臺階式洞門強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢算研究

李玉瓊

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518000)

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臺階式洞門強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢算研究

李玉瓊

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518000)

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

【關(guān)鍵詞】隧道；臺階式洞門；強(qiáng)度；穩(wěn)定性

隧道洞門作為進(jìn)出入隧道的標(biāo)志，是隧道結(jié)構(gòu)的重要組成部分。隧道洞門常使用圬工砌筑，并根據(jù)需要和周圍環(huán)境進(jìn)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(jié)構(gòu)主要有三點作用：(1)洞門能夠連接隧道內(nèi)部襯砌與路壁，使之成為一個整體，實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的統(tǒng)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(wěn)定性；(3)洞門可引導(dǎo)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(yùn)營都有著至關(guān)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(jìn)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(jìn)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(jié)凝灰?guī)r，全風(fēng)化層厚2～3 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚2～4 m，呈碎石狀散粒結(jié)構(gòu)；弱風(fēng)化層厚約15～20 m，巖體呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。

隧道洞身段圍巖主要為含碎石亞黏性土、強(qiáng)風(fēng)化層及弱風(fēng)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(fēng)化裂隙水，水量不大。根據(jù)隧道進(jìn)洞口位置的邊、仰坡度和工程地質(zhì)條件，確定隧道進(jìn)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(jī)耕路下部，表部為厚1～2 m的碎石素填土，結(jié)構(gòu)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(jié)凝灰?guī)r，全風(fēng)化層厚度約為1～2 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚度為1.0～2.0 m左右，弱風(fēng)化層厚度為15～20 m左右，巖體主要呈塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，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(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層及弱風(fēng)化層，地下水類型主要為基巖裂隙水，水量貧乏。根據(jù)隧道出洞口位置的邊、仰坡度和工程地質(zhì)條件，確定隧道出口段可適當(dāng)接長明洞，采用臺階式洞門。

2洞門強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗算

2.1計算原理

(1)洞門墻的設(shè)計宜按照工程類比法初步擬定洞門墻尺寸，對墻身各項穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行驗算后，根據(jù)驗算結(jié)果調(diào)整設(shè)計，直至選定一個安全、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計方案。

(2)《公路隧道設(shè)計規(guī)范規(guī)定》[4]對于擋墻式洞門，洞門墻可視為擋土墻，按極限狀態(tài)檢算其強(qiáng)度，并應(yīng)檢算繞墻趾傾覆及基底滑動的穩(wěn)定性(圖1)，檢算結(jié)果應(yīng)符合表1的規(guī)定，并應(yīng)符合《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》、《公路路基設(shè)計規(guī)范》、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定洞門墻的穩(wěn)定性指標(biāo)規(guī)定[5-7]。

表1　隧道洞門墻檢算規(guī)定

2.1.1洞門墻抗傾覆穩(wěn)定性計算

式中 ：K0為基底的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；

My為洞門墻的穩(wěn)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(shù)檢算示意

2.1.2洞門墻抗滑動穩(wěn)定性計算

(1)當(dāng)基底水平時，

(2)當(dāng)基底傾斜時，

式中：K0為沿基底的抗滑動穩(wěn)定系數(shù)；

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(shù)；

α為基底傾斜角度。

2.1.3洞門墻基底偏心距計算

(1)當(dāng)基底水平時，

(2)當(dāng)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(yīng)力計算

(1)當(dāng)基底水平時，

(2)當(dāng)基底傾斜時，

各符號含義同前。

2.2隧道進(jìn)口段洞門端墻檢算

2.2.1基本計算數(shù)據(jù)

2.2.1.1地層物理力學(xué)參數(shù)

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(shù)f=0.40；基底設(shè)計控制壓應(yīng)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(yīng)力[σa]=6.1 MPa，容許拉應(yīng)力[σt]=0.36 MPa；

利用工程類比法初步擬定進(jìn)口段洞門尺寸，其計算簡圖如圖2所示。

圖2　隧道進(jìn)口段洞門端墻計算(單位：cm)

2.2.2洞門強(qiáng)度及穩(wěn)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(jié)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(shù)，還能夠創(chuàng)作獨特的舞蹈。這一舞蹈形式通常出現(xiàn)在一年的起始階段，寓意未來一年內(nèi)的順利。文化方面，贛南燈彩歌舞的練習(xí)幫助練舞蹈者改善體型，提高身體協(xié)調(diào)性能和健康指數(shù)，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(xiàn)的精神正是人類的包容、自強(qiáng)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(wěn)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(qiáng)度及偏心距檢算

進(jìn)口段洞門墻身偏心距滿足要求。

進(jìn)口段洞門墻身強(qiáng)度滿足要求。

2.2.2.6傾覆穩(wěn)定系數(shù)

進(jìn)口段洞門墻身抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

2.2.2.7滑動穩(wěn)定系數(shù)

進(jìn)口段洞門墻身抗滑穩(wěn)定性滿足要求。

2.2.2.8端墻基底應(yīng)力及偏心距檢算

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

綜上，隧道進(jìn)口段洞門端墻的基底強(qiáng)度及偏心距、抗滑動穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、墻身強(qiáng)度及偏心距全部合格，隧道進(jìn)口段洞門設(shè)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(shù)據(jù)

2.3.1.1地層物理力學(xué)參數(shù)

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(shù)f=0.40；基底設(shè)計控制壓應(yīng)力σ=0.35 kN/m2。

2.3.1.2所選用材料的基本物理力學(xué)參數(shù)

端墻采用C15片石混凝土，重度γ=23 kN/m3；

容許壓應(yīng)力[K0≥1.6]=6.1 MPa，容許拉應(yīng)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(qiáng)度及穩(wěn)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(jié)進(jìn)口段洞門強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗算過程，計算得到出口段強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢算結(jié)果見表2。

表2　出口段洞門強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢算結(jié)果

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

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

3結(jié)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(jìn)出口洞門結(jié)構(gòu)的各部分設(shè)計參數(shù)，并按要求對該臺階式進(jìn)出口洞門強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，得出如下結(jié)論：

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

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

(3)納溪～宜賓段公路涪溪口隧道臺階式進(jìn)出口洞門結(jié)構(gòu)的各部分設(shè)計參數(shù)合理可靠，可為類似工程提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]鐵道部專業(yè)設(shè)計院.洞門[M]//鐵路隧道結(jié)構(gòu)物設(shè)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(shè)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(tài)設(shè)計方法研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2014.

[4]JTG D70-2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[5]JTG D61-2005 公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[6]JTG D30-2004 公路路基設(shè)計規(guī)范[S].

[7]JTGD63-2007 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

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

【中圖分類號】U453.1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-11-04