譚世君

(湘西土家族苗族自治州交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 吉首　416000)

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某二級(jí)路上跨既有隧道的襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性探討

譚世君

(湘西土家族苗族自治州交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 吉首416000)

某二級(jí)路上跨既有高速公路白山隧道，上跨區(qū)域內(nèi)隧道埋深淺且圍巖較差，隧道頂部二級(jí)路車輛荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)不利。分別采用地層結(jié)構(gòu)法、荷載結(jié)構(gòu)法對(duì)隧道襯砌進(jìn)行計(jì)算，得出隧道襯砌的應(yīng)力、安全系數(shù)，結(jié)果表明隧道襯砌應(yīng)力在安全范圍之內(nèi)，襯砌安全系數(shù)也比規(guī)范值大，說明隧道襯砌結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，對(duì)類似工程有一定的借鑒意義。

；上跨；隧道；襯砌；穩(wěn)定性

1　工程概況

某二級(jí)公路設(shè)計(jì)速度為30 km/h，路基寬度為7.5 m。二級(jí)公路K8+900～K8+945段上跨某高速公路白山隧道，白山隧道于2010年通車。白山隧道按雙向四車道高速公路連拱隧道設(shè)計(jì)，隧道建筑限界按設(shè)計(jì)速度80 km/h確定。上跨段隧道埋深3.6 m，圍巖以強(qiáng)風(fēng)化白云巖為主，見地質(zhì)縱斷面圖1、圖2。隧道頂部公路荷載為公路-Ⅱ級(jí)車道荷載，由于該段隧道埋深較淺且圍巖較差，隧道頂部車輛荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)不利。本文分別采用地層結(jié)構(gòu)法、荷載結(jié)構(gòu)法對(duì)隧道襯砌進(jìn)行計(jì)算，得出隧道襯砌的應(yīng)力、安全系數(shù)，并與規(guī)范值進(jìn)行對(duì)比，以此評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖1　地質(zhì)縱斷面

圖2　現(xiàn)場照片

2　既有隧道襯砌設(shè)計(jì)

隧道建筑限界見圖3，該段圍巖為Ⅴ級(jí)，采用了S5a襯砌，見圖4所示。

隧道襯砌要承受圍巖及上方公路車輛荷載，這對(duì)隧道結(jié)構(gòu)不利，甚至?xí)绊懜咚俟返恼＿\(yùn)營，因此有必要對(duì)隧道襯砌進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

圖3　建筑限界(單位；cm)

圖4　S5a襯砌(尺寸單位；cm)

3　隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

3.1隧道襯砌應(yīng)力分析

采用地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算，并考慮結(jié)構(gòu)自重，根據(jù)隧道規(guī)范，在Ⅳ級(jí)圍巖中荷載釋放系數(shù)可以考慮為：圍巖及初期支護(hù)承擔(dān)45%，二次襯砌承擔(dān)55%。隧道埋深按3.7 m考慮，車輛荷載按公路-Ⅱ級(jí)車道荷載考慮，均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值q=7.9 kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值P=220 kN。

3.1.1計(jì)算模型及參數(shù)

采用midas數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)隧道進(jìn)行計(jì)算，圍巖為強(qiáng)風(fēng)化白云巖。計(jì)算中二次襯砌、初期支護(hù)采用實(shí)體單元模擬，本構(gòu)關(guān)系為彈性；圍巖采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫倫。

圍巖參數(shù)按隧道地質(zhì)資料進(jìn)行取值，襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)采用等效原則換算，具體材料參數(shù)見表1所示。

表1 材料參數(shù)表材料單元類型模型類型彈性模量E/MPa泊松比v容重γ/(kN·m-3)容重(飽和)/(kN·m-3)粘聚力c/MPa摩擦角?/(°)二次襯砌實(shí)體單元彈性320000.226———強(qiáng)風(fēng)化白云巖實(shí)體單元摩爾庫倫50000.3522230.340初期支護(hù)實(shí)體單元彈性230000.224———中隔墻實(shí)體單元彈性310000.225———

計(jì)算模型：埋深為3.7 m：計(jì)算模型寬65 m，高29 m，見圖5所示，邊界條件為左右固定、底部固定。

3.1.2計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

通過計(jì)算得出隧道襯砌的初期支護(hù)及二次襯砌、中隔墻的豎向應(yīng)力值，見圖6～圖8所示。

從圖6中可以看出，初期支護(hù)最大應(yīng)力發(fā)生在拱墻正側(cè)部，為壓應(yīng)力，最大值為0.93 MPa，初期支護(hù)為C20噴射混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)隧道規(guī)范，C20噴射混凝土彎曲受壓及偏心受壓容許應(yīng)力為7.8 MPa；從圖7、圖8中可以看出，二次襯砌最大壓應(yīng)力發(fā)生在拱腳內(nèi)側(cè)，為2.3 MPa，中隔墻最大壓應(yīng)力發(fā)生在墻體中部，為0.998 MPa，二次襯砌及中隔墻均為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)規(guī)范，C25混凝土彎曲受壓及偏心受壓容許應(yīng)力為9.6MPa。襯砌最大應(yīng)力值見表2所示。

圖5　計(jì)算模型

圖6　初期支護(hù)豎向應(yīng)力

圖7　二次襯砌豎向應(yīng)力

圖8　中隔墻豎向應(yīng)力

表2 襯砌豎向應(yīng)力隧道埋深/m材料最大應(yīng)力/MPa發(fā)生的位置容許應(yīng)力/MPa3.7初期支護(hù)(C20噴射混凝土)0.93拱墻正側(cè)部7.8二次襯砌(C25混凝土)2.3拱腳內(nèi)側(cè)9.6中隔墻(C25混凝土)0.998墻體中部9.6

從表2中可以看出，隧道襯砌最大應(yīng)力值均比容許應(yīng)力要小，因此隧道襯砌結(jié)構(gòu)是安全的。

3.2二次襯砌安全系數(shù)

采用荷載結(jié)構(gòu)法對(duì)隧道二次襯砌進(jìn)行計(jì)算，得出襯砌彎矩、軸力，根據(jù)隧道規(guī)范公式求出襯砌結(jié)構(gòu)每個(gè)單元的安全系數(shù)，并與規(guī)范值進(jìn)行對(duì)比，以此評(píng)價(jià)襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，見以下公式：

式中：K為計(jì)算所得安全系數(shù)；K規(guī)為規(guī)范值安全系數(shù)，達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度的安全系數(shù)為2.4；φ為構(gòu)件縱向系數(shù)，隧道襯砌取1；Ra為混凝土極限抗壓強(qiáng)度，取19 MPa；α為軸力的偏心影響系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)公式α=1-1.5 e/h確定；b為截面寬度，取1 m；h為截面厚度，由于二次襯砌的厚度為50 cm，因此，h取0.5 m。

3.2.1計(jì)算參數(shù)

汽車荷載等級(jí)：公路-Ⅱ級(jí)；覆土情況：覆土高度根據(jù)實(shí)際計(jì)算斷面確定；覆土飽和重度γ0：22 kN/m3；土壓力計(jì)算參數(shù)：豎向壓力p0=γH；側(cè)壓力：e=p0δ；側(cè)壓力系數(shù)：δ=tan2(45°-Φ/2)=0.217 2；土的加權(quán)平均內(nèi)摩擦角：Φ=40°；基底反力系數(shù)：結(jié)構(gòu)底板位于白云巖中，取平均值20 MPa。

荷載組合：對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載，按承載能力和滿足正常使用要求的檢驗(yàn)分別進(jìn)行組合，并按最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。按承載能力要求驗(yàn)算時(shí)采用荷載基本組合，恒載組合系數(shù)為1.35，基本可變荷載組合系數(shù)為1.4。隧道埋深按3.7 m考慮，車輛荷載按公路-Ⅱ級(jí)車道荷載考慮，均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值q=7.9 kN/m，集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值P=220 kN。

3.2.2計(jì)算模型

計(jì)算模型及邊界條件見圖9所示。

圖9　計(jì)算模型及邊界條件

通過計(jì)算可以得出各單元的彎矩及軸力圖，見圖10、圖11所示。

圖10　單元彎矩

通過計(jì)算可以得出襯砌結(jié)構(gòu)單元的安全系數(shù)，為了節(jié)約篇幅只列出拱腳關(guān)鍵單元安全系數(shù)，見表3所示。

圖11　單元軸力

從表3中可以看出，拱腳關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的安全系數(shù)均大于2.4，其它單元的安全系數(shù)也均大于2.4，表明襯砌結(jié)構(gòu)在安全范圍之內(nèi)。

表3 拱腳關(guān)鍵單元安全系數(shù)單元編號(hào)彎矩/(kN·m)軸力/kNe0.2h/mN極限/kN安全系數(shù)14041-145.3-3800.3821-1397.53.6714042-143.8-386.10.3721-1114.612.8814063-145.3-365.90.3971-1817.444.96

4　結(jié)論及建議

采用地層結(jié)構(gòu)法對(duì)隧道襯砌應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，襯砌最大應(yīng)力值均小于規(guī)范容許應(yīng)力值；對(duì)二次襯砌單元進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算，安全系數(shù)均大于2.4，滿足規(guī)范要求。襯砌應(yīng)力、安全系數(shù)的結(jié)果均表明隧道襯砌是安全的。在隧道上方二級(jí)公路施工過程中，建議如下；①在道路兩頭布置交通標(biāo)志，限速通行；②確保道路左側(cè)防撞護(hù)欄的穩(wěn)定，防止車子側(cè)翻，保證高速公路正常行車安全；③加強(qiáng)路基邊溝排水；④定期對(duì)白山隧道進(jìn)行健康監(jiān)控。

[1]仇文革.地下工程近接施工力學(xué)原理與對(duì)策研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2003.

[2]張玉軍，劉誼平.上下行隧道立交處圍巖穩(wěn)定性的有限元計(jì)算[J].巖土力學(xué)，2002，23(7)：511-515.

2016-03-24

譚世君(1983-)，男，工程師，主要從事公路施工與設(shè)計(jì)方面的工作。

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