礦山法隧道預制仰供與邊墻連接型式的受力特征比較

楊 斌

(甘肅省鐵投集團天隴公司,甘肅 蘭州 730000)

礦山法是目前山嶺隧道施工的主要工法,具有適應性強、施工靈活的特點;但是礦山法隧道施工的二次襯砌結(jié)構(gòu)仍絕大部分采用現(xiàn)澆型式,存在施工速度緩慢、施工工序繁雜、現(xiàn)場施工質(zhì)量不易控制等問題。將裝配式襯砌結(jié)構(gòu)應用到礦山法隧道工程中,對于提高隧道修建速度、襯砌修建質(zhì)量和隧道抵御變形能力、改善施工作業(yè)環(huán)境、保障施工作業(yè)人員安全、降低人工成本等具有重要意義。在裝配過程中,預制仰拱與邊墻連接方式尤為重要。

裝配式結(jié)構(gòu)在工程中的應用已日趨成熟[1-5]。在隧道裝配式襯砌方面,日本清水建設等多家公司聯(lián)合開發(fā)了一項分割型預制裝配式襯砌系統(tǒng),具有預制構(gòu)件拼裝和連接作業(yè)體系化、構(gòu)件易于運輸和設置等優(yōu)點,能夠大幅提升施工效率[6];我國在秦嶺I線隧道采用TBM法和鉆爆法施工,采用預制仰拱構(gòu)件與現(xiàn)澆二次襯砌相結(jié)合的辦法,提高了隧道施工效率和施工的安全性[7]。在預制仰拱結(jié)構(gòu)型式、接頭受力特性方面,趙曉勇[8,9]對板式仰拱結(jié)構(gòu)、縱向分塊魚腹式結(jié)構(gòu)和橫向分塊魚腹式結(jié)構(gòu)三種預制仰拱塊結(jié)構(gòu)進行對比研究,發(fā)現(xiàn)縱向分塊魚腹式結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯;顏波[10]探索在公路隧道中實施裝配式襯砌;賈永剛[11]建立了四種力學模型(修正剛度模型、梁-彈簧模型、梁-接頭模型、實體模型)對裝配式襯砌接頭進行研究;嚴佳梁[12]對盾構(gòu)隧道接頭在不同力組合作用下的變形過程進行了研究,得到了接頭剛度隨荷載變化的規(guī)律;張勝龍[13]研究發(fā)現(xiàn)裝配式襯砌平接頭和榫接頭在彎矩作用下的張開量變化。

綜合國內(nèi)外研究成果,針對某單線鐵路隧道工程,通過數(shù)值模擬方法研究了V級圍巖條件下隧道預制仰供與邊墻連接型式的不同對襯砌結(jié)構(gòu)受力特征的影響,進而給出了推薦連接型式。

1 裝配式仰拱與邊墻連接型式

單線鐵路隧道采用馬蹄形斷面型式,跨度8.9 m,高度10.1 m,襯砌厚度擬定為45 cm。圖1為仰拱塊詳細尺寸。

圖1 單線鐵路隧道裝配式仰拱(單位:cm)

拱墻襯砌結(jié)構(gòu)與仰拱接頭是整個裝配式襯砌結(jié)構(gòu)受力最復雜處,影響到襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。

如圖2所示,設計單位初步提出裝配式仰拱與邊墻連接采用平面連接(依靠摩擦力連接)、碗扣式榫槽連接、方形榫槽連接、螺栓連接或預留鋼筋連接和現(xiàn)澆二次襯砌連接等型式,其中碗扣式榫槽連接、方形榫槽連接凸起深度均為10 cm,螺栓連接長度也為10 cm。

圖2 裝配式仰拱與邊墻連接型式

為了對比分析不同連接型式的受力特性,共選取以上5種型式進行對比,各連接型式網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 各接頭型式網(wǎng)格劃分

2 建立計算模型

采用荷載結(jié)構(gòu)模型,使用ANSYS軟件進行模擬計算,襯砌結(jié)構(gòu)采用實體單元solid65模擬;地層彈簧采用link10來模擬,且地層彈簧特性設置為僅受壓。二次襯砌與仰拱預制塊的前3種連接型式在連接處設置接觸面,模擬其構(gòu)件的張開、滑動等;螺栓或預留鋼筋連接時,螺栓或預留鋼筋連接強度較高,抗剪性能好,接頭相對滑動的可能性較小,故這種連接面采用固結(jié)模擬,不設置接觸面;現(xiàn)澆二次襯砌采用整體模型模擬,作為各種連接型式對比的標準,但要注意它與螺栓或預留鋼筋連接時采用固結(jié)也不完全相同。具體數(shù)值計算模型如圖4所示。

圖4 有限元計算模型

預制仰拱塊縱向長度按1 m進行模擬。二次襯砌采用C30混凝土,仰拱采用C40混凝土。圍巖參數(shù)取《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB10003-2016)中建議的Ⅴ級圍巖參數(shù),計算參數(shù)為:重度21.0 kN/m3,彈性模量1.00 GPa,泊松比0.35,內(nèi)摩擦角23.5°,內(nèi)聚力0.125 MPa。仰拱接頭接觸區(qū)域采用面-面接觸模擬,接觸面切向剛度取2 GN/m,法向為“硬接觸”,摩擦系數(shù)取0.65,彈性模量33.5 GPa,泊松比0.2,不考慮接頭防水。

使用面荷載施加圍巖壓力,圍巖壓力按照Ⅴ級深埋圍巖進行計算,參照《鐵路隧道設計規(guī)范》中圍巖壓力計算公式,二次襯砌承擔70%圍巖壓力,經(jīng)計算,豎向壓力取150 kPa,水平壓力取60 kPa。

在結(jié)構(gòu)計算時,鋼筋的作用需予以考慮,采用等效方法將鋼筋彈性模量折算給二次襯砌混凝土:

E=E0+SgEg/Sc

(1)

式中:E為折算后二次襯砌混凝土彈性模量;E0為二次襯砌混凝土彈性模量,C40混凝土取值33.5 GPa;Sg為鋼筋截面積,取值0.002 m2;Eg為鋼材彈性模量,取值200 GPa;Sc為二次襯砌混凝土截面積,取值0.3 m2。經(jīng)計算E=34.83 GPa。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 襯砌整體變形及應力分析

五種連接型式下襯砌整體變形如圖5所示,整體應力變化如圖6所示,具體數(shù)值如表1所示。

表1 五種連接型式下最大變形及應力

圖5 五種連接型式下襯砌整體變形(單位:m)

圖6 五種連接型式下整體應力(單位:Pa)

圖5、圖6和表1可知碗扣式榫槽連接時豎向最大拉應力值最大,已超出C40混凝土的抗拉極限強度;平面連接時豎向最大壓應力值最大,超出C40混凝土的抗壓極限強度;平面連接時橫向最大壓應力值最大,已超出C40混凝土的抗壓極限強度。超出C40混凝土的抗拉壓強度即認為結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞。綜合分析:

(1)不同的連接型式對襯砌整體變形影響較小。由于平面連接、碗扣式榫槽連接、方形榫槽連接不是剛接,二次襯砌現(xiàn)澆部分無法與裝配式仰拱形成統(tǒng)一整體,使隧道襯砌整體抗變形能力減小,因此隧道襯

砌整體豎向最大變形及橫向最大變形大于現(xiàn)澆二次襯砌時的變形。螺栓連接及預留鋼筋連接時,豎向最大變形及橫向最大變形略小于現(xiàn)澆二次襯砌時的變形。

(2)不同的仰拱接頭連接型式對隧道襯砌整體受力影響較大,連接部位會產(chǎn)生一定程度的應力集中現(xiàn)象,特別是對于平面連接及碗扣式榫槽連接,其應力集中效應較大,無法滿足襯砌受力要求;方形榫槽連接時雖有一定的應力集中現(xiàn)象,但應力集中不明顯。

(3)根據(jù)整體受力及變形情況,方形榫槽連接以及螺栓連接或預留鋼筋連接相對較優(yōu),但螺栓連接或預留鋼筋連接需要預制仰拱時預埋螺栓或鋼筋,或設置預留孔,施工時均不方便,考慮施工方便推薦采用方形榫槽連接。

3.2 裝配式仰拱變形及應力分析

五種連接型式下裝配式仰拱結(jié)構(gòu)變形如圖7所示,應力變化如圖8所示,具體數(shù)值如表2所示。

表2 五種連接型式下仰拱最大變形及應力

圖7 五種連接型式下仰拱變形(單位:m)

圖8 五種連接型式下仰拱應力(單位:Pa)

由圖8可知,平面連接時豎向最大拉應力值最大,已超出C40混凝土的抗拉極限強度;平面連接橫向最大拉應力值最大,已超出C40混凝土的抗拉極限強度;碗扣式榫槽連接時橫向最大壓應力值最大,已超出C40混凝土的抗壓極限強度。

由圖8及表2能夠判斷出裝配式仰拱整體變形趨勢,如圖9所示。可以看出:

圖9 裝配式仰拱變形及受力特征圖

(1)由于裝配式仰拱中仰拱與仰拱回填作為整體進行澆筑,導致軌道面承受一定拉應力。

(2)仰拱整體變形趨勢為兩側(cè)橫向壓縮且豎向下沉,中間豎向隆起。

(3)各連接型式拱腳處均有應力集中現(xiàn)象,不同連接型式的應力集中現(xiàn)象不同:平面連接和碗扣式榫槽連接時應力集中現(xiàn)象較明顯,而方形榫槽連接和螺栓連接及預留鋼筋連接應力集中程度較小。

(4)從仰拱受力及變形來看,螺栓連接或預留鋼筋連接方式最優(yōu),方形榫槽連接次之,但考慮施工方便,推薦優(yōu)先采用方形榫槽連接型式。

3.3 接觸面狀態(tài)分析

分析平面連接、碗扣式榫槽連接、方形榫槽連接中接觸面受力情況。各連接型式接觸面連接狀態(tài)如圖10所示。

圖10 3種連接型式接觸面狀態(tài)

由圖10可以看出,襯砌受力后,接觸面均有一定面積的分離,且碗扣式榫槽連接分離面積最大,方形榫槽連接接觸狀態(tài)最優(yōu)。

各連接型式接觸面剪切應力狀態(tài)如圖11所示,接觸面滑動位移如圖12所示,具體數(shù)值見表3。

表3 各連接型式下接觸面最大剪切應力及滑動位移

圖11 接觸面剪切應力(單位:Pa)

圖12 接觸面滑動位移(單位:m)

由表3可以看出,三種連接型式中,方形榫槽連接時接觸面剪切應力最大,但小于C40混凝土的容許剪應力。方形榫槽連接時滑動位移最小,即方形榫槽連接固定作用較好,能充分發(fā)揮其抗滑能力,從這點也推薦優(yōu)先采用方形榫槽連接型式。

4 結(jié)論

(1)綜合考慮受力、變形以及整體性,螺栓或預留鋼筋連接型式最好,能夠保證其力學性能與整體現(xiàn)澆相似。但由于該預制仰拱型式限制,螺栓連接較為困難,預留鋼筋連接需要特制模板,現(xiàn)場施工需保護鋼筋,需酌情考慮此連接方法。

(2)方形榫槽連接雖整體受力較螺栓連接或預留鋼筋連接連接差,但其力學性能也能滿足要求。且方形榫槽連接的仰拱預制簡單,施工方便快速,整體優(yōu)于螺栓連接或預留鋼筋連接型式,推薦采用方形榫槽連接。

采用荷載-結(jié)構(gòu)模型對裝配式仰拱與邊墻連接處受力特征進行分析,其優(yōu)點是荷載均按規(guī)范值確定,降低了荷載變化導致結(jié)構(gòu)受力的不確定性,重點突出了連接型式及接頭處接觸面特性對受力的影響;缺點是不同連接型式下荷載可能有所不同,下一步可采用巖體力學模型對這一問題深入探討。