最终稳定在-19.11MPa,外侧则持续增大，最终稳定在-98.49MPa。相对而言，拱顶拱架A0截面应力在各个施工阶段并没有突然的增大或应力 状态变化，拱顶拱架应力随着各个施工工序始终持续增长，最终内、外侧应力稳定在-202.00MPa、-183.96MPa。(2) 5月23日左侧中台阶先行开挖，开挖完毕后立即布点测试。最初 3天 左侧中台阶B1截面外侧处于受压状态，
10、最大压应力为-16.59MPa, 5月26日应 力状态突然由受压的-13.44MPa转换为受拉的53.13MPa,直到下台阶开挖之前 始终处于受拉状态，最大拉应力为89.46MPa； B1截面内侧则始终处于受压状态， 虽略有波动，但总体随着时间的延长而增大，5月29日B1截面内、外侧拱架应 力分别为-31.5MPa、50.82MPa。5月30日下台阶开挖，B1截面内侧应力略有增 大，从-31.5MPa变为-35.07MPa；外侧则突然减小，从50.82MPa减小到19.95MPa, 不过随后两天乂恢复到93.87MPa。随后由于仰拱的浇筑，B1截面内、外侧应力 值均有所减小，6月5日内、外侧应
11、力值分别为-21.21MPa、74.34MPa。随后随 着二衬的浇筑，B1截面内、外侧应力持续减小，最终内、外侧应力分别稳定在 -15.96MPa、47.67MPa。5月25日开挖右侧中台阶B2,最初几天B2截面外侧应力波动较大，应力状 态也从受压变成受拉，最大拉应力值为5月28日出现的21.63MPa,随着下台阶 的开挖，外侧应力急剧下降，至6月4日压应力为-19.11MPa； B2截面内侧始终 处于受压状态，5月30日下台阶开挖时应力为-30.03MPa。随着仰拱和二衬的浇 筑，B2截面应力变化不大，最终内、外侧应力分别稳定在-38.43MPa、-21.00MPa。(3) 5月30日开挖下
12、台阶，左右两侧下台阶 C1、C2截面应力除最初几天 略有波动以外，随后一直随着时间持续增长；6月5日开挖仰拱后，拱架应力增 长变得缓慢，最终C1截面内、外侧应力分别稳定在-35.91MPa、-28.00MPa, C2 截面内、外侧应力分别稳定在-15.54MPa、-19.98MPa。(4) 6月5日开挖仰拱，拱架定位后布点跟踪观测，观测结果表明仰拱各测 点最初几天波动较大，但随后随着时间缓慢增长，最终仰拱最大拉应力为 27.98MPa,出现在仰拱左侧 D1截面内侧；最大压应力为-48.93MPa,出现在仰 拱右侧D2截面内侧。(1)仰拱D1截面50 J-Th r1 ir -V t C
13、l am件(3)仰拱D2截面(4)左侧下台阶C1截面(5)左侧中台阶B1截面(6)左侧上台阶A1截面(7)拱顶A0截面(8)右侧上台阶A2截面50-3(9)右侧中台阶B2截面(10)右侧下台阶C2截面图2-4 DIIK2194+670 断面各测点应力时态曲线注：图例中的外侧指的是靠近内轮廓面的测点，如拱顶外侧指的是编号218729测点；内侧指的是靠近围岩的测点，如拱顶内侧指的是编号218735测点。如无特别说明，下同。将钢拱架每个监测截面在监测期所受的最大应力归纳如表2-1 ,其中”表示监测截面的测点未出现拉应力或压应力。由实际观测结果可知，钢拱架测点在施工各阶段的最大应力值均小丁
16、 临时仰拱和斜支撑，当这些临时支护布置落后中台阶钢拱架或下台阶开挖被拆除 时，掌子面左侧受影响更大，因此在轴力随时间变化曲线图上存在突变， 但随着 下台阶和仰拱的开挖，其变化波动与其他位置相似，变化逐渐变小，最终趋近丁 稳定。一般来说，钢拱架封闭成环过后约两个星期，钢拱架受力将趋丁稳定。400 r(a)轴力MM孟nwi口鲫事生O 叩 IM* A *胃右 宇在H卜白防 q定，h估册t frfJFftffl- 0 +右土卜硕 o右中台晰 fc白，j下台晰 -云盘曲岫(b)弯矩 M车O以尊A脸(在1左中面隋 4友上店阶+若白曲 0 ii 中台踏 *ENMa.图2-5 DI
17、IK2194+670 内力时态曲线图注：图中轴力受拉为正，受压为负；拱架外侧(靠近围岩一侧)受压为正，内侧(靠近内轮 廓面一侧)受拉为负。下同图2-6给出了 DIIK2194+670断面施工各阶段的内力分布图，分布状况表明：(1)轴力在仰拱浇筑前的各施工阶段的受力状态并没有发生变化，但大小 会有突然的变大或减小；弯矩的大小变化相对较小，但部分截面弯矩的正负却会 发生突变。上台阶开挖后A1截面轴力为-234.08kN，弯矩为-48.15kN - m；中台阶开挖 后A1截面轴力减小到-100.88kN ,弯矩变为19.97kN m。A2截面轴力从上台阶 开挖后的-46.26kN，突然增大到中台阶开
20、.19kN ; A0、 A1、A2 截面从分别从-380.66kN、-123.73kN、-196.74kN 增大到-399.06kN、 -312.11kN、-304.67kN。(3) 最终断面轴力除左侧中台阶轴力为正值(受拉)以外，其他部分均处于偏心受压状态。最大轴力出现在拱顶位置，为 -399.06kN;轴力的绝对值大小 由顶部沿着开挖边界向底部逐渐减小，仰拱钢拱架轴力普遍较小，最小轴力出现在左侧仰拱位置，为-17.84kN。(4) 最终弯矩分布情形表明拱部和仰拱处于受拉状态，而边墙则处于受压状态，整个开挖断面呈现上下向内压、两边往外鼓的现象。弯矩受拉最大值出现在拱顶位置，为137.04kN
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