高速鐵路橋隧相連段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 劍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司總工辦,西安 710043)

1 工程概況

西安至成都客運(yùn)專線設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為250 km/h，陜西境內(nèi)線路長(zhǎng)342.936 km，其中橋梁工程133.457 km/47座，占線路總長(zhǎng)的38.9%；隧道工程188.95 km/34座，占線路總長(zhǎng)度的55.26%，穿越秦嶺山區(qū)地段均為橋隧工程，隧道占線路長(zhǎng)度的85.5%，特點(diǎn)是地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，橋隧占線路比重大，且成群密集分布，形成百余公里的長(zhǎng)大密集隧道群，在我國(guó)鐵路客運(yùn)專線建設(shè)中和世界運(yùn)營(yíng)的高速鐵路中實(shí)屬罕見(jiàn)。

隧道洞口大多為“V”形溝谷，坡面陡峻，場(chǎng)地狹小，橋隧相連，有35個(gè)隧道洞口橋臺(tái)進(jìn)洞布置，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。

西成客運(yùn)專線橋臺(tái)進(jìn)洞段對(duì)應(yīng)的梁型主要有不同跨度簡(jiǎn)支箱梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)等幾種，以尺寸最大的主跨100 m連續(xù)梁(邊跨60 m)為例進(jìn)行論述。

2 主要技術(shù)難點(diǎn)

橋隧相連段結(jié)構(gòu)定義：橋梁與隧道相互影響，橋梁臺(tái)尾里程加堵頭墻厚度與隧道洞口里程之間的相連段落稱為橋隧相連部分，以下簡(jiǎn)稱為橋隧相連。如圖1、圖2所示。

圖1 成昆線橋隧結(jié)合圖

圖2 橋隧相連段示意(單位：cm)

橋隧相連多出現(xiàn)于山嶺地區(qū)，一般地形陡峭，場(chǎng)地狹小，洞口段地質(zhì)條件較差，施工干擾大，修建難度非常大。主要技術(shù)難點(diǎn)如下：

(1)隧道凈空需考慮橋臺(tái)、梁的尺寸影響，斷面要加大；

(2)洞口段排水設(shè)施銜接難度大；

(3)橋臺(tái)與隧道共同承受荷載作用，結(jié)構(gòu)受力非常復(fù)雜；

(4)施工干擾大，工序安排困難。

3 隧道輪廓尺寸擬定

橋隧相連段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有通用圖可供參考，只能根據(jù)不同橋臺(tái)(梁)的尺寸分別擬定隧道內(nèi)輪廓。橋隧相連需將隧道斷面加大，將橋臺(tái)和梁包在隧道里面，隧道輪廓考慮以下因素確定。

(1)建筑限界采用《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB 10621—2009)中規(guī)定的限界尺寸，襯砌內(nèi)輪廓考慮橋臺(tái)、梁的布置等要求。

(2) 隧道內(nèi)鋪設(shè)CRTSI型雙塊式無(wú)砟軌道，軌道結(jié)構(gòu)高度為515 mm。

(3)大跨以上：連續(xù)梁最寬處12.2 m，最寬處位于軌面以下76 cm處，為使內(nèi)輪廓圓順，受力趨于合理，將襯砌斷面內(nèi)輪廓適當(dāng)加寬，最大跨以上部分內(nèi)輪廓半徑由641 mm加至665 mm。

(4)最大跨以下部分內(nèi)輪廓半徑采用2 000 mm，為便于支座更換，圓弧底端隨橋臺(tái)支撐墊石下方的頂帽所在高度調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同橋臺(tái)形式的豎向尺寸。水溝設(shè)置在改圓弧底端以上部分，頂板與支撐墊石下緣齊平。

(5)梁底部滿足檢修高度最低1.5 m的要求。

4 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)

橋梁的橋臺(tái)與隧道洞口段形成一個(gè)整體，橋臺(tái)與隧道共同承受荷載作用，在橋臺(tái)部分隧道底部與橋臺(tái)整體灌注，并在臺(tái)尾設(shè)置2 m厚堵頭墻，在梁部段，隧道加深設(shè)置1.5 m厚底板，為方便施工，斷面設(shè)置為直墻變截面形式，橋隧相連段隧道斷面見(jiàn)圖3，加大斷面開(kāi)挖量每米約達(dá)258 m3，比一般斷面增大約115 m3。相連段結(jié)構(gòu)(拱墻、底板及堵頭墻)主要建筑材料為C35鋼筋混凝土。

圖3 橋隧相連段斷面(單位：cm)

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.2.1 計(jì)算原則

(1)隧道結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度。采用以分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。

(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)承載力極限狀態(tài)的要求進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算。

(3)結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)化模型的確定，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作條件，并反映結(jié)構(gòu)與周?chē)貙拥南嗷プ饔谩?/p>

4.2.2 計(jì)算荷載

荷載分類(lèi)及取值依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)的相關(guān)規(guī)定確定，除以下注明外，其余根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定進(jìn)行取用。

(1)永久荷載

①結(jié)構(gòu)自重；

②結(jié)構(gòu)上部覆土重力：淺埋，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)圍巖，結(jié)構(gòu)上部覆土重力按全土柱重考慮；

③側(cè)向土壓力：水平土壓力作用在結(jié)構(gòu)邊墻兩側(cè)，其大小根據(jù)垂直土壓力與側(cè)壓力系數(shù)來(lái)計(jì)算。側(cè)壓力系數(shù)按下式計(jì)算

④地層抗力：地層抗力用地層彈簧來(lái)模擬，地層抗力系數(shù)根據(jù)土層條件確定，按溫克勒爾假定計(jì)算。

(2)地震荷載

采用慣性力法計(jì)算，把隨時(shí)間變化的地震荷載等效為靜地震荷載，然后再用靜力計(jì)算模型分析地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。等效的靜地震荷載包括：結(jié)構(gòu)本身和結(jié)構(gòu)上方土柱的水平慣性力以及主動(dòng)側(cè)向土壓力。

襯砌自重水平地震力

式中F1——襯砌水平地震力，kN/m；

mi——襯砌質(zhì)量的一半，kg；

H——襯砌總高度，m；

ηc——綜合影響系數(shù)，取0.25；

Kh——水平地震系數(shù)，7級(jí)取0.1，8級(jí)取0.2，9級(jí)取0.4；

g——重力加速度。

洞頂土柱水平地震力

P=γHV(B-λHVtanθ0)

F2=ηcKhP

式中P——垂直土壓力，kN/m；

F2——洞頂填土水平地震力，kN；

B——隧道跨度，m；

γ——圍巖重度，kN/m3;

HV——洞頂距地面高度，m；

φ——土柱兩側(cè)摩擦角，(°)；

λ——側(cè)壓力系數(shù)；

HV為拱頂覆土的高度，F(xiàn)2作用于拱頂HV/2處

側(cè)壓力增量

式中λa——地震時(shí)的側(cè)壓力系數(shù)；

β——地震角，(°)。

4.2.3荷載組合

各種荷載的組合見(jiàn)表1。

表1 橋隧相連結(jié)構(gòu)荷載組合

4.2.4 地層參數(shù)

地層參數(shù)按試驗(yàn)數(shù)據(jù)取值，見(jiàn)表2。

表2 地層參數(shù)取值

混凝土采用C35鋼筋混凝土，重度25 kN/m3，彈性模量21 GPa

4.2.5 計(jì)算結(jié)果

采用Midsa GTS有限元結(jié)構(gòu)分析程序，采用擬定的支護(hù)參數(shù)，采用荷載-結(jié)構(gòu)法，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力檢算。

(1)加載

加載示意見(jiàn)圖4。

圖4 橋隧相連段結(jié)構(gòu)加載示意

(2)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算，拱頂覆土2 m的明洞結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)起控制作用，當(dāng)安全系數(shù)小于《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)的規(guī)定值時(shí)，進(jìn)行配筋計(jì)算，軌面至拱頂配筋8φ28 mm，軌面至底配筋16φ28 mm，其計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6及表3所示。

5 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橋臺(tái)進(jìn)洞段隧道排水系統(tǒng)同時(shí)考慮出洞方向?yàn)樯掀潞拖缕?種情況設(shè)計(jì)。當(dāng)出洞方向?yàn)樯掀聲r(shí)，排水系統(tǒng)無(wú)需做更多處理。當(dāng)出洞方向?yàn)橄缕聲r(shí)，由于橋臺(tái)阻斷了隧道水溝，為保證橋隧相連地段側(cè)溝和中心排水槽內(nèi)的水能夠順暢排出，需對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行處理，見(jiàn)圖7。

圖5 橋隧相連段隧道襯砌彎矩圖(單位：kN·m)

圖6 橋隧相連段隧道襯砌軸力圖(單位：kN)

表3 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

(1)正常隧道內(nèi)排水均采用雙側(cè)側(cè)溝加中心矩形蓋板溝，橋臺(tái)進(jìn)洞段排水采用雙側(cè)溝。

(2)橋臺(tái)臺(tái)尾2 m堵頭墻范圍隧道基礎(chǔ)及水溝進(jìn)行加深，中心設(shè)匯水池1處，以匯集洞內(nèi)中心水溝流水并通過(guò)橫向排水管引排至側(cè)溝匯水池。中心匯水池采用1 m×1 m方形井，其上采用鑄鋼蓋板，兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置2根φ400～600 mm預(yù)制鋼筋混凝土Ⅲ級(jí)管橫向排水。

(3)上部側(cè)溝的水經(jīng)φ300 mm硬質(zhì)PVC管引入下部側(cè)溝。

(4)兩側(cè)側(cè)溝采用φ400 mm硬質(zhì)PVC管將水引排至洞口后，側(cè)向排至溝谷低洼處。

(5)出洞方向的溝(槽)底水平縱坡不得小于1%，管口縱坡不小于4%。

圖7 排水系統(tǒng)(單位：cm)

6 結(jié)論

(1)隧道凈空尺寸除滿足建筑限界外，必需考慮橋臺(tái)、梁的結(jié)構(gòu)尺寸，檢修高度，設(shè)備布置等綜合因素。

(2)對(duì)于橋隧相連工程設(shè)計(jì)方案的選擇必須結(jié)合地形地質(zhì)條件慎重選擇，結(jié)構(gòu)措施寧強(qiáng)勿弱，否則在以后的運(yùn)營(yíng)中會(huì)留下隱患。

(3)橋隧相連段斷面大，要采取可靠的支護(hù)措施，防止垮塌造成安全事故。

(4)隧道底洞口端一般均有常年排水，在相連段需做好銜接處理，要設(shè)置匯水井、轉(zhuǎn)向排水管、引排管等設(shè)施，不能讓水滲入基底浸泡，切實(shí)保證排水出路暢通，要緊密結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形條件，將水引離洞口后在低洼溝谷排泄。

(5)不同斷面連接處要設(shè)置變形縫(或沉降縫)，避免結(jié)構(gòu)開(kāi)裂破壞。

(6)橋隧相連段施工干擾問(wèn)題突出，工序安排、施工質(zhì)量等都對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成直接影響，必須周密合理組織。

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