礦山法隧道預制仰供與邊墻連接型式的受力特征比較

楊 斌

(甘肅省鐵投集團天隴公司,甘肅 蘭州 730000)

礦山法是目前山嶺隧道施工的主要工法,具有適應性強、施工靈活的特點;但是礦山法隧道施工的二次襯砌結構仍絕大部分采用現澆型式,存在施工速度緩慢、施工工序繁雜、現場施工質量不易控制等問題。將裝配式襯砌結構應用到礦山法隧道工程中,對于提高隧道修建速度、襯砌修建質量和隧道抵御變形能力、改善施工作業環境、保障施工作業人員安全、降低人工成本等具有重要意義。在裝配過程中,預制仰拱與邊墻連接方式尤為重要。

裝配式結構在工程中的應用已日趨成熟[1-5]。在隧道裝配式襯砌方面,日本清水建設等多家公司聯合開發了一項分割型預制裝配式襯砌系統,具有預制構件拼裝和連接作業體系化、構件易于運輸和設置等優點,能夠大幅提升施工效率[6];我國在秦嶺I線隧道采用TBM法和鉆爆法施工,采用預制仰拱構件與現澆二次襯砌相結合的辦法,提高了隧道施工效率和施工的安全性[7]。在預制仰拱結構型式、接頭受力特性方面,趙曉勇[8,9]對板式仰拱結構、縱向分塊魚腹式結構和橫向分塊魚腹式結構三種預制仰拱塊結構進行對比研究,發現縱向分塊魚腹式結構優勢明顯;顏波[10]探索在公路隧道中實施裝配式襯砌;賈永剛[11]建立了四種力學模型(修正剛度模型、梁-彈簧模型、梁-接頭模型、實體模型)對裝配式襯砌接頭進行研究;嚴佳梁[12]對盾構隧道接頭在不同力組合作用下的變形過程進行了研究,得到了接頭剛度隨荷載變化的規律;張勝龍[13]研究發現裝配式襯砌平接頭和榫接頭在彎矩作用下的張開量變化。

綜合國內外研究成果,針對某單線鐵路隧道工程,通過數值模擬方法研究了V級圍巖條件下隧道預制仰供與邊墻連接型式的不同對襯砌結構受力特征的影響,進而給出了推薦連接型式。

1 裝配式仰拱與邊墻連接型式

單線鐵路隧道采用馬蹄形斷面型式,跨度8.9 m,高度10.1 m,襯砌厚度擬定為45 cm。圖1為仰拱塊詳細尺寸。

圖1 單線鐵路隧道裝配式仰拱(單位:cm)

拱墻襯砌結構與仰拱接頭是整個裝配式襯砌結構受力最復雜處,影響到襯砌結構的安全性。

如圖2所示,設計單位初步提出裝配式仰拱與邊墻連接采用平面連接(依靠摩擦力連接)、碗扣式榫槽連接、方形榫槽連接、螺栓連接或預留鋼筋連接和現澆二次襯砌連接等型式,其中碗扣式榫槽連接、方形榫槽連接凸起深度均為10 cm,螺栓連接長度也為10 cm。

圖2 裝配式仰拱與邊墻連接型式

為了對比分析不同連接型式的受力特性,共選取以上5種型式進行對比,各連接型式網格劃分見圖3。

圖3 各接頭型式網格劃分

2 建立計算模型

采用荷載結構模型,使用ANSYS軟件進行模擬計算,襯砌結構采用實體單元solid65模擬;地層彈簧采用link10來模擬,且地層彈簧特性設置為僅受壓。二次襯砌與仰拱預制塊的前3種連接型式在連接處設置接觸面,模擬其構件的張開、滑動等;螺栓或預留鋼筋連接時,螺栓或預留鋼筋連接強度較高,抗剪性能好,接頭相對滑動的可能性較小,故這種連接面采用固結模擬,不設置接觸面;現澆二次襯砌采用整體模型模擬,作為各種連接型式對比的標準,但要注意它與螺栓或預留鋼筋連接時采用固結也不完全相同。具體數值計算模型如圖4所示。

圖4 有限元計算模型

預制仰拱塊縱向長度按1 m進行模擬。二次襯砌采用C30混凝土,仰拱采用C40混凝土。圍巖參數取《鐵路隧道設計規范》(TB10003-2016)中建議的Ⅴ級圍巖參數,計算參數為:重度21.0 kN/m3,彈性模量1.00 GPa,泊松比0.35,內摩擦角23.5°,內聚力0.125 MPa。仰拱接頭接觸區域采用面-面接觸模擬,接觸面切向剛度取2 GN/m,法向為“硬接觸”,摩擦系數取0.65,彈性模量33.5 GPa,泊松比0.2,不考慮接頭防水。

使用面荷載施加圍巖壓力,圍巖壓力按照Ⅴ級深埋圍巖進行計算,參照《鐵路隧道設計規范》中圍巖壓力計算公式,二次襯砌承擔70%圍巖壓力,經計算,豎向壓力取150 kPa,水平壓力取60 kPa。

在結構計算時,鋼筋的作用需予以考慮,采用等效方法將鋼筋彈性模量折算給二次襯砌混凝土:

E=E0+SgEg/Sc

(1)

式中:E為折算后二次襯砌混凝土彈性模量;E0為二次襯砌混凝土彈性模量,C40混凝土取值33.5 GPa;Sg為鋼筋截面積,取值0.002 m2;Eg為鋼材彈性模量,取值200 GPa;Sc為二次襯砌混凝土截面積,取值0.3 m2。經計算E=34.83 GPa。

3 數值模擬結果分析

3.1 襯砌整體變形及應力分析

五種連接型式下襯砌整體變形如圖5所示,整體應力變化如圖6所示,具體數值如表1所示。

表1 五種連接型式下最大變形及應力

圖5 五種連接型式下襯砌整體變形(單位:m)

圖6 五種連接型式下整體應力(單位:Pa)

圖5、圖6和表1可知碗扣式榫槽連接時豎向最大拉應力值最大,已超出C40混凝土的抗拉極限強度;平面連接時豎向最大壓應力值最大,超出C40混凝土的抗壓極限強度;平面連接時橫向最大壓應力值最大,已超出C40混凝土的抗壓極限強度。超出C40混凝土的抗拉壓強度即認為結構已發生破壞。綜合分析:

(1)不同的連接型式對襯砌整體變形影響較小。由于平面連接、碗扣式榫槽連接、方形榫槽連接不是剛接,二次襯砌現澆部分無法與裝配式仰拱形成統一整體,使隧道襯砌整體抗變形能力減小,因此隧道襯

砌整體豎向最大變形及橫向最大變形大于現澆二次襯砌時的變形。螺栓連接及預留鋼筋連接時,豎向最大變形及橫向最大變形略小于現澆二次襯砌時的變形。

(2)不同的仰拱接頭連接型式對隧道襯砌整體受力影響較大,連接部位會產生一定程度的應力集中現象,特別是對于平面連接及碗扣式榫槽連接,其應力集中效應較大,無法滿足襯砌受力要求;方形榫槽連接時雖有一定的應力集中現象,但應力集中不明顯。

(3)根據整體受力及變形情況,方形榫槽連接以及螺栓連接或預留鋼筋連接相對較優,但螺栓連接或預留鋼筋連接需要預制仰拱時預埋螺栓或鋼筋,或設置預留孔,施工時均不方便,考慮施工方便推薦采用方形榫槽連接。

3.2 裝配式仰拱變形及應力分析

五種連接型式下裝配式仰拱結構變形如圖7所示,應力變化如圖8所示,具體數值如表2所示。

表2 五種連接型式下仰拱最大變形及應力

圖7 五種連接型式下仰拱變形(單位:m)

圖8 五種連接型式下仰拱應力(單位:Pa)

由圖8可知,平面連接時豎向最大拉應力值最大,已超出C40混凝土的抗拉極限強度;平面連接橫向最大拉應力值最大,已超出C40混凝土的抗拉極限強度;碗扣式榫槽連接時橫向最大壓應力值最大,已超出C40混凝土的抗壓極限強度。

由圖8及表2能夠判斷出裝配式仰拱整體變形趨勢,如圖9所示?？梢钥闯?

圖9 裝配式仰拱變形及受力特征圖

(1)由于裝配式仰拱中仰拱與仰拱回填作為整體進行澆筑,導致軌道面承受一定拉應力。

(2)仰拱整體變形趨勢為兩側橫向壓縮且豎向下沉,中間豎向隆起。

(3)各連接型式拱腳處均有應力集中現象,不同連接型式的應力集中現象不同:平面連接和碗扣式榫槽連接時應力集中現象較明顯,而方形榫槽連接和螺栓連接及預留鋼筋連接應力集中程度較小。

(4)從仰拱受力及變形來看,螺栓連接或預留鋼筋連接方式最優,方形榫槽連接次之,但考慮施工方便,推薦優先采用方形榫槽連接型式。

3.3 接觸面狀態分析

分析平面連接、碗扣式榫槽連接、方形榫槽連接中接觸面受力情況。各連接型式接觸面連接狀態如圖10所示。

圖10 3種連接型式接觸面狀態

由圖10可以看出,襯砌受力后,接觸面均有一定面積的分離,且碗扣式榫槽連接分離面積最大,方形榫槽連接接觸狀態最優。

各連接型式接觸面剪切應力狀態如圖11所示,接觸面滑動位移如圖12所示,具體數值見表3。

表3 各連接型式下接觸面最大剪切應力及滑動位移

圖11 接觸面剪切應力(單位:Pa)

圖12 接觸面滑動位移(單位:m)

由表3可以看出,三種連接型式中,方形榫槽連接時接觸面剪切應力最大,但小于C40混凝土的容許剪應力。方形榫槽連接時滑動位移最小,即方形榫槽連接固定作用較好,能充分發揮其抗滑能力,從這點也推薦優先采用方形榫槽連接型式。

4 結論

(1)綜合考慮受力、變形以及整體性,螺栓或預留鋼筋連接型式最好,能夠保證其力學性能與整體現澆相似。但由于該預制仰拱型式限制,螺栓連接較為困難,預留鋼筋連接需要特制模板,現場施工需保護鋼筋,需酌情考慮此連接方法。

(2)方形榫槽連接雖整體受力較螺栓連接或預留鋼筋連接連接差,但其力學性能也能滿足要求。且方形榫槽連接的仰拱預制簡單,施工方便快速,整體優于螺栓連接或預留鋼筋連接型式,推薦采用方形榫槽連接。

采用荷載-結構模型對裝配式仰拱與邊墻連接處受力特征進行分析,其優點是荷載均按規范值確定,降低了荷載變化導致結構受力的不確定性,重點突出了連接型式及接頭處接觸面特性對受力的影響;缺點是不同連接型式下荷載可能有所不同,下一步可采用巖體力學模型對這一問題深入探討。