高地震烈度區(qū)川藏鐵路隧道護橋明洞結(jié)構(gòu)受力分析
——以安良隧道為例

范雲(yún)鶴，湯 印，余 剛，徐郅崴，辜英晗，陶偉明，曹 彧，匡 亮

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都 610031)

引言

新建川藏鐵路高海拔隧道占比大、特長隧道及隧道群密集，鐵路建設(shè)需面對崇山峻嶺、地形高差、地震頻發(fā)、復(fù)雜地質(zhì)、季節(jié)凍土、山地災(zāi)害、高原缺氧及生態(tài)環(huán)保等難題。川藏鐵路雅安至林芝段位于印度洋板塊和歐亞板塊大規(guī)模碰撞擠壓而隆升的青藏高原及其邊緣地帶，穿越橫斷山、念青唐古拉山和喜馬拉雅山，河流下切和高原侵蝕強烈。沿途山高谷深，地層巖石復(fù)雜多變、地形切割破碎，地震活動劇烈；加之氣候惡劣復(fù)雜，致使內(nèi)外動力地質(zhì)作用強烈，沿線地質(zhì)災(zāi)害種類及其規(guī)模均屬罕見。高山峽谷區(qū)橋隧相連處受地形限制往往采用護橋明洞[1-5]，但是對于高地震烈度區(qū)的護橋明洞結(jié)構(gòu)受力分析至關(guān)重要，類似研究相對較少[6-10]，然而川藏線多個隧道采用護橋明洞結(jié)構(gòu)，分析高地震烈度下樁基托梁受力情況對工程設(shè)計有重要意義[11-13]。

以安良隧道為例，主要采用Midas Civil三維有限元軟件，研究橋隧相接處明洞樁基托梁結(jié)構(gòu)整體在恒載+多遇地震組合情況下的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力及下部結(jié)構(gòu)樁基內(nèi)力，為此類問題的研究和解決提供參考。

1 工程概況

安良隧道位于火夾仲站至新都橋站區(qū)間，全隧設(shè)計為單洞雙線隧道，全長2 306 m，隧道最大埋深約317 m。隧區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土、角礫土、碎石土，進、出口下方溝谷內(nèi)覆蓋第四系全新統(tǒng)洪積層角礫土、圓礫土、卵石土及粉質(zhì)黏土，隧址區(qū)下伏基巖為三疊系上統(tǒng)兩河口組三段的板巖夾少量石英砂巖。隧區(qū)內(nèi)50年超越概率10%，平均場地水平地震動加速度峰值為0.2g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.4 s。瓦澤河大橋昌都端橋臺伸入隧道進口端，瓦澤1號特大橋雅安端橋臺伸入隧道出口端，橋隧相接處均采用護橋明洞襯砌。

隧道進口耳墻下方各采用一條長11 m承臺，承臺截面尺寸為4.0 m(寬)×2.5 m(高)，進口承臺下方布置16根φ1.0 m圓樁，圓樁擬采用鋼筋混凝土灌注樁，樁長8～12 m。橋臺開挖后，臨時邊坡采用錨噴防護，橋臺背后采用輕質(zhì)礦渣及時回填密實。以隧道進口為例開展研究工作，隧道進口明洞主要難點在于：橫斷面方向地形偏壓較為明顯，左右側(cè)樁基嵌入端軟硬不均明顯，深厚土層下橋臺放坡開挖導(dǎo)致樁基懸臂端較長。隧道進口樁基托梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 安良隧道樁基托梁結(jié)構(gòu)(DK382+023)(單位：cm)

2 模型介紹與參數(shù)設(shè)置

利用Midas Civil建立三維有限元模型，其中，上部結(jié)構(gòu)(襯砌、耳墻、端墻、承臺)采用實體單元，下部樁基礎(chǔ)采用梁單元。網(wǎng)格尺寸控制在0.5 m左右，模型單元共14 348個。

樁基與承臺采用剛性連接，模擬樁基與承臺的連接效果；樁基從上至下，依次為懸臂段、土層嵌入段、基巖嵌入段，將簡化后的嵌入長度施加徑向土彈簧，模擬土層抗力，不計切向抗力作用。樁基底部施加固定約束，假定其嵌入基巖一定深度后不發(fā)生位移。

考慮結(jié)構(gòu)自重、上覆土石重力及地震力的作用，計算組合分為2種：恒載工況、恒載+特殊荷載，具體工況如表1所示。

表1 計算工況

反應(yīng)譜計算前，應(yīng)進行振型計算，確定特征周期和振型參與質(zhì)量，取前200階進行計算，累積振型質(zhì)量參與系數(shù)達到95%以上，符合分析要求。根據(jù)表2振型分析結(jié)果：在X方向(與線路垂直)的質(zhì)量參與比率為88.89%，為隧道橫向第一振型；在Y方向(沿線路方向)的質(zhì)量參與比率為89.52%，為隧道縱向第一振型；在Z方向(豎直方向)的質(zhì)量參與比率為37.42%，為結(jié)構(gòu)豎向第一振型。由此可見，地震荷載作用下，整個結(jié)構(gòu)主要在X方向和Y方向發(fā)生位移，Z方向位移較小。

表2 主振型模態(tài)質(zhì)量參與比率及頻率

3個方向主要振型形狀如圖2所示。

圖2 模型在X、Y、Z方向主振型形狀

3 計算結(jié)果

3.1 樁基內(nèi)力分析

在地震荷載作用下，橫向和縱向地震力作用會使樁基產(chǎn)生軸力[14]，橫向地震力會使樁基產(chǎn)生X方向位移和Y方向的彎矩；縱向地震力會使樁基產(chǎn)生Y方向位移和X方向的彎矩，整個明洞結(jié)構(gòu)在水平方向的扭轉(zhuǎn)會使樁基產(chǎn)生Z方向的彎矩。

(1)工況1內(nèi)力分析

樁基結(jié)構(gòu)在工況1恒載組合下的軸力及彎矩云圖如圖3所示。樁序按照從左至右、從前至后依次為1號、2號、9號、10號、3號、4號、11號、12號、5號、6號、13號、14號、7號、8號、15號、16號。

從圖3可以看出：恒載作用下，樁基軸力差異較小，為1326～1904 kN；y方向彎矩主要集中在左側(cè)樁，最大值位于7號、8號樁，為483 kN·m；z方向彎矩量值較小，明暗分界處增大較為明顯，最大值位于7號～8號樁，為38.9 kN·m。主要由于左側(cè)樁嵌入巖層深度較小。

圖3 恒載作用下的恒載作用下樁基內(nèi)力

(2)工況2、工況3內(nèi)力分析

樁基結(jié)構(gòu)在工況2、工況3，恒載+多遇地震(特殊荷載)作用下的軸力及彎矩最大、最小值包絡(luò)云圖，如圖4～圖6所示。由圖可知，在恒載+多遇地震作用下，隧道明暗分界處最右側(cè)的樁基會出現(xiàn)一定拉力；y方向彎矩最大值位于樁與承臺分界處，且左側(cè)樁彎矩明顯大于右側(cè)；z方向彎矩最大值位于明暗分界8號～9號樁，且左側(cè)樁彎矩明顯大于右側(cè)。由于明暗分界位置基巖厚度大，設(shè)計樁長較短故彎矩較其他位置大。

圖4 恒載+多遇地震作用下樁基軸力(單位：kN)

圖5 恒載+多遇地震作用下樁基彎矩My(單位：kN·m)

圖6 恒載+多遇地震作用下樁基彎矩Mz(單位：kN·m)

結(jié)合計算結(jié)果分析，受隧道進口左右側(cè)地形偏壓和土巖分布不均影響，導(dǎo)致左側(cè)樁懸臂端和嵌入土層段較長，因此，橫向地震作用時位移較大，內(nèi)力較大；由于線路縱坡較陡，土巖分層差異明顯，且樁長沿近隧方向依次遞減，因此，明暗分界處樁在縱向地震作用內(nèi)力較大。

由于地層軟硬不均變化較為明顯，需針對每根樁開展針對性配筋設(shè)計，可按軸向、y向彎矩、z向彎矩分別提取其內(nèi)力極大(小)值，并根據(jù)內(nèi)力極值和對應(yīng)內(nèi)力值進行配筋和承載能力驗算。

3.2 明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

上部結(jié)構(gòu)為實體單元，通過分析其第一、三主應(yīng)力變化情況，來判識其受力情況，以確定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是否滿足結(jié)構(gòu)抗拉、抗壓強度要求。最大、最小主應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 明洞上部結(jié)構(gòu)主應(yīng)力(單位：MPa)

由圖7可知：在恒載作用下，上部混凝土結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力為4.6 MPa，位于拱頂襯砌內(nèi)側(cè)，表現(xiàn)為受拉，最小主應(yīng)力為1.0 MPa，位于襯砌內(nèi)側(cè)拱腰，表現(xiàn)為受壓，根據(jù)TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[15]中表3.1.4，混凝土中心受壓或彎曲受壓的極限應(yīng)力分別為9.4 MPa和11.8 MPa，抗壓可滿足要求，抗拉可配置鋼筋由鋼筋混凝土協(xié)同承擔(dān)。提取工況2和工況3下的主應(yīng)力極值，如表3所示。

表3 上部結(jié)構(gòu)在恒載+多遇地震時最大(小)主應(yīng)力 MPa

整體上，工況2和工況3結(jié)構(gòu)主應(yīng)力相對工況1有所增加，但量值相對較小，均滿足TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》容許應(yīng)力要求，僅通過構(gòu)造配筋即可滿足承載能力要求。

3.3 明洞結(jié)構(gòu)配筋結(jié)果

(1)樁基配筋結(jié)果

根據(jù)計算數(shù)據(jù)，進一步篩選主要樁基在3種工況下的最不利單元點，確定配筋驗算內(nèi)力，選取1號～16號樁基最大配筋結(jié)果，如表4所示。

表4 樁基配筋結(jié)果

根據(jù)最終配筋結(jié)果，為便于設(shè)計，建議1號～16號樁配筋按34根φ25 mm考慮(兩根一束，共17束)；環(huán)向箍筋根據(jù)TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中6.3.3條規(guī)定[16]，取φ12 mm鋼筋，上部土層段及懸臂段間距200 mm布置，基巖段間距400 mm布置。

(2)明洞上部結(jié)構(gòu)配筋結(jié)果

對上部結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力分析，結(jié)構(gòu)最不利位置基本位于襯砌拱部內(nèi)側(cè)或腰部，但整體上量值較小。以最不利位置進行內(nèi)力配筋，上部結(jié)構(gòu)襯砌雙向配筋5φ20 mm即可，耳墻與承臺連接處縱向每延米雙向配筋14φ20 mm。箍筋根據(jù)構(gòu)造配筋，按φ10 mm@200 mm布置，配筋結(jié)果如表5所示。

表5 上部結(jié)構(gòu)配筋結(jié)果

4 結(jié)論

經(jīng)對川藏鐵路安良隧道進口樁基托梁計算分析，得出以下結(jié)論。

(1)以安良隧道為例研究高地震烈度區(qū)護橋明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力，以此作為川藏鐵路護橋明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。分析結(jié)果表明，安良隧道進口護橋明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力均在安全范圍內(nèi)，配筋和加強構(gòu)造措施滿足結(jié)構(gòu)正常使用要求和抗震性能水平。

(2)由于隧道進口左右側(cè)地形偏壓和土巖分布不均影響，導(dǎo)致左側(cè)樁懸臂端和嵌入土層段較長，因此，橫向地震作用時位移較大，內(nèi)力較大；由于線路縱坡較陡，土巖分層差異明顯，且樁長沿近隧方向依次遞減，因此，明暗分界處樁在縱向地震作用內(nèi)力較大。

(3)受地震力影響，隧道進口明暗分界處最右側(cè)的樁基存在一定拉力，但量值較小，滿足結(jié)構(gòu)抗拔要求，樁基整體均滿足豎向承載能力要求。

(4)安良隧道進口護橋明洞上部結(jié)構(gòu)受地震作用影響較小，內(nèi)力值相比恒載工況時反而有所降低，通過構(gòu)造配筋即可滿足承載能力要求。