樁-半隧道復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系力學(xué)狀態(tài)及安全性評價(jià)

韓富慶，胡學(xué)兵

(1.廣東省公路建設(shè)有限公司， 廣州　510000； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶　400067)

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樁-半隧道復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系力學(xué)狀態(tài)及安全性評價(jià)

韓富慶1，胡學(xué)兵2

(1.廣東省公路建設(shè)有限公司， 廣州510000； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶400067)

摘要：近年來，公路隧道采用大跨半隧道結(jié)構(gòu)逐漸增多。該類結(jié)構(gòu)施工工序多，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布變化較大，設(shè)計(jì)和施工過程中難以把握控制指標(biāo)。為此，提出半隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分析法。以廣東省江羅路棚洞工程為依托，模擬整個(gè)施工過程，并結(jié)合各工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對半隧道結(jié)構(gòu)各部件斷面安全系數(shù)進(jìn)行分析，以確定半隧道結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的最不利工況及其安全系數(shù)分布。研究結(jié)果表明：半隧道結(jié)構(gòu)底板結(jié)構(gòu)除與斜柱相交處應(yīng)力較大外，其余部位安全系數(shù)較大，且底板結(jié)構(gòu)可進(jìn)行優(yōu)化處理；斜柱兩端受力最大，且受施工過程的影響較大；曲墻及頂板結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較大，結(jié)構(gòu)斷面可進(jìn)一步優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：半隧道結(jié)構(gòu)；抗滑樁；大跨；內(nèi)力；安全系數(shù)

近年來，大跨半隧道結(jié)構(gòu)作為一種新型隧道結(jié)構(gòu)型式，越來越多地用于公路隧道中。施工過程中，該類結(jié)構(gòu)的內(nèi)力會(huì)隨著施工階段的變化而變化，故設(shè)計(jì)和施工難以確定結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。為保證施工過程中結(jié)構(gòu)安全、可靠，評定結(jié)構(gòu)施工安全控制指標(biāo)尤為重要[1-2]。然而，目前尚未開發(fā)出針對大跨半隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和安全分析的有效方法。為此，本文以廣東省江羅路棚洞工程為依托，建立有限元模型并對其進(jìn)行分析，提出安全系數(shù)分析法，以研究和評價(jià)大跨半隧道結(jié)構(gòu)施工動(dòng)態(tài)全過程的安全性。

1工程概況

廣東省江羅高速公路棚洞工程為半隧道結(jié)構(gòu)，半隧道結(jié)構(gòu)采用半拱斜柱型結(jié)構(gòu)，共設(shè)置16根斜柱，斜柱中心間距10 m，凈高8.6 m。斜柱底為整體式現(xiàn)澆鋼筋混凝土仰拱，靠山體側(cè)半隧道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用注漿小導(dǎo)管進(jìn)行加固，斜柱側(cè)采用淺樁基礎(chǔ)加固。

半隧道結(jié)構(gòu)所在區(qū)域?qū)俚颓鸬孛玻貏葑兓?，地面最大高差大?0 m，絕對高程在70.76～115.60 m之間，自然山坡坡度約25°～35°，植被發(fā)育，多為人工桉樹林。邊坡圍巖為寒武系八村群高灘組(V2g)，巖性為淺變質(zhì)砂巖。表層為第4系坡積層，以粉質(zhì)粘土和碎石土為主。該層土體厚約2.2 m，其下為寒武系八村群高灘組強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖，屬Ⅲ級硬土～Ⅳ級軟石。

半隧道結(jié)構(gòu)區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育，地下水較貧乏，無不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)。

半隧道結(jié)構(gòu)區(qū)內(nèi)邊坡高12～36.5 m，根據(jù)邊坡地質(zhì)條件，半隧道段邊坡采用樁錨防護(hù)和放坡開挖聯(lián)合支護(hù)措施?？够瑯恫捎?.5 m×2.0 m人工挖孔樁，樁體中心距5 m，樁體懸臂段高16 m，錨固段長12 m。樁頂設(shè)置2根30 m長錨索。錨索自由段長15 m，錨固段長15 m，錨索設(shè)計(jì)拉力860 kN，鎖定荷載770 kN，設(shè)計(jì)張拉力900 kN。樁間臨時(shí)邊坡采用1∶0.1放坡，錨噴支護(hù)，噴15 cm厚C20噴射混凝土，內(nèi)置20 cm×20 cmΦ8 mm鋼筋網(wǎng)，打設(shè)長4.5 mΦ22 mm砂漿錨桿，按1.2 m×1.2 m梅花型布置。樁頂永久邊坡坡率設(shè)置原則：樁頂上第1級邊坡坡率為1∶0.75，坡高不大于10 m；第2級邊坡坡率為1∶1。永久邊坡采用錨桿格梁防護(hù)，錨桿為長8.0 mΦ28 mm砂漿錨桿，按3.0 m×3.0 m布置。

2半隧道結(jié)構(gòu)施工基本步序

半隧道結(jié)構(gòu)施工主要分為邊坡開挖和防護(hù)、基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)施作、防排水施作和回填綠化4大步序。主要施工工序如下[3-4]：1) 清表及坡頂截水溝施工；2) 3級邊坡開挖防護(hù)；3) 2級邊坡開挖防護(hù)；4) 1級邊坡預(yù)加固支擋結(jié)構(gòu)施工；5) 樁端錨索施作及1級邊坡開挖防護(hù)；6) 半隧道結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)施工；7) 半隧道結(jié)構(gòu)仰拱及邊墻基礎(chǔ)施工；8) 斜柱施工；9) 托梁施工；10) 曲墻平板拱結(jié)構(gòu)施工；11) 半隧道結(jié)構(gòu)防水層及左側(cè)墻背碎石盲溝施工；12) 回填及植草綠化；13) 半隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)裝飾、路面工程及邊溝施工。

3安全系數(shù)分析法及其應(yīng)用

3.1計(jì)算參數(shù)取值

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和相關(guān)規(guī)范[5-6]，半隧道結(jié)構(gòu)巖土材料計(jì)算力學(xué)參數(shù)和混凝土材料計(jì)算力學(xué)參數(shù)取值如表1、表2所示。

表1　巖土材料物理力學(xué)參數(shù)

表2　混凝土材料物理力學(xué)參數(shù)

3.2計(jì)算模型確定

采用MIDAS-GTS有限元軟件和荷載-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行模型仿真計(jì)算[7]。按照施工階段的順序以及抗滑樁和棚洞結(jié)構(gòu)的施工流程，半隧道結(jié)構(gòu)主要有如下8種受力工況：工況1，放坡開挖階段；工況2，抗滑樁施作完畢，樁前土體開挖階段；工況3，半隧道結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)施工階段；工況4，半隧道結(jié)構(gòu)仰拱及邊墻基礎(chǔ)施工階段；工況5，斜柱施工階段；工況6，托梁施工階段；工況7，曲墻平板拱結(jié)構(gòu)施工階段；工況8，回填及綠化階段。

3.2.1抗滑樁計(jì)算模型確定

對以上8種受力工況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)抗滑樁主要在工況2和工況8兩種情況下受力狀態(tài)發(fā)生改變。因此，選用該2種工況對抗滑樁內(nèi)力及安全性進(jìn)行分析。在工況2情況下，抗滑樁從上往下前16 m為懸臂結(jié)構(gòu)，下部12 m為嵌巖長度；樁頂邊坡高約20 m，樁頂邊坡坡率為1∶0.75，其斷面模型如圖1所示。

圖1　工況2邊坡開挖示意

計(jì)算模型沿路線縱向取5 m作為計(jì)算單元，該5 m的邊坡下滑力全部由1根抗滑樁承擔(dān)?？够瑯犊可絺?cè)主動(dòng)土壓力系數(shù)為：

式中：α為支擋結(jié)構(gòu)墻背與水平面的夾角，取α=90°；β為填土表面與水平面的夾角，取β=53°；δ為土對擋土墻墻背的摩擦角，取δ=0°；δR為巖石坡面與填土間的摩擦角，其中φ為土體內(nèi)摩擦角，取φ=23.0°；θ為滑裂面與水平面的夾角，取θ=0°；H為抗滑樁出露長度，取H=16 m；γ為土體重度，取γ=20.5 kN/m3；c為土體粘結(jié)力，取c=40 kPa；η為土壓力換算系數(shù)。

采用以上參數(shù)計(jì)算，得Ka=0.44。

抗滑樁靠山側(cè)任意截面處主動(dòng)土壓力為：

抗滑樁靠山側(cè)底部最大水平力：

emax=eajk×l=(9×28-53)×5=995kN/m

式中：l為抗滑樁高度。

預(yù)應(yīng)力錨索按照結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算求得水平力為805 kN，豎向力為476 kN；而設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力錨索的鎖定荷載每根為770 kN，求得錨索的總水平分力為1 389 kN，總豎向分力為648 kN；設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力應(yīng)大于錨索求解的力。因此，計(jì)算分析過程中采用設(shè)計(jì)鎖定值對抗滑樁進(jìn)行驗(yàn)算。樁前土壓力采用僅受壓的彈簧單元約束，抗滑樁底部采用鉸接約束。本階段抗滑樁的計(jì)算模型如圖2所示。

在工況8情況下，棚洞結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)外土石回填完畢。此時(shí)，抗滑樁除受到邊坡側(cè)水平荷載作用及錨索拉力作用外，還要承受棚洞側(cè)土石回填產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力，相對于工況2，抗滑樁的受力更為有利。

圖2　工況2抗滑樁計(jì)算模型

抗滑樁樁前填土主動(dòng)土壓力系數(shù)：

Ka′=tg2(45°-Φ/2)=0.33

抗滑樁樁前任意截面處主動(dòng)土壓力為：

抗滑樁樁前底部最大水平力：

式中：h′為半隧道頂部靠山側(cè)填土層高度；計(jì)算時(shí)，取γ=19 kN/m3，c=30 kPa，φ=30°。

工況8階段時(shí)，樁基水平方向兩端均采用僅受壓的彈簧單元約束，樁基底部采用固端約束。邊坡及土石回填示意圖和荷載及邊界約束情況如圖3、圖4所示。

圖3　工況8邊坡及土石回填示意

3.2.2半隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型確定

半隧道結(jié)構(gòu)受力條件發(fā)生改變的主要有4種工況：工況5，斜柱施工階段；工況6，托梁施工階段；工況7，曲墻平板拱結(jié)構(gòu)施工階段；工況8，回填及綠化階段。

在工況5情況下，已修筑的半隧道結(jié)構(gòu)只承受自重。樁基水平方向兩端均采用僅受壓的彈簧單元約束，樁基底部采用固端約束。仰拱底部采用僅受壓的彈簧單元約束。

圖4　工況8抗滑樁計(jì)算模型

在工況6情況下，半隧道結(jié)構(gòu)只承受自重，斜柱除承受自身重量外，還需承擔(dān)托梁傳來的自重壓力。結(jié)構(gòu)邊界約束條件與工況5相同。

在工況7情況下，半隧道結(jié)構(gòu)形成一個(gè)封閉體，但基本不承受外部荷載，結(jié)構(gòu)邊界約束條件也與工況5相同。

在工況8情況下，半隧道結(jié)構(gòu)除承受結(jié)構(gòu)自重外，還承受回填荷載作用，結(jié)構(gòu)邊界約束條件也與工況5相同。該工況半隧道結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖5所示。

圖5　工況8半隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.3抗滑樁內(nèi)力及安全性分析

3.3.1抗滑樁內(nèi)力分析

在工況2中，抗滑樁軸力最大值為2 748 kN，出現(xiàn)在抗滑樁底部；剪力最大值為3 498 kN，出現(xiàn)在抗滑樁從上往下16 m左右，方向?yàn)樗椒较?；彎矩最大值?0 604 kN·m，出現(xiàn)在抗滑樁自上往下18 m左右，方向?yàn)橛缮襟w內(nèi)側(cè)向外側(cè)彎。工況2抗滑樁彎矩如圖6所示。

圖6　工況2抗滑樁彎矩

圖7　工況8抗滑樁彎矩

3.3.2抗滑樁安全性分析

根據(jù)抗滑樁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)，參照相關(guān)規(guī)范[6-7]，計(jì)算抗滑樁各施工工況下的安全系數(shù)?？够瑯陡鲾嗝娴陌踩禂?shù)如圖8所示。

圖8　抗滑樁安全系數(shù)分布曲線

從圖8可以看出，工況2情況下，距樁底19 m左右位置，抗滑樁結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較小，為2.3；工況8情況下，距樁底18 m左右位置，抗滑樁結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較小，為2.0。抗滑樁各施工工況下的安全系數(shù)均大于2，根據(jù)規(guī)范，抗滑樁在施工各階段均處于安全狀態(tài)。

3.4半隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全性分析

3.4.1半隧道結(jié)構(gòu)仰拱內(nèi)力及安全性分析

在工況4～8階段，半隧道結(jié)構(gòu)仰拱參與受力。在工況6情況下，半隧道結(jié)構(gòu)托梁施作階段，仰拱內(nèi)力最大。此時(shí)，仰拱結(jié)構(gòu)軸力最大出現(xiàn)在仰拱樁基側(cè)端頭位置，為34.4 kN；剪力最大值為3 220 kN，出現(xiàn)在仰拱樁基側(cè)端頭位置；彎矩最大值出現(xiàn)在仰拱樁基側(cè)端頭位置，為4 748 kN·m。

根據(jù)仰拱內(nèi)力計(jì)算結(jié)果繪制仰拱各施工工況下的安全系數(shù)，如圖9所示。

圖9　仰拱安全系數(shù)分布曲線

從圖9可以看出，工況6情況下，與斜柱相連截面安全系數(shù)最小，為2.1，但各施工工況下的安全系數(shù)均≥2，表明仰拱在施工各階段均處于安全狀態(tài)。

從目前所掌握的情況來看，林下套種中草藥的栽培過程中，無論是方法層面還是技術(shù)層面，都必須在地區(qū)的考察與分析力度上不斷的提升。第一，林下套種中草藥的栽培開展，需要的營養(yǎng)較為豐富，而且不同林業(yè)與藥業(yè)的結(jié)合，涉及到具體的產(chǎn)品功能與效用的差異性，此時(shí)必須加強(qiáng)大量的調(diào)查，并且在數(shù)據(jù)分析過程中保持較高的精準(zhǔn)度，甚至是要提前幾年開展勘查工作，由此能夠?qū)Ω黝悇?dòng)態(tài)因素的轉(zhuǎn)變做出良好的把控。第二，林下套種中草藥的栽培考察過程中，對于一些特殊情況要做出深入了解，尤其是自然災(zāi)害的出現(xiàn)，以及動(dòng)物對于林業(yè)和藥業(yè)的破壞情況，都要保持在承載范圍以內(nèi)，否則很容易產(chǎn)生嚴(yán)重的損失現(xiàn)象。

3.4.2半隧道結(jié)構(gòu)斜柱內(nèi)力及安全性分析

在工況5～8階段，半隧道結(jié)構(gòu)斜柱參與受力。斜柱底端在工況5(斜柱施作階段)時(shí)，彎矩為173 kN·m，方向?yàn)閺男敝鈧?cè)向內(nèi)側(cè)彎；在工況6(托梁施作)時(shí)，彎矩增大至7 071 kN·m；在工況7(曲墻平頂施作)時(shí)，彎矩減小到1 536 kN·m；在工況8(洞頂回填)時(shí)，斜柱底端彎矩方向發(fā)生改變，且彎矩值變?yōu)? 415 kN·m。

斜柱頂端僅在工況7、工況8時(shí)出現(xiàn)彎矩，在工況7時(shí)，彎矩最大值為1 536 kN·m，方向?yàn)閺男敝鶅?nèi)側(cè)向外側(cè)彎；在工況8時(shí)，彎矩最大值為4 007 kN·m，方向?yàn)閺男敝鈧?cè)向內(nèi)側(cè)彎。

根據(jù)斜柱內(nèi)力計(jì)算結(jié)果繪制斜柱各施工工況下的安全系數(shù)，如圖10所示。

從圖10可以看出，工況6情況下，斜柱最小安全系數(shù)為3.7，出現(xiàn)在斜柱底端；工況7情況下，斜柱最小安全系數(shù)為7.7，也出現(xiàn)在斜柱底端；工況8情況下，斜柱最小安全系數(shù)為5.2，出現(xiàn)在斜柱頂端。

圖10　斜柱安全系數(shù)分布曲線

3.4.3半隧道結(jié)構(gòu)托梁內(nèi)力及安全性分析

在工況7～8階段，半隧道結(jié)構(gòu)托梁參與受力。在工況8情況下，半隧道結(jié)構(gòu)托梁內(nèi)力最大，其中剪力最大值為921 kN，出現(xiàn)在托梁兩端位置；彎矩最大值出現(xiàn)在托梁兩端頭位置，為1 535 kN·m，方向?yàn)閺耐辛荷蟼?cè)向下側(cè)彎。

根據(jù)托梁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果繪制托梁各施工工況下的安全系數(shù)，如圖11所示。

圖11　托梁安全系數(shù)分布曲線

從圖11可以看出，工況7情況下，托梁與斜柱相接的兩端截面安全系數(shù)最小，為8.2；工況8情況下，托梁與斜柱相接的兩端截面安全系數(shù)最小，為5.8。

3.4.4半隧道結(jié)構(gòu)頂板和曲墻內(nèi)力及安全性分析

在工況7～8階段，半隧道結(jié)構(gòu)頂板及曲墻參與受力。在工況8情況下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大，其中軸力最大值出現(xiàn)在曲墻左側(cè)底端，為3 332 kN；剪力最大值為1 379 kN，出現(xiàn)在頂板和曲墻底部；彎矩最大值出現(xiàn)在頂板斜柱側(cè)，為4 007 kN·m，方向?yàn)閺捻敯逋鈧?cè)向內(nèi)側(cè)彎。

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果繪制頂板及曲墻各施工工況下的安全系數(shù)，如圖12所示。

從圖12可以看出，工況7情況下，邊墻底部截面安全系數(shù)較小，為8.7；工況8情況下，距斜柱9 m處(曲墻與頂板相交處)截面安全系數(shù)最小，為3.8。

圖12　頂板及曲墻各截面安全系數(shù)分布

4結(jié)論

本文采用安全系數(shù)法對大跨半隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明，抗滑樁和棚洞結(jié)構(gòu)各個(gè)部位的最不利內(nèi)力組合都在可控范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全性滿足規(guī)范要求，并得到以下結(jié)論。

1) 抗滑樁在半隧道結(jié)構(gòu)頂部回填后，雖然樁體總體內(nèi)力指標(biāo)減小，但內(nèi)力分布發(fā)生變化。由于抗滑樁內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)的差異，導(dǎo)致截面安全性降低。因此，江羅路棚洞工程的半隧道結(jié)構(gòu)抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)還可進(jìn)一步優(yōu)化。

2) 半隧道結(jié)構(gòu)仰拱主要承受斜柱傳遞的荷載作用，因此，在半隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可通過設(shè)置地基梁取代仰拱結(jié)構(gòu)。

3) 斜柱結(jié)構(gòu)總體應(yīng)力較大，且施工過程中存在受力模式的轉(zhuǎn)換，因此應(yīng)重視施工過程對斜柱力學(xué)行為的影響。但本工程斜柱的最小安全系數(shù)達(dá)到3.7，可滿足施工和運(yùn)營期間的安全。

4) 托梁、曲墻及平板結(jié)構(gòu)在回填土體施工完畢后內(nèi)力最大，其中，托梁截面最小安全系數(shù)為5.8，出現(xiàn)在托梁與斜柱相接斷面，曲墻及平板截面最小安全系數(shù)也達(dá)3.8，可保證結(jié)構(gòu)安全。

參 考 文 獻(xiàn)

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Evaluation for Mechanical State and Safety of Complicated Structure System in Pile-half Tunnels

HAN Fuqing1, HU Xuebing2

Abstract:In recent years, more and more large-span half-tunnel structures are adopted for highway tunnels. For such structures, there are many construction procedures, distribution of internal force of structures changes greatly, and indices during design and construction are difficult to control. For this purpose, this paper proposes half-tunnel structure safety coefficient method. Dependent on Jiangluo Road Shed-tunnel Project in Guangdong Province, the paper simulates the whole construction progress, and analyzes sectional safety coefficients of all parts in half-tunnel structures in combination with internal force of structures under all working conditions to determine the worst working conditions and distribution of safety coefficients of half-tunnel structures. The results of research show that except for large stress at intersection between baseplate structures and inclined columns of half-tunnel structures, safety coefficients of other parts are larger, and baseplate structures can be optimized; the stress on both ends of inclined columns is the maximal and is greatly affected by construction process; safety coefficients of canted walls and crown plate structures are higher, and structural sections can be further optimized.

Key words:half-tunnel structure; slide-resistant pipe; large span; internal force; safety coefficient

文章編號：1009-6477(2016)01-0094-06

中圖分類號：U459.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：韓富慶(1975-)，男，河南省平頂山市人，碩士，高工。

收稿日期：2015-10-30

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.021