淺談鐵路隧道框架式棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

李濟良, 鞏江峰, 劉志剛

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

淺談鐵路隧道框架式棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

李濟良, 鞏江峰, 劉志剛

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

某新建鐵路隧道斜穿山體出洞，洞口危巖落石強烈發(fā)育，地形陡峻，且洞口下方為既有省道，為保證洞口及橋臺的施工與運營安全，洞口設(shè)計擬采用棚洞結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)外采用的棚洞結(jié)構(gòu)形式種類繁多，但均為結(jié)合各隧道洞口具體地形、地質(zhì)條件而設(shè)計，難以直接運用于本隧洞口。文章為設(shè)計出適合該新建鐵路隧道洞口的棚洞結(jié)構(gòu)，結(jié)合既有工程經(jīng)驗，利用有限元等軟件，分別從棚洞選型、尺寸擬定、結(jié)構(gòu)組成及結(jié)構(gòu)計算等方面進(jìn)行分析，研究出了滿足該隧道時速要求的由矩形框架和邊梁共同組成的框架式棚洞結(jié)構(gòu)，并最終完成了該棚洞的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計出的框架式棚洞結(jié)構(gòu)在保證工程安全的同時又節(jié)約工程造價，還滿足照明及美觀的要求，最終成功用于該隧道施工圖設(shè)計。

隧道洞口； 危巖落石； 棚洞； 結(jié)構(gòu)設(shè)計

隧道洞口的安全一直是隧道設(shè)計者長期關(guān)注的重點問題，洞口設(shè)計也成為了隧道設(shè)計中的難點之一。當(dāng)洞口存在塌方、危巖落石等不良地質(zhì)時，設(shè)計通?？紤]采用刷坡清方、預(yù)加固土體及接長拱形明洞等方案[1-2]。拱形明洞的結(jié)構(gòu)整體性較好，能承受較大的側(cè)壓力與垂直力，然而由于其邊墻基礎(chǔ)不均勻沉降容易導(dǎo)致拱圈開裂而影響結(jié)構(gòu)安全，因此其對結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的要求較高。在某些特殊的地質(zhì)、地形條件下，為保證線路安全，橋梁臺尾需伸進(jìn)洞內(nèi)，導(dǎo)致明洞取消仰拱，且又難以施作穩(wěn)固的拱形明洞基礎(chǔ)時，棚式明洞即棚洞結(jié)構(gòu)則成為了隧道設(shè)計者的首選。

棚洞主要由內(nèi)外墻與頂部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)組成，可采用現(xiàn)澆與預(yù)制拼裝相結(jié)合的方式施作[3]。設(shè)計時應(yīng)結(jié)合具體的地質(zhì)、地形條件選擇棚洞形式，常見的形式有剛架式、墻式、柱式與懸臂式等。近年來，我國高速鐵路建設(shè)事業(yè)飛速發(fā)展，在一些線路難以繞避不良地質(zhì)的隧道洞口，一些新型棚洞結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，如框架式棚洞、斜交托梁式棚洞及全鋼結(jié)構(gòu)棚洞等[4-7]。本文以某條新建鐵路的隧道洞口為例，詳細(xì)闡述了框架式棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，對棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的參考作用。

1 工程概況

隧道全長8 601m，雙線隧道，時速160km/h，最大埋深約1 075m。測區(qū)屬河流峽谷中高山地貌，尼日河深切，地面高程1 025～2 150m，自然坡度5°～35°不等，局部較陡。地表植被不發(fā)育，多被墾為旱地，溝槽等低洼地帶覆土較厚。測區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

隧道斜穿山體出洞，洞口地形陡峻，為陡崖，受地質(zhì)構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖性為砂巖、白云巖夾頁巖，危巖落石發(fā)育。隧道出口地形如圖1所示，為保證線路運營安全，出口橋梁臺尾伸入隧道約11 m。

圖1 隧道出口平面地形

針對本隧道出口的具體情況，在對坡面危巖落石進(jìn)行清除、支護后設(shè)置一道被動防護網(wǎng)，同時設(shè)置拱形明洞與棚洞結(jié)構(gòu)保護線路免受危巖落石侵害。根據(jù)出口的地形、地質(zhì)條件，結(jié)合橋臺位置，最后確定于出口設(shè)置16 m長拱形明洞接12 m長棚洞的設(shè)計方案。

本隧道出口地形橫坡十分陡峻，無棚洞內(nèi)邊墻施作基礎(chǔ)，因此考慮采用框架式棚洞結(jié)構(gòu)。

2 棚洞凈空斷面

棚洞結(jié)構(gòu)與拱形明洞結(jié)構(gòu)相接，內(nèi)輪廓應(yīng)滿足拱形結(jié)構(gòu)襯砌的凈空要求。本隧為時速160 km/h客貨共線的雙線隧道，隧道建筑限界執(zhí)行“隧限-2B”，直線段軌面以上凈空面積76.63 m2，曲線地段只考慮線間距加寬。綜合考慮矩形框架棚洞受力應(yīng)力集中等問題，確定出棚洞內(nèi)輪廓(圖2)。

圖2 棚洞結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓(單位:cm)

如圖2所示，棚洞軌面以上凈高8.25 m，凈寬11.7 m，滿足隧道設(shè)計要求。

3 棚洞結(jié)構(gòu)設(shè)計

完整的棚洞結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成。針對本隧道洞口的具體情況，以從下而上的順序，逐步完成棚洞結(jié)構(gòu)各部件設(shè)計。

棚洞基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)樁綜合考慮預(yù)加固土體功能與棚洞結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行設(shè)計，截面尺寸采用2 m×2 m,樁長18～30 m。

棚洞的矩形框架結(jié)構(gòu)主要由橫梁與立柱組成，均采用矩形斷面。截面尺寸由結(jié)構(gòu)計算確定，均為1.5 m×1.2 m。根據(jù)內(nèi)輪廓尺寸要求，橫梁長度采用11.7 m，立柱長度采用11.8 m。

由于洞口地形偏壓嚴(yán)重，矩形框架結(jié)構(gòu)與山體之間會形成V型槽，危巖落石仍可通過該槽形成的通道滾落至線路影響運營安全，因此考慮于該槽正上方設(shè)置一邊梁以阻斷落石滾落路徑。邊梁以樁為基礎(chǔ)，左側(cè)置于矩形框架結(jié)構(gòu)之上并與之成為一整體，梁的右側(cè)伸入山體基巖。

沿著線路縱向設(shè)置3榀矩形框架與邊梁結(jié)構(gòu)，每榀之間采用縱聯(lián)連接，即形成了本隧道12 m長的整體棚洞結(jié)構(gòu)。再于每榀矩形框架的橫梁與邊梁上方設(shè)置縱向T梁，以使整個12 m長的線路在橫向與縱向均受到棚洞結(jié)構(gòu)的保護，達(dá)到設(shè)計目的。

為減小危巖落石滾落至結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生的沖擊力，于T梁上方回填礦渣?？紤]排水，于礦渣表面設(shè)置黏土隔水層。最后于第一榀結(jié)構(gòu)的矩形框架橫梁與邊梁上方設(shè)置棚洞端墻，完成棚洞結(jié)構(gòu)各部件設(shè)計。

設(shè)計的棚洞結(jié)構(gòu)橫斷面如圖3所示，縱斷面如圖4所示。

圖3 棚洞結(jié)構(gòu)橫斷面

圖4 棚洞結(jié)構(gòu)縱斷面

4 棚洞結(jié)構(gòu)計算

4.1 結(jié)構(gòu)模型

利用ANSYS有限元軟件，采用梁單元對本棚洞各結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。棚洞主體結(jié)構(gòu)分為矩形框架結(jié)構(gòu)與邊梁結(jié)構(gòu)，計算受力最大的縱向第2榀結(jié)構(gòu)?？紤]地面線及永久邊坡線以下為固定端，因此結(jié)構(gòu)模型中包含部分樁基礎(chǔ)(圖5)。

圖5 棚洞結(jié)構(gòu)計算模型

棚洞上方T梁為普通簡支梁結(jié)構(gòu)，受力形式簡單，可直接利用基礎(chǔ)理論計算出簡支梁內(nèi)力，無需利用ANSYS軟件建模計算。

4.2 荷載

棚洞結(jié)構(gòu)所受荷載分為恒載、附加荷載與特殊荷載。其中恒載包括自重、回填土重力、T梁的自重、混凝土收縮徐變等，附加荷載包括溫度變化影響引起的應(yīng)力與落石沖擊荷載，特殊荷載為地震荷載。

回填土重力：結(jié)合不同的工況分別按設(shè)計填土線和實際填土線計算。

落石沖擊力：計算按《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊·隧道》，根據(jù)地形條件，危巖落石下落高度按80 m計，山坡坡角45°，落石體積不大于0.5 m3。

混凝土收縮徐變：在ANSYS計算模型中施加溫度場，采用在穩(wěn)態(tài)傳熱過程中降低15 ℃來考慮混凝土收縮力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

溫度變化：按溫度變化20°來考慮，即升溫20°，降溫20°，施加至ANSYS計算模型的溫度場中。

計算時，主要按4種工況進(jìn)行計算。

工況一：恒載+收縮力+升溫+沖擊力；

工況二：恒載+收縮力+降溫+沖擊力；

工況三：恒載+收縮力+地震力向左；

工況四：恒載+收縮力+地震力向右。

4.3 計算結(jié)果

4.3.1 邊梁

邊梁為兩跨結(jié)構(gòu)，計算分別考慮落石沖擊力作用在左跨跨中與右跨跨中兩種情況。經(jīng)過計算比較，當(dāng)落石沖擊力作用在右跨中部時，對于工況一、二、三、四，最危險工況為工況一。計算當(dāng)落石沖擊力作用在左跨中部時的工況一，比較得到最危險工況仍為落石沖擊力作用在右跨跨中。

4.3.2 矩形框架

由于邊梁置于矩形框架結(jié)構(gòu)之上，因此矩形框架結(jié)構(gòu)還應(yīng)考慮前述邊梁的壓力。將邊梁計算結(jié)果中的支座反力加載于矩形框架結(jié)構(gòu)模型上，經(jīng)過計算比較，最危險工況為工況二，最危險位置為橫梁跨中。

本隧道出口仰坡較陡，危巖落石沖擊力較大，通過上述結(jié)構(gòu)計算結(jié)果可知，落石沖擊力與溫度均為結(jié)構(gòu)內(nèi)力的主要控制因素。最后利用計算的內(nèi)力結(jié)果，對棚洞的各梁、柱分別進(jìn)行配筋，完成棚洞設(shè)計的核心工作。

5 附屬防護結(jié)構(gòu)設(shè)計

在隧道洞口施工期間，隧道開挖崩落的碎石及運渣期間掉落的土石均容易順著山坡滾落至洞口下方的既有省道。為保證隧道施工期間的省道行車安全，隧道出口段采用控制爆破，并于施工影響范圍的省道上方設(shè)置落石臨時防護棚架，棚架總長約125 m。同時設(shè)立專門的交通協(xié)管員，對過往車輛進(jìn)行現(xiàn)場指揮。在放爆作業(yè)過程中，下方公路應(yīng)實行交通管制。

臨時防護棚架內(nèi)凈空在省道車輛限界基礎(chǔ)上進(jìn)行擬定，以使車輛能安全通過棚架。結(jié)構(gòu)采用型鋼與縱向連接鋼筋焊為一體，并于鋼架體系外側(cè)設(shè)置圓形鋼絲繩網(wǎng)。為確保防護棚架的穩(wěn)定，鋼架基底均設(shè)置條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂面高于路面0.50 m，采用C30混凝土。臨時防護棚架應(yīng)于隧道竣工后拆除，其具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6、圖7所示。

6 結(jié)束語

本文首先針對隧道洞口的危巖落石發(fā)育及橋臺進(jìn)洞特點確定采用框架棚洞結(jié)構(gòu)方案，再根據(jù)建筑限界擬定棚洞內(nèi)輪廓，接著根據(jù)洞口具體地形、地質(zhì)條件設(shè)計出棚洞的整體結(jié)構(gòu)，并通過有限元軟件計算分析進(jìn)行配筋，最終完成了棚洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計。另外，為確保洞口下方既有省道在隧道施工期間的行車安全，于受影響范圍內(nèi)的省道上方設(shè)置臨時防護棚架，配合隧道洞口的框架棚洞共同發(fā)揮保障作用。本文的棚洞結(jié)構(gòu)方案成功用于該隧道洞口的施工圖設(shè)計，并通過了施工圖評審，目前現(xiàn)場處于在建狀態(tài)。

圖6 臨時防護棚架橫斷面(單位:cm)

圖7 臨時防護棚架縱斷面(單位:cm)

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李濟良(1986～)，男，碩士研究生，工程師，主要從事地下工程與隧道工程設(shè)計工作。

U453.1

B

[定稿日期]2016-10-13