Z形剛架半棚式明洞方案比選和設(shè)計(jì)分析

余大龍

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031.)

Z形剛架半棚式明洞方案比選和設(shè)計(jì)分析

余大龍

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031.)

為了選擇落石威脅下的嚴(yán)重偏壓地形地段的合理工程方案，滿(mǎn)足工程美學(xué)和環(huán)保要求，通過(guò)各種方案比選，提出一種新型結(jié)構(gòu)形式—Z形剛架半棚式明洞。針對(duì)落石沖擊荷載進(jìn)行計(jì)算分析，分析結(jié)果表明：在各種沖擊角度下，沖擊荷載小于1800 kN時(shí)，各部位第一主應(yīng)力均小于混凝土抗拉極限強(qiáng)度；Z形剛架半棚式明洞具有較強(qiáng)的抗落石沖擊能力，具有較好的安全性。Z形剛架半棚式明洞具有開(kāi)挖小，能承受落石荷載較大，受力特性較好，結(jié)構(gòu)美觀，對(duì)沿途景觀和植被破壞小，施工較為方便等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景，可給隧道設(shè)計(jì)、施工和研究提供有益的借鑒和參考。

半棚式明洞；人字形曲柱；結(jié)構(gòu)分析

由于歷史經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和技術(shù)條件限制，許多既有鐵路傍山修建[1-4]，存在大量高邊坡，加之長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化剝蝕和結(jié)構(gòu)劣化，造成大量危巖、落石、邊坡塌方、甚至泥石流等災(zāi)害，嚴(yán)重影響既有線(xiàn)運(yùn)營(yíng)安全和損害經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)也帶來(lái)大量的既有線(xiàn)改造工程[4]，大幅增加鐵路養(yǎng)護(hù)成本。隨著高速鐵路的高速發(fā)展和沿江鐵路的大量規(guī)劃，傍山鐵路的數(shù)量將會(huì)大量增加，路基高邊坡的也會(huì)大量出現(xiàn)，危巖落石嚴(yán)重危及高速運(yùn)行列車(chē)的安全，產(chǎn)生更具破壞性的后果。加之目前工程環(huán)保要求逐漸提高，且工程美學(xué)和大自然和諧發(fā)展也成為了時(shí)代新的發(fā)展要求，因此，嚴(yán)重偏壓地形隧路結(jié)合帶的工程方案研究成為了一個(gè)新的熱點(diǎn)。

1 嚴(yán)重偏壓地形方案比較和半棚式明洞方案

某山區(qū)高速鐵路由于地形、地質(zhì)、線(xiàn)路條件限制和設(shè)站支持地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，長(zhǎng)距離傍山修建，該段橫坡陡峭，地形嚴(yán)重偏壓，基巖為泥巖夾砂巖，線(xiàn)路上方有危巖落石，臨谷側(cè)有3～5 m厚土層覆蓋。

采用路基工程[2]方案：靠山側(cè)刷坡高達(dá)59 m，刷坡遠(yuǎn)達(dá)73 m；靠谷側(cè)需設(shè)置重力式擋墻或樁板墻支護(hù)，嚴(yán)重破壞沿線(xiàn)植被和景觀；路基開(kāi)挖土石方量很大，路基支擋工程量大且上方落石存在嚴(yán)重安全隱患，威脅列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全；養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高。

明洞[2-4]方案可大幅減小開(kāi)挖土石方量，結(jié)合坡面危巖清除、加固和掛網(wǎng)攔截等措施，相比路基工程方案，可大幅提高列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全，但單壓式明洞臨谷側(cè)基礎(chǔ)寬度大，厚邊墻下需設(shè)置強(qiáng)的基礎(chǔ)以保證體系穩(wěn)定，且結(jié)構(gòu)自重大，投資高，與沿途自然景觀結(jié)合較差。

棚洞[1，5-6]方案可與路基方案相結(jié)合，靠山側(cè)采用樁墻永久防護(hù)，靠谷側(cè)可采用剛架式或墻式，并結(jié)合樁基托梁方式將外墻荷載傳遞到基巖，剛架式棚洞結(jié)構(gòu)自重較小，由于施工方便、對(duì)既有線(xiàn)干擾小，在既有線(xiàn)改造中大量采用，但結(jié)構(gòu)剛度小，受力特性差，能承受落石荷載??；墻式棚洞外墻自重大，會(huì)大幅增加外墻下部基礎(chǔ)的投資，且能承受落石荷載也小。

異型環(huán)保式棚洞[7-9]是近年來(lái)公路隧道采用較多的一種結(jié)構(gòu)形式，其具有大幅減少開(kāi)挖土石方，并可與沿線(xiàn)景觀相結(jié)合，但是其結(jié)構(gòu)異型，存在結(jié)構(gòu)受力特性差，不美觀，可填土厚度小，能承受落石荷載小，結(jié)構(gòu)安全性差，且施工不方便等缺點(diǎn)，在鐵路隧道鮮有采用。

結(jié)合工程具體情況，吸收普通單壓式明洞、棚洞結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合環(huán)境保護(hù)、沿途景觀、自然和諧、結(jié)構(gòu)安全、施工便利性等方面因素，研究了一種新型的明洞結(jié)構(gòu)形式，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。靠山側(cè)為明洞結(jié)構(gòu)，靠谷側(cè)為棚洞結(jié)構(gòu)。

圖1 半棚式明洞剖視

嚴(yán)重偏壓地形工程方案優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

表1 嚴(yán)重偏壓地形工程方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

Z形剛架半棚式明洞靠山側(cè)采用厚邊墻抵抗圍巖荷載，減小荷載外傳，靠谷側(cè)借鑒單壓式明洞和全拱式式棚洞的結(jié)構(gòu)形式，采用人字形異型曲柱，與靠山側(cè)明洞圓順銜接，剛架范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)采用頂板形式，剛架上部設(shè)頂縱梁，頂縱梁將人字形異型曲柱和頂板有效連接。剛架底部設(shè)底縱梁、底縱梁下設(shè)樁。曲柱寬度可結(jié)合基礎(chǔ)條件和底縱梁設(shè)置情況確定，曲柱縱向厚度和間距可結(jié)合高鐵車(chē)輛空氣動(dòng)力效應(yīng)和可能落石荷載大小經(jīng)過(guò)綜合比較確定，柱間開(kāi)孔還可作為檢修通道和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)預(yù)留空間。

通過(guò)各工程方案比較，Z形剛架半棚式明洞具有開(kāi)挖小，能承受落石荷載較大，受力特性較好；結(jié)構(gòu)美觀，對(duì)沿途景觀和植被破壞小，可與自然相協(xié)調(diào)；可利用模板臺(tái)車(chē)配合普通模板施工等優(yōu)點(diǎn)，作為推薦方案。

2 Z形剛架半棚式明洞設(shè)計(jì)

一般來(lái)說(shuō)，明洞比棚洞整體性好，受力特性好，因此靠山側(cè)選擇明洞結(jié)構(gòu)形式。一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)各種棚洞的優(yōu)劣順序[8-9]依次為：全拱式棚洞、半拱斜柱式棚洞、半拱直柱式棚洞、門(mén)式斜柱式棚洞、門(mén)式直柱式棚洞，因此，方案設(shè)計(jì)時(shí)靠谷側(cè)選擇了一種介于單壓式明洞和全拱式棚洞之間的結(jié)構(gòu)形式，外側(cè)剛架柱內(nèi)輪廓與明洞一致，將單壓式明洞外墻適當(dāng)內(nèi)收，以便減少圬工用量和有改善基礎(chǔ)受力條件，同時(shí)外墻剛架柱頂有較大的尺寸，以適應(yīng)縱向尺寸減小帶來(lái)的結(jié)構(gòu)受力不利；外墻剛架柱底采用擴(kuò)大基礎(chǔ)方式，且在剛架柱底開(kāi)洞成人字形，既增大了柱底慣性矩，又減小了圬工用量和自重。頂縱梁設(shè)擋塊擋土，水溝縱向排水，挑檐對(duì)下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。底縱梁、人字形異形曲柱、頂縱梁、頂板和挑檐組成“Z”字形，故命名為Z形剛架半棚式明洞，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 半棚式明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

Z形剛架半棚式明洞既保留了單壓式明洞的開(kāi)挖量小、整體性好、抗落石能力強(qiáng)和施工較為方便的優(yōu)點(diǎn)，又具有棚洞結(jié)構(gòu)自重較輕、將外墻內(nèi)移改善基礎(chǔ)條件的好處。且Z形剛架半棚式明洞美觀，易于與沿途自然景觀協(xié)調(diào)。

3 Z形剛架半棚式明洞安全性分析

對(duì)第2節(jié)中工程擬定的參數(shù)為：拱部、頂板和仰拱厚0.8 m，靠山側(cè)邊墻厚1.2 m，曲柱厚2 m，縱向間距5 m，底縱梁尺寸為3.6 m(寬)×1.2 m(高)，頂縱梁尺寸為1.5 m(寬)×1.5 m(高)，擋塊尺寸為0.4 m(寬)×1.0 m(高)，挑檐高0.5 m，曲柱位置對(duì)應(yīng)位置設(shè)樁，樁截面尺寸為2.0 m×2.0 m，樁間距5 m，樁長(zhǎng)6 m，按拱頂填土1.5 m厚設(shè)計(jì)，計(jì)算縱向長(zhǎng)度32 m，模型見(jiàn)圖1。主體結(jié)構(gòu)均采用C35鋼筋混凝土，仰拱填充和溝槽采用C20混凝土。對(duì)該工程采用MIDAS/GTS進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，結(jié)構(gòu)和巖土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)資料，隧道洞身所處地層均為Ⅴ級(jí)圍巖，計(jì)算模擬范圍為水平方向隧道外邊緣到模型邊界大于3倍開(kāi)挖跨度，隧道底部距模型下邊界距離大于3倍開(kāi)挖高度。計(jì)算時(shí)圍巖巖體按彈塑性材料考慮，并服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)按彈性材料考慮，隧道圍巖、結(jié)構(gòu)均采用三維四面體四節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，模型的邊界條件通過(guò)限制模型4個(gè)側(cè)面和底面法向的位移來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算荷載包括地層、隧道結(jié)構(gòu)自重和落石沖擊荷載。落石沖擊荷載通過(guò)在隧頂施加集中荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬了沖擊荷載為0 kN和沖擊荷載為1 000、1 500、1 800、2 500、5 000 kN時(shí)沖擊角度分別為30°、45°、60°、75°時(shí)共21個(gè)工況，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沖擊荷載對(duì)應(yīng)斷面的拱頂A點(diǎn)、曲柱底部B點(diǎn)、擋塊底C點(diǎn)為結(jié)構(gòu)內(nèi)力關(guān)鍵控制部位，具體位置見(jiàn)圖2，A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)第一主應(yīng)力模擬結(jié)果見(jiàn)表3～表5。

表3 A點(diǎn)內(nèi)力模擬結(jié)果 MPa

表4 B點(diǎn)內(nèi)力模擬結(jié)果 MPa

表5 C點(diǎn)內(nèi)力模擬結(jié)果 MPa

從表3～表5可知。

(1)在沖擊荷載小于1 800 kN時(shí)，各部位第一主應(yīng)力均小于C35混凝土抗拉極限強(qiáng)度2.45 MPa，Z形剛架半棚式明洞具有較強(qiáng)的抗落石沖擊能力。

(2)隨著沖擊荷載增加，曲柱與底縱梁連接處第一主應(yīng)力增加明顯小于拱頂，人字形曲柱晚于擋土塊和拱頂破壞，人字形曲柱具有較強(qiáng)剛度和強(qiáng)度，配合穩(wěn)定性較好的樁基托梁基礎(chǔ)，Z形剛架半棚式明洞具有較好的安全性。

(3)Z形剛架半棚式明洞在落石荷載沖擊角較大時(shí)比沖擊角小的抗沖擊能力更強(qiáng)。

(4)隨著沖擊荷載增加，擋塊先于拱頂和曲柱達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度，有利于養(yǎng)護(hù)時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和及時(shí)處理。

4 結(jié)論

(1)半棚式明洞大幅減小開(kāi)挖，外墻 Z形剛架觀優(yōu)美，配合適當(dāng)造型，能與自然和諧融合，在環(huán)境保護(hù)要求較高和對(duì)景觀要求較高的鐵路、公路、軌道交通隧道具有較好的應(yīng)用前景。

(2)Z形剛架半棚式明洞既有明洞整體性好、抗落石沖擊能力強(qiáng)和施工較方便的特點(diǎn)，又有棚洞結(jié)構(gòu)自重較小的優(yōu)點(diǎn)，可運(yùn)用于地形一般或嚴(yán)重偏壓地形，或配合一定防護(hù)措施運(yùn)用于有落石隱患的地段。

(3)隨著沖擊荷載增加，人字形曲柱晚于擋土塊和拱頂破壞，人字形曲柱具有較強(qiáng)剛度和強(qiáng)度。配合穩(wěn)定性好的基礎(chǔ)，Z形剛架半棚式明洞是一種能較好適應(yīng)嚴(yán)重偏壓地形隧路結(jié)合帶的結(jié)構(gòu)形式。

(4)Z形剛架半棚式明洞落石動(dòng)力效應(yīng)和抗震性能需進(jìn)一步研究。

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Scheme Comparison and Design Analysis of Semi-shed Open Cut Tunnel with “Z”-shaped Frame

YU Da-long

(China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China)

In order to select reasonable engineering scheme for serious bias terrain area under rockfall threat and to meet the requirements for engineering aesthetics and environmental protection， this paper proposes a new type of semi-shed open cut tunnel with “Z”-shaped frame on the basis of scheme comparison. The results of the simulation analysis of rockfall impact load show that the first principal stress in every part of the structure is less than the ultimate tensile strength of concrete at variety of impact angles when the impact load is less than 1 800 kN. The open cut tunnel of semi-shed with “Z”-shaped frame has strong ability to resist rockfall impact and good safety performance. It has such advantages as less excavation， good bearing capacity for rockfall， good mechanical performances and fine shape， with less damage to the landscape and vegetation along the road. It is also featured with construction convenience and wide application， and may serve as reference for design， construction and research of the tunnel.

Open cut tunnel of semi-shed; Herringbone curved column; Structure analysis

2014-12-12；

2014-12-30

余大龍(1981—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院土木工程專(zhuān)業(yè)，E-mail：107641625@qq.com。

1004-2954(2015)09-0109-03

U45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.024