王立光 曾夢秋
(武漢工程大學,湖北武漢 430073)
改革開放以來,我國公路隧道建設事業(yè)迅猛發(fā)展,而且,隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的逐步實施,我國高速公路建設又進入了一個新的大發(fā)展時期[1]。隧道的開挖跨度在不斷變大,大跨度淺埋隧道由于上覆蓋層薄,圍巖穩(wěn)定性很差,襯砌受力比較復雜,尤其二次襯砌承擔較大荷載,在這種情況下,二次襯砌設計的是否合理不僅關系到隧道施工過程的安全,而且對后期隧道運營管理也有很大影響。
廣樂高速公路某隧道設計為雙向六車道,時速120 km/h。該左線長565 m,右線長640 m。該隧道穿越地段上覆粉質(zhì)粘土及全強風化巖體,土體松散,強度及穩(wěn)定性極差,分布厚度3 m~20 m。YK97+515~ZK98+040段隧道穿越圍巖為全~強風化砂巖夾中風化灰?guī)r,砂頁巖風化強烈,巖質(zhì)軟弱,裂隙極發(fā)育,強度及穩(wěn)定性差;灰?guī)r巖質(zhì)較硬,隱伏巖溶發(fā)育,巖溶強烈發(fā)育。整體圍巖巖體破碎,強度分布不均勻,灰?guī)r層巖溶強烈發(fā)育。YK98+040~ZK98+165段隧道穿越巖體主要為砂頁巖及煤層互層,主要為全~強風化巖,呈土狀或半巖半土狀,結(jié)構(gòu)松散,強度及穩(wěn)定性差,施工開挖易坍塌及側(cè)壁失穩(wěn)。整個隧道圍巖均劃為Ⅴ級。設計采用兩種襯砌:S5a與S5b,其中S5a襯砌的開挖跨徑達17.95 m,高達12.2 m,開挖面積為174.9 m2,斷面的扁平率為 0.68。
根據(jù)隧道地勘報告,隧道上覆圍巖主要為粘土和全~強風化灰?guī)r,巖體松散、自穩(wěn)性差,其物理力學參數(shù)如表1所示。
表1 圍巖物理力學參數(shù)表
根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》計算可以得知等效荷載高度為hq=16.524 m,文中淺埋隧道分界 Hp為[2]:
根據(jù)淺埋隧道的荷載計算方法,對于特定的圍巖級別,隧道埋深接近淺埋隧道的分界高度時,隧道結(jié)構(gòu)承擔的荷載最大。計算按最不利情況考慮,即選取埋深為淺埋隧道的分界高度的隧道結(jié)構(gòu)作為分析的對象。當隧道埋深為Hp時,隧道開挖后,由于洞頂?shù)南鲁良跋鲁翈r柱兩側(cè)存在摩擦力,使頂部巖土卸載,兩側(cè)巖體加載[3]。計算的圍巖的破裂角及側(cè)壓力系數(shù)如表2所示。
表2 圍巖破裂角及側(cè)壓力系數(shù)表
根據(jù)規(guī)范公式可求得垂直壓力q和水平均布側(cè)壓力e:
其中,H為隧道埋深,m;h為隧道高度,m;l為側(cè)壓力系數(shù);g為圍巖重度,kN/m3。
該隧道為三車道隧道,此處確定二次襯砌承擔60%的土壓力[4]。
計算采取荷載—結(jié)構(gòu)模型,運用ANSYS10.0,沿隧道縱向取1 m襯砌長度作為分析的對象。用二維梁單元(Beam3)模擬二襯,二次襯砌厚0.6 m。用二維桿單元(Link10)模擬圍巖對襯砌的約束效果,設置Link10只受壓不受拉(gap單元)。取圍巖的彈性抗力K=150 MPa/m。
二次襯砌的力學參數(shù)如表3所示。
經(jīng)計算,二次襯砌的內(nèi)力分布如圖1~圖3所示。
根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》的規(guī)定,混凝土偏心受壓構(gòu)件按破壞階段進行強度驗算。由于篇幅有限,本次只選取了具有代表性的單元進行分析,各單元的內(nèi)力值及安全系數(shù)如表4所示。
表3 襯砌力學參數(shù)表
圖1 軸力分布圖(單位:N)
圖2 彎矩分布圖(單位:N·m)
圖3 剪力分布圖(單位:N)
表4 典型單元內(nèi)力值及安全系數(shù)表
由計算可知,二次襯砌拱頂、拱肩處受拉控制,其安全系數(shù)較小,分別為0.5和0.8,小于規(guī)范要求的3.6的安全系數(shù)。由于斷面扁平率小,拱頂與拱肩截面的彎矩較大,而軸力相對較小,使得該處單元受軸力的偏心距大,受拉區(qū)的混凝土首先破壞。墻腳與仰拱處受壓控制,安全系數(shù)為4.3和4.1,可滿足規(guī)范要求的2.4的安全系數(shù)。
選取拱頂單元45進行應力分析,忽略剪力對截面正應力的影響,截面的外側(cè)邊緣正應力計算如下:
正應力遠大于C25混凝土的軸心抗拉設計值ft=1 270 kPa,需配筋以提高截面的承載能力。對拱頂單元45進行配筋計算:截面大偏心受壓,受壓區(qū)高度x=187.2 mm,相對受壓區(qū)高度e=0.34,需采用對稱配筋As=As′=1 955 mm2;拱肩單元60為截面大偏心受壓,受壓區(qū)高度x=245 mm,相對受壓區(qū)高度e=0.45,采用對稱配筋 As=As′=936 mm2< rmin,bh=1 200 mm2,故采用構(gòu)造配筋;單元75與單元81截面為小偏心受壓,只需構(gòu)造配筋As=As′=1 200 mm2。S5a 襯砌采用 5Φ25,As=As′=2 454 mm2,二次襯砌結(jié)構(gòu)是安全可靠的[6]。
在大跨度淺埋隧道中,由于初期支護施工質(zhì)量的離散性,二次襯砌的作用就顯得更為重要。該隧道現(xiàn)已完成了淺埋段的施工,從現(xiàn)場施工情況來看,二次襯砌結(jié)構(gòu)是安全可靠的,可以承受現(xiàn)階段的圍巖荷載和施工荷載。本文按照《公路隧道設計規(guī)范》的相關要求,對該隧道淺埋段二次襯砌進行了檢算,結(jié)果表明設計的截面尺寸和配筋率是安全合理的。從上述計算中可以得出如下結(jié)論:
1)該隧道斷面的扁平率為0.68,隧道拱頂?shù)膹澗刈畲螅移木嘧畲?。截面的外?cè)邊緣拉應力大大超過了混凝土抗拉設計強度,這證明大跨度小扁平率的淺埋隧道應重點關注拱頂部位。這也從側(cè)面驗證了淺埋隧道的破壞一般從拱頂開始。同時拱肩處的負彎矩較大,也應重點關注。
2)二次襯砌結(jié)構(gòu)大部分的截面為受壓控制,且安全系數(shù)一般較大,均能滿足規(guī)范的要求,采用構(gòu)造配筋即可。
3)由于二次襯砌一般在初期支護變形穩(wěn)定后施作,本隧道所處的圍巖并無顯著的流變特性,一般也不會有很大的殘余變形。故本文按照規(guī)范考慮二次襯砌分擔60%的土壓力稍顯偏大,可以將二次襯砌的荷載分擔比例適當降低。
[1] 夏寶祥,程崇國.三車道大斷面公路隧道研究現(xiàn)狀綜述[J].地下空間,2002(12):67-68.
[2] 交通部.公路隧道設計規(guī)范[S].
[3] 王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].合肥:安徽教育出版社,2004.
[4] 交通部.公路隧道設計細則[S].
[5] 王建宇.隧道設計中數(shù)值方法的思考[A].2008年全國隧道監(jiān)控量測和反分析專題研討會議論文[C].2008.
[6] 住房和城鄉(xiāng)建設部.混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].