新成昆鐵路跨隧道內溶洞橋梁結構設計

繆慶華

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

近年來,隨著西部基建加速,鐵路隧道建造過程中遇到溶洞的情況顯著增多,存在洞頂坍塌、暗河發育、涌水等情況,溶洞具有的差異化、高風險特征也給隧道建造帶來了很大難度[1-3]。 針對不同的溶洞問題,需要對溶洞形態、工程地質、水文特性等情況進行分析,再因地制宜地提出綜合解決方案[4-6]。 唐雨生等我國巖溶區分為3 大類,研究鐵路工程中遇到的地質難題和典型案例解決方案[7];龍禹結合玉京山隧道施工中的復雜溶洞,提出暗河改道、溶洞填滿、穹頂支護與連續梁跨越等的組合技術處置方案以跨越溶洞[8];姜波等開展富水溶洞產生的非均勻荷載的襯砌結構受力分析,對比富水溶洞位置、分布范圍等的影響,并給出襯砌結構設計建議[9];王秋提出針對巖溶地下水,采用立體排水系統保證襯砌結構安全,并通過數值分析比選跨越溶洞的方式[10];張鵬等探討隧道水害成因,并提出利用既有結構和重點區域開放性排水的水害處治理念,通過數值模擬和現場實踐的方式驗證隧道水害處治效果[11];張廣澤等基于多個高速鐵路隧道案例,對涌水突泥、圍巖失穩和隧底大型溶洞等典型隧道巖溶災害的防治技術進行總結[12];袁溢結合隧道巖溶裂隙水問題,通過分析現場揭示地下水來源、涌水特點等,對比泄水洞位置的方案比選,開展工程優化設計[13];徐春等以新高坡隧道為背景,通過超前地質預報對施工進行指導,并針對溶洞的不同位置,提出未貫穿溶洞和貫穿溶洞的處理方案[14];杜宇本等建立4 類巖溶風險評估模型,并介紹多類防治方法的實踐情況[15]。 綜上,溶洞情況復雜多變,不同溶洞形態各異,根據不同鐵路溶洞特征,應采用合適的處置方式進行綜合處理[16-20]。

新成昆鐵路老鼻山隧道3 號橫洞工區存在一處大型溶洞,采用調查分析方法對溶洞類型進行判斷,給出以橋梁和護橋結構的組合方式跨越溶洞的方案,并基于有限元分析技術,針對施工階段和成橋階段開展結構受力分析研究。

2 工程背景

新成昆鐵路老鼻山隧道設計時速160 km,為客貨共線鐵路雙線隧道,隧道全長13.579 km,最大埋深約719 m。 為解決工期、防災救援、施工通風及排水等問題,隧道共設3 座橫洞。 老鼻山隧道3 號橫洞工區所揭示的溶洞橫向貫通掌子面,并向兩側延伸,同時溶洞呈不規則形狀向上和向下延伸,該溶洞向下最大深度約39 m,向上最大高度約32 m,橫向最大寬度約38 m,整體位置偏向線路右側,縱向延伸最大長度約28 m,見圖1。

圖1 老鼻山隧道溶洞斷面示意

該段地表植被茂密,樹林全覆蓋,未見長年流水溝,隧道在該處附近埋深約625 m,地表水與溶洞無直接水力關系,隧道右側距離大渡河邊2 ～3 km 范圍內,未見有大的泉點及暗河出露。

深入調查發現,溶洞頂部巖體較為破碎,揭示初期偶有掉塊發生;溶洞底部為施工過程墜落洞渣,洞渣厚約5 m,溶洞周壁表層局部夾有一層0.01 ～0.05 m 的軟塑狀黃色黏土,線狀水流主要位于線路右側邊墻拱頂上方,溶洞靠線路右側壁巖較完整,溶洞靠線路左側壁發育一處貫通性較好的垂直裂縫,裂縫寬0.1 ～0.3 m(見圖2),從溶洞底一直延伸至隧道拱頂以上,可見高度約30 m。 裂縫與線路近似垂直相交,溶洞底裂縫被覆蓋,無法探明其深度,拱頂線狀水經該裂縫流至隧道外(見圖3)。

圖2 溶洞底左側垂直裂縫

圖3 溶洞底部線狀流水情況

對溶洞拱頂及洞壁進行穩定性分析,巖石裂隙面中夾有黃色黏土,洞內巖壁潮濕,洞壁上有薄層黃色軟塑狀黏土附著,溶洞內無充填物,巖體為厚層狀灰巖,呈碎塊狀結構,產狀近似水平,主要發育2 組垂直節理,節理多呈密閉狀;溶洞四周壁近似直立,巖體較完整,整體性較好。 經現場揭示,初步判定該溶洞洞壁及拱頂整體穩定,溶洞頂及洞壁局部有掉塊產生,洞內最大掉塊直徑約1 m,洞頂及洞壁需進行防護。

通過地表調查、溶洞內調查、巖溶補勘、完整水文年監測等系列工作,判斷為無充填溶洞,溶洞內水源補給主要為基巖裂隙水,與地表水無關聯,流量穩定在3～6 m3/h,溶洞整體穩定。

基于溶洞調查分析,為滿足線路設計要求,緩沖落石沖擊、解決極端氣候條件下可能出現溶洞水倒灌淹沒道床的風險,同時避免過大的工程設計和投資變更,提出一種跨“鋼筋混凝土拱橋+護橋”的主體方案,并輔以隧底隱伏巖溶處理、排水廊道等作為溶洞永久處理方案。

3 拱橋與護橋結構設計方案

為跨越隧道溶洞,采用實腹式鋼筋混凝土板拱橋,橋上采用鋼筋混凝土明洞襯砌從保護橋梁主體構件不受落石沖擊影響。 拱橋的計算跨徑為22 m,拱軸線采用拋物線形式,矢高為4.4 m,矢跨比1/5,拱圈橫向寬16.98 m,厚2 m,橋面系總寬17.38 m,跨中拱上(拱頂)結構與橋面系總高2.3 m,立面布置和橫斷面見圖4、圖5。 護橋結構采用設置雙耳墻式護橋明洞結構,拱墻厚0.1～0.223 m。 拱座采用明挖臺階式混凝土基礎,基礎長10.363 m,高7.852 m。 橋梁主拱圈采用C50 混凝土,拱上結構和拱座基礎采用C35 混凝土。

圖4 跨溶洞拱橋立面布置(單位:m)

圖5 拱橋橫斷面(單位:m)

4 有限元模型

采用有限元分析軟件Midas/Civil 建立全橋有限元模型,其中拱頂填料采用釋放桿端約束的梁單元模擬,橋面板為連續梁單元模擬,拱腳處施加順橋向、豎向線位移和繞橫橋向的角位移約束。 有限元模型見圖6。

圖6 橋梁有限元模型

分析中,荷載考慮恒載、靜活載、溫度荷載。 恒載包括自重、二期恒載、明洞段襯砌永久荷載和施工荷載,鋼筋混凝土自重為26.5 kN/m3,二期恒載為120 kN/m,襯砌永久荷載和施工荷載形式見圖7,明洞段襯砌永久荷載為1 761.7 kN/m,施工臨時荷載為323.1 kN/m。

圖7 襯砌永久荷載和施工荷載示意(單位:m)

靜活載按ZKH 活載,溫度荷載考慮均勻升降溫±5 ℃。 考慮到橋梁位于隧道內,不考慮非均勻溫差和不均勻基礎變位的影響。

根據施工順序,在有限元模型中共設置6 個施工階段:①開展支架現澆主拱圈混凝土,跨中預留2 m 合龍段,60 d;②主拱圈跨中2 m 合龍澆筑,5 d;③分層分段施工主拱圈上填料,60 d;④施工明洞段襯砌施工,60 d;⑤橋面系施工,30 d;⑥成橋收縮徐變,3 650 d。

5 受力性能分析

基于所建立的有限元模型,開展不同施工階段、不同荷載組合工況下的計算分析,探討施工過程和成橋狀態的內力和變形情況。 拱圈為無鉸拱,拱圈計算不考慮拱上結構共同受力作用。

5.1 考慮施工過程的恒載下主拱圈受力分析

根據第4 節6 個施工階段劃分方式,對比不同施工階段下主拱圈上緣和下緣的應力最值變化見圖8、圖9。

圖8 不同施工階段的主拱圈應力變化

圖9 不同施工階段的主拱圈變形

由圖8、圖9 可知,主拱圈最大壓應力和最大拉應力均出現在成橋階段,分別為5.94 MPa 和2.74 MPa,分別位于主拱圈拱腳的下緣和上緣位置,豎向位移最大為3.85 mm。

5.2 主拱圈受力性能分析

(1)活載和溫度荷載的作用

當考慮ZKH 列車活載作用時,主拱圈最大壓應力和拉應力分別為0.31 MPa 和0.17 MPa,出現在主拱圈拱底的下緣和上緣。

考慮整體升溫5 ℃時,主拱圈最大壓應力為2.25 MPa,出現在主拱圈拱底上緣;最大拉應力為1.87 MPa,出現在主拱圈拱頂下緣。

考慮整體降溫5 ℃時,主拱圈最大壓應力為1.87 MPa,出現在主拱圈拱頂下緣;最大拉應力為2.25 MPa,出現在主拱圈拱底上緣。

(2)荷載組合

根據TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》荷載組合考慮下述2 類:

① 主力=恒載+靜活載;

② 主力+附加力=恒載+靜活載+溫度荷載。

(3)受力性能分析

根據TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》第6.2.5 條進行偏心受壓構件強度計算,第6.2.7 條進行偏心受壓構件的裂縫寬度計算,其中計算長度L0=0.36La(拱軸線長度),即8.75 m。

主拱圈為C50 鋼筋混凝土,主力作用下其混凝土容許應力[σb] = 16.8 MPa,主+附提高30%,即21.84 MPa;主力作用下其裂縫寬度按照[ωf] =0.2 mm,主+附提高20%,即0.24 mm。

拱橋最不利截面為主力+附加力作用下的跨中拱頂截面、拱腳截面,對應的受力見表1。 針對表1 中的4 種工況及受力情況進行關鍵截面的強度和裂縫計算,獲得4 種工況的混凝土正應力和鋼筋應力、裂縫寬度結果見表2。

表1 截面分析工況及荷載

表2 關鍵截面強度和裂縫分析結果

由表2 可知,混凝土正應力最大為11.88 MPa,小于21.84 MPa 的混凝土容許應力;鋼筋應力最大為189.07 MPa,小于270 MPa 的鋼筋容許應力;裂縫寬度最大為0.19 mm,小于0.24 mm 的裂縫容許寬度。

6 結論

(1)新成昆鐵路老鼻山隧道橫洞施工完成后,掌子面施工揭示了一處大型溶洞,通過調查和監測分析,判斷該溶洞為無充填溶洞,并提出“拱橋跨越+護橋結構”的主體方案。

(2)通過建立有限元模型,對考慮護橋結構的拱橋開展受力分析,荷載考慮恒載、靜活載、溫度荷載,設置6 個施工階段。 恒載作用下主拱圈最大壓應力和最大拉應力分別為5.94 MPa 和2.74 MPa,分別位于主拱圈拱腳的下緣和上緣位置。

(3)成橋階段的主拱圈受力分析表明,最不利截面為“主力+附加力”作用下的跨中拱頂截面、拱腳截面,通過強度和裂縫計算分析表明,應力和裂縫均滿足相關規范要求。