高速鐵路橋隧相連段結構設計

張 劍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司總工辦,西安 710043)

1 工程概況

西安至成都客運專線設計速度目標值為250 km/h，陜西境內線路長342.936 km，其中橋梁工程133.457 km/47座，占線路總長的38.9%；隧道工程188.95 km/34座，占線路總長度的55.26%，穿越秦嶺山區地段均為橋隧工程，隧道占線路長度的85.5%，特點是地形、地質條件復雜，橋隧占線路比重大，且成群密集分布，形成百余公里的長大密集隧道群，在我國鐵路客運專線建設中和世界運營的高速鐵路中實屬罕見。

隧道洞口大多為“V”形溝谷，坡面陡峻，場地狹小，橋隧相連，有35個隧道洞口橋臺進洞布置，結構受力復雜。

西成客運專線橋臺進洞段對應的梁型主要有不同跨度簡支箱梁、連續梁、連續剛構等幾種，以尺寸最大的主跨100 m連續梁(邊跨60 m)為例進行論述。

2 主要技術難點

橋隧相連段結構定義：橋梁與隧道相互影響，橋梁臺尾里程加堵頭墻厚度與隧道洞口里程之間的相連段落稱為橋隧相連部分，以下簡稱為橋隧相連。如圖1、圖2所示。

圖1 成昆線橋隧結合圖

圖2 橋隧相連段示意(單位：cm)

橋隧相連多出現于山嶺地區，一般地形陡峭，場地狹小，洞口段地質條件較差，施工干擾大，修建難度非常大。主要技術難點如下：

(1)隧道凈空需考慮橋臺、梁的尺寸影響，斷面要加大；

(2)洞口段排水設施銜接難度大；

(3)橋臺與隧道共同承受荷載作用，結構受力非常復雜；

(4)施工干擾大，工序安排困難。

3 隧道輪廓尺寸擬定

橋隧相連段結構設計沒有通用圖可供參考，只能根據不同橋臺(梁)的尺寸分別擬定隧道內輪廓。橋隧相連需將隧道斷面加大，將橋臺和梁包在隧道里面，隧道輪廓考慮以下因素確定。

(1)建筑限界采用《高速鐵路設計規范(試行)》(TB 10621—2009)中規定的限界尺寸，襯砌內輪廓考慮橋臺、梁的布置等要求。

(2) 隧道內鋪設CRTSI型雙塊式無砟軌道，軌道結構高度為515 mm。

(3)大跨以上：連續梁最寬處12.2 m，最寬處位于軌面以下76 cm處，為使內輪廓圓順，受力趨于合理，將襯砌斷面內輪廓適當加寬，最大跨以上部分內輪廓半徑由641 mm加至665 mm。

(4)最大跨以下部分內輪廓半徑采用2 000 mm，為便于支座更換，圓弧底端隨橋臺支撐墊石下方的頂帽所在高度調節，適應不同橋臺形式的豎向尺寸。水溝設置在改圓弧底端以上部分，頂板與支撐墊石下緣齊平。

(5)梁底部滿足檢修高度最低1.5 m的要求。

4 隧道結構設計

4.1 隧道結構參數

橋梁的橋臺與隧道洞口段形成一個整體，橋臺與隧道共同承受荷載作用，在橋臺部分隧道底部與橋臺整體灌注，并在臺尾設置2 m厚堵頭墻，在梁部段，隧道加深設置1.5 m厚底板，為方便施工，斷面設置為直墻變截面形式，橋隧相連段隧道斷面見圖3，加大斷面開挖量每米約達258 m3，比一般斷面增大約115 m3。相連段結構(拱墻、底板及堵頭墻)主要建筑材料為C35鋼筋混凝土。

圖3 橋隧相連段斷面(單位：cm)

4.2 結構計算

4.2.1 計算原則

(1)隧道結構采用以概率理論為基礎的極限狀態設計法，以可靠指標度量結構構件的可靠度。采用以分項系數的設計表達進行結構計算分析。

(2)結構構件根據承載力極限狀態的要求進行計算和驗算。

(3)結構計算簡化模型的確定，根據結構的實際工作條件，并反映結構與周圍地層的相互作用。

4.2.2 計算荷載

荷載分類及取值依據《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)的相關規定確定，除以下注明外，其余根據相關規范規定進行取用。

(1)永久荷載

①結構自重；

②結構上部覆土重力：淺埋，圍巖等級為Ⅴ級圍巖，結構上部覆土重力按全土柱重考慮；

③側向土壓力：水平土壓力作用在結構邊墻兩側，其大小根據垂直土壓力與側壓力系數來計算。側壓力系數按下式計算

④地層抗力：地層抗力用地層彈簧來模擬，地層抗力系數根據土層條件確定，按溫克勒爾假定計算。

(2)地震荷載

采用慣性力法計算，把隨時間變化的地震荷載等效為靜地震荷載，然后再用靜力計算模型分析地震荷載作用下的結構內力。等效的靜地震荷載包括：結構本身和結構上方土柱的水平慣性力以及主動側向土壓力。

襯砌自重水平地震力

式中F1——襯砌水平地震力，kN/m；

mi——襯砌質量的一半，kg；

H——襯砌總高度，m；

ηc——綜合影響系數，取0.25；

Kh——水平地震系數，7級取0.1，8級取0.2，9級取0.4；

g——重力加速度。

洞頂土柱水平地震力

P=γHV(B-λHVtanθ0)

F2=ηcKhP

式中P——垂直土壓力，kN/m；

F2——洞頂填土水平地震力，kN；

B——隧道跨度，m；

γ——圍巖重度，kN/m3;

HV——洞頂距地面高度，m；

φ——土柱兩側摩擦角，(°)；

λ——側壓力系數；

HV為拱頂覆土的高度，F2作用于拱頂HV/2處

側壓力增量

式中λa——地震時的側壓力系數；

β——地震角，(°)。

4.2.3荷載組合

各種荷載的組合見表1。

表1 橋隧相連結構荷載組合

4.2.4 地層參數

地層參數按試驗數據取值，見表2。

表2 地層參數取值

混凝土采用C35鋼筋混凝土，重度25 kN/m3，彈性模量21 GPa

4.2.5 計算結果

采用Midsa GTS有限元結構分析程序，采用擬定的支護參數，采用荷載-結構法，對隧道結構進行了受力檢算。

(1)加載

加載示意見圖4。

圖4 橋隧相連段結構加載示意

(2)計算結果

根據計算，拱頂覆土2 m的明洞結構對結構起控制作用，當安全系數小于《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)的規定值時，進行配筋計算，軌面至拱頂配筋8φ28 mm，軌面至底配筋16φ28 mm，其計算結果如圖5、圖6及表3所示。

5 排水系統設計

橋臺進洞段隧道排水系統同時考慮出洞方向為上坡和下坡2種情況設計。當出洞方向為上坡時，排水系統無需做更多處理。當出洞方向為下坡時，由于橋臺阻斷了隧道水溝，為保證橋隧相連地段側溝和中心排水槽內的水能夠順暢排出，需對排水系統進行處理，見圖7。

圖5 橋隧相連段隧道襯砌彎矩圖(單位：kN·m)

圖6 橋隧相連段隧道襯砌軸力圖(單位：kN)

表3 結構計算結果

(1)正常隧道內排水均采用雙側側溝加中心矩形蓋板溝，橋臺進洞段排水采用雙側溝。

(2)橋臺臺尾2 m堵頭墻范圍隧道基礎及水溝進行加深，中心設匯水池1處，以匯集洞內中心水溝流水并通過橫向排水管引排至側溝匯水池。中心匯水池采用1 m×1 m方形井，其上采用鑄鋼蓋板，兩側對稱設置2根φ400～600 mm預制鋼筋混凝土Ⅲ級管橫向排水。

(3)上部側溝的水經φ300 mm硬質PVC管引入下部側溝。

(4)兩側側溝采用φ400 mm硬質PVC管將水引排至洞口后，側向排至溝谷低洼處。

(5)出洞方向的溝(槽)底水平縱坡不得小于1%，管口縱坡不小于4%。

圖7 排水系統(單位：cm)

6 結論

(1)隧道凈空尺寸除滿足建筑限界外，必需考慮橋臺、梁的結構尺寸，檢修高度，設備布置等綜合因素。

(2)對于橋隧相連工程設計方案的選擇必須結合地形地質條件慎重選擇，結構措施寧強勿弱，否則在以后的運營中會留下隱患。

(3)橋隧相連段斷面大，要采取可靠的支護措施，防止垮塌造成安全事故。

(4)隧道底洞口端一般均有常年排水，在相連段需做好銜接處理，要設置匯水井、轉向排水管、引排管等設施，不能讓水滲入基底浸泡，切實保證排水出路暢通，要緊密結合現場地形條件，將水引離洞口后在低洼溝谷排泄。

(5)不同斷面連接處要設置變形縫(或沉降縫)，避免結構開裂破壞。

(6)橋隧相連段施工干擾問題突出，工序安排、施工質量等都對結構安全造成直接影響，必須周密合理組織。

[1] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.西安至成都客運專線西安至江油段(陜西境內)隧道設計說明[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2012．

[2] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.復雜山區橋隧相連修建技術研究[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2013.

[3] 鐵道部工程設計鑒定中心.高速鐵路隧道[M].北京：中國鐵道出版社，2006．

[4] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2009]209號 高速鐵路設計規范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2010．

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005 鐵路隧道設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[6] 田萬俊.關于山區客運專線鐵路橋梁的幾點認識[J].鐵道標準設計，2012(11)：61-64．

[7] 薛杰.山區高速公路橋隧連接工程關鍵性技術研究[D].武漢：武漢理工大學，2010．

[8] 薛新功.西部山區西安至成都客運專線越嶺隧道群合理長度布設研究[J].鐵道標準設計，2010(10)：106-108．

[9] 李勇，丁浩.橋隧相接條件下超大斷面隧道的設計[J].地下空間與工程學報，2006，2(3):416-419．

[10] 趙峰，夏永旭，許東.橋隧連接隧道明洞穩定性研究[J].公路，2009(12):180-186．

[11] 李亮亮.橋隧連接工程設計施工技術研究[J].城市建設理論研究,2012(5):102-105.

[12] 李冬生，馬志富，許占良，陳換利.長昆線橋隧相連設計研究[J].鐵道工程學報,2011(12):69-73.