劉曉盼 臺(tái)航迪 康迎賓

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院,河南 鄭州 450000; 2.黃河水利勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司工程設(shè)計(jì)院,河南 鄭州 450003)

0 引言

長(zhǎng)輸水隧洞，為滿足施工要求，常在隧洞中部適當(dāng)位置增設(shè)施工支洞(平洞或斜洞)，增加施工作業(yè)面，加快施工進(jìn)度。當(dāng)前，新奧法是我國(guó)隧洞設(shè)計(jì)與施工的主要方法，其支護(hù)形式多采用復(fù)合式襯砌。目前，對(duì)二次襯砌的設(shè)計(jì)，暫時(shí)還沒(méi)有一個(gè)完整而又統(tǒng)一的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。究其原因，是對(duì)二次襯砌基本功能和作用機(jī)理的看法不同。由于認(rèn)識(shí)的不統(tǒng)一性，對(duì)復(fù)合式襯砌中初期支護(hù)與二次襯砌的荷載分配比例關(guān)系缺乏深入的研究[1]。

基于此，對(duì)于斜洞承受的荷載情況，依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，研究其襯砌在超淺埋、淺埋及深埋條件下的荷載變化規(guī)律。根據(jù)新奧法理論，對(duì)斜洞支護(hù)的二襯分別進(jìn)行了荷載不折減及荷載折減的有限元分析，研究二次襯砌設(shè)計(jì)的合理性。

1 工程概況

某工程長(zhǎng)距離輸水隧洞，(6+150～9+850)段為長(zhǎng)3.7 km土洞。2號(hào)施工斜洞位于隧洞的6+600東北側(cè)，洞底前25 m坡度為1∶11.224，在斜洞和主洞交叉位置DES2# 0+295.00樁號(hào)后采用平坡，其他段(DES2# 0+025.00～DES2# 0+295.00)洞底坡度為1∶10.62。其巖性為第四系上更新統(tǒng)琚灣組硬塑狀的粉質(zhì)粘土，斜洞段埋深約為3.0 m～30.0 m，為Ⅴ類(lèi)圍巖。采用馬蹄形斷面，斷面凈尺寸為6 m×6 m(寬×高)。一期支護(hù)為Ⅰ18 型鋼拱架(間距50 cm)+25 cm噴混凝土C25+φ25系統(tǒng)錨桿(L=3 m，間排距1 m)+掛鋼筋網(wǎng)(φ10@20×20)，二襯布置襯砌30 cm(底板45 cm)厚鋼筋混凝土。

2 荷載分布規(guī)律

2.1 斜洞土壓力的計(jì)算

根據(jù)TB 10003—2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定：

1)淺埋隧道襯砌荷載計(jì)算方法：

(1)

其中，B為坑道寬度，m;γ為圍巖重度，kN/m3；h為洞頂?shù)孛娓叨?，m;θ為頂板土柱兩側(cè)摩擦角，(°)，為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值;λ為側(cè)壓力系數(shù);φc為圍巖計(jì)算摩擦角，(°)；β為產(chǎn)生最大推力時(shí)的破裂角，(°)。

2)深埋隧道襯砌荷載計(jì)算方法：

q=γh

h=0.45×2S-1ω

(2)

其中，ω為寬度影響系數(shù)，ω=1+i(B-5)；B為隧洞寬度，m；i為B每增減1 m時(shí)的圍巖壓力增減率，當(dāng)B<5 m時(shí)，取i=0.2;當(dāng)B>5 m時(shí)，取i=0.1。

2.2 深、淺埋隧道分界深度

根據(jù)TB 10003—2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)規(guī)定：以2.5倍h(深埋隧道垂直荷載計(jì)算高度)作為深淺埋的分界，圍巖計(jì)算壓力高度由式(2)得：

h=0.45×2S-1ω=0.45×25-1×1.21=8.71 m。

其中，ω為寬度影響系數(shù)，ω=1+i(B-5)=1+0.1(7.1-5)=1.21；S為圍巖級(jí)別，為Ⅴ級(jí)圍巖。

斜洞深淺埋分界深度，即：

H分界=2.5h=21.78 m。

其中，H為深淺、埋斜洞分界深度，m；h為圍巖計(jì)算壓力高度。

據(jù)此，h=8.71 m，H分界=2.5h=21.78 m，即當(dāng)埋深小于8.71 m為超淺埋，當(dāng)埋深大于21.78 m為深埋，介于兩者之間定義為淺埋。

斜洞段埋深約為3.0 m～30.0 m，由于淺埋隧洞計(jì)算荷載較大，所以襯砌荷載按淺埋隧洞計(jì)算。

按式(1)計(jì)算，在計(jì)算中圍巖壓力由土柱重度代替，分別對(duì)覆土層厚度為h=1,5,9,13,17,20,21,22,22.001,26,30進(jìn)行計(jì)算，得到斜洞超淺埋、淺埋段圍巖壓力隨著埋深的增大呈拋物線形式增長(zhǎng)，而深埋段圍巖壓力值與埋深無(wú)關(guān)。

把以上分析結(jié)果進(jìn)行歸納整理，從結(jié)構(gòu)偏于安全考慮，最終斜洞的頂部垂直壓力取值確定以下原則：

1)由規(guī)范規(guī)定的等效荷載高度可知，覆土層厚度大于22 m時(shí)，則斜洞結(jié)構(gòu)頂部垂直壓力按8.71 m土柱荷載計(jì)算[2]；

2)當(dāng)覆土層厚度不大于22 m時(shí)，則斜洞結(jié)構(gòu)頂部的垂直壓力按實(shí)際覆土厚度計(jì)算。

由上面分析可知，在洞頂?shù)孛娓叨葹?2 m時(shí)，土壓力達(dá)到最大，因此，選取該斷面進(jìn)行分析。

3 二次襯砌內(nèi)力分析

隧洞襯砌采用斷面形式有多種，目前為止，大多以三心圓拱形式為主。荷載—結(jié)構(gòu)模式計(jì)算的內(nèi)力結(jié)果是其設(shè)計(jì)的依據(jù)。在實(shí)際工程中，斜洞襯砌設(shè)計(jì)要求很高，正常使用階段的襯砌一般處于彈性階段。由于襯砌主要受到壓彎的作用，因此用彈性梁對(duì)其進(jìn)行模擬。本工程以靜力等效原則為準(zhǔn)則,壓力由相應(yīng)節(jié)點(diǎn)荷載替代。

1)模型的建立。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，斜洞彈性模量取20 GPa，泊松比取0.2，圍巖彈性反力系數(shù)取16 MPa/m。將全部襯砌劃分為170個(gè)單元，并施加120個(gè)彈簧單元,采用梁?jiǎn)卧?Beam3)模擬襯砌結(jié)構(gòu)，其中仰拱處襯砌厚度為0.45 m，其他處襯砌厚度取為0.3 m；襯砌與圍巖間的相互作用采用彈簧單元(Combin14)進(jìn)行模擬，彈簧沿徑向布置在襯砌線的外側(cè)，計(jì)算中只考慮受壓彈簧，因此對(duì)受拉的彈簧進(jìn)行了彈性反力系數(shù)為0的處理。

2)加載與求解。本工程斜洞主要考慮的荷載：襯砌自身重力+土壓力+圍巖彈性抗力。

利用ANSYS程序，對(duì)四周各節(jié)點(diǎn)施加X(jué)，Y方向的約束，并施加重力加速度，土壓力由上面計(jì)算已得。

3.1 二次襯砌承受全部荷載的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

二次襯砌承擔(dān)全部荷載的變形及內(nèi)力結(jié)果如下。

由圖1～圖3可以看出，斜洞二次襯砌結(jié)構(gòu)受力特征為：彎矩最大的地方為仰拱跨中，拱腰、拱頂和仰拱跨中彎矩依次增大；軸力在仰拱上呈現(xiàn)出近似均勻受壓分布的規(guī)律，最大軸力在仰拱與拱腳交界處，拱頂、拱腰依次增加；剪力仰拱與拱腳交界的地方為其最大值分布所在，且拱腳處的剪力比拱腰處要大，仰拱跨中和拱頂處的剪力顯示為0，這是由荷載和結(jié)構(gòu)都為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)引起的。

對(duì)于壓彎構(gòu)件來(lái)分析，拱腳部位屬于剛域區(qū)域，計(jì)算中不予考慮，拱頂、仰拱和拱腳相交處以及仰拱處彎矩分別為253 kN·m,273 kN·m,904 kN·m，軸力分別為599 kN,1 028 kN,585 kN，剪力分別為0 kN,215 kN,0 kN。由以上計(jì)算結(jié)果可得：仰拱和拱腳相交處、拱頂及仰拱配筋率分別為2 868 mm2，3 020 mm2，3 980 mm2，按照偏心受壓構(gòu)件配筋，間距為200 mm對(duì)稱(chēng)配筋顯然是不能滿足要求的。

3.2 折減后內(nèi)力計(jì)算

由JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定可知，對(duì)復(fù)合式襯砌中的二次襯砌，Ⅴ類(lèi)圍巖要求作為承載結(jié)構(gòu)，其分擔(dān)圍巖壓力比例為60%～80%。本隧洞選取比例70%。

不考慮拱腳部位屬于剛域區(qū)域，二次襯砌承擔(dān)折減后的荷載與承擔(dān)全部荷載的變形及力學(xué)行為特征是相同的，只是數(shù)值上發(fā)生了很大的變化。拱頂、仰拱和拱腳相交處以及仰拱處彎矩分別為184 kN·m,194 kN·m,656 kN·m，軸力分別為421 kN,738 kN,415 kN，剪力分別為0 kN，150 kN,0 kN，配筋率分別為2 163 mm2,1 846 mm2,2 885 mm2。按照偏心受壓構(gòu)件配筋，墻角和拱頂配置5Φ25鋼筋，仰拱襯砌采用1 000 mm能夠滿足截面配筋要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工程和有關(guān)文獻(xiàn)研究，對(duì)斜洞襯砌超淺埋、淺埋、深埋條件下的荷載規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)二次襯砌荷載不折減與荷載折減后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析，主要結(jié)論如下：

1)斜洞超淺埋、淺埋段圍巖壓力隨著埋深的增大呈拋物線增長(zhǎng)，而深埋段圍巖壓力值不隨埋深的變化而變化的，即圍巖壓力值與埋深無(wú)關(guān)。

2)依據(jù)本文的研究成果，斜洞的二次襯砌結(jié)構(gòu)受力危險(xiǎn)部位拱頂、仰拱與拱腳相交處以及仰拱處在荷載折減后滿足截面配筋要求，仰拱部位在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)加大尺寸。斜洞選用規(guī)范中折減二襯承受荷載符合工程實(shí)際。

[1] 楊昌賢.公路隧道二次襯砌承載能力與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D.成都：西南交通大學(xué),2010.

[2] 張中安,羅富榮.土質(zhì)地層淺埋地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算[J].鐵道建筑,2001(3):10-12.

[3] 王立宏,張電吉.淺埋暗挖地鐵隧道襯砌的力學(xué)行為分析[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(3):54-56,61.

[4] 李忠陶.寶塔山特長(zhǎng)公路隧道斜井設(shè)計(jì)技術(shù)[J].山西交通科技,2016(5):40-44.

[5] TB 10003—2005，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] JTG D70—2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].