随着我国地下空间的不断发展，在既有隧道的基础上进行维修与加固也越来越多[1]．交叉洞室特殊的空间结构和复杂的围岩应力关系，对其支护结构有着更高的要求[2]，因此新型交叉段支护结构体系的设计、在围岩应力作用下力学特征及保证交叉段围岩的稳定是所研究的重要课题．文献[3-5]通过增加纵向连接，提高钢拱架弱轴平面的抗弯刚度，充分地发挥了钢拱架的承载能力并且获得良好的工程经济效益．通过数值模拟[6-8]得出钢拱架轴力最大在拱腰处，弯矩和剪力最大在拱脚，对控制围岩变形效果明显．在钢拱架弯制方面，通过采用隧道断面曲率分节的方法进行弯制，再将各节钢架进行拼装，可以应对不同形状的断面，并且研制出了一种在钢结构加工场对加工的钢拱架进行加工验证的设备[9-10]．隧道荷载的确定与结构的计算方法是其重要部分，由于荷载-结构法概念清楚、方法简明，容易接受和掌握，因此是目前最为常用的一种地下结构计算方法[10-11]．通过对连拱隧道荷载计算方法进行改进，提出了一种应用在分岔隧道荷载计算新方法——空间荷载结构法[12]，并应用于三维壳单元隧道荷载结构模型．目前对隧道钢拱架的研究多为单一隧道，交叉段的钢拱架支护措施、受力特征等鲜有报道，为此本研究根据等截面交叉口的空间特征，提出一种Y型的主拱架，通过数值模拟和力学试验进行力学分析，优化支护参数，并结合现场监测验证该新型钢拱架支护结构的稳定性．1 数值模拟以贵州人防工程项目为研究背景进行相关研究，该人防工程修建于20世纪70年代，受限于施工技术水平和材料质量，洞室衬砌老旧且多为素混凝土结构．为响应国家加强国防建设的政策与贵阳地下空间资源再利用的布局，提高人防洞室的防护能力，同时也为类似国家地下工程服务期的维护、加固及再利用提供参考，针对人防洞室薄弱位置(交叉口处)的加固展开研究．1.1　数值模拟方案目前荷载结构法的应用多为二维平面上，由于结构在三维空间下的计算难度较大，因此将来自隧道围岩的作用简化为荷载施加在结构上进行分析．采用荷载结构法的基本假设为：当结构计算时，隧道衬砌可以视为平面问题且为小变形的弹性梁；隧道围岩与机构之间的相互作用可以用弹簧单元来模拟，其中弹簧单元仅承受压力，可采用局部变形理论确定弹性抗力．1.2　模型建立等截面交叉口具有洞室拱顶高度相同且洞室轴向相互垂直的空间特点，正常段的钢拱架无法使用，因此根据交叉口以联络洞室中线呈对称分布，运用三角形稳定性原理，提出了一种Y型的主拱架，同时为了研究主拱架的力学特征，利用ABAQUS有限元软件对主拱进行模拟分析，钢拱架采用弹性本构模型，通过荷载-结构法将上覆围岩的压力转换为荷载作用在钢拱架上进行模拟．由于本研究隧洞较深，因此根据普氏理论基本条件，可得围岩压力[14]为q=γh;h=0.45×2T-1w, (1)式中：q为围岩压力；γ为土的重度；T为围岩等级；w为宽度影响系数，w=1+i(B-5)，B为硐室宽度，i为B每增减1 m时的围岩压力增减率，当B＜5 m时，i=0.2，当B＞5 m时，i=0.1．结合勘察设计文件确定围岩重度为26 kN/m3，根据式(1)可知，围岩压力为qv=153.5 kPa，qh=46.1 kPa，其中：qv为竖向荷载；qh为水平荷载．Y型钢拱架模型采用8节点三维六面体单元，三支架之间的连接采用焊接，钢拱架架脚完全固定．1.3　模拟结果分析根据交叉口支护结构的设计方案可知围岩荷载全部转移至Y型主拱架上，最终由主拱架承载并转移至拱架基础和系统锚杆，因此必须分析30工字钢主拱架的受力状态，以保证其能满足承载力、变形等要求．图1为交叉口主拱架位移云图，图中s为钢拱架的位移值．由图1可知：主拱架的变形特征主要表现为竖向变形，在拱顶偏右侧的斜向拱架上出现最大竖向变形，最大值为27.3 mm，变形在预留范围内，因此满足施工的要求．须特别注意的是：Y型主拱架的左侧斜向拱架竖向变形较大，整体有向左侧偏移的趋势，表现出明显的不对称；从图1(a)主拱架的水平位移云图可以看出，竖向荷载导致了主拱架整体向左侧偏移，因此在拱架施作过程中要加强该处的锚杆质量和适当缩短锚杆的间距．10.13245/j.hust.211003.F001图1交叉口主拱架位移云图图2为主拱架单元应力云图，图中σsmax为最大应力值．由图2可以看出：在斜拱架靠近搭接点部位的上翼缘主要承受压应力，其压应力值为180 MPa，材料安全系数约为1.31．最大压应力为202.6 MPa，位于斜拱架的拱肩处，其材料安全系数为1.16．主拱架最大拉应力仅为64.8 MPa，抗拉安全系数超过了3.0．分析可得：主拱架承载着来自拱顶围岩的大部分压力，同时由于拱肩位置的曲线半径较小，导致了应力集中，使得主拱架在搭接点附近存在较大变形，并且该处的材料安全系数也明显降低．10.13245/j.hust.211003.F002图2主拱架单元应力云图总体而言，采用30工字钢作为主拱架，主拱架的材料容许应力及其变形均符合相关要求．此外该处假设条件是主拱架承载了所有来自围岩的荷载，属于最不利的情况．由于在实际工程中，围岩变形是缓慢发展的，并且混凝土在喷射24 h后就能够达到6 MPa的强度，因此喷射混凝土的支护效果也不可忽略，分析可得采用Y型主拱架是合理可行的．2 抗弯承载力试验2.1　试验目的与方案通过研究可知采用30工字钢制成交叉口的主拱架，而在实际工程中，对30工字钢的弯制较为困难，因此采用了一种等代圆弧的方法对主拱架进行弯制．由于上述方法会对钢拱架的性能有一定的损伤，因此通过开展与正常钢拱架的抗弯承载力对比试验，以验证弯制后得到的异型钢拱架力学性能，进一步完善Y型支护体系．考虑到实验室空间有限，选取两组外边缘与内边缘弦长分比为1 200 mm与1 000 mm的异型钢拱架．为了形成对比，同样选取两组尺寸一样的正常钢拱架，其中Y-1，Y-2为异型钢拱架，N-1，N-2为正常钢拱架．通过改进的YAS(四柱式)系列微机控制电液伺服压力试验机来测试四组试件的抗弯承载力，用于验证异型钢拱架的力学性能．2.2　试验装置改装与制作为了能够将YAS系列微机控制电液伺服压力试验机用于测试钢拱架受力的抗弯试验，通过改造发明了一种辅助装置，如图3所示．仪器上部分用卡座连接一个由I50b型钢和一个U60a型钢组合在一起的装置，用于使钢拱架试件两端受力．然后在仪器上，在装置下部分焊接个用16a型钢制作的卡槽，用于固定钢拱架试件．10.13245/j.hust.211003.F003图3改装装置简图1—卡座；2—Ι50b型钢(长为1 500 mm)；3—U16a型钢(长为1 500 mm)；4—试件；5—卡槽；6—试验台．当开始试验时，试件受到来自压力泵向上的力，并通过组合装置2和3传至到面板1处，根据作用力与反作用力相关原理，试件也会对压力泵产生向下的力，试件和组合装置在这一对作用力下达到平衡，此套改装后的装置能有效地测试钢拱架的抗弯承载力[15]．2.3　试验过程试验过程如下．a. 通过磨光机处理钢拱架表面的铁锈，打磨完成后采用半桥接线的方法粘贴应变片，并在相应的位置做好记录．b. 将已布置应变片的试件搬移至YAS压力试验机上，并调平试件．c. 将在钢拱架上贴好的应变片用引线与DH3818-2静态应变仪连接，并且连接补偿片，然后对各组应变片进行标号，方便后期的读数与记录．d. 安装百分表，检查与调整仪器．e. 在YAS系列微机控制电液伺服压力试验机的计算机控制系统上设置试件的参数与荷载参数．f. 开始进行试验，记录和整理所得数据．2.4　试验结果与分析2.4.1　变形规律分析图4为钢拱架荷载-位移曲线图，图中P为荷载．两组正常钢拱架与异性钢拱架的变化类似，可以将钢拱架受弯的过程分为三个阶段，依次为弹性阶段、弹塑性阶段和全塑性阶段．随着位移或时间的增加，试验力逐渐的增加，当达到一定的时间或位移时，试验力达到一定值后开始减小，最后趋于稳定．在弹性阶段，钢拱架的变形很小，其扰度也很小，曲线斜率变化较小；在弹塑性阶段，钢拱架的变形较弹性阶段有所增加，但是其扰度仍然不明显，钢拱架的荷载-位移的关系大致为曲线，试件的截面中和轴逐渐向受压区方向移动，在全塑性阶段，钢拱架的扰度急剧增加，随着试件的曲率逐渐减小，其破坏属于延性破坏．10.13245/j.hust.211003.F004图4钢拱架荷载-位移曲线图由图4可见同种类型的钢拱架试件承载力有所不同，究其原因，主要是因为试件在试验台摆放时没有完全调平，受力未在同一轴线上，从而导致试件在未达到极限承载力时就发生了扭曲．不同类型试件情况下，由于异型钢拱架在弯制过程中，切口处焊接导致刚度降低，因此Y-1抗弯承载力要比N-1减少23.8 kN，Y-2比N-2减少24.6 kN，但误差不超过5%，满足设计要求．2.4.2　极限弯矩分析同样地得到两组正常钢拱架与异型钢拱架的极限弯矩情况：Y-1为141 kN·m；N-1为156 kN·m；Y-2为143 kN·m；N-2为158 kN·m．由此可知正常钢拱架的极限弯矩都要比异型大，当异型钢拱架受到试验机传来的试验力时，其本身存在残余应力和拱架结构的微型改变，导致极限弯矩减小，但是减小最大不超过10%，影响较小．3 新型钢拱架体系及现场检测分析3.1　新型拱架体系根据对Y型主拱架的数值模拟与异型钢拱架的抗弯承载力试验，同时结合交叉口附近的围岩开挖轮廓及支护结构必须满足断面的设计要求，提出了一种Y字形主骨架+斜截拱架的新型等截面交叉洞室的支护体系，其空间形态见图5，图中：蓝色部分拱架为30工字钢制作，构成Y字形主骨架；红色拱架、绿色拱架及浅灰色拱架为各自洞室正常段拱架局部斜切之后剩余部分．通过上述拱架设置，各洞室的空间形状可以完全满足设计要求．初步分析此空间异形拱架受力状态可知：红色、绿色及浅灰色拱架所承担的围岩荷载将全部或者部分转移至蓝色主拱架，最终由蓝色拱架承载并转移至拱架基础和系统锚杆．10.13245/j.hust.211003.F005图5等截面交叉口拱架空间图3.2　现场监测分析图6为仪器布置图，在交叉口布置6个测点(S1~S6)，每个测点都安装振弦式砼应变计、振弦式土压力计和振弦式钢结构表面应变计，分别测试混凝土的压应、围岩的压力和钢拱架的应变．10.13245/j.hust.211003.F006图6仪器布置图根据振弦式传感器工作原理，钢弦的自振频率与钢弦之间的关系为[16]f=σ/ρ/(2L), (2)式中：f为钢弦的自振频率；L为两个质点之间的钢弦长度；σ为钢弦所受的力；ρ为钢弦的质量密度．测试仪器在进行严格的标定后，进行换算有FY=KY(f2-f02)；(3)FG=KG(f2-f02)，(4)式中：KY为表面应变计灵敏系数标定系数；KG为钢筋测力计灵敏系数标定系数；f0为安装后的初始频率．3.2.1　钢拱架变形情况图7为随时间变化的钢拱架应变曲线，图中：ε为钢拱架应变；t为时间．由图可见：在第1~4 d内，随着既有硐室衬砌的拆除，应变值呈线性增长的趋势，在施工第5 d时应变达到最大，然后趋于稳定．从图7可以看出：钢拱架最大的拉应变在S5位置上，最大应变值为236.44×10-6，其中S3和S4也呈现为受拉状态．S1，S2，S6三个位置呈现受压状态，其中最大压应变在S6位置，最大应变值为143.23×10-6．通过监测数据可知最大应变不超过240×10-6，说明衬砌拆除和围岩对新型钢拱架的影响很小，稳定性满足要求，另外钢拱架的变形特性与数值模拟类似，验证了模拟的合理性．10.13245/j.hust.211003.F007图7钢拱架应变-时间曲线3.2.2　围岩与支护接触压力分析图8为隧道围岩压力-时间的变化曲线，图中PS为土压力．在交叉段的支护系统形成第1~5 d内，围岩的压力基本呈线性增长趋势．在第5 d后，围岩的变化开始趋于稳定，最大的压力值位于S2，为0.398 MPa，这说明离交叉点附近处围岩变形较大．S1，S4和S6位置监测结果较小，这可能与仪器安装时围岩应力部分已释放有关．10.13245/j.hust.211003.F008图8隧道围岩压力-时间曲线3.2.3　混凝土应变分析混凝土应变-时间的变化曲线如图9所示，图中ε1为混凝土应变．在喷射混凝土形成支护系统之后，在第1~5 d内，混凝土的应变随着时间的增加基本呈直线上升的趋势，约在第5 d后达到最大值．分析原因可知：当衬砌喷射后，混凝土中的水化热释放，从而导致混凝土受热膨胀，拉扯应变计，产生了拉应变．从图中可以看出最大的应变值为267.32×10-6，在S2处，表现为拉应变，S3和S5测点受拉变形较小．S1，S4和S6开始因混凝土膨胀产生拉应变，随后逐渐转变为压应变，压应变值不超过200×10-6，说明衬砌受压力较小．10.13245/j.hust.211003.F009图9混凝土应变-时间曲线4 结论a. 根据交叉口的空间几何特征提出了一种Y型的主拱架支护方式．利用荷载-结构法，模拟主拱架的受力，分析得到主拱架的竖向变形最大部位出现在拱顶偏右侧的斜向拱架上，为27.3 mm．主拱架整体向左侧偏移．通过增加相应位置的锚杆数量与减小间距的方法提高稳定性．主拱架的最大压应力出现在斜拱架拱肩位置，达到了202.6 MPa，整个拱架最大拉应力仅为64.8 MPa．b. 通过对两组异型拱架与正常拱架进行抗弯承载力试验，得到异型钢拱架的抗弯承载力与正常钢拱架相比小于5%，满足承载力要求．c. 通过分析Y型主拱架的位移与应力情况，以及异型钢拱架的承载力，综合考虑围岩的开挖轮廓和支护结构设计要求，提出了一种Y型主拱架＋斜截拱架的新型等截面交叉口支护体系．d. 通过在交叉口进行监测，得到新型钢拱架的应变关系，最大应变呈现着受拉的趋势，最大值为236.44×10-6．通过对围岩的压力监测可得：最大压应力发生在主拱架的拱肩上，最大值为0.398 MPa．在衬砌喷射完成后，混凝土由于水化热释放，产生拉应变，最后逐渐转变为压应力，最大应变值为267.32×10-6．分析可得新型钢拱架体系的支护效果是满足稳定性要求的．