台阶式洞门强度及稳定性检算研究

李玉琼

(深圳市地铁集团有限公司，广东深圳 518000)



台阶式洞门强度及稳定性检算研究

李玉琼

(深圳市地铁集团有限公司，广东深圳 518000)

【摘要】结合纳溪～宜宾段公路涪溪口隧道工程实例，详细阐述了台阶式洞门强度及稳定性的检算过程，通过检算确定了洞门结构各部分的尺寸，并建议采用C15混凝土对进出口洞门地基进行换填处理以满足基底压应力检算要求，为类似工程提供参考。

【关键词】隧道；台阶式洞门；强度；稳定性

隧道洞门作为进出入隧道的标志，是隧道结构的重要组成部分。隧道洞门常使用圬工砌筑，并根据需要和周围环境进行一定的装饰[1]。隧道洞门形式多种多样，可以分为端墙式与明洞式两大类，其中端墙式又可分为台阶式、翼墙式、拱翼式和柱式；明洞式可分为削竹式、倒削竹式、直削竹式、框架式、棚洞式及喇叭口式[2]。

洞门结构主要有三点作用：(1)洞门能够连接隧道内部衬砌与路壁，使之成为一个整体，实现隧道结构的统一性和整体性；(2)洞门能支挡隧道洞口的正面仰坡及路堑边坡，阻挡自仰坡上方滑落的土体、石块，确保路壁边坡和正面仰坡的稳定性；(3)洞门可引导坡面汇水偏离隧道，保证隧道洞口不被积水冲刷，从而保证线路安全。所以，洞门对于保证隧道前期施工安全和后期正常运营都有着至关重要的作用[3]。

1工程概况

涪溪口隧道工程是纳溪～宜宾高速公路的重要组成部分，隧道为双洞单向双车道形式。隧道进口里程为K176+522 m，出口里程为K117+050 m，全长528 m，最大埋深122.72 m。

隧道进口段地表为斜坡，坡度15°～20°左右，斜坡残积层厚4～8 m，岩性主要为含黏性土碎石等；下伏晶屑熔结凝灰岩，全风化层厚2～3 m，强风化层厚2～4 m，呈碎石状散粒结构；弱风化层厚约15～20 m，岩体呈块碎状镶嵌结构。

隧道洞身段围岩主要为含碎石亚黏性土、强风化层及弱风化层，洞顶围岩主要为含碎石亚黏土。地下水主要为孔隙潜水和风化裂隙水，水量不大。根据隧道进洞口位置的边、仰坡度和工程地质条件，确定隧道进口段采用台阶式洞门。

隧道出口段，地表为斜坡，坡度30°～45°左右，洞口位于机耕路下部，表部为厚1～2 m的碎石素填土，结构比较松散；以下为残坡积层，厚度约为1.0～1.5 m，主要为含黏性土碎石等；下伏晶屑熔结凝灰岩，全风化层厚度约为1～2 m，强风化层厚度为1.0～2.0 m左右，弱风化层厚度为15～20 m左右，岩体主要呈块碎状镶嵌结构，RQD值在20 %～50 %之间。

涪溪口隧道出洞口顶部埋深0～4 m左右，洞身穿过残坡积层、全风化层、强风化层及弱风化层，地下水类型主要为基岩裂隙水，水量贫乏。根据隧道出洞口位置的边、仰坡度和工程地质条件，确定隧道出口段可适当接长明洞，采用台阶式洞门。

2洞门强度及稳定性验算

2.1计算原理

(1)洞门墙的设计宜按照工程类比法初步拟定洞门墙尺寸，对墙身各项稳定性参数进行验算后，根据验算结果调整设计，直至选定一个安全、经济的设计方案。

(2)《公路隧道设计规范规定》[4]对于挡墙式洞门，洞门墙可视为挡土墙，按极限状态检算其强度，并应检算绕墙趾倾覆及基底滑动的稳定性(图1)，检算结果应符合表1的规定，并应符合《公路圬工桥涵设计规范》、《公路路基设计规范》、《公路桥涵地基与基础设计规范》的有关规定洞门墙的稳定性指标规定[5-7]。

表1　隧道洞门墙检算规定

2.1.1洞门墙抗倾覆稳定性计算

式中 ：K0为基底的抗倾覆稳定系数；

My为洞门墙的稳定力系对墙趾的总力矩；

M0为洞门墙的倾覆力系对墙趾的总力矩。

图1　安全系数检算示意

2.1.2洞门墙抗滑动稳定性计算

(1)当基底水平时，

(2)当基底倾斜时，

式中：K0为沿基底的抗滑动稳定系数；

N为作用在基底上的总垂直力；

E为主动土压力的水平分力；

f为基底摩擦系数；

α为基底倾斜角度。

2.1.3洞门墙基底偏心距计算

(1)当基底水平时，

(2)当基底倾斜时，

式中：e为基底合力的偏心距；

B，B′为水平、倾斜基底的厚度；

∑N′为作用在倾斜基底上的总垂直分力，

∑N′=∑Ncosα-∑Esinα；

C，C′为∑N,∑N′对墙趾的力臂；

2.1.4基底压应力计算

(1)当基底水平时，

(2)当基底倾斜时，

各符号含义同前。

2.2隧道进口段洞门端墙检算

2.2.1基本计算数据

2.2.1.1地层物理力学参数

Ⅴ级围岩；边坡坡度ε=14.43°，tanε=0.257；

土层重度γ=20 kN/m3；计算摩擦角φ=50°；

基底摩擦系数f=0.40；基底设计控制压应力σ=0.35 kN/m2。

端墙采用C15片石混凝土，重度γ=23 kN/m3；

容许压应力[σa]=6.1 MPa，容许拉应力[σt]=0.36 MPa；

利用工程类比法初步拟定进口段洞门尺寸，其计算简图如图2所示。

图2　隧道进口段洞门端墙计算(单位：cm)

2.2.2洞门强度及稳定性检算

计算宽度1 m，挡墙α=5.71°，tanα=0.1；由图2可知h0=0.78 m，H=11.34 m。

2.2.2.1最危险破裂面与垂直面之间的夹角：

得ω=24.12°

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2.2.2.2土压力

(2.24-0.78)]=84.924kN

σH=γλ(H-h0)=20×0.1091×(11.34-0.78)

=23.042kPa

=3.186kPa

主动土压力：

31.454kN

E=E1+E2=91.452+31.454=122.906kN

2.2.2.3倾覆力矩M0

401.099kN·m

2.2.2.4稳定力矩My

自重 P=25.08×1×23=576.84kN

My=P·x=576.84×1.13=670.83kN·m

2.2.2.5墙身截面强度及偏心距检算

进口段洞门墙身偏心距满足要求。

进口段洞门墙身强度满足要求。

2.2.2.6倾覆稳定系数

进口段洞门墙身抗倾覆稳定性满足要求。

2.2.2.7滑动稳定系数

进口段洞门墙身抗滑稳定性满足要求。

2.2.2.8端墙基底应力及偏心距检算

进口段端墙基底偏心距满足要求。

由于：e=0.524>B/6=0.333m

故

0.808MPa>[σa]=0.35MPa

进口段洞门端墙基底应力检算不满足要求。可采用C15混凝土对进口段地基进行换填处理，换填深度3.0 m，再次检算可得基底应力满足要求。

综上，隧道进口段洞门端墙的基底强度及偏心距、抗滑动稳定性、抗倾覆稳定性、墙身强度及偏心距全部合格，隧道进口段洞门设计满足要求。

2.3隧道出口段洞门端墙检算

2.3.1基本计算数据

2.3.1.1地层物理力学参数

Ⅴ级围岩；边坡坡度ε=34°，tanε=0.675；

土层重度γ=20 kN/m3；计算摩擦角φ=50°；

基底摩擦系数f=0.40；基底设计控制压应力σ=0.35 kN/m2。

2.3.1.2所选用材料的基本物理力学参数

端墙采用C15片石混凝土，重度γ=23 kN/m3；

容许压应力[K0≥1.6]=6.1 MPa，容许拉应力[φ=55°,tanφ=1.428]=0.36 MPa；

利用工程类比法初步拟定出口段洞门尺寸，其计算简图如图3所示。

图3　隧道出口段洞门端墙计算(单位：cm)

2.3.2洞门强度及稳定性检算

计算宽度1 m，挡墙α=5.71°，tanα=0.1；由图3可知h0=0.78 m，H=11.34 m。

按照2.2.2节进口段洞门强度及稳定性验算过程，计算得到出口段强度及稳定性检算结果见表2。

表2　出口段洞门强度及稳定性检算结果

出口段洞门端墙基底应力检算不满足要求。可采用C15混凝土对出口段地基进行换填处理，换填深度3.0 m，再次检算可得基底应力满足要求。

综上，隧道出口段洞门端墙的基底强度及偏心距、抗滑动稳定性、抗倾覆稳定性、墙身强度及偏心距全部合格，隧道出口段洞门设计满足要求。

3结论

通过工程类比法初步拟定了纳溪～宜宾段公路涪溪口隧道进出口洞门结构的各部分设计参数，并按要求对该台阶式进出口洞门强度及稳定性进行检算，得出如下结论：

(1)洞门端墙的基底偏心距、抗滑动稳定性、抗倾覆稳定性、墙身强度及偏心距进行检算，均满足设计要求；

(2)通过采用换土垫层法对地基进行加固处理，洞门端墙的基底强度可达到设计要求；

(3)纳溪～宜宾段公路涪溪口隧道台阶式进出口洞门结构的各部分设计参数合理可靠，可为类似工程提供参考。

参考文献

[1]铁道部专业设计院.洞门[M]//铁路隧道结构物设计计算丛书. 北京: 中国铁道出版社, 1990.

[2]交通部公路司.新理念公路设计指南[M].人民交通出版社，2005.

[3]胡瑶瑶. 隧道洞门概率极限状态设计方法研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2014.

[4]JTG D70-2004 公路隧道设计规范[S].

[5]JTG D61-2005 公路圬工桥涵设计规范[S].

[6]JTG D30-2004 公路路基设计规范[S].

[7]JTGD63-2007 公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[作者简介]李玉琼(1980～),女，工学学士，工程师，主要从事轨道交通投资及轨道交通建设管理工作。

【中图分类号】U453.1

【文献标志码】B

[定稿日期]2015-11-04