李濟(jì)良, 鞏江峰, 劉志剛

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

淺談鐵路隧道框架式棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李濟(jì)良, 鞏江峰, 劉志剛

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

某新建鐵路隧道斜穿山體出洞，洞口危巖落石強(qiáng)烈發(fā)育，地形陡峻，且洞口下方為既有省道，為保證洞口及橋臺(tái)的施工與運(yùn)營(yíng)安全，洞口設(shè)計(jì)擬采用棚洞結(jié)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)外采用的棚洞結(jié)構(gòu)形式種類繁多，但均為結(jié)合各隧道洞口具體地形、地質(zhì)條件而設(shè)計(jì)，難以直接運(yùn)用于本隧洞口。文章為設(shè)計(jì)出適合該新建鐵路隧道洞口的棚洞結(jié)構(gòu)，結(jié)合既有工程經(jīng)驗(yàn)，利用有限元等軟件，分別從棚洞選型、尺寸擬定、結(jié)構(gòu)組成及結(jié)構(gòu)計(jì)算等方面進(jìn)行分析，研究出了滿足該隧道時(shí)速要求的由矩形框架和邊梁共同組成的框架式棚洞結(jié)構(gòu)，并最終完成了該棚洞的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出的框架式棚洞結(jié)構(gòu)在保證工程安全的同時(shí)又節(jié)約工程造價(jià)，還滿足照明及美觀的要求，最終成功用于該隧道施工圖設(shè)計(jì)。

隧道洞口； 危巖落石； 棚洞； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道洞口的安全一直是隧道設(shè)計(jì)者長(zhǎng)期關(guān)注的重點(diǎn)問題，洞口設(shè)計(jì)也成為了隧道設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)之一。當(dāng)洞口存在塌方、危巖落石等不良地質(zhì)時(shí)，設(shè)計(jì)通?？紤]采用刷坡清方、預(yù)加固土體及接長(zhǎng)拱形明洞等方案[1-2]。拱形明洞的結(jié)構(gòu)整體性較好，能承受較大的側(cè)壓力與垂直力，然而由于其邊墻基礎(chǔ)不均勻沉降容易導(dǎo)致拱圈開裂而影響結(jié)構(gòu)安全，因此其對(duì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的要求較高。在某些特殊的地質(zhì)、地形條件下，為保證線路安全，橋梁臺(tái)尾需伸進(jìn)洞內(nèi)，導(dǎo)致明洞取消仰拱，且又難以施作穩(wěn)固的拱形明洞基礎(chǔ)時(shí)，棚式明洞即棚洞結(jié)構(gòu)則成為了隧道設(shè)計(jì)者的首選。

棚洞主要由內(nèi)外墻與頂部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成，可采用現(xiàn)澆與預(yù)制拼裝相結(jié)合的方式施作[3]。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合具體的地質(zhì)、地形條件選擇棚洞形式，常見的形式有剛架式、墻式、柱式與懸臂式等。近年來，我國(guó)高速鐵路建設(shè)事業(yè)飛速發(fā)展，在一些線路難以繞避不良地質(zhì)的隧道洞口，一些新型棚洞結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，如框架式棚洞、斜交托梁式棚洞及全鋼結(jié)構(gòu)棚洞等[4-7]。本文以某條新建鐵路的隧道洞口為例，詳細(xì)闡述了框架式棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，對(duì)棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的參考作用。

1 工程概況

隧道全長(zhǎng)8 601m，雙線隧道，時(shí)速160km/h，最大埋深約1 075m。測(cè)區(qū)屬河流峽谷中高山地貌，尼日河深切，地面高程1 025～2 150m，自然坡度5°～35°不等，局部較陡。地表植被不發(fā)育，多被墾為旱地，溝槽等低洼地帶覆土較厚。測(cè)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

隧道斜穿山體出洞，洞口地形陡峻，為陡崖，受地質(zhì)構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖性為砂巖、白云巖夾頁(yè)巖，危巖落石發(fā)育。隧道出口地形如圖1所示，為保證線路運(yùn)營(yíng)安全，出口橋梁臺(tái)尾伸入隧道約11 m。

圖1 隧道出口平面地形

針對(duì)本隧道出口的具體情況，在對(duì)坡面危巖落石進(jìn)行清除、支護(hù)后設(shè)置一道被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，同時(shí)設(shè)置拱形明洞與棚洞結(jié)構(gòu)保護(hù)線路免受危巖落石侵害。根據(jù)出口的地形、地質(zhì)條件，結(jié)合橋臺(tái)位置，最后確定于出口設(shè)置16 m長(zhǎng)拱形明洞接12 m長(zhǎng)棚洞的設(shè)計(jì)方案。

本隧道出口地形橫坡十分陡峻，無棚洞內(nèi)邊墻施作基礎(chǔ)，因此考慮采用框架式棚洞結(jié)構(gòu)。

2 棚洞凈空斷面

棚洞結(jié)構(gòu)與拱形明洞結(jié)構(gòu)相接，內(nèi)輪廓應(yīng)滿足拱形結(jié)構(gòu)襯砌的凈空要求。本隧為時(shí)速160 km/h客貨共線的雙線隧道，隧道建筑限界執(zhí)行“隧限-2B”，直線段軌面以上凈空面積76.63 m2，曲線地段只考慮線間距加寬。綜合考慮矩形框架棚洞受力應(yīng)力集中等問題，確定出棚洞內(nèi)輪廓(圖2)。

圖2 棚洞結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓(單位:cm)

如圖2所示，棚洞軌面以上凈高8.25 m，凈寬11.7 m，滿足隧道設(shè)計(jì)要求。

3 棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

完整的棚洞結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成。針對(duì)本隧道洞口的具體情況，以從下而上的順序，逐步完成棚洞結(jié)構(gòu)各部件設(shè)計(jì)。

棚洞基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)樁綜合考慮預(yù)加固土體功能與棚洞結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行設(shè)計(jì)，截面尺寸采用2 m×2 m,樁長(zhǎng)18～30 m。

棚洞的矩形框架結(jié)構(gòu)主要由橫梁與立柱組成，均采用矩形斷面。截面尺寸由結(jié)構(gòu)計(jì)算確定，均為1.5 m×1.2 m。根據(jù)內(nèi)輪廓尺寸要求，橫梁長(zhǎng)度采用11.7 m，立柱長(zhǎng)度采用11.8 m。

由于洞口地形偏壓嚴(yán)重，矩形框架結(jié)構(gòu)與山體之間會(huì)形成V型槽，危巖落石仍可通過該槽形成的通道滾落至線路影響運(yùn)營(yíng)安全，因此考慮于該槽正上方設(shè)置一邊梁以阻斷落石滾落路徑。邊梁以樁為基礎(chǔ)，左側(cè)置于矩形框架結(jié)構(gòu)之上并與之成為一整體，梁的右側(cè)伸入山體基巖。

沿著線路縱向設(shè)置3榀矩形框架與邊梁結(jié)構(gòu)，每榀之間采用縱聯(lián)連接，即形成了本隧道12 m長(zhǎng)的整體棚洞結(jié)構(gòu)。再于每榀矩形框架的橫梁與邊梁上方設(shè)置縱向T梁，以使整個(gè)12 m長(zhǎng)的線路在橫向與縱向均受到棚洞結(jié)構(gòu)的保護(hù)，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

為減小危巖落石滾落至結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，于T梁上方回填礦渣?？紤]排水，于礦渣表面設(shè)置黏土隔水層。最后于第一榀結(jié)構(gòu)的矩形框架橫梁與邊梁上方設(shè)置棚洞端墻，完成棚洞結(jié)構(gòu)各部件設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的棚洞結(jié)構(gòu)橫斷面如圖3所示，縱斷面如圖4所示。

圖3 棚洞結(jié)構(gòu)橫斷面

圖4 棚洞結(jié)構(gòu)縱斷面

4 棚洞結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)模型

利用ANSYS有限元軟件，采用梁?jiǎn)卧獙?duì)本棚洞各結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。棚洞主體結(jié)構(gòu)分為矩形框架結(jié)構(gòu)與邊梁結(jié)構(gòu)，計(jì)算受力最大的縱向第2榀結(jié)構(gòu)。考慮地面線及永久邊坡線以下為固定端，因此結(jié)構(gòu)模型中包含部分樁基礎(chǔ)(圖5)。

圖5 棚洞結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

棚洞上方T梁為普通簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，受力形式簡(jiǎn)單，可直接利用基礎(chǔ)理論計(jì)算出簡(jiǎn)支梁內(nèi)力，無需利用ANSYS軟件建模計(jì)算。

4.2 荷載

棚洞結(jié)構(gòu)所受荷載分為恒載、附加荷載與特殊荷載。其中恒載包括自重、回填土重力、T梁的自重、混凝土收縮徐變等，附加荷載包括溫度變化影響引起的應(yīng)力與落石沖擊荷載，特殊荷載為地震荷載。

回填土重力：結(jié)合不同的工況分別按設(shè)計(jì)填土線和實(shí)際填土線計(jì)算。

落石沖擊力：計(jì)算按《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·隧道》，根據(jù)地形條件，危巖落石下落高度按80 m計(jì)，山坡坡角45°，落石體積不大于0.5 m3。

混凝土收縮徐變：在ANSYS計(jì)算模型中施加溫度場(chǎng)，采用在穩(wěn)態(tài)傳熱過程中降低15 ℃來考慮混凝土收縮力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

溫度變化：按溫度變化20°來考慮，即升溫20°，降溫20°，施加至ANSYS計(jì)算模型的溫度場(chǎng)中。

計(jì)算時(shí)，主要按4種工況進(jìn)行計(jì)算。

工況一：恒載+收縮力+升溫+沖擊力；

工況二：恒載+收縮力+降溫+沖擊力；

工況三：恒載+收縮力+地震力向左；

工況四：恒載+收縮力+地震力向右。

4.3 計(jì)算結(jié)果

4.3.1 邊梁

邊梁為兩跨結(jié)構(gòu)，計(jì)算分別考慮落石沖擊力作用在左跨跨中與右跨跨中兩種情況。經(jīng)過計(jì)算比較，當(dāng)落石沖擊力作用在右跨中部時(shí)，對(duì)于工況一、二、三、四，最危險(xiǎn)工況為工況一。計(jì)算當(dāng)落石沖擊力作用在左跨中部時(shí)的工況一，比較得到最危險(xiǎn)工況仍為落石沖擊力作用在右跨跨中。

4.3.2 矩形框架

由于邊梁置于矩形框架結(jié)構(gòu)之上，因此矩形框架結(jié)構(gòu)還應(yīng)考慮前述邊梁的壓力。將邊梁計(jì)算結(jié)果中的支座反力加載于矩形框架結(jié)構(gòu)模型上，經(jīng)過計(jì)算比較，最危險(xiǎn)工況為工況二，最危險(xiǎn)位置為橫梁跨中。

本隧道出口仰坡較陡，危巖落石沖擊力較大，通過上述結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果可知，落石沖擊力與溫度均為結(jié)構(gòu)內(nèi)力的主要控制因素。最后利用計(jì)算的內(nèi)力結(jié)果，對(duì)棚洞的各梁、柱分別進(jìn)行配筋，完成棚洞設(shè)計(jì)的核心工作。

5 附屬防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在隧道洞口施工期間，隧道開挖崩落的碎石及運(yùn)渣期間掉落的土石均容易順著山坡滾落至洞口下方的既有省道。為保證隧道施工期間的省道行車安全，隧道出口段采用控制爆破，并于施工影響范圍的省道上方設(shè)置落石臨時(shí)防護(hù)棚架，棚架總長(zhǎng)約125 m。同時(shí)設(shè)立專門的交通協(xié)管員，對(duì)過往車輛進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指揮。在放爆作業(yè)過程中，下方公路應(yīng)實(shí)行交通管制。

臨時(shí)防護(hù)棚架內(nèi)凈空在省道車輛限界基礎(chǔ)上進(jìn)行擬定，以使車輛能安全通過棚架。結(jié)構(gòu)采用型鋼與縱向連接鋼筋焊為一體，并于鋼架體系外側(cè)設(shè)置圓形鋼絲繩網(wǎng)。為確保防護(hù)棚架的穩(wěn)定，鋼架基底均設(shè)置條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂面高于路面0.50 m，采用C30混凝土。臨時(shí)防護(hù)棚架應(yīng)于隧道竣工后拆除，其具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6、圖7所示。

6 結(jié)束語

本文首先針對(duì)隧道洞口的危巖落石發(fā)育及橋臺(tái)進(jìn)洞特點(diǎn)確定采用框架棚洞結(jié)構(gòu)方案，再根據(jù)建筑限界擬定棚洞內(nèi)輪廓，接著根據(jù)洞口具體地形、地質(zhì)條件設(shè)計(jì)出棚洞的整體結(jié)構(gòu)，并通過有限元軟件計(jì)算分析進(jìn)行配筋，最終完成了棚洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外，為確保洞口下方既有省道在隧道施工期間的行車安全，于受影響范圍內(nèi)的省道上方設(shè)置臨時(shí)防護(hù)棚架，配合隧道洞口的框架棚洞共同發(fā)揮保障作用。本文的棚洞結(jié)構(gòu)方案成功用于該隧道洞口的施工圖設(shè)計(jì)，并通過了施工圖評(píng)審，目前現(xiàn)場(chǎng)處于在建狀態(tài)。

圖6 臨時(shí)防護(hù)棚架橫斷面(單位:cm)

圖7 臨時(shí)防護(hù)棚架縱斷面(單位:cm)

[1] 鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·隧道[M].北京:中國(guó)鐵道出版社, 1995.

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[3] GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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李濟(jì)良(1986～)，男，碩士研究生，工程師，主要從事地下工程與隧道工程設(shè)計(jì)工作。

U453.1

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[定稿日期]2016-10-13