下穿高速公路的淺埋大斷面隧道襯砌受力分析

劉和清

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，新建隧道下穿既有公路的工況逐漸增多［1～4］，而對(duì)于下穿高速公路的淺埋大斷面軟弱圍巖隧道，還需積累相關(guān)的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。湘桂線永州至柳州段的石頭崗隧道為淺埋大斷面的雙線鐵路隧道，下穿衡昆高速公路，高速公路路床以下、隧道拱頂以上的土層為弱膨脹土。為了確保石頭崗隧道的施工安全和上方高速公路的行車安全，本文對(duì)石頭崗隧道的襯砌受力進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到的結(jié)論和建議可為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

石頭崗隧道的開挖寬度為14.4 m，開挖高度為13 m，開挖斷面面積約160 m2，下穿高速公路段的隧道埋深僅為6 m，隧道采用弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法開挖，圖1表示出了隧道所處的地質(zhì)情況和隧道的開挖步驟，弱膨脹土的重度為19 kN/m3，黏聚力為18 kPa，內(nèi)摩擦角為25°，基本承載力為180 kPa。隧道采用管棚超前支護(hù);初期支護(hù)設(shè)計(jì)為雙層，外層拱部設(shè)I25a型鋼鋼架，間距0.5 m，內(nèi)層全環(huán)設(shè) I20b型鋼鋼架，間距0.5 m，噴射混凝土采用C25混凝土，外層厚30 cm，內(nèi)層厚25 cm;臨時(shí)支撐為I20b型鋼鋼架和25 cm厚的C20噴射混凝土;二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，拱墻厚60 cm，仰拱厚65 cm。

圖1 隧道所處的地質(zhì)情況和隧道的開挖步驟

2 數(shù)值計(jì)算工況及參數(shù)

考慮高速公路的行車荷載，按照“荷載－結(jié)構(gòu)”模式，采用ANSYS計(jì)算程序?qū)λ淼酪r砌的內(nèi)力進(jìn)行二維分析。計(jì)算參數(shù)如下:高速公路汽車活載按公路Ⅰ級(jí)考慮，車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為10.5 kN/m，車道數(shù)按6車道計(jì)算，橫向折減系數(shù)為0.55;隧道上覆土層的垂直壓力按全土柱計(jì)算，拱部和邊墻的側(cè)壓力系數(shù)分別為0.3、0.15;拱部和邊墻的圍巖彈性抗力系數(shù)分別為120、1 000 MPa/m;初期支護(hù)的彈性模量25 GPa、泊松比0.21、重度26 kN/m3;二次襯砌的彈性模量 32 GPa、泊松比 0.21、重度 25 kN/m3。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 上臺(tái)階側(cè)壁導(dǎo)坑初期支護(hù)的內(nèi)力分析

在上臺(tái)階側(cè)壁導(dǎo)坑①部開挖、施作外層初期支護(hù)和臨時(shí)支撐后，考慮初期支護(hù)、臨時(shí)支撐、地基的不同連接方式，分為3種工況如表1所示，對(duì)比分析3種工況下的初期支護(hù)最大軸力和最大彎矩，限于篇幅，以下只給出工況(2)的支護(hù)軸力圖和彎矩圖，分別如圖2和圖3所示。分析表1、圖2、圖3可知:工況(2)比工況(1)的最大軸力減少2%，最大彎矩減少的幅度較大，達(dá)到17%，可見增加初期支護(hù)與臨時(shí)支撐頂部連接處的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利，因而此處的鋼架連接應(yīng)牢固可靠，必要時(shí)應(yīng)采用槽鋼、角鋼、鋼板等輔助連接措施;工況(3)比工況(2)的最大軸力減少7%，最大彎矩減少的幅度較大，達(dá)到了22%，可見增加初期支護(hù)和臨時(shí)支撐的腳部剛度對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利，在施工中可采用打設(shè)鎖腳錨桿，設(shè)置臨時(shí)仰拱與初期支護(hù)、臨時(shí)支撐形成封閉的受力結(jié)構(gòu)等措施。另外建議上臺(tái)階側(cè)壁導(dǎo)坑①部的循環(huán)開挖長(zhǎng)度應(yīng)控制在0.5～1 m，且①部左右兩側(cè)的掌子面應(yīng)保持一定的距離。

表1 初期支護(hù)的最大內(nèi)力

圖2 工況(2)下支護(hù)的軸力圖

圖3 工況(2)下支護(hù)的彎矩圖

3.2 拆除臨時(shí)支撐后的初期支護(hù)內(nèi)力分析

弧形導(dǎo)坑上臺(tái)階①、②部在拆除臨時(shí)支撐后的外層初期支護(hù)的內(nèi)力圖如圖4和圖5所示，分析圖4和圖5可知:(1)拆除臨時(shí)支撐后，初期支護(hù)受力仍在安全范圍內(nèi)，初期支護(hù)的最大軸力為1340 kN，發(fā)生在腳底;初期支護(hù)的最大彎矩為50 kN·m，發(fā)生在拱頂，可見在拆除臨時(shí)支撐后，初期支護(hù)的腳底和拱頂是受力相對(duì)不利的部位，施工現(xiàn)場(chǎng)要重視對(duì)上述部位的安全監(jiān)測(cè)，要控制后續(xù)分部開挖的每循環(huán)開挖長(zhǎng)度和爆破規(guī)模，以減少后續(xù)開挖作業(yè)對(duì)既有初期支護(hù)的損傷。

3.3 二次襯砌的內(nèi)力分析

圖6和圖7為計(jì)算得到的二次襯砌內(nèi)力圖，分析圖6和圖7可知:(1)二次襯砌的最大軸力為1 430 kN，發(fā)生在仰拱底部，可見仰拱底部是二次襯砌受力較為不利的部位，因此在施工中要避免仰拱底部欠挖，要保證仰拱二襯的厚度滿足設(shè)計(jì)要求。(2)二次襯砌的最大彎矩為243 kN·m，發(fā)生在拱頂，可見拱頂也是二次襯砌受力較為不利的部位，施工時(shí)要盡量使弧形導(dǎo)坑上臺(tái)階②部拱頂附近的隧道開挖輪廓圓順，避免應(yīng)力集中，并且要保證拱頂?shù)亩r混凝土灌注飽滿。(3)經(jīng)計(jì)算，二次襯砌的最小安全系數(shù)為5.37，滿足《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)［5］的要求，可見只要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，是可以保證隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

圖4 拆除臨時(shí)支撐后的初期支護(hù)軸力圖

圖5 拆除臨時(shí)支撐后的初期支護(hù)彎矩圖

圖6 二次襯砌的軸力圖

圖7 二次襯砌的彎矩圖

4 結(jié)論及建議

(1)對(duì)于上臺(tái)階側(cè)壁導(dǎo)坑，增加初期支護(hù)與臨時(shí)支撐頂部連接處的剛度以及增加初期支護(hù)、臨時(shí)支撐的腳部剛度，可使初期支護(hù)的最大彎矩減少15%以上，應(yīng)保證初期支護(hù)與臨時(shí)支撐連接牢固，并及時(shí)打設(shè)鎖腳錨桿。

(2)拆除臨時(shí)支撐后，初期支護(hù)的拱頂和腳底是受力相對(duì)不利的部位，在施工現(xiàn)場(chǎng)要重視對(duì)上述部位的安全監(jiān)測(cè)。

(3)二次襯砌的拱頂和仰拱底是受力較為不利的部位，應(yīng)保證上述部位的二次襯砌厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

(4)石頭崗隧道襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)和采取的施工措施可以保證施工安全和隧道上方高速公路的行車安全，可供類似工程參考。

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［4］午向陽(yáng)，蔣宗全，高 亮，等.金牛山隧道下穿高速公路爆破振動(dòng)研究［J］.鐵道建筑，2010(12):60-62.

［5］鐵道第二勘察設(shè)計(jì)院.TB 10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.