杨 斌

(甘肃省铁投集团天陇公司,甘肃 兰州 730000)

矿山法是目前山岭隧道施工的主要工法,具有适应性强、施工灵活的特点;但是矿山法隧道施工的二次衬砌结构仍绝大部分采用现浇型式,存在施工速度缓慢、施工工序繁杂、现场施工质量不易控制等问题。将装配式衬砌结构应用到矿山法隧道工程中,对于提高隧道修建速度、衬砌修建质量和隧道抵御变形能力、改善施工作业环境、保障施工作业人员安全、降低人工成本等具有重要意义。在装配过程中,预制仰拱与边墙连接方式尤为重要。

装配式结构在工程中的应用已日趋成熟[1-5]。在隧道装配式衬砌方面,日本清水建设等多家公司联合开发了一项分割型预制装配式衬砌系统,具有预制构件拼装和连接作业体系化、构件易于运输和设置等优点,能够大幅提升施工效率[6];我国在秦岭I线隧道采用TBM法和钻爆法施工,采用预制仰拱构件与现浇二次衬砌相结合的办法,提高了隧道施工效率和施工的安全性[7]。在预制仰拱结构型式、接头受力特性方面,赵晓勇[8,9]对板式仰拱结构、纵向分块鱼腹式结构和横向分块鱼腹式结构三种预制仰拱块结构进行对比研究,发现纵向分块鱼腹式结构优势明显;颜波[10]探索在公路隧道中实施装配式衬砌;贾永刚[11]建立了四种力学模型(修正刚度模型、梁-弹簧模型、梁-接头模型、实体模型)对装配式衬砌接头进行研究;严佳梁[12]对盾构隧道接头在不同力组合作用下的变形过程进行了研究,得到了接头刚度随荷载变化的规律;张胜龙[13]研究发现装配式衬砌平接头和榫接头在弯矩作用下的张开量变化。

综合国内外研究成果,针对某单线铁路隧道工程,通过数值模拟方法研究了V级围岩条件下隧道预制仰供与边墙连接型式的不同对衬砌结构受力特征的影响,进而给出了推荐连接型式。

1 装配式仰拱与边墙连接型式

单线铁路隧道采用马蹄形断面型式,跨度8.9 m,高度10.1 m,衬砌厚度拟定为45 cm。图1为仰拱块详细尺寸。

图1 单线铁路隧道装配式仰拱(单位:cm)

拱墙衬砌结构与仰拱接头是整个装配式衬砌结构受力最复杂处,影响到衬砌结构的安全性。

如图2所示,设计单位初步提出装配式仰拱与边墙连接采用平面连接(依靠摩擦力连接)、碗扣式榫槽连接、方形榫槽连接、螺栓连接或预留钢筋连接和现浇二次衬砌连接等型式,其中碗扣式榫槽连接、方形榫槽连接凸起深度均为10 cm,螺栓连接长度也为10 cm。

图2 装配式仰拱与边墙连接型式

为了对比分析不同连接型式的受力特性,共选取以上5种型式进行对比,各连接型式网格划分见图3。

图3 各接头型式网格划分

2 建立计算模型

采用荷载结构模型,使用ANSYS软件进行模拟计算,衬砌结构采用实体单元solid65模拟;地层弹簧采用link10来模拟,且地层弹簧特性设置为仅受压。二次衬砌与仰拱预制块的前3种连接型式在连接处设置接触面,模拟其构件的张开、滑动等;螺栓或预留钢筋连接时,螺栓或预留钢筋连接强度较高,抗剪性能好,接头相对滑动的可能性较小,故这种连接面采用固结模拟,不设置接触面;现浇二次衬砌采用整体模型模拟,作为各种连接型式对比的标准,但要注意它与螺栓或预留钢筋连接时采用固结也不完全相同。具体数值计算模型如图4所示。

图4 有限元计算模型

预制仰拱块纵向长度按1 m进行模拟。二次衬砌采用C30混凝土,仰拱采用C40混凝土。围岩参数取《铁路隧道设计规范》(TB10003-2016)中建议的Ⅴ级围岩参数,计算参数为:重度21.0 kN/m3,弹性模量1.00 GPa,泊松比0.35,内摩擦角23.5°,内聚力0.125 MPa。仰拱接头接触区域采用面-面接触模拟,接触面切向刚度取2 GN/m,法向为“硬接触”,摩擦系数取0.65,弹性模量33.5 GPa,泊松比0.2,不考虑接头防水。

使用面荷载施加围岩压力,围岩压力按照Ⅴ级深埋围岩进行计算,参照《铁路隧道设计规范》中围岩压力计算公式,二次衬砌承担70%围岩压力,经计算,竖向压力取150 kPa,水平压力取60 kPa。

在结构计算时,钢筋的作用需予以考虑,采用等效方法将钢筋弹性模量折算给二次衬砌混凝土:

E=E0+SgEg/Sc

(1)

式中:E为折算后二次衬砌混凝土弹性模量;E0为二次衬砌混凝土弹性模量,C40混凝土取值33.5 GPa;Sg为钢筋截面积,取值0.002 m2;Eg为钢材弹性模量,取值200 GPa;Sc为二次衬砌混凝土截面积,取值0.3 m2。经计算E=34.83 GPa。

3 数值模拟结果分析

3.1 衬砌整体变形及应力分析

五种连接型式下衬砌整体变形如图5所示,整体应力变化如图6所示,具体数值如表1所示。

表1 五种连接型式下最大变形及应力

图5 五种连接型式下衬砌整体变形(单位:m)

图6 五种连接型式下整体应力(单位:Pa)

图5、图6和表1可知碗扣式榫槽连接时竖向最大拉应力值最大,已超出C40混凝土的抗拉极限强度;平面连接时竖向最大压应力值最大,超出C40混凝土的抗压极限强度;平面连接时横向最大压应力值最大,已超出C40混凝土的抗压极限强度。超出C40混凝土的抗拉压强度即认为结构已发生破坏。综合分析:

(1)不同的连接型式对衬砌整体变形影响较小。由于平面连接、碗扣式榫槽连接、方形榫槽连接不是刚接,二次衬砌现浇部分无法与装配式仰拱形成统一整体,使隧道衬砌整体抗变形能力减小,因此隧道衬

砌整体竖向最大变形及横向最大变形大于现浇二次衬砌时的变形。螺栓连接及预留钢筋连接时,竖向最大变形及横向最大变形略小于现浇二次衬砌时的变形。

(2)不同的仰拱接头连接型式对隧道衬砌整体受力影响较大,连接部位会产生一定程度的应力集中现象,特别是对于平面连接及碗扣式榫槽连接,其应力集中效应较大,无法满足衬砌受力要求;方形榫槽连接时虽有一定的应力集中现象,但应力集中不明显。

(3)根据整体受力及变形情况,方形榫槽连接以及螺栓连接或预留钢筋连接相对较优,但螺栓连接或预留钢筋连接需要预制仰拱时预埋螺栓或钢筋,或设置预留孔,施工时均不方便,考虑施工方便推荐采用方形榫槽连接。

3.2 装配式仰拱变形及应力分析

五种连接型式下装配式仰拱结构变形如图7所示,应力变化如图8所示,具体数值如表2所示。

表2 五种连接型式下仰拱最大变形及应力

图7 五种连接型式下仰拱变形(单位:m)

图8 五种连接型式下仰拱应力(单位:Pa)

由图8可知,平面连接时竖向最大拉应力值最大,已超出C40混凝土的抗拉极限强度;平面连接横向最大拉应力值最大,已超出C40混凝土的抗拉极限强度;碗扣式榫槽连接时横向最大压应力值最大,已超出C40混凝土的抗压极限强度。

由图8及表2能够判断出装配式仰拱整体变形趋势,如图9所示。可以看出:

图9 装配式仰拱变形及受力特征图

(1)由于装配式仰拱中仰拱与仰拱回填作为整体进行浇筑,导致轨道面承受一定拉应力。

(2)仰拱整体变形趋势为两侧横向压缩且竖向下沉,中间竖向隆起。

(3)各连接型式拱脚处均有应力集中现象,不同连接型式的应力集中现象不同:平面连接和碗扣式榫槽连接时应力集中现象较明显,而方形榫槽连接和螺栓连接及预留钢筋连接应力集中程度较小。

(4)从仰拱受力及变形来看,螺栓连接或预留钢筋连接方式最优,方形榫槽连接次之,但考虑施工方便,推荐优先采用方形榫槽连接型式。

3.3 接触面状态分析

分析平面连接、碗扣式榫槽连接、方形榫槽连接中接触面受力情况。各连接型式接触面连接状态如图10所示。

图10 3种连接型式接触面状态

由图10可以看出,衬砌受力后,接触面均有一定面积的分离,且碗扣式榫槽连接分离面积最大,方形榫槽连接接触状态最优。

各连接型式接触面剪切应力状态如图11所示,接触面滑动位移如图12所示,具体数值见表3。

表3 各连接型式下接触面最大剪切应力及滑动位移

图11 接触面剪切应力(单位:Pa)

图12 接触面滑动位移(单位:m)

由表3可以看出,三种连接型式中,方形榫槽连接时接触面剪切应力最大,但小于C40混凝土的容许剪应力。方形榫槽连接时滑动位移最小,即方形榫槽连接固定作用较好,能充分发挥其抗滑能力,从这点也推荐优先采用方形榫槽连接型式。

4 结论

(1)综合考虑受力、变形以及整体性,螺栓或预留钢筋连接型式最好,能够保证其力学性能与整体现浇相似。但由于该预制仰拱型式限制,螺栓连接较为困难,预留钢筋连接需要特制模板,现场施工需保护钢筋,需酌情考虑此连接方法。

(2)方形榫槽连接虽整体受力较螺栓连接或预留钢筋连接连接差,但其力学性能也能满足要求。且方形榫槽连接的仰拱预制简单,施工方便快速,整体优于螺栓连接或预留钢筋连接型式,推荐采用方形榫槽连接。

采用荷载-结构模型对装配式仰拱与边墙连接处受力特征进行分析,其优点是荷载均按规范值确定,降低了荷载变化导致结构受力的不确定性,重点突出了连接型式及接头处接触面特性对受力的影响;缺点是不同连接型式下荷载可能有所不同,下一步可采用岩体力学模型对这一问题深入探讨。