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        某超高填方隧道套拱襯砌設(shè)計及力學(xué)分析

        2021-03-31 01:01:50
        四川建筑 2021年1期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)施工

        李 鴻

        (中機中聯(lián)工程有限公司,重慶 400039)

        對于超高填方隧道,襯砌結(jié)構(gòu)受地層土壓力荷載大,襯砌厚度和裂縫控制困難,當(dāng)裂縫控制不滿足要求,但是結(jié)構(gòu)安全滿足條件時,過度增加襯砌厚度和鋼筋數(shù)量將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不合理、造價急劇增加等問題[1-7]。因此,在隧道變形基本穩(wěn)定時,設(shè)計采用對隧道裂縫進(jìn)行病害處理方式處理后,再增加內(nèi)側(cè)套拱的方案[8-13],來解決襯砌厚度過厚和鋼筋數(shù)量過多的問題。本文介紹了某市鐵路樞紐環(huán)線超高填方隧道套拱設(shè)計的設(shè)計荷載種類,豎向土壓力分布模式計算,運營、施工階段隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析,結(jié)構(gòu)豎向不均勻沉降的力學(xué)分析情況。

        1 工程概況

        該隧道位于某市鐵路樞紐環(huán)線,隧道全長540 m,平面為直線,設(shè)計縱坡25 ‰,線路高程348.95~364.57 m,位于規(guī)劃機場跑道下方。隧道寬17.5 m,襯砌厚度1.6 m,為保證結(jié)構(gòu)耐久性在襯砌內(nèi)施作0.4 m套拱,如圖1所示。隧區(qū)屬丘陵地貌,原始地面高程359.38~388.20 m,相對高差約30 m,地形起伏較小;沿線多為旱地,植被不發(fā)育,附近有多條鄉(xiāng)村道路,交通便利;最終設(shè)計填方標(biāo)高為383.65~405.18 m,隧道頂部填方高度10~40 m。

        隧址區(qū)原始地形為天然溝壑,主要地層為第四系全新統(tǒng)人工棄填土、坡洪積殘積層、粉質(zhì)黏土,侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖夾砂巖。為單斜構(gòu)造,無不良地質(zhì),特殊巖土為人工棄土、填土,埋深僅為5~18 m,且地表分布厚層棄填塊石土、粉質(zhì)黏土、人工筑填土等。隧區(qū)地表水不發(fā)育且無侵蝕性,隧道施工時地下水以滴水、浸出為主,環(huán)境等級為T2。

        圖1 套拱襯砌斷面構(gòu)造(單位:cm)

        2 隧道設(shè)計荷載

        2.1 荷載種類

        2.1.1 豎向靜載

        本隧道結(jié)構(gòu)荷載的最重要來源為填方荷載,可分解為豎向荷載和橫向荷載兩個方面。由于填方體的土拱效應(yīng)并不明確,以相對保守的泰沙基松散體理論為基礎(chǔ)考慮初始荷載。

        2.1.2 施工期臨時荷載

        在隧道結(jié)構(gòu)上部填方時,考慮壓路機及強夯機等臨時荷載作用于隧道結(jié)構(gòu)上方土體。對于碾壓工況,驗算采用運輸車限重為250 kN,考慮1.2動載系數(shù)修正為300 kN,以某市面常見滿載質(zhì)量為25 t自卸車為例,其荷載分布形式見圖2。設(shè)計選用的壓路機自重約為80 kN,遠(yuǎn)小于運輸車輛的滿載重量,無須單獨進(jìn)行驗證。同時要求每10 m×10 m的區(qū)域中工作車輛不得超過1臺,避免兩部車輛荷載的情形。

        圖2 拱頂填方運輸車輛荷載分布模型(單位:cm)

        2.1.3 運營期附加荷載

        隧道縱軸線距離第四跑道線路中線約120 m,無需考慮飛機荷載作用于結(jié)構(gòu)范圍,但考慮到隧道洞頂填方后期建有機場場坪等運營相關(guān)的小型建構(gòu)筑(如導(dǎo)航燈帶、導(dǎo)航天線),以及地勤工作車輛通行,上部附加荷載按20 kPa取值。

        2.2 填方終態(tài)結(jié)構(gòu)豎向土壓力確定

        襯砌所受荷載分布及大小與既有地形、巖層等有關(guān),為了解地形及巖層對襯砌荷載的影響,利用MIDAS/GTS有限元軟件建立計算斷面的地層結(jié)構(gòu)模型,見圖3,計算分析襯砌拱頂處平面的豎向土壓力變化趨勢,以此趨勢來推斷襯砌豎向土壓力的分布形式和數(shù)值大小,并采用推定的荷載模式對襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載結(jié)構(gòu)模型計算,驗算襯砌結(jié)構(gòu)的截面承載能力及裂縫。

        按照施工順序,地層結(jié)構(gòu)模型計算順序為:自重應(yīng)力平衡→位移置零→明洞開挖→襯砌施作→明洞回填,圖4為明洞回填后的豎向應(yīng)力云圖。

        圖3 控制斷面豎向土壓力分布計算模型

        圖4 明洞回填后的豎向應(yīng)力云圖(單位:kPa)

        定義回填后豎向土壓力增大系數(shù)μ為σy/γh,其中,σy為回填后襯砌承受的豎向土壓力,γ為地層容重,h為計算點埋深??梢缘玫?,明洞襯砌范圍內(nèi)豎向土壓力增大系數(shù)μ分布,如圖5所示。

        圖5 襯砌豎向土壓力增大系數(shù)沿橫斷面分布

        對上圖分析可知,明洞范圍內(nèi),實際豎向荷載與γh的比值最小值為0.93,最大值為1.28。偏于安全考慮,荷載結(jié)構(gòu)模式計算如下三種分布模式:

        (1)荷載模式一:假設(shè)作用于明洞頂部的豎向土壓力為均布荷載,出于保守考慮,建模計算時的豎向土壓力取1.3倍γh值,如圖6所示。

        圖6 均布豎向土壓力分布形式

        γh

        γh

        圖7 偏心豎向土壓力分布形式一

        (3)荷載模式三:假設(shè)作用于明洞頂部的豎向土壓力為偏心荷載。出于保守考慮,建模計算時左右兩端豎向土壓力分別取0.9和1.3倍值,如圖8所示。

        圖8 偏心豎向土壓力分布形式二

        3 運營階段結(jié)構(gòu)分析

        用MIDAS/GTS建立荷載結(jié)構(gòu)模型,分別施加荷載模式一~荷載模式三荷載,可計算得運營工況襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況,以荷載模式一計算情況為例進(jìn)行說明,如圖9~圖11所示為結(jié)構(gòu)軸力、彎矩、剪力分布。

        圖9 荷載模式一襯砌軸力(單位:kN)

        圖10 荷載模式一襯砌彎矩(單位:kN·m)

        圖11 荷載模式一襯砌剪力(單位:kN)

        根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》關(guān)于破損階段法及正截面在偏壓荷載作用下安全系數(shù)求解方法的相關(guān)規(guī)定,得出襯砌關(guān)鍵控制截面的內(nèi)力、安全系數(shù)及裂縫寬度如表1所示。

        表1 荷載模式一關(guān)鍵截面內(nèi)力值及驗算

        由表1計算可得,襯砌各控制截面的安全系數(shù)均大于2.4(主要荷載組合作用下,鋼筋達(dá)到計算強度或混凝土達(dá)到抗壓或抗剪極限強度時,安全系數(shù)應(yīng)大于2.0;混凝土達(dá)到抗拉極限強度,安全系數(shù)應(yīng)大于2.4),拱腰、邊墻、拱腳、仰拱彎矩與軸力比值較小,處于小偏心受壓狀態(tài),裂縫寬度均滿足要求。拱頂處的裂縫寬度為0.22 mm,不滿足規(guī)范要求,因此當(dāng)回填至設(shè)計標(biāo)高后,且裂縫發(fā)展穩(wěn)定后,對于寬度大于0.2 mm既有裂縫進(jìn)行處理,并施作套拱襯砌。

        4 施工階段結(jié)構(gòu)分析

        考慮到明洞上方回填至2 m后會采用大型機械進(jìn)行施工,需要對施工中存在的附加荷載工況進(jìn)行承載能力驗算。計算模式如圖12所示,附加荷載列于表2。

        圖12 施工工況荷載施加節(jié)點示意

        表2 施工工況節(jié)點荷載(附加荷載) kN

        回填土壓力按2.6 m考慮,認(rèn)為回填土厚度較薄,對機械設(shè)備荷載的擴散作用不明顯。利用MIDAS/GTS建立襯砌結(jié)構(gòu)模型,計算得出襯砌的內(nèi)力分別如圖13~圖15所示。

        圖13 施工工況襯砌軸力云圖(單位:kN)

        圖14 施工工況襯砌彎矩云圖(單位:kN·m)

        圖15 施工工況襯砌剪力云圖(單位:kN)

        5 不均勻沉降分析

        由于不同里程隧道上方回填土高度差異大、同一里程填土橫向坡度大、隧道底部圍巖工程地質(zhì)條件不均勻等不利因素,需要分析襯砌結(jié)構(gòu)在橫向及縱向上的不均勻沉降程度。以JDK15+442與JDK15+590兩個里程為計算對象,采用地層結(jié)構(gòu)模型分析襯砌結(jié)構(gòu)的橫向及縱向差異沉降,計算模型如圖16所示。

        圖16 不均勻沉降計算模型

        重點分析明洞襯砌結(jié)構(gòu)施作完成、隧道上方回填至設(shè)計標(biāo)高后的結(jié)構(gòu)變形情況,計算結(jié)果如圖17、圖18所示。

        從圖17、圖18可以看出,襯砌結(jié)構(gòu)在橫向上墻腳位置沉降大,仰拱處沉降小。JDK15+442里程,結(jié)構(gòu)橫向最大沉降差為5.4 mm;JDK15+590里程,結(jié)構(gòu)橫向最大沉降差為4.4 mm;在橫向上,明洞結(jié)構(gòu)整體傾斜很小。

        從圖19可以看出,襯砌結(jié)構(gòu)在JDK15+442與JDK15+590里程處的縱向差異沉降為8.1 mm,縱向長度為148 m,故襯砌結(jié)構(gòu)縱向傾斜值為1/18272,縱向不均勻沉降較小。同時計算采用的是兩個不同斷面分開計算得到的隧道沉降,沒有考慮隧道結(jié)構(gòu)的縱向效應(yīng),實際縱向沉降差異應(yīng)該更小。

        圖17 JDK15+442豎向位移云圖

        圖18 JDK15+590豎向位移云圖

        圖19 不同里程襯砌結(jié)構(gòu)基底變形曲線

        6 結(jié)束語

        (1)對于超高填方隧道,受地層土壓力荷載影響大,襯砌厚度和裂縫控制困難,本設(shè)計采用對隧道裂縫進(jìn)行病害處理后,再增加內(nèi)側(cè)套拱的方案,解決襯砌厚度過厚和鋼筋數(shù)量過多的問題。

        (2)高填方隧道襯砌豎向土壓力分布受地形、地質(zhì)等多種因素影響,襯砌結(jié)構(gòu)受的豎向土壓力按均布、梯形偏壓、雙梯形偏壓分布等效。

        (3)高填方隧道襯砌結(jié)構(gòu)除需考慮運營工況外,仍需考慮施工工況回填過程、施工器械,地層回填導(dǎo)致的縱向和橫向不均勻沉降分析。

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