武广铁路客运专线浏阳河隧道抗水压衬砌计算分析

外水压力的大小, 可以用计算水位线以下的水头表示,
计算水位线以下至隧洞底板的水柱高, 等于地下水位
线以下的水柱高乘以相应的折减系数 B0。
式中
pek = Be CwH e pek ) ) ) 作 用 于 衬 砌 上 的 外 水 压 强 标 准 值
( kN /m2 );
Be ) ) ) 外水压力折减系数; H e ) ) ) 作用水头 ( m), 按设计采用的地下水位
上隧道和排水对当地生态环境有影响的隧道均采用不
排水的结构设计, 二次衬砌需抵抗全部地下水压, 荷载 系数为 110, 安全系数 > 112[ 5] 。还有一些科研单位依
据具体的工程提出了各自的折减系数, 可见折减系数
的确定不是一成不变的, 是和隧道地下水渗流有关的
衬砌渗透性、围岩的裂隙性及隧道防排水体系等影响
本文以下列工况为例, 进行抗水压衬砌的受力特 征分析。
1 ) 不同 水头 高度对 结构 受力 影响 如图 5和图 6所示为 Õ 级围岩浅埋情况下, 结构 拱顶上水头高度分别取 15 m和 20 m时的计算结果。 通过计算发现, Õ q2 受 15 m 水压力时, 最大弯矩 Mm ax = 973172 kN# m, Õ q3受 20 m 水 压 力时, 最 大弯 矩
深埋隧道荷载计算模型如图 3所示, 浅埋隧道荷 载计算模型如图 4所示。 313 抗水压衬砌的内力计算 31311 计算工况
以 Õ 级围岩为例, 隧道埋深 < 30 m为浅埋, 按 5 m 分一级, 分为以下 5个工况:
¹ Õ q1 (适用埋深: 0 ~ 10 m)、º Õ q2 (适用 埋深: 10~ 15 m )、» Õ q3 (适用埋深: 15~ 20 m )、¼ Õ q4 (适 用埋深: 20~ 25 m )、½ Õ q5 (适用埋深: 25~ 30 m ); 隧 道埋深超过 30 m 为深埋, 按 5~ 10 m 分一级, 分为以 下三个工况: Õ s1 (适用埋深: 30~ 35 m )、Õ s2 (适用埋 深: 35~ 40 m )和 Õ s3 (适用埋深: 40~ 50 m)。 31312 抗水压衬砌受力特征分析
浏阳河隧道为穿越城市的凹形纵坡长大隧道, 隧 道最大埋深约 70 m, 地表存在河流和大量建筑物, 如 采用排水型衬砌结构将对地下水和周围环境产生不利 影响, 因此该隧道作为防排水条件不利、环境要求非常 高的隧道, 条件许可的情况下应采用以防为主的防排 水设计原则。通过综合考虑采取的防排水原则如下: ¹ 地下水位至拱顶高差 [ 50 m 地段的暗挖地段按全 封闭防水型隧道进行设计; º 地下水位至拱顶高差 > 50 m 的暗 挖 地段 ( DÒ K1 565 + 743 ~ DÒ K1 567 + 097段长 1 354 m)按限排型隧道进行设计。
根据隧道各段所处的地质、地面环境、隧道埋深等 条件, 隧道设计采用了明挖法、钻爆法及非爆 破法施 工。隧道建设规模见表 1[ 1] 。
收稿日期: 2009212201; 修回日期: 2009212220 作者简介: 唐曌 ( 1980) ), 女, 湖南衡阳人, 工程师。
表 1 浏 阳河隧道建设规模
由此可以看出当采用加深后的仰拱断面形式, 结 构的受力情况大为改善, 极值处弯矩分别减少了 5919% 和 3319% , 因此结构采用仰拱加深的断面是经 济合理的。
3 ) 水压 力对 衬砌结 构受 力的 影响 计算方法是对抗水压衬砌建立计算模型, 当不计 入水压力时 (即取水压力 = 0), 比较结构受力。采用 Õ 级深埋荷载计算模型, 取 0水头, 对结构进行计算, 计算结果如图 9所示, 结构内的弯矩极值分别为 Mm in = - 708181 kN# m、Mm ax = 7161516 kN# m, 相对于图 8 的 Mm in = - 1 443 kN# m、Mmax = 1 728 kN# m, 结构所受 的弯矩大为减少, 此外相对计入水压力的情况, 当不考 虑水压力时, 结构拱部也产生一定的弯矩。对于控制 拱部配筋, 应取两种工况的最不利情况进行比较, 取大 者进行配筋。 4 ) 抗水 压衬 砌与排 水型 衬砌 结构 受力 特征 比较 计算方法是对排水型衬砌断面进行内力计算, 与 抗水压衬砌对比受力模式图。
因素息息相关的。
结合客运专线的特点, 为确保结构安全, 浏阳河隧
道结构设计考虑了全水头的作用, 即水压力系数取
110, 不考虑折减。
浏阳河隧道的初期支护主要考虑施工安全和控制
围岩的变形, 其支护参数依据工程类比并辅以必要的
理论分析确定。二次衬砌承 受全部围岩压力 和水压
力, 采用荷载 ) 结构模型进行计算。
129 586 1 360
DÒ K1 568+ 666~
6 790 DÒ K1 569+ 028
段下穿浏阳河 498 52 下穿机场高速 520 18 0
2 浏阳河隧道防排水设计原则
长期以来我国铁路隧道基本以排水型衬砌为主, 衬砌结构不考虑水压力影响, 在局部地下水发育地区 由于地下水大量流失造成了一定的环境危害, 武广客 运专线的建设注重环境保护, 首次提出了防排水等级 为一级, 衬砌表面无湿渍的要求。
线与隧洞中心线之间的高差确定。
折减系数 B是一个综合指标, 1984年水电部修订 的 5水工隧洞设计规 范 6[ 3] 明 确地提出了折减系数 B
值的选用表, B值根据地下水对围岩稳定性的取值在 0
~ 110之间, 具体数值还应综合考虑水文地质特点及
工程防渗、排水措施分析选择。台湾高速铁路 3 km 以
图 1 浏阳河隧道计算荷载图
图 2 水压力荷载图
浅埋标准规定如下: Ô 级围岩覆土厚度 15~ 20 m, Õ 级围岩覆土厚度 30~ 35 m。设计计算深浅埋标准 (H 为隧道拱顶覆土厚度 )取值确定如下: Ô 级围岩 H > 18 m为深埋, H < 18 m 为浅埋; Õ 级围岩 H > 30 m 深埋, H < 30 m为浅埋; Ö 级围岩地段全部为浅埋。
隧道地面构筑物情况较为复杂, 区域内出露地层 主要为第四系人工填土、粉质黏土、砂砾石地层和白垩 系泥质砂岩、砾岩、砂岩、钙质砂岩等。隧道地下水自 上而下为: 松散岩类孔隙水、碎屑岩孔隙裂隙水、碎屑 岩孔隙裂隙 ) 溶 洞水。隧道场 址区的断裂构 造不发 育, 无大的断裂构造。但局部存在岩石风化不均匀、岩 性不均匀, 溶洞发育等因素。该区地震基本烈度 Ö 度, 地震动峰值加速度分区为 0105g。
图 8 Õ s3型衬砌仰拱加深后结构 内力
图 5 Õ q2型衬砌 所受弯矩
图 6 Õ q3型衬砌 所受弯矩
对采用在承受同样水压力的情况下, 结构仰拱加 深断面与不加深断面的受力比较。以 V 级围岩深埋 工况为例, 先采用武广通用图标准衬砌断面 (仰拱深 度为 115 m), 对结构进行计算, 以 Õ s3型衬砌进行内力 分析 (埋深 40~ 50 m, 全水头作用 )。图 7所示为 Õ 级 围岩标准衬砌断面在承受 50 m 水压力情况下的结构 内力。
图 4 浅埋隧道荷载计算 模型
- 5 555 kN、Nm in = - 4 607 kN。要 承受 如 此大 的 弯 矩, 可以通过优化结构的断面形式来改善受力状况, 因 此设计中提出了加深衬砌仰拱的结构形式, 以适应较 大的水头压力。对仰拱加深 015 m之后 (即仰拱深度 为 210 m )断面进行计算, 计算结果如图 8所示。
1 浏阳河隧道概况
浏阳河隧道是武广铁路客 运专线上的控 制性工 程, 隧道建筑长度 101115 km。线路位于长沙市东部, 采用隧道方式下穿京珠高速与长永高速立交的牛角冲 互通、星沙镇厂房密集区、长沙市远大路、人民东路、浏 阳河、机场高速公路, 于黎托 乡出地面接入新 长沙车 站。
隧道内采用 / V0 形纵坡, 对牛角冲以 北采用 215j 的缓坡, 线 路下穿潇湘路后, 分别采用 1212j 、 2010j 的坡率快速下潜, 然后接 5101j 缓坡段, 至变 坡点 后以 310j 、2010j 的 坡度 上升, 至 DIK1 571 + 15 9处 采用 平坡 接入 新长 沙 车站 。隧 道 下 穿 的浏 阳 河 河面宽度 达 210 m, 过河 段河底 绝对高 程为 2218~ 2610 m, 隧道洞顶高程为 410~ 817 m, 隧道洞顶覆盖 厚度为 1911~ 2318 m。
312 抗水压衬砌的计算模型
浏阳河隧道二次衬砌采用 ANSYS910有限元软件
进行计算, 二次衬砌计算荷载组合为: 围岩压力 + 水压
力 + 结构自重 + 基底反力, 各作用的组合系数取 110。
计算模型如图 1 所示。水压力 作用方向均为 衬砌法
向, 压力大小为静水压力, 如图 2所示。
根据隧道断面所处位置的围岩级别和覆土情况进 行深浅埋的划分, 5铁路隧道设计规范 6[ 4] 对双线隧道
13 0
铁道建筑
January, 2010
3 浏阳河隧道抗水压衬砌的计算分析
311 抗水压衬砌的计算原则
抗水压衬砌计算的关键问题是对水压力的取值和
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计算。地下水压力问题一直是国内外隧道界的工程难
题, 国内相关的研究文献比较少见, 现行铁路隧道规范
也没有具体考虑外水荷载的条文或说明。中国水利部
门是较早在设计中考虑隧道水荷载作用的, 1966年水 电部的 5水工隧洞设计暂行规范 6[ 2] 有如下说明 / 隧洞
类别
里程
起始里程
终止里程
长度 /m
备注
隧道建筑长度
DÒ K1 560+ 785 DÒ K1 570+ 900 10 115
隧道长度
DÒ K1 560+ 785 DÒ K1 570+ 720 9 935
进口明挖暗埋段 洞身暗挖段 洞身明挖暗埋段
洞身暗挖段
出口明挖暗埋段 出口暗挖段 出口明挖暗埋段 出口引道敞开段
DÒ K1 560+ 785 DÒ K1 560+ 914 DÒ K1 560+ 914 DÒ K1 561+ 500 DÒ K1 561+ 500 DÒ K1 562+ 860
DÒ K1 562+ 860 DÒ K1 569+ 650
DÒ K1 569+ 650 DÒ K1 570+ 148 DÒ K1 570+ 148 DÒ K1 570+ 200 DÒ K1 570+ 200 DÒ K1 570+ 720 DÒ K1 570+ 720 DÒ K1 570+ 900
2010年第 1期
武广铁路客运专线浏阳河隧道抗水压衬砌计算分析
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图 3 深埋隧道荷载计算模型
Mm ax = 1 286 kN# m, 水压力会对结构产生明显的不利 影响, 水压力的增大对衬砌结构的内力增加明显。
2 ) 抗水 压衬 砌结构 的优 化 通过上例计算可看, 结构在承受外水压力时, 受力 模式发生了很大的改变, 仰拱处受力很大。本隧道最 大要承受 015 MPa的水压力, 需要对衬砌断面进行优 化来改善结构的受力。通过以下计算方法, 来分析断 面本身对全包防水计算模式的适应性。
图 7 Õ s3型衬砌标准断面内力 图
如图 7所示, 如果深埋情况下仍采用通用图衬砌 断面, 结构极值控制点的弯矩值和轴力值分别为: Mm in = - 2 309 kN#m、 Mm ax = 2 314 kN# m; Nm in =
如图 8, 仰拱加深后结构极值控制 点的弯矩值和 轴力值为: Mm in = - 1 443 kN# m、Mmax = 1 728 kN#m; Nm in = - 5 306 kN、Nm in = - 4 524 kN。
铁道建筑
2010年第 1期
R a ilway Engineering
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文章编号: 100321995( 2010) 0120129205
武广铁路客运专线浏阳河隧道抗水压衬砌计算分析
唐曌
(中铁第四勘察设计院集 团有限公司, 武汉 430063)
摘要: 武广客运专线浏阳河隧道作为国内第一条客运专线水底隧道, 下穿城区环境敏感地段, 设计提出 对埋深 < 50 m的地段采用全封闭不排水的抗水压衬砌结构形式。对隧道抗水压衬砌结构的计算原则、 受力模型进行了探讨, 并通过多种工况的计算和比较, 对抗水压衬砌的受力特征进行了分析和总结, 并 根据此受力特征拟定了加深仰拱的衬砌结构形式。 关键词: 浏阳河隧道 抗水压衬砌 计算分析 仰拱 中图分类号: U451+ . 4 文献标识码: B