波紋鋼-混凝土組合明洞在雙線鐵路隧道洞口防護(hù)中的應(yīng)用

王君順

蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州730070

我國(guó)西部高山峽谷區(qū)地勢(shì)陡峭，鐵路及公路穿越該區(qū)通常需要修建大量隧道。受建設(shè)期地質(zhì)條件、地形地貌、工程造價(jià)、設(shè)計(jì)理念、施工條件等的限制，個(gè)別服役隧道口存在刷坡范圍大、邊坡防護(hù)不到位、防護(hù)明洞結(jié)構(gòu)過(guò)短或應(yīng)設(shè)未設(shè)等情況。加之降雨、風(fēng)化、地震等自然因素影響，隧道洞口可能產(chǎn)生危巖落石、邊仰坡表層坍塌失穩(wěn)滑落等工程地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著線路的運(yùn)營(yíng)安全［1］。

鐵路運(yùn)營(yíng)期諸多隧道洞口不良地質(zhì)問(wèn)題的凸顯已引起工程技術(shù)人員對(duì)洞口工程安全的日益重視［2-3］。新建隧道常采用接長(zhǎng)明洞、棚洞、設(shè)置主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)等綜合方式進(jìn)行有效防護(hù)［4-5］。對(duì)于已運(yùn)營(yíng)的線路，尤其雙線線路，受洞口場(chǎng)地狹小、繁忙干線天窗點(diǎn)少、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工工期長(zhǎng)、工序復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高等因素影響，常采用主、被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。上述方法對(duì)于崩塌落石的運(yùn)動(dòng)軌跡和滑坡體的范圍很難定位，往往是治標(biāo)不治本。明洞具有結(jié)構(gòu)剛度大、抗沖擊能力強(qiáng)、防護(hù)范圍大、結(jié)構(gòu)抗滑移性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而，如何快速、高效、安全地接長(zhǎng)既有干線鐵路隧道洞口明洞成為急需解決的工程難題。

近年來(lái)，專(zhuān)家學(xué)者對(duì)隧道洞口采用的波紋板防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了大量研究［6］。付兵先等［7］利用足尺試驗(yàn)分析不同沖擊能量下隧道洞口波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及基礎(chǔ)受力特性，應(yīng)用LS?DYNA動(dòng)力學(xué)軟件建立落石沖擊波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析模型，對(duì)落石沖擊作用下波紋板防護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形及基礎(chǔ)壓力進(jìn)行了分析。王偉等［8］提出采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)鋼波紋板套襯加固前后的隧道段進(jìn)行掃描，建立包括外業(yè)掃描和內(nèi)業(yè)處理的標(biāo)準(zhǔn)化工作流程。杜鋒濤［9］以漢中市108國(guó)道槐樹(shù)關(guān)隧道波紋鋼板拱在隧道套拱加固技術(shù)中的應(yīng)用為例，分析總結(jié)波紋鋼板拱定位、拼裝的施工方法和加固后的效果。陳望祺等［10］提出使用波紋鋼板套襯的襯砌加固方法，使用化學(xué)錨栓將波紋鋼板與襯砌混凝土連接，并在中間添加填充材料，對(duì)加固效果進(jìn)行有限元數(shù)值分析。

本文在已有研究工作的基礎(chǔ)上，以蘭青鐵路二線一運(yùn)營(yíng)雙線鐵路隧道洞口工程為依托，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、理論分析、數(shù)值模擬等手段，對(duì)波紋鋼-混凝土組合式明洞應(yīng)用于既有線隧道洞口防護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究，為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

蘭青鐵路二線為聯(lián)系甘肅和青海的鐵路干線，設(shè)計(jì)速度為160 km/h，2008年開(kāi)通。該隧道洞口位于河流北岸高階地前緣近坡腳地帶，地形起伏較大，地面相對(duì)高差約120 m，主要地層為砂質(zhì)黃土、卵石層、泥巖。洞口明洞長(zhǎng)15 m，斜切式洞門(mén)，仰坡設(shè)有被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，線路右側(cè)的高階地黃土陡坎設(shè)有擋土樁，洞口段路基邊坡設(shè)有重力式擋墻、錨索等防護(hù)結(jié)構(gòu)。

蘭青鐵路二線開(kāi)通運(yùn)營(yíng)多年來(lái)，由于受降雨、地震、風(fēng)化、溫度等因素作用，隧道洞口病害頻發(fā)，經(jīng)多次病害整治，均未能有效消除直立狀陡坎崩塌對(duì)既有鐵路運(yùn)營(yíng)安全的威脅。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，總結(jié)出隧道洞口病害類(lèi)型如下：

1）直立黃土陡坎風(fēng)化剝落。在洞口頂部及線路右側(cè)的高階地上分布有長(zhǎng)約100 m，高約30～50 m的砂質(zhì)黃土層，其下部粗圓礫層及泥巖層風(fēng)化剝落嚴(yán)重，砂質(zhì)黃土層多呈近直立狀的陡坎，在降雨、地震等災(zāi)害作用下，極易失穩(wěn)崩塌。運(yùn)營(yíng)期多次進(jìn)行坡面加固，鋪設(shè)防水布、增設(shè)抗滑樁，在隧道洞口仰坡上方仍有剝落崩塌體。

2）邊坡風(fēng)化開(kāi)裂。洞口坡面噴射混凝土開(kāi)裂剝落，圍巖裸露，噴錨失效，邊坡頂部局部位置出現(xiàn)較深滑塌、溜坍，體積較大。

3）支擋結(jié)構(gòu)變形開(kāi)裂。隧道洞口重力式擋墻局部開(kāi)裂，形成錯(cuò)臺(tái)，裂縫最大3 mm，錯(cuò)臺(tái)高5 cm。

2 組合式明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

既有線為繁忙干線，天窗時(shí)間短（2～3 h），為減小既有線施工對(duì)線路造成的干擾，結(jié)合洞口地形地質(zhì)條件，隧道出口設(shè)置長(zhǎng)107.5 m波紋鋼-混凝土組合式明洞結(jié)構(gòu)，襯砌斷面見(jiàn)圖1。明洞為C35鋼筋混凝土，厚80 cm，內(nèi)模采用300 mm×110 mm×7 mm鍍鋅鋼波紋板，為減小拆模及對(duì)運(yùn)營(yíng)干擾，提高施工效率，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)制拼裝。

圖1 明洞襯砌斷面（單位：cm）

板材分為A型和B型兩種，板材之間采用M24高強(qiáng)度螺栓連接，鋼波紋板每環(huán)縱向搭接不小于5 cm，環(huán)向搭接不小于12.5 cm，每環(huán)拼裝方式展開(kāi)如圖2。

圖2 每環(huán)波紋鋼展開(kāi)（單位：mm）

為增強(qiáng)波紋鋼-混凝土組合明洞整體強(qiáng)度及穩(wěn)定性，考慮運(yùn)營(yíng)接觸網(wǎng)安全及明洞襯砌自重變形，將襯砌斷面半徑加大5 cm，明洞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)下部設(shè)置承臺(tái)梁基礎(chǔ)，承臺(tái)梁頂面背靠背設(shè)置一對(duì)L形角鋼，通過(guò)預(yù)埋地腳螺栓固定。為控制鋼波紋板變形，提高鋼波紋板與混凝土間的黏結(jié)力，增加鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的整體性，在波紋板上設(shè)置剪力釘和U形鎖扣，見(jiàn)圖3。鋼波紋板外圍設(shè)置勁性鋼筋骨架，剪力釘將波紋板與混凝土連接，U形鎖扣將鋼波紋板與勁性鋼筋骨架連接，混凝土與勁性鋼筋骨架握裹。

圖3 波紋鋼-混凝土連接方式（單位：mm）

3 明洞結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型

選取代表性里程K61+050—K61+083段明洞為典型斷面，進(jìn)行施工過(guò)程和運(yùn)營(yíng)期抗沖擊荷載數(shù)值分析。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，采用ANSYS建立有限元模型，見(jiàn)圖4。

圖4 整體有限元模型（單位：m）

模型寬75.6 m，左邊界高30 m，右邊界高50 m，邊坡高20 m，坡頂平臺(tái)和坡腳平臺(tái)長(zhǎng)20 m。模型底邊界約束水平（x軸）和豎向（y軸）位移，兩個(gè)側(cè)邊界約束法向（z軸）位移。回填土石、明洞混凝土襯砌、邊墻、承臺(tái)梁和地層均采用四節(jié)點(diǎn)平面單元plane42模擬，波紋鋼板采用beam3梁?jiǎn)卧M。設(shè)計(jì)中波紋鋼板與混凝土襯砌采用剪力釘連接，因此假設(shè)二者共同受力，協(xié)調(diào)變形，采用共節(jié)點(diǎn)方式連接。

計(jì)算模型中回填土石、人工填土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖采用DP模型。明洞混凝土襯砌、承臺(tái)基礎(chǔ)梁、邊墻、波紋鋼板（Q345）、基巖（弱風(fēng)化泥巖）采用彈性模型。波紋鋼板根據(jù)剛度等效原理，將其等效為矩形截面梁。計(jì)算公式為

式中：I為波紋鋼板慣性矩；A為波紋鋼板截面面積；b為等效矩形截面寬度，平面模型取1 m；h為等效矩形截面高度。

計(jì)算模型中采用的波紋鋼型號(hào)為波距300 mm-波高110 mm-厚度7 mm，在CAD中建立幾何模型，可換算得到單位波距上的慣性矩I=7.91×0-6m4，截面面積A=0.010 16 m2，代入式（1）可得等效矩形截面高度h。計(jì)算材料參數(shù)根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］選取，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算中考慮兩種階段，即明洞施工階段和運(yùn)營(yíng)階段。施工階段采用ANSYS中生死單元法進(jìn)行模擬，運(yùn)營(yíng)階段在施工階段的計(jì)算分析基礎(chǔ)上，施加落石沖擊荷載。

3.2 落石沖擊荷載

明洞建成運(yùn)營(yíng)期間，要承受偶然發(fā)生的落石沖擊荷載，沖擊力的確定是明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。由于落石沖擊過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的高度非線性問(wèn)題，沖擊力與落石形態(tài)、沖擊能量（速度）、沖擊接觸時(shí)間、回彈效應(yīng)、運(yùn)動(dòng)形態(tài)（如平動(dòng)、滾動(dòng)、滑動(dòng)、彈跳）、墊層力學(xué)參數(shù)等密切相關(guān)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)沖擊荷載的確定進(jìn)行了深入研究，提出了不同的計(jì)算方法，如我國(guó)鐵路隧道設(shè)計(jì)手冊(cè)法［12］、日本算法［13］、瑞士算法［14］、澳大利亞算法［15］、楊其新法［16］等。但由于問(wèn)題的復(fù)雜性，即使對(duì)于同一工程不同方法得到的計(jì)算結(jié)果差異性也很大［17］。

為簡(jiǎn)化計(jì)算分析，假設(shè)落石為自由落體運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能全部轉(zhuǎn)換為沖擊動(dòng)能，并且落石沖擊后不發(fā)生回彈，與墊層密切接觸。根據(jù)能量原理和沖量定理有

式中：Q為落石沖擊能量；m為落石質(zhì)量；g為重力加速度；v為落石沖擊速度；F為落石沖擊力；Δt為落石沖擊時(shí)間。

落石沖擊時(shí)間Δt可采用文獻(xiàn)［11］建議的彈性壓縮波理論求解，即

式中：H為墊層厚度；C為壓縮波波速；E為墊層的彈性模量；ρ為墊層密度；μ為墊層泊松比。

假定落石形狀為直徑1.0 m的球體，密度為2 500 kg/m3，質(zhì)量為1 309 kg。根據(jù)實(shí)際工程，確定合理的沖擊能量，將表1中回填土層參數(shù)代入式（2）和式（3），可確定沖擊力。計(jì)算中假設(shè)落石沖擊力以集中力形式施加于明洞拱頂正上方回填土層（厚度2 m）節(jié)點(diǎn)上。

根據(jù)Muraishi等［18］對(duì)日本某鐵路沿線發(fā)生的落石沖擊能量的統(tǒng)計(jì)分析，落石能量大致呈正態(tài)分布，大部分統(tǒng)計(jì)樣本分布在1～100 kJ區(qū)間內(nèi)，小于1 000 kJ的樣本大致占90%。實(shí)際工程中，較大體積的落石（即沖擊能量大）可采用工程手段進(jìn)行清除，因此本文計(jì)算時(shí)落石沖擊能量最大值取100 kJ，沖擊力計(jì)算工況見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

圖5為不同階段下明洞結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力（主拉應(yīng)力）云圖?？梢钥闯鰞煞N階段第一主應(yīng)力分布規(guī)律大致相同，在明洞拱圈與邊墻連接處和明洞靠山側(cè)外緣應(yīng)力較為集中。明洞建成后，第一主應(yīng)力最大值約為358 kPa，施加落石沖擊荷載后最大值約為690 kPa，比施工階段增加了92.7%。這說(shuō)明落石沖擊荷載對(duì)明洞結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力產(chǎn)生了顯著影響。

圖5 不同階段下明洞結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖6為不同階段下明洞結(jié)構(gòu)位移云圖?？梢钥闯鰞煞N階段位移云圖分布規(guī)律相似。明洞建成后，位移最大值為2.444 mm，施加落石沖擊荷載后，位移最大值為2.672 mm，與施工階段相比增加了9.3%，與圖5主拉應(yīng)力相比，位移增加量較小，說(shuō)明落石沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響更為顯著。

圖6 不同階段下明洞結(jié)構(gòu)位移云圖（單位：m）

圖7為明洞混凝土襯砌主應(yīng)力最大值與沖擊能量關(guān)系曲線，圖中沖擊能量為0代表施工工況（即只有自重作用）。可以看出隨著沖擊能量的增加，主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力在0～20 kJ內(nèi)呈非線性增加，超過(guò)20 kJ時(shí)大致呈線性增加。并且沖擊荷載產(chǎn)生的主應(yīng)力增量相比自重作用增長(zhǎng)巨大，因此沖擊荷載是明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)。若以C35混凝土單軸抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為控制標(biāo)準(zhǔn)，則本明洞結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能大致為70 kJ。

圖7 明洞結(jié)構(gòu)混凝土主應(yīng)力最大值與沖擊能量關(guān)系曲線

圖8為波形鋼板主應(yīng)力最大值與沖擊能量關(guān)系曲線。可以看出，沖擊能量超過(guò)10 kJ時(shí)，隨著沖擊能量的增加，主應(yīng)力最大值呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)，且主壓應(yīng)力普遍高于主拉應(yīng)力，但波形鋼板應(yīng)力數(shù)值均較小，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度345 MPa。

圖8 波形鋼板主應(yīng)力最大值與沖擊能量關(guān)系曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施要點(diǎn)

1）按照鐵路部門(mén)評(píng)審過(guò)的施工方案組織進(jìn)場(chǎng)實(shí)施。利用天窗點(diǎn)拆除既有洞門(mén)帽檐、擋墻。天窗點(diǎn)結(jié)束后，清理現(xiàn)場(chǎng)廢棄材料，確保未拆除混凝土塊不會(huì)掉落。

2）波紋鋼板6 m為一環(huán)，分段吊裝施工。吊裝前用螺栓緊固拼裝成型后，測(cè)定一次截面形狀，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)再繼續(xù)拼裝，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)及時(shí)調(diào)整。拼裝合格后，應(yīng)在空曠場(chǎng)地試吊，確保拼裝形狀、螺栓緊固，預(yù)緊力扭矩控制值270～410 N·m。

3）波紋鋼板每環(huán)質(zhì)量11.3 t，采用50 t吊車(chē)進(jìn)行試吊合格后，選擇天窗時(shí)間，接觸網(wǎng)停電進(jìn)行吊裝作業(yè)。吊裝時(shí)應(yīng)保證起吊高度（距接觸網(wǎng)高度不小于50 cm），嚴(yán)禁與接觸網(wǎng)發(fā)生碰觸。

4）波紋鋼板環(huán)向搭接長(zhǎng)度不小于15 cm，縱向搭接長(zhǎng)度不小于5 cm，且為防止襯砌混凝土澆筑及后期運(yùn)營(yíng)時(shí)水泥漿及雨水滲漏，在每環(huán)波紋板的縱向接縫、環(huán)向接縫以及變形縫處鋪設(shè)橡膠止水帶，并且現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行閉水試驗(yàn)驗(yàn)證。

5）襯砌鋼筋綁扎時(shí)，每隔1.5 m綁扎勁性格柵鋼架，采用鎖扣鋼筋與鋼波紋板焊接牢靠，進(jìn)一步增強(qiáng)鋼波紋板的剛度和穩(wěn)定性。在鋼波紋板的保護(hù)下，外部腳手架綁扎或拆除、混凝土澆筑、外模架立等施工均不會(huì)因傾倒、墜落、懸空等意外對(duì)既有鐵路運(yùn)營(yíng)造成干擾，如圖9所示。

圖9 鋼波紋板與格柵鋼架連接

6）明洞襯砌在襯砌斷面變化、地層軟硬分界處設(shè)置變形縫，變形縫結(jié)合施工縫設(shè)置。施工時(shí)為防止雜散電流引起事故，在每一處變形縫的鋼波紋板腳部焊接有接地鋼筋，接地鋼筋插入基礎(chǔ)承臺(tái)梁中進(jìn)行接地。

7）綁扎襯砌鋼筋，對(duì)稱(chēng)澆筑襯砌混凝土，施作明洞外防水卷材及土工布。

8）明洞回填。明洞外防水層施作完成且襯砌混凝土達(dá)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，應(yīng)從結(jié)構(gòu)兩側(cè)分層、對(duì)稱(chēng)回填，回填土石時(shí)應(yīng)盡量采用人工回填。為避免對(duì)防水卷材及土工布破壞，應(yīng)分層夯實(shí)，每層厚度不大于0.3 m。兩側(cè)回填土石的高度不得大于0.5 m，回填至與拱頂齊平后，再分層滿鋪填筑至設(shè)計(jì)高度。采用機(jī)械回填時(shí)，應(yīng)在人工夯填超過(guò)拱頂1.0 m以后進(jìn)行，機(jī)械壓實(shí)采用靜壓方式施工，嚴(yán)禁采用振動(dòng)式壓路機(jī)施工，壓實(shí)系數(shù)不小于0.9。

對(duì)于既有明洞仰坡段，為減小對(duì)既有高邊坡山體擾動(dòng)，維護(hù)既有明洞穩(wěn)定，不再開(kāi)挖既有明洞已存在的回填土體，僅對(duì)既有明洞暴露部分表面刮涂3 cm厚水泥砂漿保護(hù)層后，進(jìn)行土石回填?；靥蠲鎽?yīng)與既有明洞邊仰坡及新增設(shè)明洞回填面順接，并做好復(fù)合防水層的施作，嚴(yán)防外部水體滲入。

5 結(jié)論

1）自重作用下，波紋鋼-混凝土組合式明洞結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形均很小，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。落石沖擊作用下，明洞結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力響應(yīng)均大于自重作用工況，落石沖擊力是組合式明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵荷載。

2）隨著沖擊能量的增加，組合式明洞結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力的最大值均呈線性增大趨勢(shì)，混凝土材料主拉應(yīng)力趨近于材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，而波紋鋼板應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度。對(duì)于依托工程，波紋鋼-混凝土組合式明洞結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能為70 kJ。

3）波紋鋼-混凝土組合式明洞與既有隧道洞口連接方便，各構(gòu)件均可現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制加工，安裝拼接時(shí)間短，安全度高、應(yīng)急能力強(qiáng)，維修養(yǎng)護(hù)方便；用波紋鋼代替內(nèi)部模板，省掉拆模工作，提高了施工工效。其在場(chǎng)地條件受限、繁忙運(yùn)輸干線的隧道洞口以及既有工程改造項(xiàng)目中有較大優(yōu)勢(shì)。