隧道洞口Ⅴ级围岩柱式洞门设计
2016-11-04王建省,韩粟宇,王宗泽
隧道洞口Ⅴ级围岩柱式洞门设计
基于某隧道洞口段处于Ⅴ级围岩段的地质特性，结合工程上常用的相应围岩段适应洞门形式，分析这样地质特点的隧道洞口处于Ⅴ级围岩时柱式洞门适用性。假定Ⅴ级围岩洞口地段地质概况及仰坡坡率，并根据假定概况进行尺寸计算，然后进行稳定性验算，从而确定此Ⅴ级围岩段的洞口是否适合柱式洞门。
研究背景
工程中在进行隧道的洞门形式选择的时候，常用的洞门形式及适用情况一般有如下几种。
洞口环框。适用于Ⅰ～Ⅱ级围岩段，而且当地势陡峻又排水的要求时，可以只修建洞口环框，起到加固洞口以及减少洞口雨后滴水作用。
端墙式。适用于Ⅱ～Ⅲ级围岩段，地形尽可能开阔，围岩要稳定。洞门主要由端墙和排水沟以及它的洞门顶构成成。其中端墙的作用主要是抵抗洞门上的山体纵向推力以及支持端墙式洞门洞口上的仰坡。
翼墙式。适用于Ⅳ级及以上围岩段，翼墙主要起到抵抗洞口正面山体的纵向推力，增加翼墙式洞门稳定性的作用。
柱式。适用于Ⅳ级围岩段中仰坡有下滑的可能性，而且又受地质以及地形条件的限制而不能设置翼墙时可优先考虑设置柱式洞门。
削竹式。适用于洞口段有较长的明洞衬砌，因为洞门背后较大范围是回填土，所以山体的推滑力不大，设置削竹式比较合适。
本研究主要以《公路隧道设计规范》（JTG D70/2-2014）为参考，通过分析Ⅴ级围岩段地质条件以及工程经验适用条件，研究隧道是否适合柱式洞门，并给出初步设计尺寸，验算稳定性，从而最终得出结论。
隧道洞口地质概况
进口洞口浅埋段，埋深0.0～35m，为Ⅴ级围岩段。围岩主要以残坡积层和泥岩构成，岩体呈碎石状松散结构，风化裂隙较为发育，拱部比较容易发生塌方事故，侧壁自稳性较差。
出口洞口浅埋段，埋深0.0～25m，为Ⅴ级围岩段。围岩构成主要是残坡积层，岩体整体呈碎石状松散状结构，风化裂隙比较发育，比较容易形成坍塌。
进口段洞口坡度大致为25°～35°，围岩级别为Ⅴ级，上层地层厚度较厚，而且洞口段地下水贫乏，不用设置特殊防排水措施。所以，考虑到施工和支护方面上的便利性，进口端左、右洞门形式可初步考虑采用柱式洞门。
出口端地表是斜坡地表，围岩级别是Ⅴ级，洞口坡度30°～40°。上覆土层很厚，围岩压力也很大，考虑采用柱式洞门。
进口和出口段就假定的地质条件而言整体大致符合柱式洞门使用条件，关键在于验算Ⅴ级围岩条件下的洞门稳定性。
尺寸计算以及稳定性验算
考虑到进口端和出口端的地质情况相仿，洞口坡度也一致，所以将隧道进、出口的洞门进行统一设计。将坡度设为1：0.25，墙身厚度1.3m。洞门的墩柱安排在A部分，这里是主墙受力最大部分，宽度设置为1.5m，厚度1.3m，高度和洞门相当。基础的埋深初步设置成1.5m，仰坡的坡率为1∶1.25，洞门顶部到衬砌拱顶的外缘的距离设置为2.5m。H=1.5+8.09+2.5=12.09m ，计算图式如图1所示。
土压力系数确定
φ=43°3，γ=18kn°mβ=33.7
σ=0.6Mpa
根据莫尔圆中半圆解、半数解法可知
土压力系数：
式中：λ为土压力系数，φ为内摩擦角，β为隧道顶部地面斜坡坡脚。
然后进行校验。隧道洞门计算图示的B部分的稳定性以及强度来确定主墙的尺寸，隧道洞门计算图示的A部分这个墩柱与端墙一起作用的部分来确定墩柱尺寸。
采用的基本公式
①洞门墙的抗倾覆稳定性验算：
式中：K0为倾覆稳定系数，M0为各个水平力对墙趾的倾覆力矩，My为各个垂直力对墙趾的稳定力矩。
②洞门墙抗滑移稳定性验算。
式中：Kc为滑动稳定系数，E为墙后主动土压力的水平分力，N 为作用于基底上的垂直力，f 为基底摩擦系数；α为基底倾斜角。
③洞门墙基底合力偏心距计算。
式中：e 为水平基底偏心距，B为水平基底宽度，其他符号含义同式（2）、（3）。
④洞门墙基底应力计算。
式中：σmax为基底最大压力，σmin为基底最小压力，其他符号含义同式（4）、（5）。
⑤洞门墙墙身截面的偏心距以及它的强度计算。
偏心距：
式中：M为计算的截面上各个力对截面的形心力矩之代数和，N为各个作用于计算截面上的垂直力之和。
截面应力：
式中：A 为计算截面面积，W 为计算截面地抗矩，M、N意义同式（8）。
B部分计算为。
图1 隧道洞门
土压力：
自重：
①抗倾覆验算
计算结果表明，满足抗倾覆的要求。
②墙身截面上的偏心验算
偏心距：③墙身的截面强度验算应力：
出现负值，结构将发生应力重分布，应力重分布之后的最大应力值为：
满足墙身截面的强度要求。
计算表明，墙身厚度为1.3m，满足基本要求。
A部分计算结果。
由于A的部分是墩柱和端墙一起承担荷载的地方，安排在洞门受荷最为大的地方。所以，把A在墙身原有厚度基础之上再加1.3m。
土压力：
自重：
①抗倾覆验算
所以满足抗倾覆。
②抗滑移验算
地基摩擦系数f=0.4
满足抗滑移
③基底合力偏心距验算
基底偏心距：
满足要求
④应力验算
基底两边缘点法向应力σ1、σ2
两者都小于［σ］=0.6Mpa，满足要求。
⑤墙身截面的偏心验算以及它的强度验算
满足偏心距要求。又由：
应力重分布后最大值：
满足墙身强度要求。综上所述，洞门尺寸满足要求。
建议
本文研究了处于Ⅴ级围岩段的隧道洞口地段对于柱式洞门的适用性。结果表明：
（1）当围岩处于Ⅳ级以上级别时，由于围岩条件较差，大多选取翼墙式洞门，但当仰坡有下滑的可能性，而又受地质条件的限制从而不能设置翼墙时可考虑采用柱式洞门；
（2）对于以上的情况进行假定尺寸验算稳定性后，结果显示都为满足，故确定当隧道的进、出口段处于Ⅴ级围岩时都可采用柱式洞门；
（3）洞门尺寸作用为验算洞门稳定性进而确定柱式洞门可用，结果显示满足。对于洞口处于Ⅴ级围岩段的隧道具有一定参考性。
10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.024
