溶槽地段双跨连拱隧道的结构计算与分析
刘小兵,陈 宇
(中南大学 土木建筑学院,湖南 长沙,410075)
摘要: 双跨连拱隧道以设置地基梁的方式穿过大型溶槽地段。根据地基梁与隧道结构的关系并结合施工的实际情况,确定计算模式与作用荷载;讨论连续跨越不同地基弹性地基梁的受力状态,同时对仰拱的作用及中墙在隧道结构中的重要性进行分析。研究结果表明:2种不同地基介质的交界处是地基梁的最危险点,容易发生剪切与拉裂破坏;溶槽充填物的物理性质对地基梁具有显著的影响,充分考虑充填物的承载能力是合理的;仰拱能明显改善衬砌结构的受力状态,但对分散地基梁的荷载作用不大;中墙是隧道结构的关键部位,对其在施工过程中的偏压状态,应该采取工程措施予以改善。
关键词: 双跨连拱隧道; 溶槽; 弹性地基梁; 设计; 施工
中图分类号:U452 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)03-0517-05
Structural calculation and analysis for double-arch tunnel
in water-eroded groove
LIU Xiao-bing, CHEN Yu
(School of Civil and Architectural Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: The double-arch tunnel passes through a big water-eroded groove by setting foundation beam method.According to the relationship between foundation beam and tunnel structure and scene case, the calculated pattern and action load were determined; internal force states of elastic foundation beam which continuously spanned different foundations were discussed, and the action of invert and the importance of middle wall were analyzed. The results show that the interface of the two different foundation mediums is the most dangerous point of foundation beam where shear damage and ripping damage happen easily; the physical property of filling matter in water-eroded groove has distinct influence on the foundation beam, so it is reasonable to consider fully the carrying capacity of filling matter; setting invert can obviously improve the internal force state of tunnel structure,but it has little effect on sharing the load of foundation beam;the middle wall is the key part of tunnel structure, and the engineering measure should be taken to improve its partial pressure state in construction process.
Key words: double-arch tunnel; water-eroded groove; elastic foundation beam; design; construction
隧道穿越岩溶地区时可能遇到大型溶槽,穿越方式的选择至关重要。在实际隧道工程中,由于地质勘测工作的局限性,对溶槽的位置与大小难以准确判断,因而一般不针对大型溶槽的穿越进行特殊设计,而是在掘进过程中遇到大型溶槽后根据实际情况选择穿越方式予以解决。对于单洞,因隧道结构较简单,这样处理是可行的;但对于双跨连拱隧道,由于其结构比单洞复杂,在穿越时具有较大的难度,且施工步骤对连拱隧道结构的稳定性产生很大的影响[1-4],因此,必须进行专门的设计。为此,作者根据岩溶地区连拱隧道的结构特点[5-12],对架梁跨越方式进行计算与分析。
1 双跨连拱隧道的设计与施工关系
在双跨连拱隧道的施工中,为了承接两侧拱圈,应先挖掘中导洞,将中墙先砌好。此中墙的两侧不与围岩密贴,变形不受约束,因而处于不利的受力状态。对连拱隧道,一般不宜两洞同时施工,以避免在同一断面上出现大跨度而影响围岩的稳定,因此,总的施工思路是先开挖一侧单跨隧道,将衬砌完成后再进行另一侧隧道的施工。先修筑的拱圈的水平推力会使中墙承受显著的偏压,这对无侧向围岩抗力作用的中墙很不利。显然,中墙是双跨连拱隧道最为关键的部位。双跨连拱隧道施工步骤见图1。
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1—挖中导洞; 2—修筑中墙; 3—挖右侧导洞;
4—挖上台阶; 5—挖下台阶; 6—挖仰拱; 7—修筑仰拱;
8—修筑边墙与拱圈衬砌; 9—挖左侧导洞; 10—挖上台阶;
11—挖下台阶; 12—挖仰拱; 13—修筑仰拱;
14—修筑边墙与拱圈衬砌;
注:每步开挖后都立即施作初期支护
图 1 双跨连拱隧道施工步骤示意图
Fig. 1 Construction steps of double-arch tunnel
从设计的角度考虑,连拱隧道在施工过程中存在2种结构受力状态,即单跨状态与双跨状态。由于在先行修筑的单跨衬砌中,中墙处于很不利的偏压状态,而最终完成的双跨衬砌为对称结构,对中墙的偏压消失,所以单跨状态是最不利的结构状态,在设计与施工中应充分考虑这一特点,以确保结构在最不利状态下的安全性,故设计时重点考虑为单跨状态。
2 工程实例讨论
桐油山隧道是广西柳州市南二环绕城公路的重点工程,全长455 m。隧道地区属岩溶发育区,灰岩分布广泛,常出现溶蚀沟槽及裂隙;白云岩常产生溶蚀晶洞,沿节理面溶蚀形成不规则的岩溶槽穴。受地形和地物等条件的限制,根据洞口道路衔接的需要,隧道设计为双跨连拱结构,开挖宽度为28.56 m,高度为8.92 m。
隧道施工至K2+312~K2+332地段,遇到一大型溶槽,沿隧道纵向宽约20 m,呈北东—南西方向斜交隧道轴线,连拱隧道整个断面穿越该溶槽。溶槽段隧道埋深约20 m,属浅埋地段,覆盖层为黏土夹碎石,碎石成分为白云质灰岩,溶蚀面清晰,含量约为20%~40%,黏土结构细腻,呈软塑状,属明显的溶槽充填物质,充填密实,承载力为150~180 kPa,天然容重γ=16~17 kN/m3,未见地下水影响。为获得溶槽底部影响范围,钻探至隧底以下17 m仍不见底,此时停止钻探。
2.1 溶槽跨越方案与弹性地基梁设计
穿越溶槽的方法主要有堵填或跨越等[13,14]。因该隧道溶槽范围广,采用基底换填不切实际;而注浆加固溶槽充填物时技术要求高,不易保证加固效果。在此,采用架梁跨越方式穿过。采用这种方式能确保双跨隧道结构不出现由于基底承载强度的弱化而发生的沿线路纵向开裂或横向开裂。
为使隧道安全穿过大型溶槽,在左、右边墙及中墙基底各设1条纵向钢筋混凝土梁(地基梁) 跨越溶槽,梁长30 m,梁高1 m。为了分散墙底压力,设定边墙地基梁宽度为1.3 m,中墙地基梁宽度为2.7 m,各超出墙底宽度15~35 cm。梁的纵向两端各留5 m置于基岩(Ⅳ级围岩)上,梁中段置于溶槽充填物上,因此,此地基梁为连续跨越不同地基的弹性地基梁。
2.2 隧道支护结构与弹性地基梁作用荷载
隧道支护结构为复合式衬砌。初期支护为网锚喷联合支护。拱墙全断面布设双层直径为6 mm钢筋网,网格间距为25 cm×25 cm;锚杆直径为22 mm的钢筋,长度为3 m,纵向间距为1 m,环向间距为1.2 m;喷射C20混凝土,厚度为25 cm[15]。
为稳定围岩特别是溶槽黏土充填物,设置超前注浆小导管预支护。采用长为4.5 m,直径为42 mm的钢管,沿隧道拱圈布置,环向间距为35 cm,沿隧道纵向每2 m布设一环。同时架设工18型钢钢拱架,纵向间距为0.5 m。
二次模筑衬砌设计通过荷载—结构模型计算后确定。考虑到初期支护承受一定的围岩荷载,且辅助施工措施中采用了小导管注浆加固,有利于减少围岩压力,故将上覆全部土重的80%作为二次衬砌的垂直荷载;侧压力根据垂直荷载的降低相应降低,但中墙在中导洞的高度范围内无侧压力。根据施工的实际情况,取结构最不利受力状态即单跨结构(见图2)进行计算。
图 2 衬砌结构计算简图
Fig. 2 Calculated diagram of lining structure
根据衬砌结构计算结果,得出基底压力计算值:中墙基底压力为2460 kN, 边墙基底压力为2200 kN;作用在地基梁上的中墙地基作用荷载为911 kN/m2,边墙地基梁作用荷载为2200 kN/m2。
2.3 弹性地基梁的计算及分析
溶槽充填物与地基梁端部的基岩是2种性质截然不同的物质,在此,采用有限单元位移法编程计算,用温克勒尔(Winkler)假定模拟地基的沉降变形,其计算简图见图3,计算参数见表1。
经计算所得最大内力(弯矩及剪力)与最大挠度见表2。可见,绝对最大剪力在第5点处出现,对照图3可知这是基岩与溶槽充填物的交界点,表明梁在该处发生剪切破坏的可能性最大;绝对最大弯矩在第4点处出现,也为交界处,且为负弯矩,可能使梁的上缘发生拉裂破坏,这些均应在配筋设计时予以考虑。最大挠度发生在梁的跨中,但跨中的弯矩和剪力都很小,不形成危险截面。此外,地基梁置于两端基岩的长度对梁的内力状态影响较大,若留置过长会造成浪费,若过短会产生安全陷患,且使梁的内力分布不合理。由表2可知,边墙地基梁的最大正、负弯矩相对差达19%, 说明可以调整梁的长度或截面高宽比;中墙地基梁的最大正、负弯矩相对差仅1.4%,说明中墙地基梁的设计参数基本合理。
图 3 弹性地基梁计算简图
Fig. 3 Calculated diagram of elastic foundation beam
表 1 地基梁计算参数
Table 1 Calculated parameters of elastic foundation beam
表 2 地基梁最大内力和最大挠度
Table 2 Maximum internal force and flexibility of elastic foundation beam
为了考察溶槽黏土充填物对地基梁内力状态的影响,选用不同的充填物进行对比计算,以中墙地基梁的弯矩影响为例,将计算结果进行回归处理,所得结果如图4所示。
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1—最大负弯矩,Mmax=235628K-1.047,R2=0.9891;
2—最大正弯矩,Mmax=85461K-0.861,R2=0.9921
图 4 溶槽不同充填物对地基梁最大弯矩的影响
Fig. 4 Influence of different fillings to maximum
moment of foundation beam
从图4可知,最大正、负弯矩与溶槽充填物弹性系数K呈相关性较高的幂函数关系。当K减小时,最大弯矩的增长率增大,特别是当K小到一定值之后(30 MPa/m),最大弯矩迅速增大,负弯矩比正弯矩的增大趋势更明显。无论弹性系数如何变化,最大负弯矩的作用点始终在第4点处,即在溶槽的边界。
可见,2种不同地基介质交界处是最容易破坏的地方,尤其是梁的上缘更容易被破坏。随着K的减小,最大正弯矩逐渐向跨中移动,最后发生在跨中。这表明溶槽充填物对调整梁的弯矩分布起了重要的作用。
最大剪力也呈相关性较高的幂函数关系,其变化规律与弯矩的变化规律大致相同。不论K如何变化,最大剪力均出现在2种介质的交界点,这也是地基梁发生剪切破坏的最危险点。
2.4 仰拱的作用
仰拱衬砌顺序对地基梁承受的荷载有一定影响。若仰拱后砌,则进行结构计算时不应考虑仰拱的影响,地基梁将承受全部上覆压重;若仰拱先砌,则进行结构计算时应考虑仰拱的影响,作用于地基梁的压力减小。计算结果表明:仰拱的作用主要在于改善衬砌结构的内力状态。以拱顶节点为例,设置仰拱后地基梁的弯矩比无仰拱地基梁的弯矩减少了约70%,但设置仰拱对减小地基梁的荷载影响较小,尤其是对于中墙地基梁,仅减少了2.8%。因此,在设计地基梁时,不能过分夸大仰拱的作用。仰拱对地基梁作用的影响见表3。
表 3 仰拱对地基梁荷载的影响
Table 3 Influence of invert on foundation
beam load
3 结 语
a. 2种不同地基介质的交界处是地基梁的最危险点,容易发生地基梁的剪切与拉裂破坏。
b. 仰拱的作用主要是改善衬砌结构内力状态。
c . 中墙是施工中最薄弱的部位,在施工中,应该设置水平横撑,以改善其受力状态。
参考文献:
[1]彭定超,袁勇,章勇武.开挖施工方式对连拱隧道中墙影响的空间分析[J].现代隧道技术,2002, 39(1): 47-53.
PENG Ding-chao,YUAN Yong,ZHANG Yong-wu.Spatial effects on mid-partition due to excavation of a double-arched tunnel[J].Modern Tunnelling Technology, 2002, 39(1): 47-53.
[2]卢耀宗,杨文武.莲花山大跨度连拱隧道施工方法研究[J].中国公路学报,2001, 14(2): 75-77.
LU Yao-zong, YANG Wen-wu. Research on construction scheme of Lianhuashan double-arch tunnel[J].China Journal of Highway and Transport, 2001,14(2): 75-77.
[3]刘洪洲,黄伦海.连拱隧道设计施工技术研究现状[J].西部探矿工程, 2001, 68(1): 54-55.
LIU Hong-zhong,HUANG Lun-hai.Overview of design and construction of tunnel with multiple arch[J].West China Exploration Engineering,2001, 68(1): 54-55.
[4]夏才初,刘金磊.相思岭连拱隧道中墙应力研究[J].岩石力学与工程学报,2000, 19(增刊): 1116-1119.
XIA Cai-chu,LIU Jin-lei.Study on the middle wall stress of Xiangsilin doubled-arch tunnel[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2000, 19(S):1116-1119.
[5]刘之葵,梁金城,朱寿增,等.岩溶区含溶洞岩石地基稳定性分析[J].岩土工程学报,2003, 25(5): 630-633.
LIU Zhi-kui,LIANG Jing-cheng,ZHU Shou-zeng,et al. Stability analysis of rock foundation with cave in karst area[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003, 25(5): 630-633.
[6]李德宏.连拱隧道施工监测与分析[J].现代隧道技术,2003, 40(1): 59-64.
LI De-hong. Construction monitoring of multi-arch tunnel and its result analysis[J]. Modern Tunnelling Technology, 2003, 40(1): 59-64.
[7]赵明阶,敖建华,刘绪华,等.隧道底部溶洞对围岩变形特性的影响分析[J].重庆交通学院学报,2003, 22(2): 20-23.
ZHAO Ming-jie,AO Jian-hua,LIU Xu-hua, et al. Study on deformation character of the surrounding rock masses concerning the influence of karst caves in the bottom of tunnel[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University, 2003, 22(2): 20-23
[8]周玉宏,赵燕明,程崇国.偏压连拱隧道施工过程的优化研究[J].岩石力学与工程学报,2002, 21(5): 679-683.
ZHOU Yu-hong,ZHAO Yan-ming,CHENG Chong-guo.Optimum analysis on the construction process for joint a arch tunnels in partial pressure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(5): 679-683.
[9]綦志富,孙波.大跨度双跨联拱隧道的新奥法施工[J].铁道工程学报, 2002(1): 62-65.
QI Zhi-fu, SUN Bo. Construction of multi-arch tunnels with twin large spans by NATM[J].Journal of Railway Engineering Society, 2002(1): 62-65.
[10]刘贵应,王宇兴,陈建平,等.高速公路双联拱隧道结构分析及施工工艺的优化[J].地质科技情报,2003, 22(10): 97-100.
LIU Gui-ying,WANG Yu-xing,CHEN Jian-ping, et al. Structure analysis and working optimization of the double-arch tunnel of the expressway[J].Geological Science and Technology Information, 2003, 22(10): 97-100.
[11]陈少华,李勇.联拱隧道的结构分析[J].中国公路学报,2000, 13(1): 48-51.
CHEN Shao-hua,LI Yong.Structural analysis for a joined roof tunnel[J].China Journal of Highway and Transport, 2000, 13(1): 48-51.
[12]韩常领. 双连拱整体式隧道结构设计[J].公路,2000(11): 79-81.
HAN Chang-ling. Structure design of double-arch integrity type tunnel[J]. Highway, 2000(11): 79-81.
[13]铁道部第二勘测设计院. 铁路工程设计技术手册(隧道)[M]. 北京:中国铁道出版社,1995:426-438.
The Second Survey and Design Institute of China Railway.Design technique handbook for railway engineering(Tunnel)[M]. Beijing: China Railway Press, 1995: 426-438.
[14]铁道部第二工程局.铁路工程施工技术手册(隧道)[M]. 北京:中国铁道出版社,1995:323-329.
The Second Engineering Bureau of China Railway.Construction technique handbook for railway engineering(Tunnel)[M]. Beijing: China Railway Press, 1995: 323-329.
[15]张德和.隧道穿越溶洞堆积物的设计与施工[J].地下空间, 1999, 19(2): 93-100.
ZHANG De-he. Design and construction of tunnel crossing cavern with accumulations[J]. Underground Space, 1999, 19(2):93-100.
收稿日期:2004 -08 -12
作者简介:刘小兵(1950-),男,湖南长沙人,副教授,从事隧道与地下工程研究
论文联系人: 刘小兵,男,副教授;电话:0731-2656854(H); E-mail:xbliu@mail.csu.edu.cn
