桩-半隧道复杂结构体系力学状态及安全性评价

韩富庆，胡学兵

(1.广东省公路建设有限公司， 广州　510000； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆　400067)



桩-半隧道复杂结构体系力学状态及安全性评价

韩富庆1，胡学兵2

(1.广东省公路建设有限公司， 广州510000； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆400067)

摘要：近年来，公路隧道采用大跨半隧道结构逐渐增多。该类结构施工工序多，结构内力分布变化较大，设计和施工过程中难以把握控制指标。为此，提出半隧道结构安全系数分析法。以广东省江罗路棚洞工程为依托，模拟整个施工过程，并结合各工况下的结构内力，对半隧道结构各部件断面安全系数进行分析，以确定半隧道结构各构件的最不利工况及其安全系数分布。研究结果表明：半隧道结构底板结构除与斜柱相交处应力较大外，其余部位安全系数较大，且底板结构可进行优化处理；斜柱两端受力最大，且受施工过程的影响较大；曲墙及顶板结构安全系数较大，结构断面可进一步优化。

关键词：半隧道结构；抗滑桩；大跨；内力；安全系数

近年来，大跨半隧道结构作为一种新型隧道结构型式，越来越多地用于公路隧道中。施工过程中，该类结构的内力会随着施工阶段的变化而变化，故设计和施工难以确定结构的安全状态。为保证施工过程中结构安全、可靠，评定结构施工安全控制指标尤为重要[1-2]。然而，目前尚未开发出针对大跨半隧道结构内力和安全分析的有效方法。为此，本文以广东省江罗路棚洞工程为依托，建立有限元模型并对其进行分析，提出安全系数分析法，以研究和评价大跨半隧道结构施工动态全过程的安全性。

1工程概况

广东省江罗高速公路棚洞工程为半隧道结构，半隧道结构采用半拱斜柱型结构，共设置16根斜柱，斜柱中心间距10 m，净高8.6 m。斜柱底为整体式现浇钢筋混凝土仰拱，靠山体侧半隧道结构基础采用注浆小导管进行加固，斜柱侧采用浅桩基础加固。

半隧道结构所在区域属低丘地貌，地势变化大，地面最大高差大于40 m，绝对高程在70.76～115.60 m之间，自然山坡坡度约25°～35°，植被发育，多为人工桉树林。边坡围岩为寒武系八村群高滩组(V2g)，岩性为浅变质砂岩。表层为第4系坡积层，以粉质粘土和碎石土为主。该层土体厚约2.2 m，其下为寒武系八村群高滩组强风化变质砂岩，属Ⅲ级硬土～Ⅳ级软石。

半隧道结构区内地表水不发育，地下水较贫乏，无不良地质和特殊地质。

半隧道结构区内边坡高12～36.5 m，根据边坡地质条件，半隧道段边坡采用桩锚防护和放坡开挖联合支护措施。抗滑桩采用1.5 m×2.0 m人工挖孔桩，桩体中心距5 m，桩体悬臂段高16 m，锚固段长12 m。桩顶设置2根30 m长锚索。锚索自由段长15 m，锚固段长15 m，锚索设计拉力860 kN，锁定荷载770 kN，设计张拉力900 kN。桩间临时边坡采用1∶0.1放坡，锚喷支护，喷15 cm厚C20喷射混凝土，内置20 cm×20 cmΦ8 mm钢筋网，打设长4.5 mΦ22 mm砂浆锚杆，按1.2 m×1.2 m梅花型布置。桩顶永久边坡坡率设置原则：桩顶上第1级边坡坡率为1∶0.75，坡高不大于10 m；第2级边坡坡率为1∶1。永久边坡采用锚杆格梁防护，锚杆为长8.0 mΦ28 mm砂浆锚杆，按3.0 m×3.0 m布置。

2半隧道结构施工基本步序

半隧道结构施工主要分为边坡开挖和防护、基础及结构施作、防排水施作和回填绿化4大步序。主要施工工序如下[3-4]：1) 清表及坡顶截水沟施工；2) 3级边坡开挖防护；3) 2级边坡开挖防护；4) 1级边坡预加固支挡结构施工；5) 桩端锚索施作及1级边坡开挖防护；6) 半隧道结构桩基础施工；7) 半隧道结构仰拱及边墙基础施工；8) 斜柱施工；9) 托梁施工；10) 曲墙平板拱结构施工；11) 半隧道结构防水层及左侧墙背碎石盲沟施工；12) 回填及植草绿化；13) 半隧道结构内装饰、路面工程及边沟施工。

3安全系数分析法及其应用

3.1计算参数取值

根据工程地质勘察报告和相关规范[5-6]，半隧道结构岩土材料计算力学参数和混凝土材料计算力学参数取值如表1、表2所示。

表1　岩土材料物理力学参数

表2　混凝土材料物理力学参数

3.2计算模型确定

采用MIDAS-GTS有限元软件和荷载-结构法进行模型仿真计算[7]。按照施工阶段的顺序以及抗滑桩和棚洞结构的施工流程，半隧道结构主要有如下8种受力工况：工况1，放坡开挖阶段；工况2，抗滑桩施作完毕，桩前土体开挖阶段；工况3，半隧道结构桩基础施工阶段；工况4，半隧道结构仰拱及边墙基础施工阶段；工况5，斜柱施工阶段；工况6，托梁施工阶段；工况7，曲墙平板拱结构施工阶段；工况8，回填及绿化阶段。

3.2.1抗滑桩计算模型确定

对以上8种受力工况进行了分析，发现抗滑桩主要在工况2和工况8两种情况下受力状态发生改变。因此，选用该2种工况对抗滑桩内力及安全性进行分析。在工况2情况下，抗滑桩从上往下前16 m为悬臂结构，下部12 m为嵌岩长度；桩顶边坡高约20 m，桩顶边坡坡率为1∶0.75，其断面模型如图1所示。

图1　工况2边坡开挖示意

计算模型沿路线纵向取5 m作为计算单元，该5 m的边坡下滑力全部由1根抗滑桩承担。抗滑桩靠山侧主动土压力系数为：

式中：α为支挡结构墙背与水平面的夹角，取α=90°；β为填土表面与水平面的夹角，取β=53°；δ为土对挡土墙墙背的摩擦角，取δ=0°；δR为岩石坡面与填土间的摩擦角，其中φ为土体内摩擦角，取φ=23.0°；θ为滑裂面与水平面的夹角，取θ=0°；H为抗滑桩出露长度，取H=16 m；γ为土体重度，取γ=20.5 kN/m3；c为土体粘结力，取c=40 kPa；η为土压力换算系数。

采用以上参数计算，得Ka=0.44。

抗滑桩靠山侧任意截面处主动土压力为：

抗滑桩靠山侧底部最大水平力：

emax=eajk×l=(9×28-53)×5=995kN/m

式中：l为抗滑桩高度。

预应力锚索按照结构力学求解器计算求得水平力为805 kN，竖向力为476 kN；而设计预应力锚索的锁定荷载每根为770 kN，求得锚索的总水平分力为1 389 kN，总竖向分力为648 kN；设计的预应力应大于锚索求解的力。因此，计算分析过程中采用设计锁定值对抗滑桩进行验算。桩前土压力采用仅受压的弹簧单元约束，抗滑桩底部采用铰接约束。本阶段抗滑桩的计算模型如图2所示。

在工况8情况下，棚洞结构及结构外土石回填完毕。此时，抗滑桩除受到边坡侧水平荷载作用及锚索拉力作用外，还要承受棚洞侧土石回填产生的主动土压力，相对于工况2，抗滑桩的受力更为有利。

图2　工况2抗滑桩计算模型

抗滑桩桩前填土主动土压力系数：

Ka′=tg2(45°-Φ/2)=0.33

抗滑桩桩前任意截面处主动土压力为：

抗滑桩桩前底部最大水平力：

式中：h′为半隧道顶部靠山侧填土层高度；计算时，取γ=19 kN/m3，c=30 kPa，φ=30°。

工况8阶段时，桩基水平方向两端均采用仅受压的弹簧单元约束，桩基底部采用固端约束。边坡及土石回填示意图和荷载及边界约束情况如图3、图4所示。

图3　工况8边坡及土石回填示意

3.2.2半隧道结构计算模型确定

半隧道结构受力条件发生改变的主要有4种工况：工况5，斜柱施工阶段；工况6，托梁施工阶段；工况7，曲墙平板拱结构施工阶段；工况8，回填及绿化阶段。

在工况5情况下，已修筑的半隧道结构只承受自重。桩基水平方向两端均采用仅受压的弹簧单元约束，桩基底部采用固端约束。仰拱底部采用仅受压的弹簧单元约束。

图4　工况8抗滑桩计算模型

在工况6情况下，半隧道结构只承受自重，斜柱除承受自身重量外，还需承担托梁传来的自重压力。结构边界约束条件与工况5相同。

在工况7情况下，半隧道结构形成一个封闭体，但基本不承受外部荷载，结构边界约束条件也与工况5相同。

在工况8情况下，半隧道结构除承受结构自重外，还承受回填荷载作用，结构边界约束条件也与工况5相同。该工况半隧道结构的计算模型如图5所示。

图5　工况8半隧道结构计算模型

3.3抗滑桩内力及安全性分析

3.3.1抗滑桩内力分析

在工况2中，抗滑桩轴力最大值为2 748 kN，出现在抗滑桩底部；剪力最大值为3 498 kN，出现在抗滑桩从上往下16 m左右，方向为水平方向；弯矩最大值为10 604 kN·m，出现在抗滑桩自上往下18 m左右，方向为由山体内侧向外侧弯。工况2抗滑桩弯矩如图6所示。

图6　工况2抗滑桩弯矩

图7　工况8抗滑桩弯矩

3.3.2抗滑桩安全性分析

根据抗滑桩内力计算结果，结合设计参数，参照相关规范[6-7]，计算抗滑桩各施工工况下的安全系数。抗滑桩各断面的安全系数如图8所示。

图8　抗滑桩安全系数分布曲线

从图8可以看出，工况2情况下，距桩底19 m左右位置，抗滑桩结构安全系数较小，为2.3；工况8情况下，距桩底18 m左右位置，抗滑桩结构安全系数较小，为2.0。抗滑桩各施工工况下的安全系数均大于2，根据规范，抗滑桩在施工各阶段均处于安全状态。

3.4半隧道结构内力及安全性分析

3.4.1半隧道结构仰拱内力及安全性分析

在工况4～8阶段，半隧道结构仰拱参与受力。在工况6情况下，半隧道结构托梁施作阶段，仰拱内力最大。此时，仰拱结构轴力最大出现在仰拱桩基侧端头位置，为34.4 kN；剪力最大值为3 220 kN，出现在仰拱桩基侧端头位置；弯矩最大值出现在仰拱桩基侧端头位置，为4 748 kN·m。

根据仰拱内力计算结果绘制仰拱各施工工况下的安全系数，如图9所示。

图9　仰拱安全系数分布曲线

从图9可以看出，工况6情况下，与斜柱相连截面安全系数最小，为2.1，但各施工工况下的安全系数均≥2，表明仰拱在施工各阶段均处于安全状态。

从目前所掌握的情况来看，林下套种中草药的栽培过程中，无论是方法层面还是技术层面，都必须在地区的考察与分析力度上不断的提升。第一，林下套种中草药的栽培开展，需要的营养较为丰富，而且不同林业与药业的结合，涉及到具体的产品功能与效用的差异性，此时必须加强大量的调查，并且在数据分析过程中保持较高的精准度，甚至是要提前几年开展勘查工作，由此能够对各类动态因素的转变做出良好的把控。第二，林下套种中草药的栽培考察过程中，对于一些特殊情况要做出深入了解，尤其是自然灾害的出现，以及动物对于林业和药业的破坏情况，都要保持在承载范围以内，否则很容易产生严重的损失现象。

3.4.2半隧道结构斜柱内力及安全性分析

在工况5～8阶段，半隧道结构斜柱参与受力。斜柱底端在工况5(斜柱施作阶段)时，弯矩为173 kN·m，方向为从斜柱外侧向内侧弯；在工况6(托梁施作)时，弯矩增大至7 071 kN·m；在工况7(曲墙平顶施作)时，弯矩减小到1 536 kN·m；在工况8(洞顶回填)时，斜柱底端弯矩方向发生改变，且弯矩值变为2 415 kN·m。

斜柱顶端仅在工况7、工况8时出现弯矩，在工况7时，弯矩最大值为1 536 kN·m，方向为从斜柱内侧向外侧弯；在工况8时，弯矩最大值为4 007 kN·m，方向为从斜柱外侧向内侧弯。

根据斜柱内力计算结果绘制斜柱各施工工况下的安全系数，如图10所示。

从图10可以看出，工况6情况下，斜柱最小安全系数为3.7，出现在斜柱底端；工况7情况下，斜柱最小安全系数为7.7，也出现在斜柱底端；工况8情况下，斜柱最小安全系数为5.2，出现在斜柱顶端。

图10　斜柱安全系数分布曲线

3.4.3半隧道结构托梁内力及安全性分析

在工况7～8阶段，半隧道结构托梁参与受力。在工况8情况下，半隧道结构托梁内力最大，其中剪力最大值为921 kN，出现在托梁两端位置；弯矩最大值出现在托梁两端头位置，为1 535 kN·m，方向为从托梁上侧向下侧弯。

根据托梁内力计算结果绘制托梁各施工工况下的安全系数，如图11所示。

图11　托梁安全系数分布曲线

从图11可以看出，工况7情况下，托梁与斜柱相接的两端截面安全系数最小，为8.2；工况8情况下，托梁与斜柱相接的两端截面安全系数最小，为5.8。

3.4.4半隧道结构顶板和曲墙内力及安全性分析

在工况7～8阶段，半隧道结构顶板及曲墙参与受力。在工况8情况下，结构内力最大，其中轴力最大值出现在曲墙左侧底端，为3 332 kN；剪力最大值为1 379 kN，出现在顶板和曲墙底部；弯矩最大值出现在顶板斜柱侧，为4 007 kN·m，方向为从顶板外侧向内侧弯。

根据内力计算结果绘制顶板及曲墙各施工工况下的安全系数，如图12所示。

从图12可以看出，工况7情况下，边墙底部截面安全系数较小，为8.7；工况8情况下，距斜柱9 m处(曲墙与顶板相交处)截面安全系数最小，为3.8。

图12　顶板及曲墙各截面安全系数分布

4结论

本文采用安全系数法对大跨半隧道结构进行了计算分析，结果表明，抗滑桩和棚洞结构各个部位的最不利内力组合都在可控范围之内，结构安全性满足规范要求，并得到以下结论。

1) 抗滑桩在半隧道结构顶部回填后，虽然桩体总体内力指标减小，但内力分布发生变化。由于抗滑桩内部构造设计的差异，导致截面安全性降低。因此，江罗路棚洞工程的半隧道结构抗滑桩设计参数还可进一步优化。

2) 半隧道结构仰拱主要承受斜柱传递的荷载作用，因此，在半隧道结构设计中，可通过设置地基梁取代仰拱结构。

3) 斜柱结构总体应力较大，且施工过程中存在受力模式的转换，因此应重视施工过程对斜柱力学行为的影响。但本工程斜柱的最小安全系数达到3.7，可满足施工和运营期间的安全。

4) 托梁、曲墙及平板结构在回填土体施工完毕后内力最大，其中，托梁截面最小安全系数为5.8，出现在托梁与斜柱相接断面，曲墙及平板截面最小安全系数也达3.8，可保证结构安全。

参 考 文 献

[1]关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]中交第一公路工程局有限公司.JTG F60—2009公路隧道施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3]蒋树屏，刘元雪，黄伦海，等.隧道出口段环保型结构稳定性分析[J].岩土工程学报，2005，27(5): 577-581.

[4]刘元雪，蒋树屏，谢锋.基于环境保护的大跨棚洞结构型式优化研究[J].公路隧道，2007(4)：1-5.

[5]中国建筑科学研究院.JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[6]重庆交通科研设计院.JTG D70—2004公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[7]中交第二公路勘察设计研究院有限公司.JTG T D70—2010公路隧道设计细则[S].北京：人民交通出版社，2010.

Evaluation for Mechanical State and Safety of Complicated Structure System in Pile-half Tunnels

HAN Fuqing1, HU Xuebing2

Abstract:In recent years, more and more large-span half-tunnel structures are adopted for highway tunnels. For such structures, there are many construction procedures, distribution of internal force of structures changes greatly, and indices during design and construction are difficult to control. For this purpose, this paper proposes half-tunnel structure safety coefficient method. Dependent on Jiangluo Road Shed-tunnel Project in Guangdong Province, the paper simulates the whole construction progress, and analyzes sectional safety coefficients of all parts in half-tunnel structures in combination with internal force of structures under all working conditions to determine the worst working conditions and distribution of safety coefficients of half-tunnel structures. The results of research show that except for large stress at intersection between baseplate structures and inclined columns of half-tunnel structures, safety coefficients of other parts are larger, and baseplate structures can be optimized; the stress on both ends of inclined columns is the maximal and is greatly affected by construction process; safety coefficients of canted walls and crown plate structures are higher, and structural sections can be further optimized.

Key words:half-tunnel structure; slide-resistant pipe; large span; internal force; safety coefficient

文章编号：1009-6477(2016)01-0094-06

中图分类号：U459.2

文献标识码：A

作者简介：韩富庆(1975-)，男，河南省平顶山市人，硕士，高工。

收稿日期：2015-10-30

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.021