拱形偏压棚洞设计研究

摘   要  本文介绍拱形偏压棚洞的几种设置方式，利用平面有限元模拟分析了各种地质条件下的棚洞受力情况，对拱形偏压棚洞的应用范围和形式提出了参考意见。

关键词  隧道  拱形棚洞  设置方式  受力变形分析

 

    1  前言

    在“以人为本，保护环境”的设计理念指导下，山区高速公路大开挖，高削方的方式受到了越来越多的指责，甚至连偏压隧道进口的一侧高削方也要求避免。但由于线形指标控制、地形限制，公路布线不可避免存在山体斜交情况，在设计中选用适合的结构形式，减少对自然山体的破坏，是设计人员在制定方案时要仔细考虑的一个问题。

    采用拱形偏压棚洞是减少山体边坡开挖高度的一种重要方法(图1)。相对箱形棚洞而言，拱形棚洞具有较美观的特点，因而更受欢迎。但拱形偏压棚洞受力复杂，需考虑的影响因素较多，设计人员实际采用较少，一般采用偏压明洞代替。笔者认为拱形偏压棚洞由于采光条件相对偏压明洞好，在隧道洞口具有过渡性质，对改善行车条件，减少事故发生具有重要作用，值得进一步分析，推广应用。

 

 

    2  偏压棚洞的几种设置方式

    棚洞主体结构主要由拱圈、小箱形横梁、立柱、条形基础、仰拱组成，采用钢筋混凝土结构，立柱满足透光要求。棚洞附属结构由回填层(土石、砂砾垫层、粘土隔水层)、顶部排水系统(混凝土水沟、盖板)、拱顶防护系统(预制空心混凝土块；植草)及临时防护系统组成，如图2(图中边坡防护应根据具体地质、地形条件采用合适的防护措施)。

    结合工程实践，笔者认为偏压棚洞设置方式主要有三种：大开挖设置方式，中度开挖设置方式和小开挖设置方式，如图3所示。

    2.1  大开挖设置方式

    本设置方式开挖面积最大，棚洞边坡刷方高度最高。采用本方式设置棚洞时，原则上应与设置明洞比较，当设置明洞时，路线不满足隧道洞内外线形3s一致原则时就应采用棚洞。本方式施工简单，完全明挖，再施工棚洞衬砌，最后拱顶回填。

    2.2  中度开挖设置方式  

    本设置方式开挖面积居中，棚洞边坡刷方也是高度居中。此设置时一般采用完全明挖方式进行，先开挖土石方，再施工棚洞衬砌，最后拱顶回填，施工方式简单。

    2.3 小开挖设置方式   

  本设置方式开挖面积最小，棚洞边坡刷方高度最低。此设置在Ⅰ、Ⅱ级围岩地段可采用明挖方式外，其余地段施工方式比较复杂，一般要先施工山体侧导洞，浇注棚洞边墙并回填，再明挖棚洞上部及外侧土石方、施工棚洞上拱圈、箱形横梁、立柱及条形基础，开挖中部土石方，施工仰拱，最后拱顶回填。

 

    3  偏压棚洞受力变形情况分析

    3.1  偏压棚洞受力分析原则

    拱形棚洞受力和变形分析比隧道暗洞及明洞更为复杂，不同设置方式、不同的围岩地质及不同的棚洞结构尺寸都会导致棚洞的结构受力都不尽相同。表面上棚洞结构受力分析是结构力学问题，通过确定外部荷载即可得出结构受力和结构变形及位移，以此确定棚洞结构尺寸和钢筋配置，来保证结构的安全和适用。实际上要合理确定棚洞的外部荷载不是一个简单的公式可以囊括的。

    如何确定拱形棚洞荷载，笔者认为宜采用有限元法进行。通过应用平面应力—应变有限元程序，采用二维平面应变单元和适合岩土材料的强度理论评价方法，分阶段模拟施工开挖过程，给出山体边坡相应的应力释放率，可计算出棚洞各阶段受力情况，并得出棚洞结构内力和位移，再分析计算结果，可确定最不利位置，完成结构配筋实际。

    建立分析模型时，计算范围可取棚洞开挖区3倍洞径范围作为有限元分析区域，左右边界为水平约束，上部边界为自由状态，下部边界先竖向约束，区域中围岩按理想的单一介质取值。计算判定准则：棚洞的截面尺寸满足计算出的弯矩、轴力、剪力所需的最小截面尺寸，在给定的结构尺寸下，确定结构配筋，并满足钢筋混凝王结构的裂缝要求。 

    3.2  弹塑有限元分析计算模型建立

    棚洞及边坡围岩稳定弹塑有限元分析选用同济大学地下工程系研制开发的“"GeoFBA2D”弹塑性有限元程序进行计算。计算选取范围，上边界至地面、左右边界距离大于3倍的两洞开挖宽度，下边界至开挖洞底的距离大于3倍的洞高。单元划分所遵循的原则为：a．单元边界划分在材料分界面和开挖分界线上；b．单元划分采用内密外疏划分；c．一个单元内边长不能相差过于悬殊；d．单元节点要布置在荷载及锚杆的端点，左右边界节点为水平位移约束，下边界节点竖向位移约束，上边界为自由边。 

    根据《公路隧道设计规范》(JTJD70--2004)围岩级别划分要求，将棚洞地段围岩按Ⅱ~Ⅴ级围岩分别建立有限元计算模型。建模时考虑到衬砌外防水层的特殊性，将其作为单层节理材料处理。具体各材料计算所需参数见表1。

    棚洞边坡开挖防护采用3.0m长锚杆、间距1.2m布置，同时采用10cm喷射混凝土护面。3.3  各设置方式棚洞受力有限元计算结构

    3.3.1  大开挖设置方式受力变形分析

    有限元计算模型见图4。

    轴力及弯矩示意如图5、图6。

    棚洞主要结构受力如表2。

    3.3.2  中开挖设置方式受力变形分析

    有限元计算模型见图7。

    轴力及弯矩示意如图8、图9。

    棚洞主要结构受力如表3。

    3.3.3  小开挖设置方式受力变形分析

    有限元计算模型见图10。

    轴力及弯矩示意如图11、图12。

    棚洞主要结构受力如表4。

    3.4  各设置方式棚洞受力情况

    模拟分析表明：围岩级别的降低，拱圈、立柱受力呈减少趋势，Ⅴ级围岩较ⅡI-Ⅳ级围岩情况下，拱圈受力变化增幅较大，因此在V级围岩地段采用拱形棚洞时应重点注意结构尺寸选择和配筋率。

    立柱轴压力在中开挖方式时最大，大开挖设置情况下最小，小开挖情况居中；弯矩由大到小依次为大开挖设置、中开挖设置、小开挖设置。拱圈弯矩由大到小Ⅱ—Ⅳ级围岩情况下，依次为中开挖设置、大开挖设置、小开挖设置；V级围岩下依次为小开挖设置、中开挖设置、大开挖设置。拱圈轴力由大到小依次为大开挖设置、中开挖设置、小开挖设置。

    同时模拟分析表明，除大开挖设置方式时拱圈轴力明显大于中开挖设置、小开挖设置方式外，其他各种情况棚洞各项内力差值不大；选择棚洞开挖设置方式时，结构受力分析不起主要控制因素，应根据具体地形、地貌、地质体及施工组织、环境保护综合分析后确定。 

 

    4  结束语 

    上述模拟计算结果表明，拱形棚洞的设计和施工是可以适应不同围岩地质的。笔者认为拱形棚洞结构在Ⅱ-Ⅳ级围岩地区可以放心采用，通过合理运用，可以达到隧道建设与保护自然的有机统一。但在地质较差的地区，采用棚洞结构形式时需配合采用锚杆、锚束等防护手段，来改善围岩的受力特性。

 

参考文献

1  中华人民共和国行业标准．公路隧道设计规范(JTGl)70--2004)．北京：人民交通出版社，2004

2  中华人民共和国国家标准．混凝土结构设计规范(GB 50010--2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002

3  湖南省交通规划勘察设计院．吉首到茶洞高速公路初步设计文件．2005