抗滑樁對洞門整體穩定性的影響研究

馬 青

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

0 引言

隧道洞門作為一種支擋結構，受到墻背土壓力作用，需檢算繞墻趾傾覆及沿基底滑動的穩定性。根據TB 10003－2005《鐵路隧道設計規范》規定，滑移穩定安全系數Kc≥1.3，傾覆穩定安全系數K0≥1.5［1］。目前的常規設計中，當洞門正面基本尺寸擬定后，在端墻的控制部位一般取寬度為1 m的檢算條帶視作擋土墻，對擋土墻進行穩定性檢算［2］。謝建華等［3］詳細闡述了翼墻式洞門強度和穩定性的計算過程。許才仗等［4］結合隧道柱式洞門的特點，詳細闡述了柱式洞門強度和穩定性的驗算過程。這些研究均是以條帶理論為基礎，按部就班地對洞門穩定性進行檢算。周佳媚［5］運用三維接觸單元，研究了隧道洞門和土體的相互作用，得出了典型隧道洞門土壓力分布規律。李琦［6］利用有限元軟件ABAQUS建立了三維大斷面隧道及其洞門的有限元模型，考慮了隧道洞門、隧道襯砌、墻后土體三者之間的相互影響，得出在各級圍巖下大斷面隧道洞門土壓力的大小及分布形式，并總結出大斷面隧道洞門土壓力分布的特點。這些研究或以條帶理論對某個工點案列進行驗算，或對洞門后土壓力分布規律進行研究，沒有著眼于洞門及接觸構筑物(抗滑樁)的整體力系。高新強等［7］、程剛［8］、李強等［9］利用ANSYS軟件建立三維有限元模型，對削竹式、倒削竹式洞門的受力以及整體穩定性進行了分析;但是，對滑移傾覆安全系數并沒有進行計算，而且這些新型洞門的受力狀態也與傳統的端墻洞門不同。本文利用ANSYS軟件對某單線隧道洞門在主動土壓力作用下進行靜力分析，提出一種有別于條帶理論的整體穩定性分析方法［10］，得出評價洞門穩定性的滑移、傾覆安全系數。

1 問題的提出

某時速160 km單線鐵路隧道的洞門設計如下:洞門端墻采用C30混凝土，厚1.5 m，緊貼一根路基加固樁，墻背回填土石，土石重度為19 kN/m3，計算摩擦角 φ=35°，基底摩擦系數f=0.4(見圖1)。

為抵抗左側高邊坡的下滑力，洞口設置一根截面尺寸為2 m×2 m(長×寬)的抗滑樁。常規的檢算方法是選取樁與隧道襯砌間的1 m條帶進行檢算，計算公式采用文獻［2］中的洞門土壓力計算公式(見圖2)。

傾覆穩定安全系數

式中:∑My為全部的垂直力對墻趾的穩定力矩;∑M0為全部的水平力對墻趾的傾覆力矩。

滑移穩定安全系數

式中:∑N為作用于基底的垂直力之和;∑E為墻后主動土壓力之和。

穩定檢算結果不能滿足規范要求。通常情況下，應采取在洞門后面增加衡重臺，改用鋼筋混凝土襯砌增加洞門自重，同時，減小土壓力，在端墻底增加墻趾，增大穩定力矩等措施;但是，這帶來了很大的圬工量，也增加了施工的難度。如果能考慮樁對洞門的約束作用，進行整體穩定性分析，則可能在不增加衡重臺和墻趾這些附加措施的情況下，檢算隧道洞門的穩定性是否滿足規范要求。

圖1 某隧道洞門設計圖(單位:cm)Fig.1 Design drawing of a tunnel portal(cm)

2 洞門整體穩定性分析

主動土壓力荷載同樣采用文獻［2］中的洞門土壓力計算公式進行計算，沿洞門高度逐漸變化，墻頂為0，在墻腳達到最大，為 31.15 kN/m2。

2.1 洞門建模

利用大型有限元分析軟件ANSYS12.0建立隧道洞門三維模型，端墻采用SHELL63彈性殼單元模擬，模型單元共計332個，節點370個(見圖3)。

圖2 常規檢算條帶選取及土壓力圖形(單位:cm)Fig.2 Conventional calculation band and earth pressure(cm)

圖3 洞門計算模型Fig.3 Numerical calculation model of tunnel portal

邊界條件:接觸樁部分以及襯砌的節點約束Z方向(平行于主動土壓力方向)位移;端墻基底約束Y方向(重力方向)以及Z方向位移;樁和襯砌對洞門端墻的作用考慮為約束其作用范圍內端墻節點的Z方向位移。

本次計算采用的材料力學參數如表1所示。

表1 計算參數表Table 1 Calculation parameters

加載到墻背的主動土壓力荷載同樣采用文獻［2］中的洞門土壓力計算公式進行計算，沿洞門高度逐漸變化，墻頂為0，在墻腳達到最大，為31.15 kN/m2。荷載以節點荷載的形式根據洞門高度變化加載到模型上。

2.2 計算結果

整體穩定性即將洞門結構按整體考慮，每個點的傾覆滑移均受整個力系的作用。

滑移分析:提取墻底節點Y方向和Z方向的力，樁與洞口襯砌之間的墻底安全系數計算值如表2所示。

表2 墻底節點力及滑移穩定安全系數Table 2 Node force of wall bottom and safety factor of sliding

抗傾覆分析

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式中:h為端墻高度;h樁為抗滑樁在端墻范圍內高度;h襯砌為抗滑樁在襯砌范圍內高度;b為端墻寬度;γ端墻為端墻重度;F樁為樁節點反力;F襯砌為襯砌節點反力。

式中q土壓力為端墻單位面積內受到主動土壓力。

由上述計算結果可知，當把洞門端墻、樁、襯砌放入一個整體力系時，洞門端墻滑移穩定安全系數、傾覆穩定安全系數均滿足規范要求。

3 合理樁洞間距的選擇

基于上述分析方法，對單線隧道洞門端墻樁洞凈距(即樁與洞口襯砌之間的凈距)進行研究，根據單線隧道襯砌凈空的特點，作如下假定:1)樁在端墻范圍的高度與洞門襯砌齊平，為9.5 m;2)端墻高度取12 m。分別取A樁(樁徑2 m)和B樁(樁徑1 m)對滑移穩定安全系數進行分析(見圖4和圖5)，文中樁徑為樁與洞門端墻的接觸寬度。

圖4 A樁滑移穩定安全系數隨樁洞凈距變化曲線圖Fig.4 Sliding safety coefficent of Type A pile Vs.clear spacing between pile and tunnel portal

圖5 B樁滑移穩定安全系數隨樁洞凈距變化曲線圖Fig.5 Sliding safety coefficient of Type B pile Vs.clear spacing between pile and tunnel portal

由圖4和圖5可以看出，隨著樁洞凈距增大，滑移穩定安全系數減小。在2 m凈距范圍內，2種尺寸的樁對端墻約束作用非常明顯，安全系數較大;A樁凈距擴大到6～7 m時，安全系數不滿足規范要求;B樁凈距擴大到3～4 m時，安全系數不滿足規范要求。

4 結論與討論

通過對隧道洞門進行整體穩定性分析，有以下設計體會，其計算思路和方法可供類似工程設計時參考。

2)已經發表過的研究論文，或以條帶理論對某個工點案例進行驗算，或對洞門后土壓力分布規律進行研究，沒有著眼于洞門及接觸構筑物(抗滑樁)的整體力系對隧道端墻洞門穩定性的影響，當洞門結構外有樁體對洞門變形進行約束時，傳統的條帶檢算理論過于保守。

3)通過對洞門進行整體穩定性分析，在滿足相同安全系數的基礎上，可以降低圬工和施工難度，提高設計的技術經濟合理性。

4)由于沒有考慮樁與襯砌之間土壓力拱的作用，本文計算的主動土壓力值比實際受力偏大;土壓力計算也只是考慮了墻背后填土為平坡的情況，忽略了仰坡坡率的影響;對于樁洞凈距的選擇，其假定條件可能還不成熟。這些問題還需進一步研究。

［1］ TB 10003－2005鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.(TB 10003－2005 Code for design on tunnel of railway［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2005.(in Chinese))

［2］ 鐵道部第三勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊:隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation.Railway engineering design handbook:Tunnel［M］.Beijing:China Railway Publishing House，1999.(in Chinese))

［3］ 謝建華，楊玉鳳.翼墻式隧道洞門強度及穩定性驗算研究［J］.公路交通科技:應用技術版，2011(2):120－123.(XIE Jianhua，YANG Yufeng. Study on checking on strength and stability of wing-wall type portal of tunnel［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development:Application Technology Edition，2011(2):120 －123.(in Chinese))

［4］ 許才仗，蒙國往，潘紅桂.柱式洞門強度及穩定性驗算［J］.山西建筑，2013，39(3):155 －157.(XU Caizhang，MENG Guowang，PAN Honggui.Research on the strength and stability calculation of column-style tunnel portal［J］.Shanxi Architecture，2013，39(3):155 － 157.(in Chinese))

［5］ 周佳媚.隧道洞門結構土壓力的研究［D］.成都:西南交通大學，2005.(ZHOU Jiamei.Study of earth pressure acted on tunnel portal structure［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2005.(in Chinese))

［6］ 李琦.大斷面鐵路隧道洞門結構土壓力的計算分析及研究［D］.成都:西南交通大學，2014.(LI Qi.Computational analysis and study of earth pressure acted on large section railway tunnel portal［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2014.(in Chinese))

［7］ 高新強，仇文革，張會斌.一種特殊型式公路隧道洞門的設計［J］.公路，2002(7):132 －135.(GAO Xinqiang，QIU Wenge，ZHANG Huibin.Design for a special style highway tunnel opening［J］.Highway，2002(7):132 － 135.(in Chinese))

［8］ 程剛.新型鐵路隧道門受力特征研究［D］.成都:西南交通大學，2004.(CHENG Gang.Study on the mechanics characteristic of railway tunnel newiy-fashioned portal［D］.Chengdu:Southwest Jiaotong University，2004. (in Chinese))

［9］ 李強，王明年，林國進.銅鑼山隧道新型洞門結構計算［J］.公路，2005(2):160 － 165.(LI Qiang，WANG Mingnian，LIN Guojin.Structure calculation of late-model portal of Tongluo Mountain Tunnel［J］.Highway，2005(2):160 －165.(in Chinese))

［10］ 胡榮華，劉國楠，黃孝剛，等.衡重式樁板擋墻整體滑移穩定安全系數計算方法［J］.中國鐵道科學，2013，34(2):52 － 57.(HU Ronghua，LIU Guonan，HUANG Xiaogang，et al.Calculation method for overall sliding stability coefficient of sheet pile wall with relieving platform［J］.China Railway Science，2013，34(2):52 －57.(in Chinese ))