扩建连拱隧道初期支护及中墙受力研究

摇摇摇摇摇摇摇摇摇

摇摇公摇路摇交摇通摇技摇术

TechnologyofHighwayandTransport

摇摇摇摇摇摇摇摇

Vol.34摇Supp

摇摇Sep郾2018

DOI:10郾13607/j.cnki.gljt.2018郾Supp郾003

扩建连拱隧道初期支护及中墙受力研究

高摇登,林孔斌

(福建省交通规划设计院,福州摇350004)

摘摇要:为验算扩建连拱隧道初期支护和中墙参数的合理性,采用荷载-结构法对初期支护内力、新中墙应力、基底应力等进行受力分析,计算结果表明:1)左、右洞均扩建完成后,除左右洞拱脚、初支与中墙连接处由于应力集中安全系数大于1小于1郾53,其他危险截面的安全系数均大于1郾53,满足规范要求;2)仅左洞扩建完成时将形成偏压非对称连拱隧道,除中墙底外,左洞初支其他危险截面的安全系数均大于最终状态的安全系数;3)中墙角隅处最大压应力和拉应力分别为8郾17MPa和0郾61MPa,不满足强度安全系数要求,应加强配筋和构造设计;4)中墙最薄截面处最大压应力和拉应力分别为3MPa和0郾5MPa,满足强度安全系数要求;5)中墙底部和仰拱拱脚侧基底应力较大,应对其进一步注浆加固,使其满足地基承载力要求。

关键词:连拱隧道;原位扩建;荷载-结构法;初期支护;安全系数;中墙

文章编号:1009-77(2018)Supp-0012-06摇摇摇中图分类号:U459郾2摇摇摇文献标识码:A

MechanicalAnalysisofInitialSupportandCentralWallof

Double-ArchTunnelExpansion

Abstract:Inordertoverifytherationalityoftheparametersoftheinitialsupportandcentralwalloftheextendedmulti-archtunnel,theload-structuremethodwasadoptedtoanalyzetheinternalforceofinitialsupport,stressofnewcentralwallandtunnelbasement.Thecalculationresultsshowthatwhentheleftandrightholesareexpanded,thesafetycoefficientofdangeroussectionsismorethan1.53,meetingtherequirementsofthecode,exceptforthearchfootandthejointofinitialsupportandcentralwall,whosesafetycoefficientrangesfrom1to1.53.Abiasasymmetricmulti-archtunnelwillbeformedwhentheexpansionoftheleftholeiscompleted.Thesafetycoefficientofdangeroussectionsoftheinitialbranchoftheleftholeishigherthanthefinalstate,exceptatthebottomofthemiddlewall.Themaximumcompressivestressandtensilestressatthecornerofthecentralwallare8.17Mpaand0.61Mparespectively,whichfailtomeettherequirementofstrengthsafetycoefficient.Thus,reinforcementandstructuraldesignofthesepositionsshouldbecarriedout.Themaximumcompressivestressandtensilestressatthethinnestsectionofthecentralwallare3Mpaand0.5Mparespectively,meetingtherequirementsofstrengthsafetycoefficient.Sincethestressatthebottomofthecentralwallandthefootoftheinvertedarchwaslarger,itshouldbefurtherreinforcedbygroutingtomeettherequirementoffoundationbearingcapacity.

Keywords:multi-archtunnel;in-situexpansion;load-structuremethod;initialsupport;safetycoefficient;centralwal

摇摇随着经济的日益发展,在一些地区高速公路双向4车道乃至6车道公路隧道已不能适应交通量增长的需求,因此需在既有公路隧道基础上改扩建成为双向8车道公路隧道。目前,国内隧道原位改扩

收稿日期:2018-06-13

作者简介:高摇登(1984—),男,福建省福州市人,博士,高工,主要研究方向为隧道工程、岩土工程。

GAODeng,LINKongbin

建已积累了一定的成功经验,如福建泉厦高速大帽山隧道[1-3]、福建漳龙高速后祠隧道[4-5]、福州二环路金鸡山隧道[6-7]等。张海忠等[8]通过对杭金衢高速公路新岭隧道和王市岭隧道路段拓宽方案的对比

摇增刊摇摇摇摇摇摇摇摇摇高摇登,等:扩建连拱隧道初期支护及中墙受力研究13

研究,对高速公路中长隧道和短隧道路段提出了一些拓宽改建建议;陈七林[9]结合福州象山连拱隧道的工程现状,分析了象山隧道拓宽改造方案的研究思路,重点研究了新旧结构连接、支护结构的受力平衡、结构拆除和既有隧道病害整治等关键技术问题;章立峰等[10]以杭州市临平邱山隧道改扩建为双连拱隧道工程为例,对隧道改扩建工程的施工方法进行了探讨。但连拱4车道隧道原位扩建为连拱8车道的工程案例,国内目前还未见相关报道。

本文结合福建某高速公路双向4车道连拱隧道原位扩建方案进行了探索,采用荷载-结构法对扩建隧道初期支护内力、中墙应力、基底应力等进行受力分析,并得出相应的结论,对类似扩建工程初期支护和中墙设计具有一定的指导意义。1摇项目概况

既有新琼隧道位于福建泉州境内,属于国高网泉南线永春互通至汤城枢纽段改扩建工程。该隧道为双向4车道连拱隧道,长140m,如图1所示。根据竣工图资料,隧道进出口段现有边坡稳定,坡体表层覆盖坡残积土;洞顶及洞身围岩主要为残积土、全风化-砂土状强风化花岗闪长岩,结构松散,岩体风化强烈,且泡水易软化,为吁级围岩。

图1摇既有新琼连拱隧道

拟扩建隧道平面和地质纵断面如图2和图3所示。在初步设计阶段中,采用原位扩建方案、路堑方案和增建隧道方案进行了综合比选。受周边地形条件和征迁等因素控制,拟推荐采用原位扩建为连拱

8车道方案。

2摇扩建形式

扩建新琼隧道拟采用复合式中墙结构,保留部分既有隧道中墙位置的二衬,通过水平对拉预应力锚杆等加固措施,使之与既有中墙构成新中墙。原

图2摇拟扩建新琼隧道平面

单位:m

图3摇拟扩建新琼隧道右线地质纵断面

252郾隧道中墙厚度为130cm,扩建后中墙最薄处厚度为

之上9。cm,根据工程类比和经验扩建隧道的2层初期支护架立于新中墙,初步拟定扩建隧道的初期支护参数如下:第1层初期支护厚度30cm,采用I22b,间距50cm;第2层初期支护厚度20cm,采用4椎25钢格栅拱架,间距50cm。扩建形式如图4所示。

单位:cm

图4摇既有新琼连拱隧道扩建形式

3摇计算模型及参数取值3郾1摇计算断面

DB53扩建连拱隧道拱顶最大覆土厚度为29m,根据

计算得到/T2012—2015《吁级围岩段荷载等效高度公路连拱隧道设计规范h》[11]m,,q为31郾57深浅埋分界深度Hq为76郾42m,因此判定扩建连拱隧道暗埋段均为超浅埋浅埋隧道中JTGD70—2004《,复合式衬砌应采用荷载公路隧道设计规范。

-结构法计算》[12]规定:,

14公摇路摇交摇通摇技摇术摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇第34卷摇

JTG出:对浅埋地段的连拱隧道D70—2014《公路隧道设计规范,宜采用荷载》(报批稿-结构法进)也指行内力计算分析及强度验算。因此,本文选取埋深最大位置断面YK16+600进行计算分析,如图5所示。围岩级别为吁级,拱顶最大覆土厚度为29m,地面横坡约为15毅,按偏压连拱隧道荷载公式计算。

单位:m

图5摇YK16+600断面

3郾2摇围岩参数选取

根据设计资料和JTGD70—2004《公路隧道设计规范》[12]中建议对围岩参数进行取值,如表1所示。

表1摇围岩物理力学参数

围岩级别弹性抗力系数/重度酌/计算内摩擦角/

吁级

(MPa·m-1150

)

(kN·m-320

)

(毅)45

3郾3摇荷载计算及初支荷载承担比例

左洞扩建完成后,此时形成左大洞、右小洞的偏压非对称连拱隧道。由于偏压非对称连拱隧道的荷载计算目前规范上未见相关计算公式,参考国内文献[13],计算得到的荷载分布如图6所示。

单位:kN/m2

图6摇左洞扩建完成后荷载分布左、右洞都扩建完成后,此时形成偏压对称连拱隧道。根据JTG/TD70—2010《公路隧道设计细则》[14]中浅埋偏压连拱隧道围岩压力公式,计算扩建后的连拱隧道荷载,结果如图7所示。

单位:kN/m2

图7摇左、右洞扩建完成后荷载分布

图6和图7荷载计算结果为初期支护和二衬承担的总荷载,实际应用时需考虑荷载的各自承担比例。根据JTG/TD70—2010《公路隧道设计细则》[14]应大于,50%浅埋地段,3车道隧道应大于2车道隧道的初期支护承担比例30%~50%。当初期支护的设计承载比例小于设计荷载50%时,理论上不能保证施工过程中的长期安全。此时,应采用合理的分步施工方案,给出二次衬砌的合理施作时间。从工程安全角度考虑,并同时参考2车道和3车道隧道取值范围,本次计算初期支护的荷载承担比例取50%。3郾4摇计算模型

根据平面弹性有限元原理,把隧道的初期支护离散为由梁单元组成的平面杆系;中墙用平面应变单元模拟;围岩对初期支护、中墙底约束作用通过只受压不受拉的杆单元来模拟;考虑初支与新中墙牢固连接,由于中墙转动刚度较大,了连接处初期支护的转动,因此在接触节点处添加约束其旋转来模拟,计算模型如图8所示。

图8摇左、右洞扩建完成后的隧道计算模型

摇增刊摇摇摇摇摇摇摇摇摇高摇登,等:扩建连拱隧道初期支护及中墙受力研究15

3郾5摇初期支护强度验算方法及安全系数控制标准

初期支护截面强度验算时,将嵌在喷混凝土中的钢支撑看成是对喷混凝土的配筋,将C25喷混凝土+钢支撑的联合承载体看作钢筋混凝土,如图9所示。该简化方法较合理地考虑了C25喷混凝土+钢支撑的联合承载作用。钢支撑、钢筋网对喷射混凝土都有加筋作用,计算时偏于安全将初期支护内外侧附近钢材截面面积作为有效配筋面积,而腹板、中间钢筋及钢筋网则作为安全储备。

单位:cm

图9摇双层初支有效配筋面积示意

依据JTGD70—2004《公路隧道设计规范》[12]

中9郾2郾4条规定,“验算施工阶段的强度时,安全系数可采用表9郾2郾4-2,永久荷载+基本可变荷载+其它可变荷载栏内的数值乘以折减系数0郾9冶。因此,本次计算中初支安全系数采用1郾53(1郾7伊0郾9)控制。

4摇计算结果分析

4郾1摇先行左洞完成后受力分析

先行左洞扩建完成后,其初期支护轴力和弯矩如图10和图11所示。由图10可以看出,左拱脚处轴力最大,为3590kN;拱顶位置轴力最小,为2343弯矩最大kN。由图,11为1可以看出011kN·m。

,初支与中墙底部连接G处

左洞扩建完成后,初期支护安全系数计算结果如表2所示。由表2可知,左洞初支安全系数最小值为0郾72,位于左洞初支与中墙底连接G处,这是

单位:kN图10摇左洞扩建完成后初期支护轴力分布因应力集中所致;而其他危险截面的安全系数均大于1郾53,满足规范要求。建议施工过程中及时回填仰拱,确保隧道安全,同时应加强初支与新中墙的连接设计。

单位:kN·m

图11摇左洞扩建完成后初期支护弯矩分布表2摇左洞扩建完成后初期支护内力结果及安全系数位置

单元号轴力/弯矩/kN(kN·m)安全系数拱顶A124-2347郾1391郾82郾40左拱腰B141-2837郾4-337郾02郾28右拱腰C108-3034郾4-387郾22郾07左洞左拱脚E

162-3566郾7-535郾51郾65左仰拱F166-3376郾5403郾71郾91中墙顶D101-3405郾7484郾91郾77中墙底G

202

-3563郾3

-1011郾0

0郾72

4郾2摇左、右洞完成后的受力分析

12左、右洞扩建完成后,初期支护轴力和弯矩如图

轴力最大和图13kN。由图,13为所示3。由图12可以看出,右洞仰拱中部可知774,拱顶kN;左洞拱顶轴力最小、拱腰、拱脚、初支与中墙连

,为2471接处和仰拱等位置处弯矩较大,其中右洞初支与中单位:kN

图12摇左、右洞完成后初期支护轴力分布

单位:kN

图13摇左、右洞完成后初期支护弯矩分布

16公摇路摇交摇通摇技摇术摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇第34卷摇

墙顶部连接D忆处弯矩为697郾8kN·m,左洞拱脚F处弯距最大,为752kN·m。

左、右洞完成后,初期支护安全系数计算结果如表3所示。由表3可知,左、右洞拱脚、初支与中墙连接处由于应力集中,安全系数大于1小于1郾53,其他危险截面的安全系数均大于1郾53,满足规范要求。

表3摇左、右洞完成后初期支护内力结果及安全系数位置单元号

轴力/弯矩/kN

(kN·m)安全系数拱顶A

1572-2480郾2

3郾02郾33左拱腰B1528-3031郾2-324郾42郾21右拱腰C1557-3197郾4-425郾51郾94左洞左拱脚E1548-3758郾7

-752郾01郾09左仰拱F1597-3598郾83郾51郾85中墙顶D1549-3580郾3697郾81郾17中墙底G1593-3753郾3-656郾71郾47拱顶A忆

1654-2525郾3

378郾42郾34右拱腰B忆16-3021郾4-316郾42郾23左拱腰C忆1670-3248郾6-404郾81郾95右洞右拱脚E忆1708-3700郾0

-737郾71郾11右仰拱F忆1630-3566郾3390郾11郾86中墙顶D忆1678-3634郾36郾01郾23中墙底G忆1634-3773郾6

-691郾9

1郾18

左洞扩建完和左、右洞都扩建完的初期支护安全系数对比如表4所示。由表4可知,仅左洞扩建完成时,除中墙底G点由于应力集中计算得到的安全系数偏小外(仅为0郾72),其他危险截面的安全系数均大于最终状态的安全系数。对比图6和图7可

表4摇左洞初期支护安全系数对比

位置施工过程中最终状态安全系数安全系数变化幅度/%

拱顶A2郾42郾33-2郾9左拱腰B2郾282郾21-3郾1右拱腰C2郾071郾94-6郾3左拱脚E1郾651郾09-33郾9左仰拱F1郾911郾85-3郾1中墙顶D1郾771郾17-33郾9中墙底G

0郾72

1郾47

104郾2

知,仅左洞扩建完成时形成的不对称连拱隧道总跨度比双洞同时扩建完成时的总跨度要小,计算得到的拱顶竖向荷载也小于最终状态。因此,理论上施工过程中左洞初期支护的受力会优于最终状态。4郾3摇新中墙内力

中墙第三主应力(压应力)和第一主应力(拉应力)分布如图14和图15所示。由图14和图15可以看出,中墙4个角隅处的压应力较大,最大值达到

8郾土极限抗压强度为17MPa,拉应力最大值达到19郾0MPa,极限抗拉强度为0郾61MPa;C25混凝2郾02郾MPa,32,计算抗拉得强到度中的墙安角全隅系抗数压为强度3郾的28。安全根系据数JTG为D70—2004《公路隧道设计规范》[12]规定,混凝土抗压极限强度安全系数不小于2郾4,抗拉极限强度安全系数不小于3郾6。因此,扩建隧道应重点加强对中墙角隅的配筋和构造设计,以提高混凝土的局部抗压、抗拉能力。

单位:kPa

图14摇中隔墙第三主应力(最大压应力)

单位:kPa

图15摇中隔墙第一主应力(最大拉应力)

中墙最薄截面处的第三主应力约为3MPa,第一主应力约为0郾5MPa;中墙最薄截面处抗压强度的安全系数为6郾33,抗拉强度的安全系数为4,均满

摇增刊摇摇摇摇摇摇摇摇摇高摇登,等:扩建连拱隧道初期支护及中墙受力研究17

足规范要求。4郾4摇基底应力

地基弹簧内力、基底应力及基底加固区如图16所示。根据地基弹簧内力,可以计算出中墙底部基1郾底应力为MPa,25MPa,0郾右90洞MPa,仰拱左洞仰拱拱脚侧的基底应力为拱脚侧的基底应力为1郾23地基承载力约为仰拱中部的基底应力约为0郾5MPa,中墙底部0郾2MPa。、仰拱端部基底由于天然应力均超过天然地基承载力,因此需要对其进行小导管注浆或树根桩加固处理,使其满足地基承载力要求。

单位:MPa

图16摇地基弹簧内力、基底应力及基底加固区

5摇结束语

本文采用荷载-结构法对扩建连拱隧道初期支护内力、新中墙应力、基底应力等进行受力分析,并得出以下结论:

由于应力集中1)左洞扩建完成后,安全系数仅为,左洞初支与中墙底连接处

0郾72,其他危险截面的安全系数均大于1郾53,满足规范要求。左、右洞扩建完成后,左右洞拱脚、初支与中墙连接处由于应力集中,安全系数大于1小于1郾53,其他危险截面的安全系数均满足要求。建议施工过程中及时回填仰拱,确保隧道安全,同时加强初支与新中墙的连接设计。

集中计算得到的安全系数偏小外2)仅左洞扩建完成时,除中墙底(仅为G0郾点由于应力77),其他危险截面的安全系数均大于最终状态的安全系数。

隧道应重点加强对中墙角隅的配筋和构造设计3)中墙角隅处的压应力、拉应力均较大,扩建

,以提高混凝土的局部抗压、抗拉能力。中墙最薄截面

处的混凝土抗拉和抗压强度安全系数均满足规范要求。

侧基底应力较大4)中墙底部,、施工过程中应注浆加固或通过其左洞仰拱拱脚侧、右洞仰拱拱脚

他方式处理,使其满足地基承载力要求。

参考文献

[1]摇唐颖2009(10):263-266.

.大帽山大跨度扩建隧道设计要点[J].公路,[2]摇胡居义研究[J].,黄伦海公路交通技术.原位扩建隧道围岩变形及力学特性

,2011(6):83-87.

[3]摇胡居义道扩建形式研究,陈礼彪,黄伦海[J].公路交通技术.2车道隧道扩建成,2010(5):93-97.4车道隧

[4]摇孙兴山围岩力学特性三维有限元分析,董会飞,苏兴炬,等.漳龙高速公路扩建隧道

[J].隧道建设,2016,

[5]摇36(1):52-57.刘泉声方案优化分析,孙兴山[,J].苏兴矩武汉大学学报,等.后祠改(工学版(扩)建隧道施工

),2016,49[6]摇(4):544-551.

陈七林设,2011,31(5):577-582.

.金鸡山隧道拓宽改造方案研究[J].隧道建

[7]摇陈七林2014(9):79-83.

.金鸡山隧道拓宽结构设计[J].福建建筑,[8]摇张海忠交通技术,李明,2010(6):105-107..高速公路隧道拓宽方案研究[J].公路

[9]摇陈七林公路,2014,34(1):248-253.

.四连拱隧道拓宽改造关键技术研究[J].中外[10]章立峰道关键技术研究,邹金杰,吴向东[C]//中国土木工程学会年会,等.既有隧道改扩建为连拱隧

.北京:中国土木工程学会,2010.

[11]云南省交通规划设计研究院DB有限公司53/T2012—2015[S].,2016.北京.公路连拱隧道设计规范:人民交通出版社股份:

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

:JTGD70—[13]聂雄优化.[D].非对称连拱隧道力学特性数值模拟研究及结构

北京:北京交通大学,2015.

[14]中交第二公路勘察设计研究院有限公司计细则:JTG/TD70—2010[M].北京:人民交通出版.公路隧道设

社,2010.