高速铁路桥隧相连段结构设计

张 剑

(中铁第一勘察设计院集团有限公司总工办,西安 710043)

1 工程概况

西安至成都客运专线设计速度目标值为250 km/h，陕西境内线路长342.936 km，其中桥梁工程133.457 km/47座，占线路总长的38.9%；隧道工程188.95 km/34座，占线路总长度的55.26%，穿越秦岭山区地段均为桥隧工程，隧道占线路长度的85.5%，特点是地形、地质条件复杂，桥隧占线路比重大，且成群密集分布，形成百余公里的长大密集隧道群，在我国铁路客运专线建设中和世界运营的高速铁路中实属罕见。

隧道洞口大多为“V”形沟谷，坡面陡峻，场地狭小，桥隧相连，有35个隧道洞口桥台进洞布置，结构受力复杂。

西成客运专线桥台进洞段对应的梁型主要有不同跨度简支箱梁、连续梁、连续刚构等几种，以尺寸最大的主跨100 m连续梁(边跨60 m)为例进行论述。

2 主要技术难点

桥隧相连段结构定义：桥梁与隧道相互影响，桥梁台尾里程加堵头墙厚度与隧道洞口里程之间的相连段落称为桥隧相连部分，以下简称为桥隧相连。如图1、图2所示。

图1 成昆线桥隧结合图

图2 桥隧相连段示意(单位：cm)

桥隧相连多出现于山岭地区，一般地形陡峭，场地狭小，洞口段地质条件较差，施工干扰大，修建难度非常大。主要技术难点如下：

(1)隧道净空需考虑桥台、梁的尺寸影响，断面要加大；

(2)洞口段排水设施衔接难度大；

(3)桥台与隧道共同承受荷载作用，结构受力非常复杂；

(4)施工干扰大，工序安排困难。

3 隧道轮廓尺寸拟定

桥隧相连段结构设计没有通用图可供参考，只能根据不同桥台(梁)的尺寸分别拟定隧道内轮廓。桥隧相连需将隧道断面加大，将桥台和梁包在隧道里面，隧道轮廓考虑以下因素确定。

(1)建筑限界采用《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10621—2009)中规定的限界尺寸，衬砌内轮廓考虑桥台、梁的布置等要求。

(2) 隧道内铺设CRTSI型双块式无砟轨道，轨道结构高度为515 mm。

(3)大跨以上：连续梁最宽处12.2 m，最宽处位于轨面以下76 cm处，为使内轮廓圆顺，受力趋于合理，将衬砌断面内轮廓适当加宽，最大跨以上部分内轮廓半径由641 mm加至665 mm。

(4)最大跨以下部分内轮廓半径采用2 000 mm，为便于支座更换，圆弧底端随桥台支撑垫石下方的顶帽所在高度调节，适应不同桥台形式的竖向尺寸。水沟设置在改圆弧底端以上部分，顶板与支撑垫石下缘齐平。

(5)梁底部满足检修高度最低1.5 m的要求。

4 隧道结构设计

4.1 隧道结构参数

桥梁的桥台与隧道洞口段形成一个整体，桥台与隧道共同承受荷载作用，在桥台部分隧道底部与桥台整体灌注，并在台尾设置2 m厚堵头墙，在梁部段，隧道加深设置1.5 m厚底板，为方便施工，断面设置为直墙变截面形式，桥隧相连段隧道断面见图3，加大断面开挖量每米约达258 m3，比一般断面增大约115 m3。相连段结构(拱墙、底板及堵头墙)主要建筑材料为C35钢筋混凝土。

图3 桥隧相连段断面(单位：cm)

4.2 结构计算

4.2.1 计算原则

(1)隧道结构采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度。采用以分项系数的设计表达进行结构计算分析。

(2)结构构件根据承载力极限状态的要求进行计算和验算。

(3)结构计算简化模型的确定，根据结构的实际工作条件，并反映结构与周围地层的相互作用。

4.2.2 计算荷载

荷载分类及取值依据《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)的相关规定确定，除以下注明外，其余根据相关规范规定进行取用。

(1)永久荷载

①结构自重；

②结构上部覆土重力：浅埋，围岩等级为Ⅴ级围岩，结构上部覆土重力按全土柱重考虑；

③侧向土压力：水平土压力作用在结构边墙两侧，其大小根据垂直土压力与侧压力系数来计算。侧压力系数按下式计算

④地层抗力：地层抗力用地层弹簧来模拟，地层抗力系数根据土层条件确定，按温克勒尔假定计算。

(2)地震荷载

采用惯性力法计算，把随时间变化的地震荷载等效为静地震荷载，然后再用静力计算模型分析地震荷载作用下的结构内力。等效的静地震荷载包括：结构本身和结构上方土柱的水平惯性力以及主动侧向土压力。

衬砌自重水平地震力

式中F1——衬砌水平地震力，kN/m；

mi——衬砌质量的一半，kg；

H——衬砌总高度，m；

ηc——综合影响系数，取0.25；

Kh——水平地震系数，7级取0.1，8级取0.2，9级取0.4；

g——重力加速度。

洞顶土柱水平地震力

P=γHV(B-λHVtanθ0)

F2=ηcKhP

式中P——垂直土压力，kN/m；

F2——洞顶填土水平地震力，kN；

B——隧道跨度，m；

γ——围岩重度，kN/m3;

HV——洞顶距地面高度，m；

φ——土柱两侧摩擦角，(°)；

λ——侧压力系数；

HV为拱顶覆土的高度，F2作用于拱顶HV/2处

侧压力增量

式中λa——地震时的侧压力系数；

β——地震角，(°)。

4.2.3荷载组合

各种荷载的组合见表1。

表1 桥隧相连结构荷载组合

4.2.4 地层参数

地层参数按试验数据取值，见表2。

表2 地层参数取值

混凝土采用C35钢筋混凝土，重度25 kN/m3，弹性模量21 GPa

4.2.5 计算结果

采用Midsa GTS有限元结构分析程序，采用拟定的支护参数，采用荷载-结构法，对隧道结构进行了受力检算。

(1)加载

加载示意见图4。

图4 桥隧相连段结构加载示意

(2)计算结果

根据计算，拱顶覆土2 m的明洞结构对结构起控制作用，当安全系数小于《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)的规定值时，进行配筋计算，轨面至拱顶配筋8φ28 mm，轨面至底配筋16φ28 mm，其计算结果如图5、图6及表3所示。

5 排水系统设计

桥台进洞段隧道排水系统同时考虑出洞方向为上坡和下坡2种情况设计。当出洞方向为上坡时，排水系统无需做更多处理。当出洞方向为下坡时，由于桥台阻断了隧道水沟，为保证桥隧相连地段侧沟和中心排水槽内的水能够顺畅排出，需对排水系统进行处理，见图7。

图5 桥隧相连段隧道衬砌弯矩图(单位：kN·m)

图6 桥隧相连段隧道衬砌轴力图(单位：kN)

表3 结构计算结果

(1)正常隧道内排水均采用双侧侧沟加中心矩形盖板沟，桥台进洞段排水采用双侧沟。

(2)桥台台尾2 m堵头墙范围隧道基础及水沟进行加深，中心设汇水池1处，以汇集洞内中心水沟流水并通过横向排水管引排至侧沟汇水池。中心汇水池采用1 m×1 m方形井，其上采用铸钢盖板，两侧对称设置2根φ400～600 mm预制钢筋混凝土Ⅲ级管横向排水。

(3)上部侧沟的水经φ300 mm硬质PVC管引入下部侧沟。

(4)两侧侧沟采用φ400 mm硬质PVC管将水引排至洞口后，侧向排至沟谷低洼处。

(5)出洞方向的沟(槽)底水平纵坡不得小于1%，管口纵坡不小于4%。

图7 排水系统(单位：cm)

6 结论

(1)隧道净空尺寸除满足建筑限界外，必需考虑桥台、梁的结构尺寸，检修高度，设备布置等综合因素。

(2)对于桥隧相连工程设计方案的选择必须结合地形地质条件慎重选择，结构措施宁强勿弱，否则在以后的运营中会留下隐患。

(3)桥隧相连段断面大，要采取可靠的支护措施，防止垮塌造成安全事故。

(4)隧道底洞口端一般均有常年排水，在相连段需做好衔接处理，要设置汇水井、转向排水管、引排管等设施，不能让水渗入基底浸泡，切实保证排水出路畅通，要紧密结合现场地形条件，将水引离洞口后在低洼沟谷排泄。

(5)不同断面连接处要设置变形缝(或沉降缝)，避免结构开裂破坏。

(6)桥隧相连段施工干扰问题突出，工序安排、施工质量等都对结构安全造成直接影响，必须周密合理组织。

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