臺階式洞門強度及穩定性檢算研究

李玉瓊

(深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳 518000)

?

臺階式洞門強度及穩定性檢算研究

李玉瓊

(深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳 518000)

【摘要】結合納溪～宜賓段公路涪溪口隧道工程實例，詳細闡述了臺階式洞門強度及穩定性的檢算過程，通過檢算確定了洞門結構各部分的尺寸，并建議采用C15混凝土對進出口洞門地基進行換填處理以滿足基底壓應力檢算要求，為類似工程提供參考。

【關鍵詞】隧道；臺階式洞門；強度；穩定性

隧道洞門作為進出入隧道的標志，是隧道結構的重要組成部分。隧道洞門常使用圬工砌筑，并根據需要和周圍環境進行一定的裝飾[1]。隧道洞門形式多種多樣，可以分為端墻式與明洞式兩大類，其中端墻式又可分為臺階式、翼墻式、拱翼式和柱式；明洞式可分為削竹式、倒削竹式、直削竹式、框架式、棚洞式及喇叭口式[2]。

洞門結構主要有三點作用：(1)洞門能夠連接隧道內部襯砌與路壁，使之成為一個整體，實現隧道結構的統一性和整體性；(2)洞門能支擋隧道洞口的正面仰坡及路塹邊坡，阻擋自仰坡上方滑落的土體、石塊，確保路壁邊坡和正面仰坡的穩定性；(3)洞門可引導坡面匯水偏離隧道，保證隧道洞口不被積水沖刷，從而保證線路安全。所以，洞門對于保證隧道前期施工安全和后期正常運營都有著至關重要的作用[3]。

1工程概況

涪溪口隧道工程是納溪～宜賓高速公路的重要組成部分，隧道為雙洞單向雙車道形式。隧道進口里程為K176+522 m，出口里程為K117+050 m，全長528 m，最大埋深122.72 m。

隧道進口段地表為斜坡，坡度15°～20°左右，斜坡殘積層厚4～8 m，巖性主要為含黏性土碎石等；下伏晶屑熔結凝灰巖，全風化層厚2～3 m，強風化層厚2～4 m，呈碎石狀散粒結構；弱風化層厚約15～20 m，巖體呈塊碎狀鑲嵌結構。

隧道洞身段圍巖主要為含碎石亞黏性土、強風化層及弱風化層，洞頂圍巖主要為含碎石亞黏土。地下水主要為孔隙潛水和風化裂隙水，水量不大。根據隧道進洞口位置的邊、仰坡度和工程地質條件，確定隧道進口段采用臺階式洞門。

隧道出口段，地表為斜坡，坡度30°～45°左右，洞口位于機耕路下部，表部為厚1～2 m的碎石素填土，結構比較松散；以下為殘坡積層，厚度約為1.0～1.5 m，主要為含黏性土碎石等；下伏晶屑熔結凝灰巖，全風化層厚度約為1～2 m，強風化層厚度為1.0～2.0 m左右，弱風化層厚度為15～20 m左右，巖體主要呈塊碎狀鑲嵌結構，RQD值在20 %～50 %之間。

涪溪口隧道出洞口頂部埋深0～4 m左右，洞身穿過殘坡積層、全風化層、強風化層及弱風化層，地下水類型主要為基巖裂隙水，水量貧乏。根據隧道出洞口位置的邊、仰坡度和工程地質條件，確定隧道出口段可適當接長明洞，采用臺階式洞門。

2洞門強度及穩定性驗算

2.1計算原理

(1)洞門墻的設計宜按照工程類比法初步擬定洞門墻尺寸，對墻身各項穩定性參數進行驗算后，根據驗算結果調整設計，直至選定一個安全、經濟的設計方案。

(2)《公路隧道設計規范規定》[4]對于擋墻式洞門，洞門墻可視為擋土墻，按極限狀態檢算其強度，并應檢算繞墻趾傾覆及基底滑動的穩定性(圖1)，檢算結果應符合表1的規定，并應符合《公路圬工橋涵設計規范》、《公路路基設計規范》、《公路橋涵地基與基礎設計規范》的有關規定洞門墻的穩定性指標規定[5-7]。

表1　隧道洞門墻檢算規定

2.1.1洞門墻抗傾覆穩定性計算

式中 ：K0為基底的抗傾覆穩定系數；

My為洞門墻的穩定力系對墻趾的總力矩；

M0為洞門墻的傾覆力系對墻趾的總力矩。

圖1　安全系數檢算示意

2.1.2洞門墻抗滑動穩定性計算

(1)當基底水平時，

(2)當基底傾斜時，

式中：K0為沿基底的抗滑動穩定系數；

N為作用在基底上的總垂直力；

E為主動土壓力的水平分力；

f為基底摩擦系數；

α為基底傾斜角度。

2.1.3洞門墻基底偏心距計算

(1)當基底水平時，

(2)當基底傾斜時，

式中：e為基底合力的偏心距；

B，B′為水平、傾斜基底的厚度；

∑N′為作用在傾斜基底上的總垂直分力，

∑N′=∑Ncosα-∑Esinα；

C，C′為∑N,∑N′對墻趾的力臂；

2.1.4基底壓應力計算

(1)當基底水平時，

(2)當基底傾斜時，

各符號含義同前。

2.2隧道進口段洞門端墻檢算

2.2.1基本計算數據

2.2.1.1地層物理力學參數

Ⅴ級圍巖；邊坡坡度ε=14.43°，tanε=0.257；

土層重度γ=20 kN/m3；計算摩擦角φ=50°；

基底摩擦系數f=0.40；基底設計控制壓應力σ=0.35 kN/m2。

端墻采用C15片石混凝土，重度γ=23 kN/m3；

容許壓應力[σa]=6.1 MPa，容許拉應力[σt]=0.36 MPa；

利用工程類比法初步擬定進口段洞門尺寸，其計算簡圖如圖2所示。

圖2　隧道進口段洞門端墻計算(單位：cm)

2.2.2洞門強度及穩定性檢算

計算寬度1 m，擋墻α=5.71°，tanα=0.1；由圖2可知h0=0.78 m，H=11.34 m。

2.2.2.1最危險破裂面與垂直面之間的夾角：

得ω=24.12°

贛南燈彩又稱為花燈，是元宵節最常見的活動，不同于其他的燈彩歌舞，贛南燈彩具有濃厚的地域特色，不僅有獨特的燈飾藝術，還能夠創作獨特的舞蹈。這一舞蹈形式通常出現在一年的起始階段，寓意未來一年內的順利。文化方面，贛南燈彩歌舞的練習幫助練舞蹈者改善體型，提高身體協調性能和健康指數，也凈化舞者心靈，是一種具有極高實用價值的舞蹈。在贛南燈彩歌舞中，舞蹈中體現的精神正是人類的包容、自強等精神，因此燈彩歌舞對于人的性格塑造具有積極作用。

2.2.2.2土壓力

(2.24-0.78)]=84.924kN

σH=γλ(H-h0)=20×0.1091×(11.34-0.78)

=23.042kPa

=3.186kPa

主動土壓力：

31.454kN

E=E1+E2=91.452+31.454=122.906kN

2.2.2.3傾覆力矩M0

401.099kN·m

2.2.2.4穩定力矩My

自重 P=25.08×1×23=576.84kN

My=P·x=576.84×1.13=670.83kN·m

2.2.2.5墻身截面強度及偏心距檢算

進口段洞門墻身偏心距滿足要求。

進口段洞門墻身強度滿足要求。

2.2.2.6傾覆穩定系數

進口段洞門墻身抗傾覆穩定性滿足要求。

2.2.2.7滑動穩定系數

進口段洞門墻身抗滑穩定性滿足要求。

2.2.2.8端墻基底應力及偏心距檢算

進口段端墻基底偏心距滿足要求。

由于：e=0.524>B/6=0.333m

故

0.808MPa>[σa]=0.35MPa

進口段洞門端墻基底應力檢算不滿足要求。可采用C15混凝土對進口段地基進行換填處理，換填深度3.0 m，再次檢算可得基底應力滿足要求。

綜上，隧道進口段洞門端墻的基底強度及偏心距、抗滑動穩定性、抗傾覆穩定性、墻身強度及偏心距全部合格，隧道進口段洞門設計滿足要求。

2.3隧道出口段洞門端墻檢算

2.3.1基本計算數據

2.3.1.1地層物理力學參數

Ⅴ級圍巖；邊坡坡度ε=34°，tanε=0.675；

土層重度γ=20 kN/m3；計算摩擦角φ=50°；

基底摩擦系數f=0.40；基底設計控制壓應力σ=0.35 kN/m2。

2.3.1.2所選用材料的基本物理力學參數

端墻采用C15片石混凝土，重度γ=23 kN/m3；

容許壓應力[K0≥1.6]=6.1 MPa，容許拉應力[φ=55°,tanφ=1.428]=0.36 MPa；

利用工程類比法初步擬定出口段洞門尺寸，其計算簡圖如圖3所示。

圖3　隧道出口段洞門端墻計算(單位：cm)

2.3.2洞門強度及穩定性檢算

計算寬度1 m，擋墻α=5.71°，tanα=0.1；由圖3可知h0=0.78 m，H=11.34 m。

按照2.2.2節進口段洞門強度及穩定性驗算過程，計算得到出口段強度及穩定性檢算結果見表2。

表2　出口段洞門強度及穩定性檢算結果

出口段洞門端墻基底應力檢算不滿足要求。可采用C15混凝土對出口段地基進行換填處理，換填深度3.0 m，再次檢算可得基底應力滿足要求。

綜上，隧道出口段洞門端墻的基底強度及偏心距、抗滑動穩定性、抗傾覆穩定性、墻身強度及偏心距全部合格，隧道出口段洞門設計滿足要求。

3結論

通過工程類比法初步擬定了納溪～宜賓段公路涪溪口隧道進出口洞門結構的各部分設計參數，并按要求對該臺階式進出口洞門強度及穩定性進行檢算，得出如下結論：

(1)洞門端墻的基底偏心距、抗滑動穩定性、抗傾覆穩定性、墻身強度及偏心距進行檢算，均滿足設計要求；

(2)通過采用換土墊層法對地基進行加固處理，洞門端墻的基底強度可達到設計要求；

(3)納溪～宜賓段公路涪溪口隧道臺階式進出口洞門結構的各部分設計參數合理可靠，可為類似工程提供參考。

參考文獻

[1]鐵道部專業設計院.洞門[M]//鐵路隧道結構物設計計算叢書. 北京: 中國鐵道出版社, 1990.

[2]交通部公路司.新理念公路設計指南[M].人民交通出版社，2005.

[3]胡瑤瑤. 隧道洞門概率極限狀態設計方法研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2014.

[4]JTG D70-2004 公路隧道設計規范[S].

[5]JTG D61-2005 公路圬工橋涵設計規范[S].

[6]JTG D30-2004 公路路基設計規范[S].

[7]JTGD63-2007 公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[作者簡介]李玉瓊(1980～),女，工學學士，工程師，主要從事軌道交通投資及軌道交通建設管理工作。

【中圖分類號】U453.1

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-11-04