第142期新型装配式波纹钢结构在隧道及地下工程中的应用

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第142期新型装配式波纹钢结构在隧道及地下工程中的应用

2021-11-18 17:29

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【52监测网】第142期新型装配式波纹钢结构在隧道及地下工程中的应用

52监测网专家报告分享-第142期

《新型装配式波纹钢结构在隧道及地下工程中的应用》

张清照土木工程学院地下建筑与工程系（同济大学）

一、概述

二、研究内容及研究思路

三、波纹钢支护结构力学特征及作用机理研究

四、波纹钢支护结构设计计算方法研究

五、波纹钢支护结构施工技术研究

六、波纹钢支护结构监测技术应用研究

七、经济效益分析

八、创新点及推广应用

内容介绍

一、概述

◇ 波纹钢简介

波纹钢材料的特点

• 性能出色：结构稳定性和耐久性出色，耐腐蚀、寿命长，经济、施工方便。

• 工艺简便：波纹成型，制成柔性管。

• 用途广泛：主要用于各种土木工程排水管，广泛用于产业园区、宅地开发、高尔夫球场、公寓、地下通道、道路工程现场及雨水存储槽等。

波纹钢适用性及优势

◇ 公路隧道支护结构现状

波纹钢板：将一定尺寸的结构用钢板压制成波纹形状的特定规格的结构用钢板。

波纹钢特点：波纹结构增大了抗弯惯性矩、较高承载能力和稳定性。

◇ 依托工程概况

云南澄川高速棋盘山隧道

• 波纹钢初期支护结构与隧道围岩相互作用机理尚不明确，还不能实现隧道波纹钢支护结构经济和性能的统一。

• 隧道波纹钢初期支护结构快速拼装施工中，关键部位和关键节点的认识和设计需要进一步优化。

• 隧道波纹钢初期支护的受力状态更为复杂，如何实现全过程结构内力状态的预测有待进一步研究。

• 缺少隧道波纹钢支护结构系统的设计、施工和质量检验相关的指导性文件，限制了波纹钢的进一步应用。

二、研究内容及研究思路

研究内容

1.公路隧道波纹钢装配式快速初期支护结构力学特征及作用机理

2.公路隧道波纹钢装配式快速初期支护结构新型式设计方法

3.公路隧道波纹钢装配式快速初期支护结构施工工法

4.公路隧道波纹钢装配式快速初期支护结构监测技术

• 波纹钢装配式初期支护结构新型式设计细则

• 波纹钢装配式初期支护结构施工工法和技术指南

项目技术路线图

三、波纹钢支护结构力学特征及作用机理研究

TJ-GPJ1300试验系统

足尺试验及数值模拟--波纹钢等效刚度系数

通用等效刚度系数表的计算

四、波纹钢支护结构设计计算方法研究

五、波纹钢支护结构施工技术研究

动态模拟及稳定性分析、动态开挖模拟、结构适用性研究（波纹钢板）、波纹钢初级支护结构模糊评价模型、设计图集施工技术建议、施工工序、波纹钢拼装工序、超前支护、防排水措施、波纹钢初支与钢拱架初支对比、开挖施工过程、施工效果…

六、波纹钢支护结构监测技术应用研究

七、经济效益分析

直接经济效益

项目在云南澄江至江川高速公路工程中采用隧道波纹钢装配式快速初期支护的施工工法，每延米节约造价3300元+1500元，为公司创造了较大的经济效益。

间接经济效益

（1）隧道穿过不良地质时，在软弱围岩大变形地段，采用工字钢与波钢搭接成的整体可以有效防止围岩变形的局部坍塌，同时骨架钢板的接头采用了腰型孔配合螺栓固定，当隧道围岩变形较大时，螺栓具有一定的活动余地，不会受损，保证了隧道施工质量，克服了传统施工方法坍方不进尺难题，大大节约了施工时间，提高施工效率。按照普通坍方处理平均耽搁10天计算，平均每次节约大概50万元。

（2）采用波钢前，每一轮初支循坏包括：初喷——立工字钢拱架——钢筋网片——初期支护喷射混凝土——安装防水板，循环时间为6～7个小时，采用波钢后，由于采用了装配式的拱钢板结构，波纹钢板波幅一般不超过14cm，相比v级围岩采用I22以上的工字钢，极大地减小了初期支护的厚度，并相应减少洞身开挖量和，因此初期支护的尺寸可以大大减小，安装弧形拱封闭环操作简化，施工效率得到提高，每一轮初支循环包括：立波钢——波纹钢拱背注浆——环向排水管安装，每轮初支循环时间缩短为3～4小时。节约传统初支的时间50%，较大提高了施工功效。

（3）同时波钢骨架钢板的截面采用弧形突起的筋条，可以大大增强弧形拱的力学强度，并且对隧道开挖后的围岩形成一种柔性支护，整体结构提供了足够的强度并且具有一定的变形协调性，可以适应一定的变形，同时对隧道出现的渗漏水现象可以起到良好的隔绝作用，提高了初期支护的效果。

八、创新点及推广应用

◎ 开展波纹钢板足尺试验，提出了波纹钢板刚度的修正方法，即波纹钢等效钢刚度系数法、波纹钢非线性街头模型，规范了波纹钢板的简化计算方法，为波纹钢初期支护结构设计计算及施工模拟提供了基础理论。

◎ 基于地层结构法，结合波纹钢等效度系数法，从材料本构模型、结构模拟技术、隧道开挖模拟等方面，提出了公路隧道波纹钢装配式初期支护结构的计算方法，并提出了波纹钢初期支护结构设计优化方法；

◎ 对不同型式波纹钢装配式初期支护结构关键部件的规格、支护效果以及优化技术提出量化指标，形成了公路隧道波纹钢装配式快速初期支护结构设计方法、设计准则，为相关设计人员提供技术支持；

◎ 基于波纹钢初期支护结构施工全过程数值模拟及第三方现场监测数据，总结形成了公路隧道波纹钢装配式初期支护结构施工工法及监测技术，为波纹钢初期支护结构的工程推广应用提供支持。

本项目开展国内外新颖性查新，结论表明：除项目团队发表的文献外，尚未见到国内外有关公路隧道波纹钢装配初期支护结构力学特征、设计计算方法、施工工法及监测技术的文献报道，国内外尚未见到与本项目综合技术特点相同的研究报道，本项目在国内外研究中具有新颖性！

（2020年7月10日，项目研究单位委托中国公路学会组织对项目进行了第三方科技成果评价，评价结论为主要研究成果总体达到国际先进水平，其中山岭隧道波纹钢初期支护结构体系及设计方法达到国际领先水平）。