隧道洞口Ⅴ級(jí)圍巖柱式洞門設(shè)計(jì)

基于某隧道洞口段處于Ⅴ級(jí)圍巖段的地質(zhì)特性，結(jié)合工程上常用的相應(yīng)圍巖段適應(yīng)洞門形式，分析這樣地質(zhì)特點(diǎn)的隧道洞口處于Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)柱式洞門適用性。假定Ⅴ級(jí)圍巖洞口地段地質(zhì)概況及仰坡坡率，并根據(jù)假定概況進(jìn)行尺寸計(jì)算，然后進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，從而確定此Ⅴ級(jí)圍巖段的洞口是否適合柱式洞門。

研究背景

工程中在進(jìn)行隧道的洞門形式選擇的時(shí)候，常用的洞門形式及適用情況一般有如下幾種。

洞口環(huán)框。適用于Ⅰ～Ⅱ級(jí)圍巖段，而且當(dāng)?shù)貏?shì)陡峻又排水的要求時(shí)，可以只修建洞口環(huán)框，起到加固洞口以及減少洞口雨后滴水作用。

端墻式。適用于Ⅱ～Ⅲ級(jí)圍巖段，地形盡可能開闊，圍巖要穩(wěn)定。洞門主要由端墻和排水溝以及它的洞門頂構(gòu)成成。其中端墻的作用主要是抵抗洞門上的山體縱向推力以及支持端墻式洞門洞口上的仰坡。

翼墻式。適用于Ⅳ級(jí)及以上圍巖段，翼墻主要起到抵抗洞口正面山體的縱向推力，增加翼墻式洞門穩(wěn)定性的作用。

柱式。適用于Ⅳ級(jí)圍巖段中仰坡有下滑的可能性，而且又受地質(zhì)以及地形條件的限制而不能設(shè)置翼墻時(shí)可優(yōu)先考慮設(shè)置柱式洞門。

削竹式。適用于洞口段有較長(zhǎng)的明洞襯砌，因?yàn)槎撮T背后較大范圍是回填土，所以山體的推滑力不大，設(shè)置削竹式比較合適。

本研究主要以《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70/2-2014）為參考，通過(guò)分析Ⅴ級(jí)圍巖段地質(zhì)條件以及工程經(jīng)驗(yàn)適用條件，研究隧道是否適合柱式洞門，并給出初步設(shè)計(jì)尺寸，驗(yàn)算穩(wěn)定性，從而最終得出結(jié)論。

隧道洞口地質(zhì)概況

進(jìn)口洞口淺埋段，埋深0.0～35m，為Ⅴ級(jí)圍巖段。圍巖主要以殘坡積層和泥巖構(gòu)成，巖體呈碎石狀松散結(jié)構(gòu)，風(fēng)化裂隙較為發(fā)育，拱部比較容易發(fā)生塌方事故，側(cè)壁自穩(wěn)性較差。

出口洞口淺埋段，埋深0.0～25m，為Ⅴ級(jí)圍巖段。圍巖構(gòu)成主要是殘坡積層，巖體整體呈碎石狀松散狀結(jié)構(gòu)，風(fēng)化裂隙比較發(fā)育，比較容易形成坍塌。

進(jìn)口段洞口坡度大致為25°～35°，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，上層地層厚度較厚，而且洞口段地下水貧乏，不用設(shè)置特殊防排水措施。所以，考慮到施工和支護(hù)方面上的便利性，進(jìn)口端左、右洞門形式可初步考慮采用柱式洞門。

出口端地表是斜坡地表，圍巖級(jí)別是Ⅴ級(jí)，洞口坡度30°～40°。上覆土層很厚，圍巖壓力也很大，考慮采用柱式洞門。

進(jìn)口和出口段就假定的地質(zhì)條件而言整體大致符合柱式洞門使用條件，關(guān)鍵在于驗(yàn)算Ⅴ級(jí)圍巖條件下的洞門穩(wěn)定性。

尺寸計(jì)算以及穩(wěn)定性驗(yàn)算

考慮到進(jìn)口端和出口端的地質(zhì)情況相仿，洞口坡度也一致，所以將隧道進(jìn)、出口的洞門進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)。將坡度設(shè)為1：0.25，墻身厚度1.3m。洞門的墩柱安排在A部分，這里是主墻受力最大部分，寬度設(shè)置為1.5m，厚度1.3m，高度和洞門相當(dāng)?；A(chǔ)的埋深初步設(shè)置成1.5m，仰坡的坡率為1∶1.25，洞門頂部到襯砌拱頂?shù)耐饩壍木嚯x設(shè)置為2.5m。H=1.5+8.09+2.5=12.09m ，計(jì)算圖式如圖1所示。

土壓力系數(shù)確定

φ=43°3，γ=18kn°mβ=33.7

σ=0.6Mpa

根據(jù)莫爾圓中半圓解、半數(shù)解法可知

土壓力系數(shù)：

式中：λ為土壓力系數(shù)，φ為內(nèi)摩擦角，β為隧道頂部地面斜坡坡腳。

然后進(jìn)行校驗(yàn)。隧道洞門計(jì)算圖示的B部分的穩(wěn)定性以及強(qiáng)度來(lái)確定主墻的尺寸，隧道洞門計(jì)算圖示的A部分這個(gè)墩柱與端墻一起作用的部分來(lái)確定墩柱尺寸。

采用的基本公式

①洞門墻的抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算：

式中：K0為傾覆穩(wěn)定系數(shù)，M0為各個(gè)水平力對(duì)墻趾的傾覆力矩，My為各個(gè)垂直力對(duì)墻趾的穩(wěn)定力矩。

②洞門墻抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算。

式中：Kc為滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)，E為墻后主動(dòng)土壓力的水平分力，N 為作用于基底上的垂直力，f 為基底摩擦系數(shù)；α為基底傾斜角。

③洞門墻基底合力偏心距計(jì)算。

式中：e 為水平基底偏心距，B為水平基底寬度，其他符號(hào)含義同式（2）、（3）。

④洞門墻基底應(yīng)力計(jì)算。

式中：σmax為基底最大壓力，σmin為基底最小壓力，其他符號(hào)含義同式（4）、（5）。

⑤洞門墻墻身截面的偏心距以及它的強(qiáng)度計(jì)算。

偏心距：

式中：M為計(jì)算的截面上各個(gè)力對(duì)截面的形心力矩之代數(shù)和，N為各個(gè)作用于計(jì)算截面上的垂直力之和。

截面應(yīng)力：

式中：A 為計(jì)算截面面積，W 為計(jì)算截面地抗矩，M、N意義同式（8）。

B部分計(jì)算為。

圖1　隧道洞門

土壓力：

自重：

①抗傾覆驗(yàn)算

計(jì)算結(jié)果表明，滿足抗傾覆的要求。

②墻身截面上的偏心驗(yàn)算

偏心距：③墻身的截面強(qiáng)度驗(yàn)算應(yīng)力：

出現(xiàn)負(fù)值，結(jié)構(gòu)將發(fā)生應(yīng)力重分布，應(yīng)力重分布之后的最大應(yīng)力值為：

滿足墻身截面的強(qiáng)度要求。

計(jì)算表明，墻身厚度為1.3m，滿足基本要求。

A部分計(jì)算結(jié)果。

由于A的部分是墩柱和端墻一起承擔(dān)荷載的地方，安排在洞門受荷最為大的地方。所以，把A在墻身原有厚度基礎(chǔ)之上再加1.3m。

土壓力：

自重：

①抗傾覆驗(yàn)算

所以滿足抗傾覆。

②抗滑移驗(yàn)算

地基摩擦系數(shù)f=0.4

滿足抗滑移

③基底合力偏心距驗(yàn)算

基底偏心距：

滿足要求

④應(yīng)力驗(yàn)算

基底兩邊緣點(diǎn)法向應(yīng)力σ1、σ2

兩者都小于［σ］=0.6Mpa，滿足要求。

⑤墻身截面的偏心驗(yàn)算以及它的強(qiáng)度驗(yàn)算

滿足偏心距要求。又由：

應(yīng)力重分布后最大值：

滿足墻身強(qiáng)度要求。綜上所述，洞門尺寸滿足要求。

建議

本文研究了處于Ⅴ級(jí)圍巖段的隧道洞口地段對(duì)于柱式洞門的適用性。結(jié)果表明：

（1）當(dāng)圍巖處于Ⅳ級(jí)以上級(jí)別時(shí)，由于圍巖條件較差，大多選取翼墻式洞門，但當(dāng)仰坡有下滑的可能性，而又受地質(zhì)條件的限制從而不能設(shè)置翼墻時(shí)可考慮采用柱式洞門；

（2）對(duì)于以上的情況進(jìn)行假定尺寸驗(yàn)算穩(wěn)定性后，結(jié)果顯示都為滿足，故確定當(dāng)隧道的進(jìn)、出口段處于Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)都可采用柱式洞門；

（3）洞門尺寸作用為驗(yàn)算洞門穩(wěn)定性進(jìn)而確定柱式洞門可用，結(jié)果顯示滿足。對(duì)于洞口處于Ⅴ級(jí)圍巖段的隧道具有一定參考性。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.024