大跨度傍山棚洞衬砌结构安全性分析

潘世强，李贻伟

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

随着我国交通事业的迅猛发展，公路隧道的建设规模也日益壮大。在公路建设过程中，不可避免的会遇到沿河傍山地貌。传统观念上的公路建设主要是以开挖路堑为主，但是在沿河傍山地带，这将不可避免的将出现高大切坡。路堑边坡不仅经常发生危岩、落石等地质灾害，而且由于边坡的开挖破坏了原有的自然植被和稳定的自然地质体。在公路工程和公路隧道建设中提倡环保概念，对子孙后代赖以生存的环境加以保护是公路建设者义不容辞的责任和义务，中国公路建设也应顺应当前的世界潮流，将环境保护的思想贯穿于公路建设的设计、施工与维护的全过程。为此以蒋树屏、黄伦海、胡学兵等为主的重庆交通科研设计院提出了半拱斜柱棚洞结构，并成功的运用于南京老山棚洞中，取得了良好的环保结果。其次蒋树屏、黄伦海，刘元雪等对棚洞结构进行了平面分析;赵树良对棚洞结构做过三维分析［1－3］。但是由于棚洞结构的复杂性，这些是远远不够的，特别是对棚洞结构的三维分析尚需继续深入研究。本文对学堂湾2号棚洞展开三维数值模拟计算，并对其衬砌结构进行相关的安全性分析［4－6］。

1 工程概况

学堂湾2号棚洞位于沪蓉国道主干线支线分水岭—忠县高速公路上，为双幅棚洞，起止桩号为K18+600～K18+760，设计长度160 m。棚洞纵向上的斜腿以及立柱的间距为12 m，见图1。棚洞内侧的边坡按照临时边坡进行设计，设计坡率1∶0.65，边坡采用锚喷网防护，锚杆采用3.5 m长Φ22普通砂浆锚杆，间距1.5 m×1.5 m，喷射混凝土采用8 cm厚C20喷射混凝土，内设Φ8钢筋网。为增加运营的舒适性且最大限度的恢复环境，对棚洞洞顶进行植 草绿化，恢复地表植被［7］。

图1 棚洞结构设计(单位：cm)Fig.1 Design of shed-tunnel structure

2 建模及计算

为对棚洞结构进行安全性分析，同时为指导设计与施工服务，现采用大型通用有限元软件ANSYS建立棚洞结构的三维弹性有限元模型(图2)。

图2 棚洞有限元模型Fig.2 FEM model of shed-tunnel

建模时，立柱、斜腿，曲墙扩大基础，基础联系梁及托梁均采用beam 188单元，材料为C35混凝土;衬砌结构采用shell 63单元，材料为C35混凝土;为加快计算速度，浆砌石及回填黏土均采用线弹性solid 45单元，材料参数见表1。

表1 材料物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of materil

边界条件:棚洞纵向上选取长度为5×12 m，并对纵向上的前后两个端面进行法向约束(uz=0);棚洞底面取至棚洞立柱与斜腿的最底面，并对立柱和斜腿下端进行固定约束(ux=uy=uz=0，Фx=Фy=Фz=0);对于曲墙基础则约束其法向位移和水平位移(ux=uy=0);在回填土以及浆砌石与开挖边坡的接触面设置法向地层弹簧单元combin 14，地层弹簧每平方米设置1个，弹簧弹性常数K=100 MN/m。

3 衬砌结构安全性分析

3.1 计算原理［4，8］

对于钢筋混凝土偏心受压构件，其衬砌结构安全系数需按照JTG D70—2004《公路隧道设计规范》附录K中的有关规定计算，具体公式如下:

当x≤0.55h0时，为大偏心受压情况，安全系数由式(1)计算:

此时，中性轴的位置由式(2)给出:

当轴向力N作用于钢筋Ag和A′g的重心之间时，式(2)左边第二项取正号;当N作用于Ag和A′g的重心以外时，则取负号。

为保证受压区钢筋达到屈服，混凝土受压区高度应符合x≥2a′，如不符合，则按式(3)计算:

当x>0.55h0时，为小偏心受压情况，安全系数按式(4)计算:

当轴向力N作用于钢筋Ag和A′g的重心之间，同时也应符合式(5)计算的安全系数:

各式中:a，a′为自钢筋Ag或A′g的重心分别至截面最近边缘的距离，m;e为轴向力作用点至受拉钢筋As合力点之间的距离，m，e=ηe0+h/2－a(e0为初始偏心距，m，e0=M/N);e′为轴向力作用点至受压钢筋A′s合力点之间的距离，m，e′= ηe0－h/2+a(η为偏心距影响系数)，对于隧道衬砌、明洞拱圈和墙被紧密回填的明洞，以及当构件高度与弯矩作用平面内的截面边长之比H/h≤8 h，H为截面高度，m;可取η=1;Rg为钢筋的抗拉或抗压计算强度标准值，Pa;h0为截面的有效高度，m，h0=ha;Ra为混凝土轴向抗压极限强度标准值，Pa;Rw为混凝土弯曲抗压极限强度标准值，Pa;Ag，A′g为受拉和受压区钢筋的截面面积，m2;x为受压区计算高度，m。

3.2 安全性分析

从衬砌内力云图上可以看出，衬砌结构的最大轴力出现在边墙墙脚区域，其大小为1 110 kN/m;衬砌结构的最大负弯矩出现在曲墙区域(不计柱顶处负弯矩)，其分布大小随上覆回填土的施工有扩大趋势，其最大值为255(kN·m)/m;最大正弯矩出现在左顶板中央位置，其大小为269(kN·m)/m，同时，右顶板中央位置也出现较大的正弯矩，见图3。

图3 衬砌结构内力Fig.3 Internal force of lining structure

为对该衬砌进行安全性评价，现选取该模型两个典型断面的衬砌单元进行分析，分别为z=－24 m处断面和z=－30 m处断面。z=－24 m处断面下部有立柱和斜腿的支撑，标记为A—A断面;z=－30 m处断面位于第三跨的中央，标记为B—B断面。

计算所需基本参量如下:

JTG D70—2004《公路隧道设计规范》规定的钢筋混凝土构件的最小抗压安全系数为2.0。计算结果表明:

1)该衬砌结构的最小安全系数出现在－24 m断面处的左顶板与曲墙连接处，其值为3.93，已经满足《规范》［8］规定的安全系数。

2)此外，左、右顶板的中央段，曲墙的中央段，也出现较小的安全系数，设计人员和施工人员对这些截面需多加注意。

3)A－A断面衬砌结构的安全系数略小于BB断面的安全系数，这主要与A－A断面轴力值偏低所致。衬砌结构安全系数见图4。

图4 衬砌结构安全系数Fig.4 Safety coefficients of lining structure

4 结论

1)在路线困难地段、沿河岸沟谷地 、路线傍山布置地段，构造物应顺应地形，提倡设置棚洞、半隧道，可以达到保护边坡和自然环境的目的［1］。

2)通过对依托工程结构的数值模拟并进行了衬砌结构的安全性分析。数值分析表明:棚洞衬砌结构的最大轴力出现在靠山侧边墙墙脚位置，最大负弯矩出现在曲墙中央区域，最大正弯矩出现在左顶板中央区域，衬砌结构在安全性上能满足相关技术《规范》的要求。

3)在棚洞顶部植草绿化，可与周围自然环境相互协调，达到环保的要求。

4)半开敞半封闭型棚洞结构既能防范落石对公路运营的安全隐患，又可减少了隧道运营时通风和照明的成本。

［1］蒋树屏，刘元雪，黄伦海，等.环保型傍山隧道结构研究［J］.中国公路学报，2006，19(1):80－83.

［2］刘元雪，蒋树屏.环保型隧道结构优化与工程应用［J］.后勤工程学院学报，2007，23(10):11－15.

［3］赵树良.傍山公路隧道棚洞的数值模拟研究［J］.四川建筑，2008，28(1):123－125.

［4］王鹏.山区高速公路棚洞结构优化研究［D］.北京:北京交通大学，2008.

［5］胡壮志.高速公路环保型棚洞结构形式的研究 ［D］.重庆:重庆交通学院，2005.

［6］张冰冰，环保型、防护型棚洞力学行为分析及工程措施 ［D］.重庆:重庆交通大学，2009.

［7］重庆交通科研设计院.高边坡明洞及棚洞方案设计［R］.重庆:重庆交通科研设计院，2008.

［8］JTG D 70—2004公路隧道设计规范［S］.