涵洞下穿隧道的结构形式数值分析

张 延

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

本文研究的涵洞为下穿某城际铁路明挖隧道的过水涵洞。该过水涵洞是在隧道施工过程中,按城市规划部门要求增设的,具备与明挖隧道同时施工的可能性。考虑到过水涵洞下穿隧道,在设计过程中有两种思路：一是,在满足隧道结构净空和结构尺寸的条件下,优化涵洞结构尺寸,先浇筑涵洞后浇筑隧道结构,二者构成一个叠加的结构体系；二是,把涵洞考虑到隧道的结构体系之中,涵洞作为隧道结构的箱形基础,二者同时浇筑,构成一个整体结构体系。本文通过数值模拟,对两种结构体系进行比较,以期对今后设计施工过程中遇到类似工程问题能有所参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

明挖双线隧道为城际铁路穿越市区的地下区间段,设计时速是250 km,线间距4.6 m,隧道断面采用顶板拱墙、边墙直墙、底板的形式。隧道结构高11 m,跨度14.2 m。结构底部地基承载力不足,需要做CFG桩基处理。城市规划部门要求在隧道下方修建1座涵洞,以满足城市雨季排水需要。在隧道结构底板以下横穿1座过水涵洞,增设该涵洞需满足过水能力和结构强度两个条件。隧道与涵洞结构关系布置如图1所示。

图1 隧道与涵洞结构布置(单位：cm)

1.2 地质概况

(1)地层岩性

①第四系全新统粉质黏土(Q4ml)：人工填筑层,层厚6～7 m,硬塑。

②第四系全新统粉质黏土(Q4al+pl)：冲洪积层,层厚约2 m,黄褐色,硬塑,为主要地层。

②1第四系全新统黏土(Q4al+pl)：冲洪积层,层厚约2.0 m,黄褐色,硬塑。

②2第四系全新统粉质黏土(Q4al+pl)：冲洪积层,层厚约2.1 m,黄褐色,软塑。

③1白垩系下统(K1)：全风化,厚度3.5～6.5 m,紫红色,层状构造,岩芯呈砂土状。

③2白垩系下统(K1)：强风化,厚度7.6～25.3 m,紫红色,层状构造,岩芯呈碎块状,节理裂隙发育。

(2)地基基本承载力

②粉质黏土：Ⅱ级普通土硬塑σ0=180 kPa。

②1黏土：Ⅱ级普通土硬塑σ0=180 kPa。

②2粉质黏土：Ⅱ级普通土 软塑σ0=120 kPa。

③1全风化砂岩与泥岩互层：Ⅲ级硬土σ0=300 kPa。

③2强风化砂岩与泥岩互层：Ⅲ级硬土σ0=400 kPa。

(3)土壤最大冻结深度：1.69 m。

(4)地震动峰值加速度0.10g,相当于地震基本烈度Ⅶ度。

2 建模计算

2.1 荷载计算

2.1.1 永久荷载

隧道结构以上覆土1.5 m,人工填土,土层容重19 kN/ m3。

(1)结构自重

按钢筋混凝土容重25 kN/m3取值。

(2)上部隧道结构重

q0=42.85×25/14.2=75.44 kN/m2,其中上部隧道结构截面为42.85 m2。

(3)土体竖向压力

q1=19×11.6=220.4 kPa(涵洞两端全为人工填土)；

q2=19×2.4=45.6 kPa(隧道结构以上覆土,算到半拱高度)。

(4)土体侧压力

按朗金土压力理论进行计算。采用主动土压力(水土合算),侧压力系数为Ka=0.35(参照《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)。

结构顶处侧压力

e1=19×8.2×0.35=54.53 kN/m2

结构底处侧压力

e2=19×11.9×0.35=79.14 kN/m2

(5)地基反力

竖直方向弹簧刚度系数取κ1=10×104kN/m3

水平方向弹簧刚度系数取κ2=κ1/1.25=8×104kN/m3。

2.1.2 活荷载

2.2 分离式结构

2.2.1 结构施作过程

用明挖法放坡开挖基坑,坡面喷射混凝土设置锚杆做基坑防护。基坑开挖到涵洞底设计高程后,做CFG桩基处理。基底处理完成后,先浇筑涵洞结构,预留施工缝,然后浇筑隧道结构,同时在涵洞两端和隧道两端均预留变形缝,以适应结构变化处的不均匀沉降。分离式结构断面如图2所示。

图2 分离式结构断面(单位：cm)

2.2.2 建立模型

在该结构体系中需要对涵洞结构强度和变形进行验算。采用结构有限元软件SAP84建立二维模型,进行结构计算分析。利用梁柱单元模拟顶板、边墙及中墙,用弹簧单元模拟地基反力。结构模型中可以用变截面梁柱模拟实际结构中顶板、边墙及中墙的腋角,但本结构模型中没有模拟梁柱加腋效应,这样处理计算结果对于结构是保守的,有利的。结构荷载如图3所示。

图3 结构荷载

2.2.3 数值计算结果

二维模型的SAP84数值模拟计算结果给出了涵洞结构的弯矩图、轴力图、剪力图,如图4所示。

图4 SAP84数值模拟结果

2.3 整体式结构

2.3.1 结构施作过程

用明挖法放坡开挖基坑,坡面喷射混凝土设置锚杆做基坑防护。基坑开挖到涵洞底设计高程后,做CFG桩基处理。基底处理完成后,涵洞结构和隧道结构整体现浇,同时在涵洞两端和隧道两端均预留变形缝,以适应结构变化处的不均匀沉降。整体式结构断面如图5所示。

图5 整体式结构断面(单位：cm)

2.3.2 建模计算

在该结构体系中需要对隧道涵洞整体结构强度和变形进行验算。采用结构有限元软件ANSYS 9.0建立三维模型,进行结构数值模拟。

结构尺寸：顶部拱墙0.85 m,直墙1.0 m,共壁板厚1.0 m,涵洞边墙1.0 m,中墙1.0 m,底板厚1.2 m；

混凝土等级采用C35,单元划分长度为1。整体结构和基底CFG桩基分别用ANSYS中的SOLID 45(实体单元)和COMBIN40单元(弹簧单元)进行模拟。模型如图6所示。

图6 三维模型

2.3.3 数值计算结果

三维模型的ANSYS数值模拟计算结果给出了整体结构的变形图、位移(UY)图、应力图,如图7所示。

图7 ANSYS数值模拟结果

3 计算结果分析

分离式结构模型受力清楚,模拟的过程清晰。隧道设计的荷载-结构模式是沿用了地面结构的设计方法,理论发展比较成熟,对于隧道设计而言比较保守；该模型中的两个结构实质为一对叠合体,在存在列车振动荷载的情况下,对结构抗震要求、强度要求较为严格。同时配筋计算还表明,该模型计算结果配筋率较大。

整体式结构模型,结构的整体性较强,不存在叠合体效应,抗振动性能较好；下部的涵洞结构可以看作是上部隧道结构的箱形基础,有利于隧道结构的稳定。同时配筋计算还表明,该模型配筋率较低。但是三维结构模型力传递过程不够清晰,建模计算分析较为复杂。而且由于建模过程中应用实体单元SOLID 45模拟钢筋混凝土结构,数值模拟结果给出的是应力-应变解,而非弯矩-轴力-剪力解,所以还需一个转换的过程才能应用于结构配筋计算。

4 工程实施情况

针对本工程实际情况,隧道结构与涵洞结构间高差满足分离式结构的条件,设计采用分离式结构。结构基坑于2009年6月初开始开挖,现场揭示土质与设计参考详勘情况相符。基坑开挖完毕,结构底部首先施作CFG桩基处理,桩基经过检验达到设计强度要求。2009年7月,开始绑扎涵洞结构钢筋、浇筑混凝土。混凝土养护28 d,待强度达到100%后,绑扎隧道结构钢筋、浇筑混凝土。待隧道结构混凝土强度达到100%后，结构顶回填人工土,施工完毕。两结构有明显的施工先后工序,不存在交叉,施工较方便；后期维修养护干扰程度也较小,具有明显的优势。

5 结语

随着城市轨道交通的不断发展,建设用地越来越紧缺,线路不可避免的截断城市的雨水管涵、污水管道,或者与隧道交叉预留管涵的情况也会经常遇到。当隧道横穿,位于管涵上方且高程比较接近时,就存在一个涵洞、隧道是分离式结构还是整体式结构比选的问题。

对于分离式结构,由于隧道与过水涵洞荷载条件、边界条件、受力特征清晰,施工方便,当高程上有调整可能时,应优先选用,且在养护维修时,二者相互干扰程度较小。

对于整体式结构,受力复杂、施工稍有难度、养护维修相互干扰程度较大,当高程调整确实存在困难时,可以采用。

[1]TB 10002.1—2005,铁路桥涵设计基本规范[S].

[2]铁建设[2005]140号,新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定[S]．

[3]GB 50157—2003,地下铁道设计规范[S]．

[4]孙 钧,侯学渊.地下结构[M].北京：科学出版社,1988

[5]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社,2007．

[6]潘昌实.隧道力学数值方法[M].北京：中国铁道出版社,1995

[7]施仲衡,张 弥,等.地下铁道设计与施工[M].西安：陕西科学技术出版社,1997．