斜洞襯砌荷載分布規律及內力分析

劉曉盼 臺航迪 康迎賓

(1.華北水利水電大學水利學院,河南 鄭州 450000; 2.黃河水利勘測規劃設計有限公司工程設計院,河南 鄭州 450003)

0 引言

長輸水隧洞，為滿足施工要求，常在隧洞中部適當位置增設施工支洞(平洞或斜洞)，增加施工作業面，加快施工進度。當前，新奧法是我國隧洞設計與施工的主要方法，其支護形式多采用復合式襯砌。目前，對二次襯砌的設計，暫時還沒有一個完整而又統一的設計準則。究其原因，是對二次襯砌基本功能和作用機理的看法不同。由于認識的不統一性，對復合式襯砌中初期支護與二次襯砌的荷載分配比例關系缺乏深入的研究[1]。

基于此，對于斜洞承受的荷載情況，依據《鐵路隧道設計規范》，研究其襯砌在超淺埋、淺埋及深埋條件下的荷載變化規律。根據新奧法理論，對斜洞支護的二襯分別進行了荷載不折減及荷載折減的有限元分析，研究二次襯砌設計的合理性。

1 工程概況

某工程長距離輸水隧洞，(6+150～9+850)段為長3.7 km土洞。2號施工斜洞位于隧洞的6+600東北側，洞底前25 m坡度為1∶11.224，在斜洞和主洞交叉位置DES2# 0+295.00樁號后采用平坡，其他段(DES2# 0+025.00～DES2# 0+295.00)洞底坡度為1∶10.62。其巖性為第四系上更新統琚灣組硬塑狀的粉質粘土，斜洞段埋深約為3.0 m～30.0 m，為Ⅴ類圍巖。采用馬蹄形斷面，斷面凈尺寸為6 m×6 m(寬×高)。一期支護為Ⅰ18 型鋼拱架(間距50 cm)+25 cm噴混凝土C25+φ25系統錨桿(L=3 m，間排距1 m)+掛鋼筋網(φ10@20×20)，二襯布置襯砌30 cm(底板45 cm)厚鋼筋混凝土。

2 荷載分布規律

2.1 斜洞土壓力的計算

根據TB 10003—2005鐵路隧道設計規范中規定：

1)淺埋隧道襯砌荷載計算方法：

(1)

其中，B為坑道寬度，m;γ為圍巖重度，kN/m3；h為洞頂地面高度，m;θ為頂板土柱兩側摩擦角，(°)，為經驗數值;λ為側壓力系數;φc為圍巖計算摩擦角，(°)；β為產生最大推力時的破裂角，(°)。

2)深埋隧道襯砌荷載計算方法：

q=γh

h=0.45×2S-1ω

(2)

其中，ω為寬度影響系數，ω=1+i(B-5)；B為隧洞寬度，m；i為B每增減1 m時的圍巖壓力增減率，當B<5 m時，取i=0.2;當B>5 m時，取i=0.1。

2.2 深、淺埋隧道分界深度

根據TB 10003—2005鐵路隧道設計規范相關規定：以2.5倍h(深埋隧道垂直荷載計算高度)作為深淺埋的分界，圍巖計算壓力高度由式(2)得：

h=0.45×2S-1ω=0.45×25-1×1.21=8.71 m。

其中，ω為寬度影響系數，ω=1+i(B-5)=1+0.1(7.1-5)=1.21；S為圍巖級別，為Ⅴ級圍巖。

斜洞深淺埋分界深度，即：

H分界=2.5h=21.78 m。

其中，H為深淺、埋斜洞分界深度，m；h為圍巖計算壓力高度。

據此，h=8.71 m，H分界=2.5h=21.78 m，即當埋深小于8.71 m為超淺埋，當埋深大于21.78 m為深埋，介于兩者之間定義為淺埋。

斜洞段埋深約為3.0 m～30.0 m，由于淺埋隧洞計算荷載較大，所以襯砌荷載按淺埋隧洞計算。

按式(1)計算，在計算中圍巖壓力由土柱重度代替，分別對覆土層厚度為h=1,5,9,13,17,20,21,22,22.001,26,30進行計算，得到斜洞超淺埋、淺埋段圍巖壓力隨著埋深的增大呈拋物線形式增長，而深埋段圍巖壓力值與埋深無關。

把以上分析結果進行歸納整理，從結構偏于安全考慮，最終斜洞的頂部垂直壓力取值確定以下原則：

1)由規范規定的等效荷載高度可知，覆土層厚度大于22 m時，則斜洞結構頂部垂直壓力按8.71 m土柱荷載計算[2]；

2)當覆土層厚度不大于22 m時，則斜洞結構頂部的垂直壓力按實際覆土厚度計算。

由上面分析可知，在洞頂地面高度為22 m時，土壓力達到最大，因此，選取該斷面進行分析。

3 二次襯砌內力分析

隧洞襯砌采用斷面形式有多種，目前為止，大多以三心圓拱形式為主。荷載—結構模式計算的內力結果是其設計的依據。在實際工程中，斜洞襯砌設計要求很高，正常使用階段的襯砌一般處于彈性階段。由于襯砌主要受到壓彎的作用，因此用彈性梁對其進行模擬。本工程以靜力等效原則為準則,壓力由相應節點荷載替代。

1)模型的建立。根據《鐵路隧道設計規范》相關規定，斜洞彈性模量取20 GPa，泊松比取0.2，圍巖彈性反力系數取16 MPa/m。將全部襯砌劃分為170個單元，并施加120個彈簧單元,采用梁單元(Beam3)模擬襯砌結構，其中仰拱處襯砌厚度為0.45 m，其他處襯砌厚度取為0.3 m；襯砌與圍巖間的相互作用采用彈簧單元(Combin14)進行模擬，彈簧沿徑向布置在襯砌線的外側，計算中只考慮受壓彈簧，因此對受拉的彈簧進行了彈性反力系數為0的處理。

2)加載與求解。本工程斜洞主要考慮的荷載：襯砌自身重力+土壓力+圍巖彈性抗力。

利用ANSYS程序，對四周各節點施加X，Y方向的約束，并施加重力加速度，土壓力由上面計算已得。

3.1 二次襯砌承受全部荷載的內力計算結果

二次襯砌承擔全部荷載的變形及內力結果如下。

由圖1～圖3可以看出，斜洞二次襯砌結構受力特征為：彎矩最大的地方為仰拱跨中，拱腰、拱頂和仰拱跨中彎矩依次增大；軸力在仰拱上呈現出近似均勻受壓分布的規律，最大軸力在仰拱與拱腳交界處，拱頂、拱腰依次增加；剪力仰拱與拱腳交界的地方為其最大值分布所在，且拱腳處的剪力比拱腰處要大，仰拱跨中和拱頂處的剪力顯示為0，這是由荷載和結構都為對稱結構引起的。

對于壓彎構件來分析，拱腳部位屬于剛域區域，計算中不予考慮，拱頂、仰拱和拱腳相交處以及仰拱處彎矩分別為253 kN·m,273 kN·m,904 kN·m，軸力分別為599 kN,1 028 kN,585 kN，剪力分別為0 kN,215 kN,0 kN。由以上計算結果可得：仰拱和拱腳相交處、拱頂及仰拱配筋率分別為2 868 mm2，3 020 mm2，3 980 mm2，按照偏心受壓構件配筋，間距為200 mm對稱配筋顯然是不能滿足要求的。

3.2 折減后內力計算

由JTG D70—2004公路隧道設計規范規定可知，對復合式襯砌中的二次襯砌，Ⅴ類圍巖要求作為承載結構，其分擔圍巖壓力比例為60%～80%。本隧洞選取比例70%。

不考慮拱腳部位屬于剛域區域，二次襯砌承擔折減后的荷載與承擔全部荷載的變形及力學行為特征是相同的，只是數值上發生了很大的變化。拱頂、仰拱和拱腳相交處以及仰拱處彎矩分別為184 kN·m,194 kN·m,656 kN·m，軸力分別為421 kN,738 kN,415 kN，剪力分別為0 kN，150 kN,0 kN，配筋率分別為2 163 mm2,1 846 mm2,2 885 mm2。按照偏心受壓構件配筋，墻角和拱頂配置5Φ25鋼筋，仰拱襯砌采用1 000 mm能夠滿足截面配筋要求。

4 結語

本文結合實際工程和有關文獻研究，對斜洞襯砌超淺埋、淺埋、深埋條件下的荷載規律進行研究，結合工程實際，對二次襯砌荷載不折減與荷載折減后的計算結果進行了比較分析，主要結論如下：

1)斜洞超淺埋、淺埋段圍巖壓力隨著埋深的增大呈拋物線增長，而深埋段圍巖壓力值不隨埋深的變化而變化的，即圍巖壓力值與埋深無關。

2)依據本文的研究成果，斜洞的二次襯砌結構受力危險部位拱頂、仰拱與拱腳相交處以及仰拱處在荷載折減后滿足截面配筋要求，仰拱部位在工程設計中應適當加大尺寸。斜洞選用規范中折減二襯承受荷載符合工程實際。

[1] 楊昌賢.公路隧道二次襯砌承載能力與優化設計研究[D.成都：西南交通大學,2010.

[2] 張中安,羅富榮.土質地層淺埋地下結構設計中的土壓力計算[J].鐵道建筑,2001(3):10-12.

[3] 王立宏,張電吉.淺埋暗挖地鐵隧道襯砌的力學行為分析[J].武漢工程大學學報,2010,32(3):54-56,61.

[4] 李忠陶.寶塔山特長公路隧道斜井設計技術[J].山西交通科技,2016(5):40-44.

[5] TB 10003—2005，鐵路隧道設計規范[S].

[6] JTG D70—2004,公路隧道設計規范[S].