大跨度傍山棚洞襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析

潘世強(qiáng)，李貽偉

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074)

隨著我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展，公路隧道的建設(shè)規(guī)模也日益壯大。在公路建設(shè)過程中，不可避免的會(huì)遇到沿河傍山地貌。傳統(tǒng)觀念上的公路建設(shè)主要是以開挖路塹為主，但是在沿河傍山地帶，這將不可避免的將出現(xiàn)高大切坡。路塹邊坡不僅經(jīng)常發(fā)生危巖、落石等地質(zhì)災(zāi)害，而且由于邊坡的開挖破壞了原有的自然植被和穩(wěn)定的自然地質(zhì)體。在公路工程和公路隧道建設(shè)中提倡環(huán)保概念，對子孫后代賴以生存的環(huán)境加以保護(hù)是公路建設(shè)者義不容辭的責(zé)任和義務(wù)，中國公路建設(shè)也應(yīng)順應(yīng)當(dāng)前的世界潮流，將環(huán)境保護(hù)的思想貫穿于公路建設(shè)的設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)的全過程。為此以蔣樹屏、黃倫海、胡學(xué)兵等為主的重慶交通科研設(shè)計(jì)院提出了半拱斜柱棚洞結(jié)構(gòu)，并成功的運(yùn)用于南京老山棚洞中，取得了良好的環(huán)保結(jié)果。其次蔣樹屏、黃倫海，劉元雪等對棚洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了平面分析;趙樹良對棚洞結(jié)構(gòu)做過三維分析［1－3］。但是由于棚洞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，特別是對棚洞結(jié)構(gòu)的三維分析尚需繼續(xù)深入研究。本文對學(xué)堂灣2號(hào)棚洞展開三維數(shù)值模擬計(jì)算，并對其襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的安全性分析［4－6］。

1 工程概況

學(xué)堂灣2號(hào)棚洞位于滬蓉國道主干線支線分水嶺—忠縣高速公路上，為雙幅棚洞，起止樁號(hào)為K18+600～K18+760，設(shè)計(jì)長度160 m。棚洞縱向上的斜腿以及立柱的間距為12 m，見圖1。棚洞內(nèi)側(cè)的邊坡按照臨時(shí)邊坡進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)坡率1∶0.65，邊坡采用錨噴網(wǎng)防護(hù)，錨桿采用3.5 m長Φ22普通砂漿錨桿，間距1.5 m×1.5 m，噴射混凝土采用8 cm厚C20噴射混凝土，內(nèi)設(shè)Φ8鋼筋網(wǎng)。為增加運(yùn)營的舒適性且最大限度的恢復(fù)環(huán)境，對棚洞洞頂進(jìn)行植 草綠化，恢復(fù)地表植被［7］。

圖1 棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(單位：cm)Fig.1 Design of shed-tunnel structure

2 建模及計(jì)算

為對棚洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性分析，同時(shí)為指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工服務(wù)，現(xiàn)采用大型通用有限元軟件ANSYS建立棚洞結(jié)構(gòu)的三維彈性有限元模型(圖2)。

圖2 棚洞有限元模型Fig.2 FEM model of shed-tunnel

建模時(shí)，立柱、斜腿，曲墻擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)聯(lián)系梁及托梁均采用beam 188單元，材料為C35混凝土;襯砌結(jié)構(gòu)采用shell 63單元，材料為C35混凝土;為加快計(jì)算速度，漿砌石及回填黏土均采用線彈性solid 45單元，材料參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of materil

邊界條件:棚洞縱向上選取長度為5×12 m，并對縱向上的前后兩個(gè)端面進(jìn)行法向約束(uz=0);棚洞底面取至棚洞立柱與斜腿的最底面，并對立柱和斜腿下端進(jìn)行固定約束(ux=uy=uz=0，Фx=Фy=Фz=0);對于曲墻基礎(chǔ)則約束其法向位移和水平位移(ux=uy=0);在回填土以及漿砌石與開挖邊坡的接觸面設(shè)置法向地層彈簧單元combin 14，地層彈簧每平方米設(shè)置1個(gè)，彈簧彈性常數(shù)K=100 MN/m。

3 襯砌結(jié)構(gòu)安全性分析

3.1 計(jì)算原理［4，8］

對于鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件，其襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)需按照J(rèn)TG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄K中的有關(guān)規(guī)定計(jì)算，具體公式如下:

當(dāng)x≤0.55h0時(shí)，為大偏心受壓情況，安全系數(shù)由式(1)計(jì)算:

此時(shí)，中性軸的位置由式(2)給出:

當(dāng)軸向力N作用于鋼筋A(yù)g和A′g的重心之間時(shí)，式(2)左邊第二項(xiàng)取正號(hào);當(dāng)N作用于Ag和A′g的重心以外時(shí)，則取負(fù)號(hào)。

為保證受壓區(qū)鋼筋達(dá)到屈服，混凝土受壓區(qū)高度應(yīng)符合x≥2a′，如不符合，則按式(3)計(jì)算:

當(dāng)x>0.55h0時(shí)，為小偏心受壓情況，安全系數(shù)按式(4)計(jì)算:

當(dāng)軸向力N作用于鋼筋A(yù)g和A′g的重心之間，同時(shí)也應(yīng)符合式(5)計(jì)算的安全系數(shù):

各式中:a，a′為自鋼筋A(yù)g或A′g的重心分別至截面最近邊緣的距離，m;e為軸向力作用點(diǎn)至受拉鋼筋A(yù)s合力點(diǎn)之間的距離，m，e=ηe0+h/2－a(e0為初始偏心距，m，e0=M/N);e′為軸向力作用點(diǎn)至受壓鋼筋A(yù)′s合力點(diǎn)之間的距離，m，e′= ηe0－h(huán)/2+a(η為偏心距影響系數(shù))，對于隧道襯砌、明洞拱圈和墻被緊密回填的明洞，以及當(dāng)構(gòu)件高度與彎矩作用平面內(nèi)的截面邊長之比H/h≤8 h，H為截面高度，m;可取η=1;Rg為鋼筋的抗拉或抗壓計(jì)算強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，Pa;h0為截面的有效高度，m，h0=ha;Ra為混凝土軸向抗壓極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，Pa;Rw為混凝土彎曲抗壓極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，Pa;Ag，A′g為受拉和受壓區(qū)鋼筋的截面面積，m2;x為受壓區(qū)計(jì)算高度，m。

3.2 安全性分析

從襯砌內(nèi)力云圖上可以看出，襯砌結(jié)構(gòu)的最大軸力出現(xiàn)在邊墻墻腳區(qū)域，其大小為1 110 kN/m;襯砌結(jié)構(gòu)的最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在曲墻區(qū)域(不計(jì)柱頂處負(fù)彎矩)，其分布大小隨上覆回填土的施工有擴(kuò)大趨勢，其最大值為255(kN·m)/m;最大正彎矩出現(xiàn)在左頂板中央位置，其大小為269(kN·m)/m，同時(shí)，右頂板中央位置也出現(xiàn)較大的正彎矩，見圖3。

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力Fig.3 Internal force of lining structure

為對該襯砌進(jìn)行安全性評價(jià)，現(xiàn)選取該模型兩個(gè)典型斷面的襯砌單元進(jìn)行分析，分別為z=－24 m處斷面和z=－30 m處斷面。z=－24 m處斷面下部有立柱和斜腿的支撐，標(biāo)記為A—A斷面;z=－30 m處斷面位于第三跨的中央，標(biāo)記為B—B斷面。

計(jì)算所需基本參量如下:

JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的鋼筋混凝土構(gòu)件的最小抗壓安全系數(shù)為2.0。計(jì)算結(jié)果表明:

1)該襯砌結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)出現(xiàn)在－24 m斷面處的左頂板與曲墻連接處，其值為3.93，已經(jīng)滿足《規(guī)范》［8］規(guī)定的安全系數(shù)。

2)此外，左、右頂板的中央段，曲墻的中央段，也出現(xiàn)較小的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)人員和施工人員對這些截面需多加注意。

3)A－A斷面襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)略小于BB斷面的安全系數(shù)，這主要與A－A斷面軸力值偏低所致。襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)見圖4。

圖4 襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)Fig.4 Safety coefficients of lining structure

4 結(jié)論

1)在路線困難地段、沿河岸溝谷地 、路線傍山布置地段，構(gòu)造物應(yīng)順應(yīng)地形，提倡設(shè)置棚洞、半隧道，可以達(dá)到保護(hù)邊坡和自然環(huán)境的目的［1］。

2)通過對依托工程結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬并進(jìn)行了襯砌結(jié)構(gòu)的安全性分析。數(shù)值分析表明:棚洞襯砌結(jié)構(gòu)的最大軸力出現(xiàn)在靠山側(cè)邊墻墻腳位置，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在曲墻中央?yún)^(qū)域，最大正彎矩出現(xiàn)在左頂板中央?yún)^(qū)域，襯砌結(jié)構(gòu)在安全性上能滿足相關(guān)技術(shù)《規(guī)范》的要求。

3)在棚洞頂部植草綠化，可與周圍自然環(huán)境相互協(xié)調(diào)，達(dá)到環(huán)保的要求。

4)半開敞半封閉型棚洞結(jié)構(gòu)既能防范落石對公路運(yùn)營的安全隱患，又可減少了隧道運(yùn)營時(shí)通風(fēng)和照明的成本。

［1］蔣樹屏，劉元雪，黃倫海，等.環(huán)保型傍山隧道結(jié)構(gòu)研究［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2006，19(1):80－83.

［2］劉元雪，蔣樹屏.環(huán)保型隧道結(jié)構(gòu)優(yōu)化與工程應(yīng)用［J］.后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，23(10):11－15.

［3］趙樹良.傍山公路隧道棚洞的數(shù)值模擬研究［J］.四川建筑，2008，28(1):123－125.

［4］王鵬.山區(qū)高速公路棚洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2008.

［5］胡壯志.高速公路環(huán)保型棚洞結(jié)構(gòu)形式的研究 ［D］.重慶:重慶交通學(xué)院，2005.

［6］張冰冰，環(huán)保型、防護(hù)型棚洞力學(xué)行為分析及工程措施 ［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2009.

［7］重慶交通科研設(shè)計(jì)院.高邊坡明洞及棚洞方案設(shè)計(jì)［R］.重慶:重慶交通科研設(shè)計(jì)院，2008.

［8］JTG D 70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.