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        連拱隧道中隔墻優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

        2018-01-23 08:14:26
        湖南交通科技 2017年4期
        關(guān)鍵詞:連拱墻頂隔墻

        (湖南省懷芷高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南 懷化 418000)

        0 引言

        連拱隧道與單洞隧道的最大區(qū)別是中隔墻,在連拱隧道中中隔墻部位最為關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)許多連拱隧道在后期運(yùn)營(yíng)過程中,中隔墻頂部出現(xiàn)開裂、滲水現(xiàn)象,這對(duì)隧道結(jié)構(gòu)不利,給行車安全帶來隱患。劉庭金等[1]對(duì)云南省連拱隧道襯砌開裂及滲漏水進(jìn)行了調(diào)查分析,結(jié)果顯示襯砌開裂滲水往往是施工、設(shè)計(jì)、地質(zhì)等綜合因素導(dǎo)致的;夏才初等[2]對(duì)相思嶺連拱隧道中隔墻應(yīng)力進(jìn)行了研究,研究表明中隔墻頂部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,給中隔墻開裂造成隱患;申玉生[3]對(duì)軟弱圍巖雙連拱隧道設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,表明中隔墻與初期支護(hù)連接部分是施工關(guān)鍵所在。國(guó)內(nèi)對(duì)連拱隧道研究得較多,但連拱隧道中隔墻部分的設(shè)計(jì)、施工不夠完善。本文依據(jù)具體的工程實(shí)例,結(jié)合施工的便捷性,對(duì)連拱隧道中隔墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過數(shù)值計(jì)算,論述了設(shè)計(jì)的合理性。

        1 連拱隧道中隔墻優(yōu)化設(shè)計(jì)

        懷芷高速公路毛里坡連拱隧道主洞初期支護(hù)外輪廓半徑為6.69 m,中隔墻頂部圍巖采用Ф42小導(dǎo)管進(jìn)行注漿,見圖1,中隔墻高6 m,中隔墻頂部為R=3.2 m的圓弧,寬2.18 m,見圖2,初期支護(hù)工字鋼與中隔墻通過高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接,見圖3。

        圖1 原設(shè)計(jì)襯砌

        圖2 中隔墻(單位: cm)

        圖3 高強(qiáng)螺栓連接

        上述連拱中隔墻部分的設(shè)計(jì)存在著一些不足之處,與中隔墻頂部連接段,初期支護(hù)半徑偏小,這容易導(dǎo)致初期支護(hù)及中隔墻頂部應(yīng)力集中,且主線左右兩側(cè)的初期支護(hù)沒形成一整體,對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利;中隔墻頂部為圓曲面,這不利于與初期支護(hù)的工字鋼進(jìn)行連接;高強(qiáng)膨脹螺栓一般是通過風(fēng)鎬在中隔墻頂部進(jìn)行鉆孔,然后埋設(shè),而中隔墻頂部周圍施工空間狹小,這無(wú)疑增加了高強(qiáng)螺栓施工的難度,高強(qiáng)螺栓鉆孔會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生損傷及打入高強(qiáng)螺栓會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力,這是中隔墻開裂的重要原因之一;另外中隔墻底部沒有進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

        針對(duì)上述問題,本文對(duì)連拱隧道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),與中隔墻頂部連接段,擴(kuò)大初期支護(hù)半徑,見圖4,范圍為45°,半徑增大至8.76 m,且主洞左右兩側(cè)初期支護(hù)之間設(shè)置Ф25水平拉桿,拉桿與工字鋼進(jìn)行焊接;中隔墻頂部?jī)蓚?cè)采用直面,見圖5,能與初期支護(hù)工字鋼充分連接;初期支護(hù)工字鋼與中隔墻頂部采用鋼板進(jìn)行焊接,見圖6,中隔墻澆筑混凝土之前,墻頂通長(zhǎng)埋設(shè)鋼板B,并預(yù)埋Ф22鋼筋(縱向間距30 cm),初期支護(hù)工字鋼通過鋼板A與中隔墻頂部鋼板B進(jìn)行焊接(滿焊),這大大增加了施工的便捷性,同時(shí)也避免了高強(qiáng)螺栓的施工對(duì)混凝土產(chǎn)生的損傷;中隔墻底部設(shè)置Ф22錨桿,使中隔墻與地基形成一整體。

        圖4 優(yōu)化后襯砌設(shè)計(jì)

        圖5 優(yōu)化后中隔墻(單位: cm)

        圖6 鋼板焊接(單位: mm)

        2 數(shù)值計(jì)算

        上文對(duì)連拱隧道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),下文通過數(shù)值計(jì)算,從第1主應(yīng)力、位移等兩個(gè)方面,對(duì)原設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算軟件為Midas gts-NX。

        采用地層結(jié)構(gòu)法,圍巖設(shè)定為強(qiáng)風(fēng)化砂巖,初期支護(hù)、中隔墻、強(qiáng)風(fēng)化巖均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,錨桿采用植入式桁架進(jìn)行模擬,二次襯砌采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,初期支護(hù)及圍巖承擔(dān)35%的圍巖壓力,二次襯砌承擔(dān)65%的圍巖壓力。材料參數(shù)見表1,計(jì)算模型見圖7。

        2.1 初期支護(hù)應(yīng)力分析

        主要分析中隔墻頂部初期支護(hù)的第1主應(yīng)力,見圖8、圖9。

        從圖8、圖9中可以看出,原設(shè)計(jì)中隔墻頂部初期支護(hù)最大應(yīng)力值為4.01 MPa,優(yōu)化設(shè)計(jì)中隔墻頂部初期支護(hù)最大應(yīng)力值為2.3 MPa,初期支護(hù)擴(kuò)大拱腳之后最大壓應(yīng)力有所減小,避免了應(yīng)力集中。

        表1 材料參數(shù)表材料單元類型模型類型彈性模量E/(106kN·m-2)初期支護(hù)實(shí)體單元彈性31錨桿植入式桁架單元彈性100中隔墻實(shí)體單元彈性31二次襯砌梁?jiǎn)卧枎?kù)倫31強(qiáng)風(fēng)化砂巖實(shí)體單元摩爾庫(kù)倫1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?/(°)0.2250.2580.2260.2260.352.1210.130

        圖7 計(jì)算模型

        圖8 原設(shè)計(jì)初期支護(hù)第1主應(yīng)力

        圖9 優(yōu)化設(shè)計(jì)初期支護(hù)第1主應(yīng)力

        2.2 中隔墻應(yīng)力分析

        主要分析中隔墻頂部的第1主應(yīng)力,見圖10、圖11。從中可以看出,原設(shè)計(jì)中隔墻頂部最大應(yīng)力為3.43 MPa,優(yōu)化設(shè)計(jì)中隔墻頂部最大應(yīng)力為1.74 MPa,墻頂最大應(yīng)力值均發(fā)生在與初期支護(hù)連接的部位,優(yōu)化設(shè)計(jì)后的應(yīng)力有所減小。

        圖10 原設(shè)計(jì)中墻第1主應(yīng)力

        圖11 優(yōu)化設(shè)計(jì)中隔墻第1主應(yīng)力

        2.3 中隔墻位移分析

        主要分析墻頂豎向位移,見圖12、圖13。

        圖12 原設(shè)計(jì)中墻應(yīng)力

        圖13 優(yōu)化設(shè)計(jì)中隔墻應(yīng)力

        從圖中可以得知,原設(shè)計(jì)墻頂最大豎向位移為2.68 mm,發(fā)生在頂部?jī)蓚?cè),優(yōu)化設(shè)計(jì)墻頂豎向位移均衡布置,最大值為1.52 mm,有所減小。

        3 結(jié)論

        針對(duì)目前連拱隧道中隔墻部分設(shè)計(jì)的不足,本文對(duì)連拱隧道中隔墻部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),主要有以下結(jié)論:

        1) 與中隔墻頂部連接段,擴(kuò)大初期支護(hù)半徑,范圍為45°,主洞左右兩側(cè)初期支護(hù)之間設(shè)置Ф25水平拉桿,拉桿與工字鋼進(jìn)行焊接;中隔墻頂部?jī)蓚?cè)采用直面;墻頂通長(zhǎng)埋設(shè)鋼板,初期支護(hù)工字鋼與中隔墻頂部采用鋼板進(jìn)行焊接,中隔墻底部設(shè)置Ф22錨桿。

        2) 通過數(shù)值計(jì)算可以得出:與原設(shè)計(jì)進(jìn)行比較,中隔墻頂部初期支護(hù)最大應(yīng)力值、中隔墻頂部最大應(yīng)力值、中隔墻頂部豎向位移等均有所減小,表明優(yōu)化設(shè)計(jì)更合理。

        [1] 劉庭金,朱合華,夏才初,等.云南省連拱隧道襯砌開裂和滲漏水調(diào)查結(jié)構(gòu)及分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2004 ,17(2) :64-67.

        [2] 夏才初,劉金磊.相思嶺連拱隧道中墻應(yīng)力研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000 ,19 (S):1115-1119.

        [3] 申玉生.軟弱圍巖雙連拱隧道設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2005.

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