史天龍
(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津300142)
鐵路隧道襯砌的投資占隧道全部投資的比例較高,目前,大部分高速鐵路隧道設(shè)計均參考TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》及經(jīng)規(guī)標(biāo)準(zhǔn)函等規(guī)定確定隧道襯砌結(jié)構(gòu),但對于大跨度襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計往往借鑒既有工程實(shí)例確定襯砌結(jié)構(gòu),在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求下,大多情況下設(shè)計是比較保守的,因此,研究大跨度隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性對降低整個工程投資造價十分必要。
張家山隧道位于重慶市南岸區(qū),設(shè)計時速為350 km/h,受站場布置影響,該隧道最大斷面處開挖寬度為27.64 m,高度為19.516 m,矢跨比為0.11。輪廓線設(shè)計采用六心圓確定,半徑自上而下分別為:12.88 m、6.65 m、6.65 m、2.7 m、2.7 m、26.01 m,開挖面積約為427.88 mm2。該大跨段隧道穿越的地層主要為砂巖夾泥巖地層,根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料顯示,圍巖計算物理學(xué)參數(shù)如表1所示。
表1 Ⅴ級圍巖物理力學(xué)參數(shù)
本工程位于重慶東站附近,受站場布置影響,隧道斷面需加大,結(jié)合周邊既有工程實(shí)例分析確定本隧道大跨度襯砌結(jié)構(gòu),二襯混凝土標(biāo)號為C35,主筋采用HRB400鋼筋,具體襯砌支護(hù)參數(shù)如表2所示。
表2 大跨隧道襯砌支護(hù)參數(shù)表
本大跨度襯砌結(jié)構(gòu)覆土較淺,為淺埋隧道襯砌,根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》附錄E淺埋隧道荷載計算方法規(guī)定(見表3)。
表3 大跨度隧道襯砌淺埋荷載
圖1 計算模型示意圖
按荷載-結(jié)構(gòu)模型,采用SAP84結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件。根據(jù)地下結(jié)構(gòu)的埋深,將結(jié)構(gòu)覆土換算成上覆土荷載和側(cè)土壓力,施加在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算;采用徑向彈簧模擬地層對結(jié)構(gòu)的水平位移和垂直位移的約束作用[1]。采用承載能力極限狀態(tài)法檢算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1,分項系數(shù)為1.35。裂縫寬度不大于0.2 mm。如圖1所示。
Ⅴ級圍巖淺埋段大跨度襯砌結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵位置處內(nèi)力與彎矩值如表4所示。
表4 二襯關(guān)鍵點(diǎn)受力分析
從表4計算結(jié)果可以看出,各級圍巖e0/h0均小于0.55,根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》7.1.2條注3說明,可不驗(yàn)算裂縫寬度。大跨度襯砌結(jié)構(gòu)采用容許應(yīng)力法配筋計算可滿足要求,但采用極限狀態(tài)法計算時,拱腳處的設(shè)計配筋面積設(shè)計配筋面積<計算配筋面積,不滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求,設(shè)計襯砌斷面拱墻及仰拱厚度已經(jīng)分別達(dá)到1 m和1.1 m,再增大襯砌厚度對提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的效果并不明顯,且不經(jīng)濟(jì)。為滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求,可采用以下2個方法:增大襯砌配筋面積;提高襯砌混凝土強(qiáng)度[2,3]。下面分別通過這2種方法分析提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)性。
從計算結(jié)果可以明顯看出,設(shè)計配筋量小于計算配筋量導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足要求,因此,增大結(jié)構(gòu)配筋面積顯然可以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。計算結(jié)果采用的是雙排15根φ28 mm的鋼筋,為滿足要求,現(xiàn)采用單排15根φ32 mm+單排15根φ28 mm鋼筋,計算結(jié)果如表5所示。
表5 加強(qiáng)配筋后二襯關(guān)鍵點(diǎn)受力分析
從表5可以得出,當(dāng)配筋面積從18 463 m2(雙排15根φ28 mm)增加至21 289 m2(單排15根φ32 mm+單排15根φ28 mm)時,設(shè)計配筋面積>計算配筋面積,襯砌結(jié)構(gòu)滿足度要求。
一般情況下,高速鐵路隧道襯砌選用C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),本計算模型也是參考其他高速鐵路項目選用C35鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu),但由于本項目為大跨度結(jié)構(gòu),且常規(guī)設(shè)計不滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,因此,本文嘗試通過提高混凝土強(qiáng)度來分析,看此方法能否對大跨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提高有無明顯效果[4,5]?,F(xiàn)采用C40鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)計算大跨結(jié)構(gòu)受力情況,計算結(jié)果如表6所示。
表6 加強(qiáng)混凝土強(qiáng)度后二襯關(guān)鍵點(diǎn)受力分析
從表6可以得出,在配筋面積不變的情況下,僅提高大跨襯砌結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就可滿足要求。
本文結(jié)合工程實(shí)例對大跨度襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論:
1)在Ⅴ級圍巖淺埋段條件下,大跨度襯砌結(jié)構(gòu)為小偏心受力構(gòu)件,若提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,通過提高結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的效果優(yōu)于通過增加結(jié)構(gòu)配筋面積來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的效果,通過提高混凝土強(qiáng)度可減少約0.74%的鋼筋配筋率,即提高混凝土標(biāo)號更加經(jīng)濟(jì)合理。
2)通過本文對高速鐵路大跨度襯砌結(jié)構(gòu)受力分析計算可以得出,大跨度襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提高不可只針對結(jié)構(gòu)厚度和配筋面積的增加而獲得,當(dāng)結(jié)構(gòu)厚度和配筋面積達(dá)到一定程度時,再增加厚度和配筋面積,對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提高效果既不明顯也不經(jīng)濟(jì),可通過改善周邊圍巖情況以改善大跨度結(jié)構(gòu)受力情況來提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,亦可通過提高結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度來提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,這樣,既效果明顯也經(jīng)濟(jì)合理。