張 延

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

本文研究的涵洞為下穿某城際鐵路明挖隧道的過水涵洞。該過水涵洞是在隧道施工過程中,按城市規(guī)劃部門要求增設(shè)的,具備與明挖隧道同時施工的可能性。考慮到過水涵洞下穿隧道,在設(shè)計過程中有兩種思路：一是,在滿足隧道結(jié)構(gòu)凈空和結(jié)構(gòu)尺寸的條件下,優(yōu)化涵洞結(jié)構(gòu)尺寸,先澆筑涵洞后澆筑隧道結(jié)構(gòu),二者構(gòu)成一個疊加的結(jié)構(gòu)體系；二是,把涵洞考慮到隧道的結(jié)構(gòu)體系之中,涵洞作為隧道結(jié)構(gòu)的箱形基礎(chǔ),二者同時澆筑,構(gòu)成一個整體結(jié)構(gòu)體系。本文通過數(shù)值模擬,對兩種結(jié)構(gòu)體系進行比較,以期對今后設(shè)計施工過程中遇到類似工程問題能有所參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

明挖雙線隧道為城際鐵路穿越市區(qū)的地下區(qū)間段,設(shè)計時速是250 km,線間距4.6 m,隧道斷面采用頂板拱墻、邊墻直墻、底板的形式。隧道結(jié)構(gòu)高11 m,跨度14.2 m。結(jié)構(gòu)底部地基承載力不足,需要做CFG樁基處理。城市規(guī)劃部門要求在隧道下方修建1座涵洞,以滿足城市雨季排水需要。在隧道結(jié)構(gòu)底板以下橫穿1座過水涵洞,增設(shè)該涵洞需滿足過水能力和結(jié)構(gòu)強度兩個條件。隧道與涵洞結(jié)構(gòu)關(guān)系布置如圖1所示。

圖1 隧道與涵洞結(jié)構(gòu)布置(單位：cm)

1.2 地質(zhì)概況

(1)地層巖性

①第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土(Q4ml)：人工填筑層,層厚6～7 m,硬塑。

②第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)：沖洪積層,層厚約2 m,黃褐色,硬塑,為主要地層。

②1第四系全新統(tǒng)黏土(Q4al+pl)：沖洪積層,層厚約2.0 m,黃褐色,硬塑。

②2第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)：沖洪積層,層厚約2.1 m,黃褐色,軟塑。

③1白堊系下統(tǒng)(K1)：全風(fēng)化,厚度3.5～6.5 m,紫紅色,層狀構(gòu)造,巖芯呈砂土狀。

③2白堊系下統(tǒng)(K1)：強風(fēng)化,厚度7.6～25.3 m,紫紅色,層狀構(gòu)造,巖芯呈碎塊狀,節(jié)理裂隙發(fā)育。

(2)地基基本承載力

②粉質(zhì)黏土：Ⅱ級普通土硬塑σ0=180 kPa。

②1黏土：Ⅱ級普通土硬塑σ0=180 kPa。

②2粉質(zhì)黏土：Ⅱ級普通土 軟塑σ0=120 kPa。

③1全風(fēng)化砂巖與泥巖互層：Ⅲ級硬土σ0=300 kPa。

③2強風(fēng)化砂巖與泥巖互層：Ⅲ級硬土σ0=400 kPa。

(3)土壤最大凍結(jié)深度：1.69 m。

(4)地震動峰值加速度0.10g,相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度。

2 建模計算

2.1 荷載計算

2.1.1 永久荷載

隧道結(jié)構(gòu)以上覆土1.5 m,人工填土,土層容重19 kN/ m3。

(1)結(jié)構(gòu)自重

按鋼筋混凝土容重25 kN/m3取值。

(2)上部隧道結(jié)構(gòu)重

q0=42.85×25/14.2=75.44 kN/m2,其中上部隧道結(jié)構(gòu)截面為42.85 m2。

(3)土體豎向壓力

q1=19×11.6=220.4 kPa(涵洞兩端全為人工填土)；

q2=19×2.4=45.6 kPa(隧道結(jié)構(gòu)以上覆土,算到半拱高度)。

(4)土體側(cè)壓力

按朗金土壓力理論進行計算。采用主動土壓力(水土合算),側(cè)壓力系數(shù)為Ka=0.35(參照《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)。

結(jié)構(gòu)頂處側(cè)壓力

e1=19×8.2×0.35=54.53 kN/m2

結(jié)構(gòu)底處側(cè)壓力

e2=19×11.9×0.35=79.14 kN/m2

(5)地基反力

豎直方向彈簧剛度系數(shù)取κ1=10×104kN/m3

水平方向彈簧剛度系數(shù)取κ2=κ1/1.25=8×104kN/m3。

2.1.2 活荷載

2.2 分離式結(jié)構(gòu)

2.2.1 結(jié)構(gòu)施作過程

用明挖法放坡開挖基坑,坡面噴射混凝土設(shè)置錨桿做基坑防護?；娱_挖到涵洞底設(shè)計高程后,做CFG樁基處理?；滋幚硗瓿珊?先澆筑涵洞結(jié)構(gòu),預(yù)留施工縫,然后澆筑隧道結(jié)構(gòu),同時在涵洞兩端和隧道兩端均預(yù)留變形縫,以適應(yīng)結(jié)構(gòu)變化處的不均勻沉降。分離式結(jié)構(gòu)斷面如圖2所示。

圖2 分離式結(jié)構(gòu)斷面(單位：cm)

2.2.2 建立模型

在該結(jié)構(gòu)體系中需要對涵洞結(jié)構(gòu)強度和變形進行驗算。采用結(jié)構(gòu)有限元軟件SAP84建立二維模型,進行結(jié)構(gòu)計算分析。利用梁柱單元模擬頂板、邊墻及中墻,用彈簧單元模擬地基反力。結(jié)構(gòu)模型中可以用變截面梁柱模擬實際結(jié)構(gòu)中頂板、邊墻及中墻的腋角,但本結(jié)構(gòu)模型中沒有模擬梁柱加腋效應(yīng),這樣處理計算結(jié)果對于結(jié)構(gòu)是保守的,有利的。結(jié)構(gòu)荷載如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)荷載

2.2.3 數(shù)值計算結(jié)果

二維模型的SAP84數(shù)值模擬計算結(jié)果給出了涵洞結(jié)構(gòu)的彎矩圖、軸力圖、剪力圖,如圖4所示。

圖4 SAP84數(shù)值模擬結(jié)果

2.3 整體式結(jié)構(gòu)

2.3.1 結(jié)構(gòu)施作過程

用明挖法放坡開挖基坑,坡面噴射混凝土設(shè)置錨桿做基坑防護?；娱_挖到涵洞底設(shè)計高程后,做CFG樁基處理?；滋幚硗瓿珊?涵洞結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)整體現(xiàn)澆,同時在涵洞兩端和隧道兩端均預(yù)留變形縫,以適應(yīng)結(jié)構(gòu)變化處的不均勻沉降。整體式結(jié)構(gòu)斷面如圖5所示。

圖5 整體式結(jié)構(gòu)斷面(單位：cm)

2.3.2 建模計算

在該結(jié)構(gòu)體系中需要對隧道涵洞整體結(jié)構(gòu)強度和變形進行驗算。采用結(jié)構(gòu)有限元軟件ANSYS 9.0建立三維模型,進行結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬。

結(jié)構(gòu)尺寸：頂部拱墻0.85 m,直墻1.0 m,共壁板厚1.0 m,涵洞邊墻1.0 m,中墻1.0 m,底板厚1.2 m；

混凝土等級采用C35,單元劃分長度為1。整體結(jié)構(gòu)和基底CFG樁基分別用ANSYS中的SOLID 45(實體單元)和COMBIN40單元(彈簧單元)進行模擬。模型如圖6所示。

圖6 三維模型

2.3.3 數(shù)值計算結(jié)果

三維模型的ANSYS數(shù)值模擬計算結(jié)果給出了整體結(jié)構(gòu)的變形圖、位移(UY)圖、應(yīng)力圖,如圖7所示。

圖7 ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果

3 計算結(jié)果分析

分離式結(jié)構(gòu)模型受力清楚,模擬的過程清晰。隧道設(shè)計的荷載-結(jié)構(gòu)模式是沿用了地面結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法,理論發(fā)展比較成熟,對于隧道設(shè)計而言比較保守；該模型中的兩個結(jié)構(gòu)實質(zhì)為一對疊合體,在存在列車振動荷載的情況下,對結(jié)構(gòu)抗震要求、強度要求較為嚴(yán)格。同時配筋計算還表明,該模型計算結(jié)果配筋率較大。

整體式結(jié)構(gòu)模型,結(jié)構(gòu)的整體性較強,不存在疊合體效應(yīng),抗振動性能較好；下部的涵洞結(jié)構(gòu)可以看作是上部隧道結(jié)構(gòu)的箱形基礎(chǔ),有利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。同時配筋計算還表明,該模型配筋率較低。但是三維結(jié)構(gòu)模型力傳遞過程不夠清晰,建模計算分析較為復(fù)雜。而且由于建模過程中應(yīng)用實體單元SOLID 45模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),數(shù)值模擬結(jié)果給出的是應(yīng)力-應(yīng)變解,而非彎矩-軸力-剪力解,所以還需一個轉(zhuǎn)換的過程才能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)配筋計算。

4 工程實施情況

針對本工程實際情況,隧道結(jié)構(gòu)與涵洞結(jié)構(gòu)間高差滿足分離式結(jié)構(gòu)的條件,設(shè)計采用分離式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)基坑于2009年6月初開始開挖,現(xiàn)場揭示土質(zhì)與設(shè)計參考詳勘情況相符?；娱_挖完畢,結(jié)構(gòu)底部首先施作CFG樁基處理,樁基經(jīng)過檢驗達到設(shè)計強度要求。2009年7月,開始綁扎涵洞結(jié)構(gòu)鋼筋、澆筑混凝土。混凝土養(yǎng)護28 d,待強度達到100%后,綁扎隧道結(jié)構(gòu)鋼筋、澆筑混凝土。待隧道結(jié)構(gòu)混凝土強度達到100%后，結(jié)構(gòu)頂回填人工土,施工完畢。兩結(jié)構(gòu)有明顯的施工先后工序,不存在交叉,施工較方便；后期維修養(yǎng)護干擾程度也較小,具有明顯的優(yōu)勢。

5 結(jié)語

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展,建設(shè)用地越來越緊缺,線路不可避免的截斷城市的雨水管涵、污水管道,或者與隧道交叉預(yù)留管涵的情況也會經(jīng)常遇到。當(dāng)隧道橫穿,位于管涵上方且高程比較接近時,就存在一個涵洞、隧道是分離式結(jié)構(gòu)還是整體式結(jié)構(gòu)比選的問題。

對于分離式結(jié)構(gòu),由于隧道與過水涵洞荷載條件、邊界條件、受力特征清晰,施工方便,當(dāng)高程上有調(diào)整可能時,應(yīng)優(yōu)先選用,且在養(yǎng)護維修時,二者相互干擾程度較小。

對于整體式結(jié)構(gòu),受力復(fù)雜、施工稍有難度、養(yǎng)護維修相互干擾程度較大,當(dāng)高程調(diào)整確實存在困難時,可以采用。

[1]TB 10002.1—2005,鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].

[2]鐵建設(shè)[2005]140號,新建時速200～250 km客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定[S]．

[3]GB 50157—2003,地下鐵道設(shè)計規(guī)范[S]．

[4]孫 鈞,侯學(xué)淵.地下結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社,1988

[5]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社,2007．

[6]潘昌實.隧道力學(xué)數(shù)值方法[M].北京：中國鐵道出版社,1995

[7]施仲衡,張 彌,等.地下鐵道設(shè)計與施工[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1997．