下穿高速公路的浅埋大断面隧道衬砌受力分析

2011-05-14刘和清

铁道标准设计 2011年4期

刘和清

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

近年来，随着我国交通建设的蓬勃发展，新建隧道下穿既有公路的工况逐渐增多［1～4］，而对于下穿高速公路的浅埋大断面软弱围岩隧道，还需积累相关的设计和施工经验。湘桂线永州至柳州段的石头岗隧道为浅埋大断面的双线铁路隧道，下穿衡昆高速公路，高速公路路床以下、隧道拱顶以上的土层为弱膨胀土。为了确保石头岗隧道的施工安全和上方高速公路的行车安全，本文对石头岗隧道的衬砌受力进行数值模拟分析，得到的结论和建议可为类似工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况

石头岗隧道的开挖宽度为14.4 m，开挖高度为13 m，开挖断面面积约160 m2，下穿高速公路段的隧道埋深仅为6 m，隧道采用弧形导坑预留核心土法开挖，图1表示出了隧道所处的地质情况和隧道的开挖步骤，弱膨胀土的重度为19 kN/m3，黏聚力为18 kPa，内摩擦角为25°，基本承载力为180 kPa。隧道采用管棚超前支护;初期支护设计为双层，外层拱部设I25a型钢钢架，间距0.5 m，内层全环设 I20b型钢钢架，间距0.5 m，喷射混凝土采用C25混凝土，外层厚30 cm，内层厚25 cm;临时支撑为I20b型钢钢架和25 cm厚的C20喷射混凝土;二次衬砌采用C35钢筋混凝土，拱墙厚60 cm，仰拱厚65 cm。

图1 隧道所处的地质情况和隧道的开挖步骤

2 数值计算工况及参数

考虑高速公路的行车荷载，按照“荷载－结构”模式，采用ANSYS计算程序对隧道衬砌的内力进行二维分析。计算参数如下:高速公路汽车活载按公路Ⅰ级考虑，车道荷载的均布荷载标准值为10.5 kN/m，车道数按6车道计算，横向折减系数为0.55;隧道上覆土层的垂直压力按全土柱计算，拱部和边墙的侧压力系数分别为0.3、0.15;拱部和边墙的围岩弹性抗力系数分别为120、1 000 MPa/m;初期支护的弹性模量25 GPa、泊松比0.21、重度26 kN/m3;二次衬砌的弹性模量 32 GPa、泊松比 0.21、重度 25 kN/m3。

3 数值计算结果分析

3.1 上台阶侧壁导坑初期支护的内力分析

在上台阶侧壁导坑①部开挖、施作外层初期支护和临时支撑后，考虑初期支护、临时支撑、地基的不同连接方式，分为3种工况如表1所示，对比分析3种工况下的初期支护最大轴力和最大弯矩，限于篇幅，以下只给出工况(2)的支护轴力图和弯矩图，分别如图2和图3所示。分析表1、图2、图3可知:工况(2)比工况(1)的最大轴力减少2%，最大弯矩减少的幅度较大，达到17%，可见增加初期支护与临时支撑顶部连接处的刚度对结构受力有利，因而此处的钢架连接应牢固可靠，必要时应采用槽钢、角钢、钢板等辅助连接措施;工况(3)比工况(2)的最大轴力减少7%，最大弯矩减少的幅度较大，达到了22%，可见增加初期支护和临时支撑的脚部刚度对结构受力有利，在施工中可采用打设锁脚锚杆，设置临时仰拱与初期支护、临时支撑形成封闭的受力结构等措施。另外建议上台阶侧壁导坑①部的循环开挖长度应控制在0.5～1 m，且①部左右两侧的掌子面应保持一定的距离。

表1 初期支护的最大内力

图2 工况(2)下支护的轴力图

图3 工况(2)下支护的弯矩图

3.2 拆除临时支撑后的初期支护内力分析

弧形导坑上台阶①、②部在拆除临时支撑后的外层初期支护的内力图如图4和图5所示，分析图4和图5可知:(1)拆除临时支撑后，初期支护受力仍在安全范围内，初期支护的最大轴力为1340 kN，发生在脚底;初期支护的最大弯矩为50 kN·m，发生在拱顶，可见在拆除临时支撑后，初期支护的脚底和拱顶是受力相对不利的部位，施工现场要重视对上述部位的安全监测，要控制后续分部开挖的每循环开挖长度和爆破规模，以减少后续开挖作业对既有初期支护的损伤。

3.3 二次衬砌的内力分析

图6和图7为计算得到的二次衬砌内力图，分析图6和图7可知:(1)二次衬砌的最大轴力为1 430 kN，发生在仰拱底部，可见仰拱底部是二次衬砌受力较为不利的部位，因此在施工中要避免仰拱底部欠挖，要保证仰拱二衬的厚度满足设计要求。(2)二次衬砌的最大弯矩为243 kN·m，发生在拱顶，可见拱顶也是二次衬砌受力较为不利的部位，施工时要尽量使弧形导坑上台阶②部拱顶附近的隧道开挖轮廓圆顺，避免应力集中，并且要保证拱顶的二衬混凝土灌注饱满。(3)经计算，二次衬砌的最小安全系数为5.37，满足《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)［5］的要求，可见只要严格按照设计要求进行施工，是可以保证隧道二次衬砌结构的安全。