淺談鐵路隧道框架式棚洞結構設計

李濟良, 鞏江峰, 劉志剛

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

淺談鐵路隧道框架式棚洞結構設計

李濟良, 鞏江峰, 劉志剛

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

某新建鐵路隧道斜穿山體出洞，洞口危巖落石強烈發育，地形陡峻，且洞口下方為既有省道，為保證洞口及橋臺的施工與運營安全，洞口設計擬采用棚洞結構。目前國內外采用的棚洞結構形式種類繁多，但均為結合各隧道洞口具體地形、地質條件而設計，難以直接運用于本隧洞口。文章為設計出適合該新建鐵路隧道洞口的棚洞結構，結合既有工程經驗，利用有限元等軟件，分別從棚洞選型、尺寸擬定、結構組成及結構計算等方面進行分析，研究出了滿足該隧道時速要求的由矩形框架和邊梁共同組成的框架式棚洞結構，并最終完成了該棚洞的具體結構設計。設計出的框架式棚洞結構在保證工程安全的同時又節約工程造價，還滿足照明及美觀的要求，最終成功用于該隧道施工圖設計。

隧道洞口； 危巖落石； 棚洞； 結構設計

隧道洞口的安全一直是隧道設計者長期關注的重點問題，洞口設計也成為了隧道設計中的難點之一。當洞口存在塌方、危巖落石等不良地質時，設計通常考慮采用刷坡清方、預加固土體及接長拱形明洞等方案[1-2]。拱形明洞的結構整體性較好，能承受較大的側壓力與垂直力，然而由于其邊墻基礎不均勻沉降容易導致拱圈開裂而影響結構安全，因此其對結構基礎的要求較高。在某些特殊的地質、地形條件下，為保證線路安全，橋梁臺尾需伸進洞內，導致明洞取消仰拱，且又難以施作穩固的拱形明洞基礎時，棚式明洞即棚洞結構則成為了隧道設計者的首選。

棚洞主要由內外墻與頂部鋼筋混凝土結構組成，可采用現澆與預制拼裝相結合的方式施作[3]。設計時應結合具體的地質、地形條件選擇棚洞形式，常見的形式有剛架式、墻式、柱式與懸臂式等。近年來，我國高速鐵路建設事業飛速發展，在一些線路難以繞避不良地質的隧道洞口，一些新型棚洞結構應運而生，如框架式棚洞、斜交托梁式棚洞及全鋼結構棚洞等[4-7]。本文以某條新建鐵路的隧道洞口為例，詳細闡述了框架式棚洞結構設計過程，對棚洞結構設計提供了一定的參考作用。

1 工程概況

隧道全長8 601m，雙線隧道，時速160km/h，最大埋深約1 075m。測區屬河流峽谷中高山地貌，尼日河深切，地面高程1 025～2 150m，自然坡度5°～35°不等，局部較陡。地表植被不發育，多被墾為旱地，溝槽等低洼地帶覆土較厚。測區地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期為0.45 s。

隧道斜穿山體出洞，洞口地形陡峻，為陡崖，受地質構造影響，節理裂隙發育，巖體破碎，巖性為砂巖、白云巖夾頁巖，危巖落石發育。隧道出口地形如圖1所示，為保證線路運營安全，出口橋梁臺尾伸入隧道約11 m。

圖1 隧道出口平面地形

針對本隧道出口的具體情況，在對坡面危巖落石進行清除、支護后設置一道被動防護網，同時設置拱形明洞與棚洞結構保護線路免受危巖落石侵害。根據出口的地形、地質條件，結合橋臺位置，最后確定于出口設置16 m長拱形明洞接12 m長棚洞的設計方案。

本隧道出口地形橫坡十分陡峻，無棚洞內邊墻施作基礎，因此考慮采用框架式棚洞結構。

2 棚洞凈空斷面

棚洞結構與拱形明洞結構相接，內輪廓應滿足拱形結構襯砌的凈空要求。本隧為時速160 km/h客貨共線的雙線隧道，隧道建筑限界執行“隧限-2B”，直線段軌面以上凈空面積76.63 m2，曲線地段只考慮線間距加寬。綜合考慮矩形框架棚洞受力應力集中等問題，確定出棚洞內輪廓(圖2)。

圖2 棚洞結構內輪廓(單位:cm)

如圖2所示，棚洞軌面以上凈高8.25 m，凈寬11.7 m，滿足隧道設計要求。

3 棚洞結構設計

完整的棚洞結構由基礎、主體結構與附屬結構構成。針對本隧道洞口的具體情況，以從下而上的順序，逐步完成棚洞結構各部件設計。

棚洞基礎采用樁基礎，基礎樁綜合考慮預加固土體功能與棚洞結構受力進行設計，截面尺寸采用2 m×2 m,樁長18～30 m。

棚洞的矩形框架結構主要由橫梁與立柱組成，均采用矩形斷面。截面尺寸由結構計算確定，均為1.5 m×1.2 m。根據內輪廓尺寸要求，橫梁長度采用11.7 m，立柱長度采用11.8 m。

由于洞口地形偏壓嚴重，矩形框架結構與山體之間會形成V型槽，危巖落石仍可通過該槽形成的通道滾落至線路影響運營安全，因此考慮于該槽正上方設置一邊梁以阻斷落石滾落路徑。邊梁以樁為基礎，左側置于矩形框架結構之上并與之成為一整體，梁的右側伸入山體基巖。

沿著線路縱向設置3榀矩形框架與邊梁結構，每榀之間采用縱聯連接，即形成了本隧道12 m長的整體棚洞結構。再于每榀矩形框架的橫梁與邊梁上方設置縱向T梁，以使整個12 m長的線路在橫向與縱向均受到棚洞結構的保護，達到設計目的。

為減小危巖落石滾落至結構時產生的沖擊力，于T梁上方回填礦渣。考慮排水，于礦渣表面設置黏土隔水層。最后于第一榀結構的矩形框架橫梁與邊梁上方設置棚洞端墻，完成棚洞結構各部件設計。

設計的棚洞結構橫斷面如圖3所示，縱斷面如圖4所示。

圖3 棚洞結構橫斷面

圖4 棚洞結構縱斷面

4 棚洞結構計算

4.1 結構模型

利用ANSYS有限元軟件，采用梁單元對本棚洞各結構進行建模。棚洞主體結構分為矩形框架結構與邊梁結構，計算受力最大的縱向第2榀結構。考慮地面線及永久邊坡線以下為固定端，因此結構模型中包含部分樁基礎(圖5)。

圖5 棚洞結構計算模型

棚洞上方T梁為普通簡支梁結構，受力形式簡單，可直接利用基礎理論計算出簡支梁內力，無需利用ANSYS軟件建模計算。

4.2 荷載

棚洞結構所受荷載分為恒載、附加荷載與特殊荷載。其中恒載包括自重、回填土重力、T梁的自重、混凝土收縮徐變等，附加荷載包括溫度變化影響引起的應力與落石沖擊荷載，特殊荷載為地震荷載。

回填土重力：結合不同的工況分別按設計填土線和實際填土線計算。

落石沖擊力：計算按《鐵路工程設計技術手冊·隧道》，根據地形條件，危巖落石下落高度按80 m計，山坡坡角45°，落石體積不大于0.5 m3。

混凝土收縮徐變：在ANSYS計算模型中施加溫度場，采用在穩態傳熱過程中降低15 ℃來考慮混凝土收縮力對結構產生的影響。

溫度變化：按溫度變化20°來考慮，即升溫20°，降溫20°，施加至ANSYS計算模型的溫度場中。

計算時，主要按4種工況進行計算。

工況一：恒載+收縮力+升溫+沖擊力；

工況二：恒載+收縮力+降溫+沖擊力；

工況三：恒載+收縮力+地震力向左；

工況四：恒載+收縮力+地震力向右。

4.3 計算結果

4.3.1 邊梁

邊梁為兩跨結構，計算分別考慮落石沖擊力作用在左跨跨中與右跨跨中兩種情況。經過計算比較，當落石沖擊力作用在右跨中部時，對于工況一、二、三、四，最危險工況為工況一。計算當落石沖擊力作用在左跨中部時的工況一，比較得到最危險工況仍為落石沖擊力作用在右跨跨中。

4.3.2 矩形框架

由于邊梁置于矩形框架結構之上，因此矩形框架結構還應考慮前述邊梁的壓力。將邊梁計算結果中的支座反力加載于矩形框架結構模型上，經過計算比較，最危險工況為工況二，最危險位置為橫梁跨中。

本隧道出口仰坡較陡，危巖落石沖擊力較大，通過上述結構計算結果可知，落石沖擊力與溫度均為結構內力的主要控制因素。最后利用計算的內力結果，對棚洞的各梁、柱分別進行配筋，完成棚洞設計的核心工作。

5 附屬防護結構設計

在隧道洞口施工期間，隧道開挖崩落的碎石及運渣期間掉落的土石均容易順著山坡滾落至洞口下方的既有省道。為保證隧道施工期間的省道行車安全，隧道出口段采用控制爆破，并于施工影響范圍的省道上方設置落石臨時防護棚架，棚架總長約125 m。同時設立專門的交通協管員，對過往車輛進行現場指揮。在放爆作業過程中，下方公路應實行交通管制。

臨時防護棚架內凈空在省道車輛限界基礎上進行擬定，以使車輛能安全通過棚架。結構采用型鋼與縱向連接鋼筋焊為一體，并于鋼架體系外側設置圓形鋼絲繩網。為確保防護棚架的穩定，鋼架基底均設置條形基礎，基礎頂面高于路面0.50 m，采用C30混凝土。臨時防護棚架應于隧道竣工后拆除，其具體結構設計如圖6、圖7所示。

6 結束語

本文首先針對隧道洞口的危巖落石發育及橋臺進洞特點確定采用框架棚洞結構方案，再根據建筑限界擬定棚洞內輪廓，接著根據洞口具體地形、地質條件設計出棚洞的整體結構，并通過有限元軟件計算分析進行配筋，最終完成了棚洞的結構設計。另外，為確保洞口下方既有省道在隧道施工期間的行車安全，于受影響范圍內的省道上方設置臨時防護棚架，配合隧道洞口的框架棚洞共同發揮保障作用。本文的棚洞結構方案成功用于該隧道洞口的施工圖設計，并通過了施工圖評審，目前現場處于在建狀態。

圖6 臨時防護棚架橫斷面(單位:cm)

圖7 臨時防護棚架縱斷面(單位:cm)

[1] 鐵道部第二勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊·隧道[M].北京:中國鐵道出版社, 1995.

[2] TB 10003-2005 鐵路隧道設計規范[S].

[3] GB 50010-2010 混凝土結構設計規范[S].

[4] 鄭宗溪. 設于橋梁上方的新型棚洞研究[J]. 鐵道工程學報, 2007 (2): 54-57.

[5] 冉利剛，陳赤坤. 高速鐵路棚洞設計[J].鐵道工程學報, 2008 (6): 61-66.

[6] 劉旭光. 傍山公路棚洞設計[J]. 北方交通, 2014(11): 83-85.

[7] 李現賓. 成昆線危巖落石病害整治中的棚洞設計[J]. 現代隧道技術, 2009,46(5): 19-22.

[8] 常秀峰. 棚洞在高陡短邊坡中的應用[J]. 山西建筑，2011(20): 141-142.

[9] 郭江,王全才,張群利，等. 落石沖擊荷載下框架門式棚洞結構優化探討[J]. 水文地質工程地質, 2014,41(6): 92-96.

李濟良(1986～)，男，碩士研究生，工程師，主要從事地下工程與隧道工程設計工作。

U453.1

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[定稿日期]2016-10-13