公路隧道二次襯砌厚度不足數(shù)值分析

周 峰，梁太略

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430056)

1 計(jì)算內(nèi)容

1.1 計(jì)算目的

某公路隧道洞口局部段落二襯厚度小于設(shè)計(jì)厚度，最大偏差為－5cm，應(yīng)用荷載－結(jié)構(gòu)法，對(duì)公路隧道二襯結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行分析，是否能保證工程運(yùn)行期的長期穩(wěn)定性。

1.2 計(jì)算模式

根據(jù)分區(qū)，沿主體結(jié)構(gòu)縱向取1 m 長度作為計(jì)算單元，按平面應(yīng)變問題考慮，采用“荷載－結(jié)構(gòu)法”模型進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形。計(jì)算程序選用結(jié)構(gòu)分析通用有限元程序SAP846.5 教育版，采用梁柱單元模擬二次襯砌結(jié)構(gòu)。

2 計(jì)算依據(jù)的規(guī)范規(guī)程

本文計(jì)算主要參考的規(guī)范:

(1)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004);

(2)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70—2010);

(3)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010－2010)。

3 主體結(jié)構(gòu)二襯內(nèi)力計(jì)算

3.1 S5b 二次襯砌

3.1.1 S5b 二襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

S5b 設(shè)計(jì)襯砌參數(shù):初期支護(hù)為26 cm 厚C20 噴射混凝土，8 鋼 筋 網(wǎng) 單 層(20 cm × 20 cm)，I18 工 字 鋼(縱距75 cm)，D25 中空注漿錨桿(長度3.0 m，縱環(huán)向75 cm×100 cm);預(yù)留變形量，10 cm;二次襯砌為45 cm 厚C25 模筑混凝土，尺寸見圖1。

圖1 計(jì)算尺寸

3.1.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

3.1.3 荷載分析

在Ⅴ級(jí)圍巖地段隧道圍巖壓力計(jì)算:對(duì)于分離式路基的隧道的開挖跨度為13 m;隧道埋深(洞頂?shù)降孛娴木嚯x)小于13 m 時(shí)按全部覆土荷載計(jì)算;隧道埋深(洞頂?shù)降孛娴木嚯x)為13～30 m 時(shí)，按淺埋隧道(破裂面理論)計(jì)算覆土荷載，對(duì)上部覆土荷載作部分折減;隧道埋深(洞頂?shù)降孛娴木嚯x)大于30 m 時(shí)，按深埋隧道(承載拱理論)計(jì)算土壓力荷載。

火燒庵隧道初支變形侵入二襯段落，S5b 埋深為13.5～21.1 m，按淺埋隧道(破裂面理論)計(jì)算覆土荷載，對(duì)上部覆土荷載作部分折減。按照《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》二次襯砌承擔(dān)55%圍巖松散壓力。

3.1.4 二次襯砌計(jì)算

C25 混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)為(極限強(qiáng)度):軸心抗壓Ra=17.5 MPa;軸心抗拉Rl=1.9 MPa;彈性模量E=29.5 GPa;計(jì)算結(jié)果見圖2～圖5。

3.1.5 S5b 二襯結(jié)構(gòu)檢算

(1)偏心受壓混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算。

采用綜合安全系數(shù)法:KNZ≤ψαbhRhy

式中:K=2.4;NZ=739.4 kN(拱頂);ψ=1.0;e0=MZ/NZ=68.26/739.4=0.09;α=0.698;b=1.0 m;h=0.4 m;Rhy=17500 kPa

圖2 有限元?jiǎng)澐?/p>

圖3 軸力

圖4 剪力

圖5 彎矩

綜合上述:滿足KNZ≤ψαbhRhy

(2)偏心受壓混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算。

式中:K = 3.6;NZ= 739.4 kN(拱頂);ψ = 1.0;Rh1=1900 kPa;b=1.0 m;h=0.4 m;e0=MZ/NZ=68.26/739.4=0.09

式中:K = 3.6;NZ= 968 kN (墻腳);ψ = 1.0;Rh1=1900 kPa;b = 1.0 m;h = 0.4 m;e0= MZ/NZ= 80.6/968=0.08

(3)混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。

采用綜合安全系數(shù)法:KQZ≤0.82Rhlbh

式中:K=2.4;QZ=220.3 kN;Rh1=1900 kPa;b=1.0 m;h=0.4 m

綜合上述:滿足KQZ≤0.82Rhlbh

(4)通過對(duì)S5b 二次襯砌截面拱頂、墻腳部位的檢算，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度均可滿足規(guī)范要求，二次襯砌可以保證工程運(yùn)行期的長期穩(wěn)定性。

3.2 S4a 二次襯砌

3.2.1 S4a 二襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

S4a 設(shè)計(jì)襯砌參數(shù):初期支護(hù)為22 cm 厚C20 噴射混凝土，22 格柵鋼拱架(縱距100 cm)，8 鋼筋網(wǎng)(單層，間距20 cm×20 cm)，22 藥卷錨桿(長度3.0 m，縱環(huán)向間距100 cm×100 cm);預(yù)留變形量，7cm;二次襯砌為40 cm 厚C25 模筑混凝土，計(jì)算尺寸見圖6。

式中:K=2.4;NZ=968 kN(墻腳);ψ=1.0;e0=Mz/NZ=80.6/968 = 0.08;α = 0.75;b = 1.0 m;h = 0.4 m;Rhy=17500 kPa

圖6 計(jì)算尺寸

3.2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 計(jì)算參數(shù)

3.2.3 荷載分析

在Ⅳ級(jí)圍巖地段隧道圍巖壓力計(jì)算:對(duì)于分離式路基的隧道的開挖跨度為13 m;隧道埋深(洞頂?shù)降孛娴木嚯x)小于6.5 m 時(shí)按全部覆土荷載計(jì)算;隧道埋深(洞頂?shù)降孛娴木嚯x)為6.5～15 m 時(shí)，按淺埋隧道(破裂面理論)計(jì)算覆土荷載;隧道埋深(洞頂?shù)降孛娴木嚯x)大于15 m 時(shí)，按深埋隧道(承載拱理論)計(jì)算土壓力荷載。

火燒庵隧道初支變形侵入二襯段落，S4a 埋深為22.5 m～34.8 m，按深埋隧道(承載拱理論)計(jì)算土壓力荷載。按照《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》二次襯砌承擔(dān)30%圍巖松散壓力。

3.2.4 二次襯砌計(jì)算

計(jì)算結(jié)果見圖7～圖10。

圖7 有限元?jiǎng)澐?/p>

3.2.5 S4a 二襯結(jié)構(gòu)檢算

(1)偏心受壓混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算。

采用綜合安全系數(shù)法:KNZ≤ψαbhRhy

式中:K=2.4;NZ=230.8 kN(拱頂);ψ=1.0;e0=MZ/NZ=31.23/230.8=0.135;α=0.278;b=1.0 m;h=0.35 m;Rhy=17500 kPa

圖8 軸力

圖9 剪力

圖10 彎矩

式中:K=2.4;NZ=416.1 kN(墻腳);ψ=1.0;e0=MZ/NZ=42.5/416.1=0.1;α=0.535;b=1.0 m;h=0.35 m;Rhy=17500 kPa

綜合上述:滿足KNZ≤ψαbhRhy

(2)偏心受壓混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算。

式中:K = 3.6;NZ= 230.8 kN(拱頂);ψ = 1.0;Rh1=1900 kPa;b=1.0 m;h=0.35 m;e0=MZ/NZ=31.23/230.8=0.135

式中:K = 3.6;NZ= 416.1 kN(墻腳);ψ = 1.0;Rh1=1900 KPa;b=1.0 m;h=0.35 m;e0=MZ/NZ=42.48/416.1=0.1

(3)混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。

采用綜合安全系數(shù)法:KQZ≤0.82Rhlbh

式中:K=2.4;QZ=75.67 kN;Rh1=1900 kPa;b=1.0 m;h=0.35 m

綜合上述:滿足KQZ≤0.82Rhlbh

(4)通過對(duì)S4a 二次襯砌截面拱頂、墻腳部位的檢算，抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度均可滿足規(guī)范要求，二次襯砌可以保證工程運(yùn)行期的長期穩(wěn)定性。