某超高填方隧道套拱襯砌設(shè)計及力學(xué)分析

李 鴻

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039)

對于超高填方隧道，襯砌結(jié)構(gòu)受地層土壓力荷載大，襯砌厚度和裂縫控制困難，當(dāng)裂縫控制不滿足要求，但是結(jié)構(gòu)安全滿足條件時，過度增加襯砌厚度和鋼筋數(shù)量將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不合理、造價急劇增加等問題[1-7]。因此，在隧道變形基本穩(wěn)定時，設(shè)計采用對隧道裂縫進(jìn)行病害處理方式處理后，再增加內(nèi)側(cè)套拱的方案[8-13]，來解決襯砌厚度過厚和鋼筋數(shù)量過多的問題。本文介紹了某市鐵路樞紐環(huán)線超高填方隧道套拱設(shè)計的設(shè)計荷載種類，豎向土壓力分布模式計算，運營、施工階段隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，結(jié)構(gòu)豎向不均勻沉降的力學(xué)分析情況。

1 工程概況

該隧道位于某市鐵路樞紐環(huán)線，隧道全長540 m，平面為直線，設(shè)計縱坡25 ‰，線路高程348.95～364.57 m，位于規(guī)劃機(jī)場跑道下方。隧道寬17.5 m，襯砌厚度1.6 m，為保證結(jié)構(gòu)耐久性在襯砌內(nèi)施作0.4 m套拱，如圖1所示。隧區(qū)屬丘陵地貌，原始地面高程359.38～388.20 m，相對高差約30 m，地形起伏較?。谎鼐€多為旱地，植被不發(fā)育，附近有多條鄉(xiāng)村道路，交通便利；最終設(shè)計填方標(biāo)高為383.65～405.18 m，隧道頂部填方高度10～40 m。

隧址區(qū)原始地形為天然溝壑，主要地層為第四系全新統(tǒng)人工棄填土、坡洪積殘積層、粉質(zhì)黏土，侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖夾砂巖。為單斜構(gòu)造，無不良地質(zhì)，特殊巖土為人工棄土、填土，埋深僅為5～18 m，且地表分布厚層棄填塊石土、粉質(zhì)黏土、人工筑填土等。隧區(qū)地表水不發(fā)育且無侵蝕性，隧道施工時地下水以滴水、浸出為主，環(huán)境等級為T2。

圖1 套拱襯砌斷面構(gòu)造(單位：cm)

2 隧道設(shè)計荷載

2.1 荷載種類

2.1.1 豎向靜載

本隧道結(jié)構(gòu)荷載的最重要來源為填方荷載，可分解為豎向荷載和橫向荷載兩個方面。由于填方體的土拱效應(yīng)并不明確，以相對保守的泰沙基松散體理論為基礎(chǔ)考慮初始荷載。

2.1.2 施工期臨時荷載

在隧道結(jié)構(gòu)上部填方時，考慮壓路機(jī)及強(qiáng)夯機(jī)等臨時荷載作用于隧道結(jié)構(gòu)上方土體。對于碾壓工況，驗算采用運輸車限重為250 kN，考慮1.2動載系數(shù)修正為300 kN，以某市面常見滿載質(zhì)量為25 t自卸車為例，其荷載分布形式見圖2。設(shè)計選用的壓路機(jī)自重約為80 kN，遠(yuǎn)小于運輸車輛的滿載重量，無須單獨進(jìn)行驗證。同時要求每10 m×10 m的區(qū)域中工作車輛不得超過1臺，避免兩部車輛荷載的情形。

圖2 拱頂填方運輸車輛荷載分布模型(單位：cm)

2.1.3 運營期附加荷載

隧道縱軸線距離第四跑道線路中線約120 m，無需考慮飛機(jī)荷載作用于結(jié)構(gòu)范圍，但考慮到隧道洞頂填方后期建有機(jī)場場坪等運營相關(guān)的小型建構(gòu)筑(如導(dǎo)航燈帶、導(dǎo)航天線)，以及地勤工作車輛通行，上部附加荷載按20 kPa取值。

2.2 填方終態(tài)結(jié)構(gòu)豎向土壓力確定

襯砌所受荷載分布及大小與既有地形、巖層等有關(guān)，為了解地形及巖層對襯砌荷載的影響，利用MIDAS/GTS有限元軟件建立計算斷面的地層結(jié)構(gòu)模型，見圖3，計算分析襯砌拱頂處平面的豎向土壓力變化趨勢，以此趨勢來推斷襯砌豎向土壓力的分布形式和數(shù)值大小，并采用推定的荷載模式對襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載結(jié)構(gòu)模型計算，驗算襯砌結(jié)構(gòu)的截面承載能力及裂縫。

按照施工順序，地層結(jié)構(gòu)模型計算順序為：自重應(yīng)力平衡→位移置零→明洞開挖→襯砌施作→明洞回填，圖4為明洞回填后的豎向應(yīng)力云圖。

圖3 控制斷面豎向土壓力分布計算模型

圖4 明洞回填后的豎向應(yīng)力云圖(單位：kPa)

定義回填后豎向土壓力增大系數(shù)μ為σy/γh，其中，σy為回填后襯砌承受的豎向土壓力，γ為地層容重，h為計算點埋深。可以得到，明洞襯砌范圍內(nèi)豎向土壓力增大系數(shù)μ分布，如圖5所示。

圖5 襯砌豎向土壓力增大系數(shù)沿橫斷面分布

對上圖分析可知，明洞范圍內(nèi)，實際豎向荷載與γh的比值最小值為0.93，最大值為1.28。偏于安全考慮，荷載結(jié)構(gòu)模式計算如下三種分布模式：

(1)荷載模式一：假設(shè)作用于明洞頂部的豎向土壓力為均布荷載，出于保守考慮，建模計算時的豎向土壓力取1.3倍γh值，如圖6所示。

圖6 均布豎向土壓力分布形式

γh

γh

圖7 偏心豎向土壓力分布形式一

(3)荷載模式三：假設(shè)作用于明洞頂部的豎向土壓力為偏心荷載。出于保守考慮，建模計算時左右兩端豎向土壓力分別取0.9和1.3倍值，如圖8所示。

圖8 偏心豎向土壓力分布形式二

3 運營階段結(jié)構(gòu)分析

用MIDAS/GTS建立荷載結(jié)構(gòu)模型，分別施加荷載模式一～荷載模式三荷載，可計算得運營工況襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況，以荷載模式一計算情況為例進(jìn)行說明，如圖9～圖11所示為結(jié)構(gòu)軸力、彎矩、剪力分布。

圖9 荷載模式一襯砌軸力(單位：kN)

圖10 荷載模式一襯砌彎矩(單位：kN·m)

圖11 荷載模式一襯砌剪力(單位：kN)

根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》關(guān)于破損階段法及正截面在偏壓荷載作用下安全系數(shù)求解方法的相關(guān)規(guī)定，得出襯砌關(guān)鍵控制截面的內(nèi)力、安全系數(shù)及裂縫寬度如表1所示。

表1 荷載模式一關(guān)鍵截面內(nèi)力值及驗算

由表1計算可得，襯砌各控制截面的安全系數(shù)均大于2.4(主要荷載組合作用下，鋼筋達(dá)到計算強(qiáng)度或混凝土達(dá)到抗壓或抗剪極限強(qiáng)度時，安全系數(shù)應(yīng)大于2.0；混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度，安全系數(shù)應(yīng)大于2.4)，拱腰、邊墻、拱腳、仰拱彎矩與軸力比值較小，處于小偏心受壓狀態(tài)，裂縫寬度均滿足要求。拱頂處的裂縫寬度為0.22 mm，不滿足規(guī)范要求，因此當(dāng)回填至設(shè)計標(biāo)高后，且裂縫發(fā)展穩(wěn)定后，對于寬度大于0.2 mm既有裂縫進(jìn)行處理，并施作套拱襯砌。

4 施工階段結(jié)構(gòu)分析

考慮到明洞上方回填至2 m后會采用大型機(jī)械進(jìn)行施工，需要對施工中存在的附加荷載工況進(jìn)行承載能力驗算。計算模式如圖12所示，附加荷載列于表2。

圖12 施工工況荷載施加節(jié)點示意

表2 施工工況節(jié)點荷載(附加荷載) kN

回填土壓力按2.6 m考慮，認(rèn)為回填土厚度較薄，對機(jī)械設(shè)備荷載的擴(kuò)散作用不明顯。利用MIDAS/GTS建立襯砌結(jié)構(gòu)模型，計算得出襯砌的內(nèi)力分別如圖13～圖15所示。

圖13 施工工況襯砌軸力云圖(單位：kN)

圖14 施工工況襯砌彎矩云圖(單位：kN·m)

圖15 施工工況襯砌剪力云圖(單位：kN)

5 不均勻沉降分析

由于不同里程隧道上方回填土高度差異大、同一里程填土橫向坡度大、隧道底部圍巖工程地質(zhì)條件不均勻等不利因素，需要分析襯砌結(jié)構(gòu)在橫向及縱向上的不均勻沉降程度。以JDK15+442與JDK15+590兩個里程為計算對象，采用地層結(jié)構(gòu)模型分析襯砌結(jié)構(gòu)的橫向及縱向差異沉降，計算模型如圖16所示。

圖16 不均勻沉降計算模型

重點分析明洞襯砌結(jié)構(gòu)施作完成、隧道上方回填至設(shè)計標(biāo)高后的結(jié)構(gòu)變形情況，計算結(jié)果如圖17、圖18所示。

從圖17、圖18可以看出，襯砌結(jié)構(gòu)在橫向上墻腳位置沉降大，仰拱處沉降小。JDK15+442里程，結(jié)構(gòu)橫向最大沉降差為5.4 mm；JDK15+590里程，結(jié)構(gòu)橫向最大沉降差為4.4 mm；在橫向上，明洞結(jié)構(gòu)整體傾斜很小。

從圖19可以看出，襯砌結(jié)構(gòu)在JDK15+442與JDK15+590里程處的縱向差異沉降為8.1 mm，縱向長度為148 m，故襯砌結(jié)構(gòu)縱向傾斜值為1/18272，縱向不均勻沉降較小。同時計算采用的是兩個不同斷面分開計算得到的隧道沉降，沒有考慮隧道結(jié)構(gòu)的縱向效應(yīng)，實際縱向沉降差異應(yīng)該更小。

圖17 JDK15+442豎向位移云圖

圖18 JDK15+590豎向位移云圖

圖19 不同里程襯砌結(jié)構(gòu)基底變形曲線

6 結(jié)束語

(1)對于超高填方隧道，受地層土壓力荷載影響大，襯砌厚度和裂縫控制困難，本設(shè)計采用對隧道裂縫進(jìn)行病害處理后，再增加內(nèi)側(cè)套拱的方案，解決襯砌厚度過厚和鋼筋數(shù)量過多的問題。

(2)高填方隧道襯砌豎向土壓力分布受地形、地質(zhì)等多種因素影響，襯砌結(jié)構(gòu)受的豎向土壓力按均布、梯形偏壓、雙梯形偏壓分布等效。

(3)高填方隧道襯砌結(jié)構(gòu)除需考慮運營工況外，仍需考慮施工工況回填過程、施工器械，地層回填導(dǎo)致的縱向和橫向不均勻沉降分析。