公路隧道裝配式仰拱結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉涇堂,王迎超,邱成虎,曲 龍,袁文廣,杜耀輝,郝 英

(1.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司, 甘肅 蘭州 730030; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;3.甘肅公航旅天莊高速公路管理有限公司, 甘肅 天水 741000; 4.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

隨著我國(guó)公路建設(shè)高速發(fā)展,一大批公路隧道正在或即將修建,且很多隧道都面臨著高應(yīng)力、富水、突泥、軟巖大變形等不良地質(zhì),從而導(dǎo)致襯砌開裂、漏水和路面隆起、破損、斷裂、翻漿、冒泥等隧道病害[1]日趨嚴(yán)重。仰拱是隧道襯砌結(jié)構(gòu)的重要組成部分,可以大大提高隧道的整體穩(wěn)定性[2],而裝配式結(jié)構(gòu)已逐漸成為其發(fā)展的方向[3]。隧道裝配式施工可以克服現(xiàn)澆混凝土施工諸多缺點(diǎn),混凝土構(gòu)件通過(guò)預(yù)制施工,標(biāo)準(zhǔn)化程度高,成品質(zhì)量能得到保障;預(yù)制結(jié)構(gòu)可以大大縮短施工和養(yǎng)護(hù)周期,提高施工效率、降低施工成本。因此,襯砌結(jié)構(gòu)預(yù)制化是未來(lái)隧道施工的發(fā)展趨勢(shì)。但是隧道裝配式襯砌結(jié)構(gòu)與地上裝配式結(jié)構(gòu)完全不同[4-5],在受力、耐久性、防水等方面都面臨很多挑戰(zhàn)。

在隧道裝配式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,眾多學(xué)者進(jìn)行了深入研究,取得了一系列研究成果。唐偉[6]針對(duì)高鐵單線盾構(gòu)隧道,提出了底部仰拱分塊預(yù)制、全塊預(yù)制以及全塊預(yù)制+兩側(cè)增加縱梁3種方案,綜合比對(duì)結(jié)果表明,仰拱全塊預(yù)制+兩側(cè)增加縱梁結(jié)構(gòu)效果最好。陳敬軍[7]針對(duì)傳統(tǒng)的圓形襯砌使開挖斷面加大,工程量大的問(wèn)題,提出了一種對(duì)現(xiàn)行鐵路隧道斷面優(yōu)化的襯砌形式,不僅比原襯砌形式安全系數(shù)高,而且減小了襯砌的變形量。張鵬[8]通過(guò)對(duì)比板型預(yù)制管片和箱型預(yù)制管片,發(fā)現(xiàn)管片厚度相同的條件下,板型管片的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性優(yōu)于箱型管片,但是箱型管片具有用料少、防水性能更佳等優(yōu)點(diǎn),因此可以根據(jù)斷面形式和施工需求選用不同形狀的管片結(jié)構(gòu)。計(jì)中彥等[9]提出了一種弧形預(yù)制塊+后澆混凝土結(jié)合的方法,認(rèn)為相比于螺栓連接,后澆帶連接更適用于隧底平整性較差的公路隧道,同時(shí)后澆帶是裝配式仰拱結(jié)構(gòu)的受力薄弱部位。趙曉勇[10]針對(duì)裝配式仰拱選型,從結(jié)構(gòu)受力、隧道防排水和施工工序三方面進(jìn)行了比較,結(jié)果表明箱型裝配式仰拱結(jié)構(gòu)比板式結(jié)構(gòu)更優(yōu),可以降低結(jié)襯砌內(nèi)力,減少仰拱現(xiàn)澆作業(yè)量,減小對(duì)圍巖的影響。此外,周佳媚等[11-19]針對(duì)隧道排水、滲流以及襯砌力學(xué)特性等進(jìn)行了大量試驗(yàn)與數(shù)值研究,得出了有益的結(jié)論。

目前對(duì)于公路隧道裝配式仰拱選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究較少,本文在收集整理國(guó)內(nèi)外關(guān)于裝配式襯砌、預(yù)制仰拱施工案例的基礎(chǔ)上,以甘肅省某鉆爆法公路隧道預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)形式為例進(jìn)行研究,通過(guò)設(shè)計(jì)比對(duì)提出較為合適的預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)形式,并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及受力變形特性研究。

1 隧道裝配式襯砌案例統(tǒng)計(jì)分析

隧道裝配式襯砌結(jié)構(gòu)形式的選擇需要考慮隧道類型、隧道內(nèi)輪廓形狀、施工方法、預(yù)制仰拱形式等因素。表1為國(guó)內(nèi)外部分關(guān)于隧道裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)用案例[9, 20-33〗。

表1 國(guó)內(nèi)外隧道裝配式結(jié)構(gòu)襯砌應(yīng)用案例

1.1 隧道類型

目前應(yīng)用裝配式結(jié)構(gòu)的隧道類型眾多,從表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出裝配式結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于地鐵、鐵路隧道中,公路隧道應(yīng)用相對(duì)較少。

1.2 隧道內(nèi)輪廓形狀與施工方法

隧道內(nèi)輪廓形狀主要分為圓形、矩形、馬蹄形,隧道各內(nèi)輪廓形狀應(yīng)用案例數(shù)量以圓形最多、矩形次之、馬蹄形最少。內(nèi)輪廓形狀與施工方法、空間利用率有關(guān)。圓形斷面形式具有結(jié)構(gòu)受力合理、對(duì)內(nèi)凈空利用影響小等特點(diǎn),矩形斷面形式具有空間利用率高等特點(diǎn)。故根據(jù)相應(yīng)的內(nèi)輪廓特點(diǎn)和常用隧道施工方法,地鐵和鐵路隧道內(nèi)輪廓形狀多為圓形和矩形。

隧道開挖方法主要有盾構(gòu)法、明挖法、TBM法、鉆爆法以及暗挖法。表1中隧道施工方法主要為盾構(gòu)機(jī)開挖和明挖法。盾構(gòu)機(jī)主要以圓形為主;明挖法多采用矩形單跨和多跨結(jié)構(gòu)。由于山區(qū)公路隧道巖石堅(jiān)硬,對(duì)沉降要求不高,隧道相對(duì)較短,以及公路隧道凈空斷面呈馬蹄形,且盾構(gòu)機(jī)價(jià)格昂貴等原因,盾構(gòu)機(jī)在公路隧道中使用較少,多采用鉆爆法開挖。

1.3 裝配式襯砌形式

隧道裝配式襯砌可以分為全預(yù)制和部分預(yù)制,部分預(yù)制技術(shù)多為仰拱預(yù)制化,隧道上部襯砌采用現(xiàn)澆形式。對(duì)于預(yù)制仰拱,其結(jié)構(gòu)形式多為弧形,在統(tǒng)計(jì)案例中僅有1個(gè)鐵路隧道采用了箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)。

2 公路隧道預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

公路隧道多采用馬蹄形輪廓,其中根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》,甘肅某高速公路設(shè)計(jì)時(shí)速為80km/h,隧道內(nèi)輪廓如圖1所示,其最大跨處內(nèi)凈空跨度11.1m,路面至拱頂高度7.27m,拱底至拱頂8.80m。針對(duì)該隧道斷面形狀,選擇兩種公路隧道預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)形式——弧形和箱型進(jìn)行設(shè)計(jì)并比選。

圖1 某高速公路隧道內(nèi)輪廓圖(單位:cm)

2.1 弧形預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)

弧形預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu),底部為弧形預(yù)制構(gòu)件,上部為現(xiàn)澆混凝土填充層,之后為施作找平層和路面。實(shí)行預(yù)制仰拱塊和上部襯砌分離的形式,不僅符合鉆爆法的施工特點(diǎn),且能夠?qū)崿F(xiàn)初支完成后,仰拱先行從而達(dá)到快速承載的目的,再向上施作二次襯砌,不僅增加了安全性也減少了施工難度。綜合考慮結(jié)構(gòu)的受力、構(gòu)件的質(zhì)量、構(gòu)件的制作、構(gòu)件的運(yùn)輸和構(gòu)件的安裝,該弧形預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)形式分為3塊,如圖2所示。

圖2 弧形預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)(單位:cm)

邊墻位置構(gòu)件B預(yù)制過(guò)程中,應(yīng)做好預(yù)埋連接鋼筋的預(yù)留,二襯施工中,預(yù)制仰拱構(gòu)件與現(xiàn)澆混凝土邊墻通過(guò)焊接預(yù)埋鋼筋,并澆筑混凝土形成整體結(jié)構(gòu)。該預(yù)制仰拱施工時(shí),先進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)吊運(yùn)、安裝,前后、左右兩塊構(gòu)件均采用現(xiàn)澆40cm厚C40混凝土現(xiàn)場(chǎng)濕接。用直徑為219mm、壁厚為8mm的套管連接前后兩環(huán)構(gòu)件間的直徑為194mm、壁厚為8mm的鋼管,確保了前后、左右兩片構(gòu)件連接的質(zhì)量。施工中,仰拱部位開挖完成后即進(jìn)行10cm厚C15現(xiàn)澆混凝土調(diào)平層施工,過(guò)程中確保調(diào)平層標(biāo)高準(zhǔn)確,表面光滑平整。

2.2 箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)

箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。此箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu),由若干相同的預(yù)制塊和現(xiàn)澆段組成,構(gòu)件之間采用螺栓連接。仰拱支撐結(jié)構(gòu)包括7個(gè)預(yù)制塊和2個(gè)現(xiàn)澆段,仰拱塊依次拼接形成隧道仰拱襯砌。預(yù)制塊的上、下表面分別為平面與弧面。仰拱左右預(yù)制塊都預(yù)埋有與邊墻搭接的鋼筋,與現(xiàn)澆混凝土形成整體結(jié)構(gòu),從而提高了仰拱和上部襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

圖3 箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)

預(yù)制塊之間放置可壓縮性止水條,螺栓擰緊后可對(duì)預(yù)制塊之間縫隙起到密封止水作用。預(yù)制塊結(jié)構(gòu)外側(cè)縫隙用環(huán)氧樹脂砂漿填縫進(jìn)一步密封。左右兩側(cè)現(xiàn)澆塊各設(shè)有橫向排水管,與兩側(cè)縱向排水管相連接,將兩側(cè)縱向排水管中的水引入預(yù)制塊空洞內(nèi)的排水管內(nèi),縱向排出。

2.3 結(jié)構(gòu)形式比選

a.施工難度。從整體結(jié)構(gòu)來(lái)看,弧形預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)制作簡(jiǎn)單,吊運(yùn)方便,但弧形預(yù)制仰拱塊鋪設(shè)完畢后需進(jìn)行仰拱回填、基層、面板施工,工序較多,從而影響了施作空間和效率。箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)是基于弧形預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)優(yōu)化而來(lái),箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)通過(guò)螺栓連接后,作業(yè)面已基本平整,襯砌受力較為穩(wěn)定,施工難度較小,并且可縮短步距,二襯能夠及時(shí)跟進(jìn)。

b.施工速度?；⌒晤A(yù)制仰拱構(gòu)件之間連接采用鋼管焊接,然后在連接處現(xiàn)澆混凝土從而形成整體,鋼管焊接以及現(xiàn)澆混凝土從澆筑至養(yǎng)護(hù)均需要大量時(shí)間,未真正實(shí)現(xiàn)仰拱的全套裝配式施工。箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)較弧形預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)省去了現(xiàn)澆混凝土連接處和回填層的施作工序,構(gòu)件吊運(yùn)至合適位置后,通過(guò)擰緊螺栓實(shí)現(xiàn)構(gòu)件緊固,之后只需施作調(diào)平層和瀝青面層即可達(dá)到通車條件,有效減少了施工流程,從而大大加快了施工速度。

c.防排水能力。為實(shí)現(xiàn)有效防水,弧形預(yù)制構(gòu)件在接頭處設(shè)置一層止水帶,而箱型裝配式仰拱結(jié)構(gòu)防水性能更全面,在其四周均設(shè)置可壓縮性止水條。弧形預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)上部通過(guò)現(xiàn)澆混凝土回填層,雖然可以增加整體承載力和穩(wěn)定性。但是存在防排水能力差的缺點(diǎn),弧形預(yù)制仰拱只能通過(guò)預(yù)埋排水管道實(shí)現(xiàn)排水功能,而箱型預(yù)制仰拱是由多榀空心預(yù)制構(gòu)件組成,這樣結(jié)構(gòu)的空腔形式有效增大了過(guò)水?dāng)嗝?保障隧道排水能力。

d.造價(jià)成本。按照相同幅寬、相同標(biāo)號(hào)混凝土計(jì)算,每環(huán)弧形預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)制作時(shí)需要16.23m3混凝土,其中預(yù)制仰拱構(gòu)件需要5.29m3混凝土,填充層需要5.91m3鋼纖維混凝土,基層2.1m3,混凝土面板2.73m3;每環(huán)箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)制作時(shí)至少需要10.51m3混凝土,其中預(yù)制仰拱構(gòu)件需要7.71m3混凝土,兩側(cè)連接處需要1.75m3現(xiàn)澆混凝土,調(diào)平層需要1.05m3混凝土。同時(shí)弧形預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)構(gòu)架之間采用鋼管焊接連接,也增加了制作成本,所以箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)的造價(jià)比弧形預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)低很多。

綜上,箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)比弧形預(yù)制仰拱更為高效經(jīng)濟(jì),施工可行性更強(qiáng),所以本文將主要針對(duì)箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和受力變形特性研究。

3 箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算模型建立

本文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型為荷載-結(jié)構(gòu)模型,荷載按深埋計(jì)算,數(shù)值模擬采用Abaqus軟件。圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí),變形模量為300MPa,泊松比為0.3,黏聚力為2MPa,摩擦角為27°,計(jì)算容重為20kN/m3。仰拱混凝土采用C40鋼筋混凝土,彈性模量取32.5GPa,容重取25kN/m3。根據(jù)深埋公路隧道拱部圍巖壓力計(jì)算,得到隧道所受圍巖荷載如圖4所示。

圖4 隧道所受荷載示意圖

為簡(jiǎn)化計(jì)算,僅建立仰拱精細(xì)化模型且不考慮螺栓連接形式、螺栓和螺栓孔之間間隙,也不考慮套管、止水橡膠墊、密封墊的模擬。根據(jù)本文研究重點(diǎn)和實(shí)際情況,預(yù)制塊之間、螺栓表面和預(yù)制塊之間接觸采用面-面接觸單元,其中為了避免實(shí)體單元之間的侵入導(dǎo)致的計(jì)算誤差和突出預(yù)制塊之間的錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象,將螺栓表面和預(yù)制塊之間接觸切向摩擦系數(shù)設(shè)為0.6,預(yù)制塊之間接觸切向摩擦系數(shù)設(shè)為0.3,法向均設(shè)為硬接觸。鋼筋網(wǎng)和混凝土之間通過(guò)將鋼筋網(wǎng)全部嵌入混凝土實(shí)體模型中模擬二者之間連接。

3.2 優(yōu)化方案

對(duì)不同仰拱分塊、不同厚度、不同幅寬情況下箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行模擬研究,以找出鉆爆法公路隧道箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)最優(yōu)選型。

箱型預(yù)制仰拱設(shè)計(jì)分為1、3、5、7分塊(圖5)。模擬計(jì)算中厚度參數(shù)取上部20cm、下部35cm,螺栓強(qiáng)度取8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓,取半幅寬0.6m。

圖5 仰拱結(jié)構(gòu)分塊方案(單位:m)

根據(jù)箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過(guò)改變上、下混凝土厚度進(jìn)行分析?；贘TG3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》建議的襯砌厚度取值范圍(350～650mm),給出優(yōu)化方案見(jiàn)表2。

表2 仰拱混凝土厚度方案

參考盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì),國(guó)內(nèi)常用的管片幅寬在0.3～20m之間[34],箱型仰拱有限元模型采用7分塊設(shè)計(jì),仰拱厚度采用方案2,預(yù)制仰拱參數(shù)見(jiàn)圖5(d),預(yù)制仰拱管片幅寬分別選取0.8、1.0、1.2、1.5、2.0m這5種工況進(jìn)行對(duì)比分析。

3.3 模擬結(jié)果與分析

3.3.1 不同分塊下仰拱力學(xué)特性分析

由圖6可知,預(yù)制仰拱位移基本呈軸對(duì)稱分布,并以中軸為對(duì)稱軸向兩邊遞減。1、3、5、7分塊的豎向最大位移分別為694、89.6、84、76.9mm,水平最大位移分別為119、26.5、25.6、24.1mm。仰拱分塊對(duì)結(jié)構(gòu)位移影響較大,1分塊預(yù)制仰拱最大位移明顯高于其他分塊,且1分塊豎向最大位移遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的141mm,故1分塊結(jié)構(gòu)不符合條件。7分塊雖然接縫最多,但是整體位移為所有分塊中最小。故從預(yù)制仰拱的變形角度來(lái)看,7分塊的箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)為較優(yōu)分塊。

圖6 不同分塊仰拱位移云圖(單位:mm)

圖7、圖8分別為仰拱混凝土拉、壓損傷破壞云圖,其中損傷因子大于0.9可以視為混凝土趨于破壞。平衡后1、3、5、7分塊的拉壞損傷體積分別為1.18、0.75、0.79、0.73m3,壓壞損傷體積分別為0、0.022、0.029、0.073m3。結(jié)合圖7、圖8可知,仰拱結(jié)構(gòu)主要為受拉破壞,預(yù)制仰拱拱端底部、各中柱轉(zhuǎn)角處與接縫部位薄弱易破壞。隨著分塊增加,7分塊拉壞區(qū)域最少,故7分塊最為穩(wěn)定,繼而是3、5分塊,1分塊最易破壞。

采用該技術(shù)建成的全落地式裝配線，主體設(shè)備全部采用落地的安裝方式，完全取代了傳統(tǒng)的空中吊掛方式。減少了大量的鋼結(jié)構(gòu)吊裝結(jié)構(gòu)，大大降低廠房的吊掛荷載；降低了工程投資，縮短了施工周期。該系統(tǒng)主要用于汽車整車廠的汽車總裝線，目前該技術(shù)及設(shè)備在國(guó)內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用，并在世界上其他6個(gè)國(guó)家取得了專利。

圖7 仰拱混凝土拉損傷破壞云圖

圖8 仰拱混凝土壓損傷破壞云圖

HRB400鋼筋的屈服應(yīng)力為400MPa,極限強(qiáng)度為450MPa。由圖9可知,1分塊預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力最大為434.3MPa,大于400MPa或接近400MPa的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他分塊。3分塊和5分塊預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)鋼筋已屈服或接近屈服的區(qū)域主要集中于仰拱兩端及端部上方,且屈服面積十分接近。7分塊預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)鋼筋達(dá)到屈服的面積最少,且只出現(xiàn)于仰拱兩端底部。故說(shuō)明1分塊結(jié)構(gòu)最為脆弱,3、5分塊混凝土拉壞后大部分區(qū)域鋼筋仍能正常工作,7分塊幾乎所有鋼筋都可正常工作。

3.3.2 不同厚度下仰拱力學(xué)特性分析

根據(jù)方案1、2、3的最大位移(表3)可知,下部厚度增加,預(yù)制仰拱豎向和水平位移都明顯減小,但是減小趨勢(shì)變緩。根據(jù)方案2、4、5的最大位移得到仰拱上部厚度增加,仰拱結(jié)構(gòu)豎向位移僅略微減小,方案4、5較方案2水平最大位移都有所增加。故可以得出箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)下部厚度的變化對(duì)于結(jié)構(gòu)位移影響較大,上部厚度的增加對(duì)位移影響較小。故從預(yù)制仰拱的變形角度來(lái)看,當(dāng)預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量滿足機(jī)械承重要求,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加預(yù)制構(gòu)件下部混凝土厚度。

不同仰拱厚度混凝土損傷破壞云圖與圖7(d)和圖8(d)相似,故僅提取平衡后拉、壓壞損傷體積列于表3。根據(jù)方案1、2、3破壞體積可以得出隨著上部厚度增加拉壞損傷體積呈增長(zhǎng)趨勢(shì),壓壞損傷體積減小;根據(jù)方案2、4、5破壞體積可以得出隨著下部厚度增加拉壞損傷體積減小,壓壞損傷體積增大。故仰拱結(jié)構(gòu)以受拉破壞為主,下部混凝土的增加能明顯減小拉壞損傷體積,故在此類箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加下部混凝土厚度。

不同仰拱厚度鋼筋應(yīng)力云圖與圖9(d)相似,故僅提取平衡后不同厚度條件下預(yù)制仰拱內(nèi)鋼筋最大應(yīng)力與達(dá)到屈服應(yīng)力鋼筋體積列于表3。內(nèi)置鋼筋最大應(yīng)力變化不大,方案3預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力最大為402.9MPa,仍未達(dá)到鋼筋極限強(qiáng)度;預(yù)制仰拱厚度增加能有效減小內(nèi)置鋼筋整體受力,隨著預(yù)制仰拱厚度增加,達(dá)到屈服應(yīng)力的內(nèi)置鋼筋體積呈減小趨勢(shì)。

3.3.3 不同幅寬下仰拱力學(xué)特性

表4 不同幅寬仰拱的力學(xué)特性參數(shù)

隨著幅寬的不斷增大,混凝土壓壞損傷體積呈減小趨勢(shì),但是從仰拱幅寬1.2m增加至2.0m時(shí)混凝土壓壞損傷體積幾乎保持不變;混凝土拉壞損傷體積則是不斷減小,但是損傷體積減小幅度從幅寬1.2m后有所減小。因此,仰拱結(jié)構(gòu)主要為受拉破壞,仰拱幅寬的增加能有效減小混凝土拉壞損傷體積,但是隨著仰拱幅寬的不斷增加對(duì)于混凝土受拉體積的影響逐漸減小。仰拱幅寬增加對(duì)于混凝土壓壞損傷體積也存在明顯影響,但是超過(guò)一定幅寬后幅寬增加對(duì)于混凝土壓壞損傷體積的變化幾乎沒(méi)有作用。

幅寬0.8m時(shí)預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力最大為406.6MPa,未達(dá)到鋼筋極限強(qiáng)度。隨著幅寬增加,預(yù)制仰拱達(dá)到幅寬1.5m后內(nèi)置鋼筋最大應(yīng)力出現(xiàn)大幅度減小,但是繼續(xù)增大鋼筋最大應(yīng)力僅略微減小;幅寬達(dá)到1.2m之前隨著幅寬增加達(dá)到屈服應(yīng)力的內(nèi)置鋼筋體積不斷減小,但是幅寬到達(dá)1.5m后達(dá)到屈服應(yīng)力的內(nèi)置鋼筋體積即為0。因此,預(yù)制仰拱幅寬對(duì)于內(nèi)置鋼筋應(yīng)力影響很大,預(yù)制仰拱適當(dāng)增加幅寬能有效減少內(nèi)置鋼筋受力,但是不應(yīng)過(guò)大設(shè)計(jì)從而浪費(fèi)材料。

3.4 隧道圍巖-襯砌結(jié)構(gòu)變形特征

將研究對(duì)象由裝配式仰拱擴(kuò)大至圍巖-襯砌整體結(jié)構(gòu),采用數(shù)值模擬方法建立整體模型,以豎向位移為指標(biāo),研究隧道開挖支護(hù)過(guò)程中圍巖-襯砌結(jié)構(gòu)共同作用形式。由圖10(a)(b)可知,上部圍巖開挖和支護(hù)過(guò)程中,位移主要集中在拱底以及拱頂位置,整體位移不大,支護(hù)結(jié)構(gòu)抑制拱頂位移發(fā)展。由圖10(c)可知,圍巖下部分進(jìn)行初期支護(hù)后圍巖仰拱底部位移較大,達(dá)到40.8mm,隧道底部處于危險(xiǎn)狀態(tài)。由圖10(d)可知,在進(jìn)行二襯及仰拱施作后其拱底位移減小,且底部隆起范圍明顯縮小,這說(shuō)明裝配式仰拱和二襯結(jié)構(gòu)調(diào)整,改善了隧道受力,對(duì)保證整體支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定作用明顯。

圖10 開挖支護(hù)過(guò)程位移變化云圖(單位:m)

3.5 不同箱型預(yù)制仰拱對(duì)比分析

以各參數(shù)最好為2分、次之為1分、最差為0分進(jìn)行比選,結(jié)果見(jiàn)表5,由表5可知,7分塊、上部厚度20cm,下部厚度40cm、幅寬1.2m的箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)形式最為合適。

表5 箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)方案比選匯總

4 結(jié) 論

a.通過(guò)整理收集國(guó)內(nèi)外不同類型隧道預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)用案例,發(fā)現(xiàn)目前裝配式結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于地鐵、鐵路隧道中;因公路隧道開挖方法主要為鉆爆法,且面臨復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)環(huán)境,預(yù)制仰拱應(yīng)用相對(duì)較少,尚處于初步研究階段。

b.設(shè)計(jì)出弧形和箱型兩種預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)形式,其中弧形預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)為目前較為常見(jiàn)的預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)形式,箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)形式是在弧形預(yù)制仰拱基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的精進(jìn)形式。通過(guò)結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)、施工速度、造價(jià)成本等方面綜合比選,得出箱型預(yù)制仰拱為較為合適的預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)形式。

c.箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)主要為受拉破壞,預(yù)制仰拱兩端底部、各個(gè)預(yù)制塊中柱轉(zhuǎn)角處與接縫部位為薄弱易破壞位置。通過(guò)將不同參數(shù)對(duì)仰拱結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行比選,認(rèn)為7分塊、上部厚度20cm、下部厚度40cm、幅寬1.2m的箱型預(yù)制仰拱結(jié)構(gòu)形式最為合適。