新成昆铁路跨隧道内溶洞桥梁结构设计

缪庆华

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

近年来,随着西部基建加速,铁路隧道建造过程中遇到溶洞的情况显著增多,存在洞顶坍塌、暗河发育、涌水等情况,溶洞具有的差异化、高风险特征也给隧道建造带来了很大难度[1-3]。 针对不同的溶洞问题,需要对溶洞形态、工程地质、水文特性等情况进行分析,再因地制宜地提出综合解决方案[4-6]。 唐雨生等我国岩溶区分为3 大类,研究铁路工程中遇到的地质难题和典型案例解决方案[7];龙禹结合玉京山隧道施工中的复杂溶洞,提出暗河改道、溶洞填满、穹顶支护与连续梁跨越等的组合技术处置方案以跨越溶洞[8];姜波等开展富水溶洞产生的非均匀荷载的衬砌结构受力分析,对比富水溶洞位置、分布范围等的影响,并给出衬砌结构设计建议[9];王秋提出针对岩溶地下水,采用立体排水系统保证衬砌结构安全,并通过数值分析比选跨越溶洞的方式[10];张鹏等探讨隧道水害成因,并提出利用既有结构和重点区域开放性排水的水害处治理念,通过数值模拟和现场实践的方式验证隧道水害处治效果[11];张广泽等基于多个高速铁路隧道案例,对涌水突泥、围岩失稳和隧底大型溶洞等典型隧道岩溶灾害的防治技术进行总结[12];袁溢结合隧道岩溶裂隙水问题,通过分析现场揭示地下水来源、涌水特点等,对比泄水洞位置的方案比选,开展工程优化设计[13];徐春等以新高坡隧道为背景,通过超前地质预报对施工进行指导,并针对溶洞的不同位置,提出未贯穿溶洞和贯穿溶洞的处理方案[14];杜宇本等建立4 类岩溶风险评估模型,并介绍多类防治方法的实践情况[15]。 综上,溶洞情况复杂多变,不同溶洞形态各异,根据不同铁路溶洞特征,应采用合适的处置方式进行综合处理[16-20]。

新成昆铁路老鼻山隧道3 号横洞工区存在一处大型溶洞,采用调查分析方法对溶洞类型进行判断,给出以桥梁和护桥结构的组合方式跨越溶洞的方案,并基于有限元分析技术,针对施工阶段和成桥阶段开展结构受力分析研究。

2 工程背景

新成昆铁路老鼻山隧道设计时速160 km,为客货共线铁路双线隧道,隧道全长13.579 km,最大埋深约719 m。 为解决工期、防灾救援、施工通风及排水等问题,隧道共设3 座横洞。 老鼻山隧道3 号横洞工区所揭示的溶洞横向贯通掌子面,并向两侧延伸,同时溶洞呈不规则形状向上和向下延伸,该溶洞向下最大深度约39 m,向上最大高度约32 m,横向最大宽度约38 m,整体位置偏向线路右侧,纵向延伸最大长度约28 m,见图1。

图1 老鼻山隧道溶洞断面示意

该段地表植被茂密,树林全覆盖,未见长年流水沟,隧道在该处附近埋深约625 m,地表水与溶洞无直接水力关系,隧道右侧距离大渡河边2 ～3 km 范围内,未见有大的泉点及暗河出露。

深入调查发现,溶洞顶部岩体较为破碎,揭示初期偶有掉块发生;溶洞底部为施工过程坠落洞渣,洞渣厚约5 m,溶洞周壁表层局部夹有一层0.01 ～0.05 m 的软塑状黄色黏土,线状水流主要位于线路右侧边墙拱顶上方,溶洞靠线路右侧壁岩较完整,溶洞靠线路左侧壁发育一处贯通性较好的垂直裂缝,裂缝宽0.1 ～0.3 m(见图2),从溶洞底一直延伸至隧道拱顶以上,可见高度约30 m。 裂缝与线路近似垂直相交,溶洞底裂缝被覆盖,无法探明其深度,拱顶线状水经该裂缝流至隧道外(见图3)。

图2 溶洞底左侧垂直裂缝

图3 溶洞底部线状流水情况

对溶洞拱顶及洞壁进行稳定性分析,岩石裂隙面中夹有黄色黏土,洞内岩壁潮湿,洞壁上有薄层黄色软塑状黏土附着,溶洞内无充填物,岩体为厚层状灰岩,呈碎块状结构,产状近似水平,主要发育2 组垂直节理,节理多呈密闭状;溶洞四周壁近似直立,岩体较完整,整体性较好。 经现场揭示,初步判定该溶洞洞壁及拱顶整体稳定,溶洞顶及洞壁局部有掉块产生,洞内最大掉块直径约1 m,洞顶及洞壁需进行防护。

通过地表调查、溶洞内调查、岩溶补勘、完整水文年监测等系列工作,判断为无充填溶洞,溶洞内水源补给主要为基岩裂隙水,与地表水无关联,流量稳定在3～6 m3/h,溶洞整体稳定。

基于溶洞调查分析,为满足线路设计要求,缓冲落石冲击、解决极端气候条件下可能出现溶洞水倒灌淹没道床的风险,同时避免过大的工程设计和投资变更,提出一种跨“钢筋混凝土拱桥+护桥”的主体方案,并辅以隧底隐伏岩溶处理、排水廊道等作为溶洞永久处理方案。

3 拱桥与护桥结构设计方案

为跨越隧道溶洞,采用实腹式钢筋混凝土板拱桥,桥上采用钢筋混凝土明洞衬砌从保护桥梁主体构件不受落石冲击影响。 拱桥的计算跨径为22 m,拱轴线采用抛物线形式,矢高为4.4 m,矢跨比1/5,拱圈横向宽16.98 m,厚2 m,桥面系总宽17.38 m,跨中拱上(拱顶)结构与桥面系总高2.3 m,立面布置和横断面见图4、图5。 护桥结构采用设置双耳墙式护桥明洞结构,拱墙厚0.1～0.223 m。 拱座采用明挖台阶式混凝土基础,基础长10.363 m,高7.852 m。 桥梁主拱圈采用C50 混凝土,拱上结构和拱座基础采用C35 混凝土。

图4 跨溶洞拱桥立面布置(单位:m)

图5 拱桥横断面(单位:m)

4 有限元模型

采用有限元分析软件Midas/Civil 建立全桥有限元模型,其中拱顶填料采用释放杆端约束的梁单元模拟,桥面板为连续梁单元模拟,拱脚处施加顺桥向、竖向线位移和绕横桥向的角位移约束。 有限元模型见图6。

图6 桥梁有限元模型

分析中,荷载考虑恒载、静活载、温度荷载。 恒载包括自重、二期恒载、明洞段衬砌永久荷载和施工荷载,钢筋混凝土自重为26.5 kN/m3,二期恒载为120 kN/m,衬砌永久荷载和施工荷载形式见图7,明洞段衬砌永久荷载为1 761.7 kN/m,施工临时荷载为323.1 kN/m。

图7 衬砌永久荷载和施工荷载示意(单位:m)

静活载按ZKH 活载,温度荷载考虑均匀升降温±5 ℃。 考虑到桥梁位于隧道内,不考虑非均匀温差和不均匀基础变位的影响。

根据施工顺序,在有限元模型中共设置6 个施工阶段:①开展支架现浇主拱圈混凝土,跨中预留2 m 合龙段,60 d;②主拱圈跨中2 m 合龙浇筑,5 d;③分层分段施工主拱圈上填料,60 d;④施工明洞段衬砌施工,60 d;⑤桥面系施工,30 d;⑥成桥收缩徐变,3 650 d。

5 受力性能分析

基于所建立的有限元模型,开展不同施工阶段、不同荷载组合工况下的计算分析,探讨施工过程和成桥状态的内力和变形情况。 拱圈为无铰拱,拱圈计算不考虑拱上结构共同受力作用。

5.1 考虑施工过程的恒载下主拱圈受力分析

根据第4 节6 个施工阶段划分方式,对比不同施工阶段下主拱圈上缘和下缘的应力最值变化见图8、图9。

图8 不同施工阶段的主拱圈应力变化

图9 不同施工阶段的主拱圈变形

由图8、图9 可知,主拱圈最大压应力和最大拉应力均出现在成桥阶段,分别为5.94 MPa 和2.74 MPa,分别位于主拱圈拱脚的下缘和上缘位置,竖向位移最大为3.85 mm。

5.2 主拱圈受力性能分析

(1)活载和温度荷载的作用

当考虑ZKH 列车活载作用时,主拱圈最大压应力和拉应力分别为0.31 MPa 和0.17 MPa,出现在主拱圈拱底的下缘和上缘。

考虑整体升温5 ℃时,主拱圈最大压应力为2.25 MPa,出现在主拱圈拱底上缘;最大拉应力为1.87 MPa,出现在主拱圈拱顶下缘。

考虑整体降温5 ℃时,主拱圈最大压应力为1.87 MPa,出现在主拱圈拱顶下缘;最大拉应力为2.25 MPa,出现在主拱圈拱底上缘。

(2)荷载组合

根据TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》荷载组合考虑下述2 类:

① 主力=恒载+静活载;

② 主力+附加力=恒载+静活载+温度荷载。

(3)受力性能分析

根据TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》第6.2.5 条进行偏心受压构件强度计算,第6.2.7 条进行偏心受压构件的裂缝宽度计算,其中计算长度L0=0.36La(拱轴线长度),即8.75 m。

主拱圈为C50 钢筋混凝土,主力作用下其混凝土容许应力[σb] = 16.8 MPa,主+附提高30%,即21.84 MPa;主力作用下其裂缝宽度按照[ωf] =0.2 mm,主+附提高20%,即0.24 mm。

拱桥最不利截面为主力+附加力作用下的跨中拱顶截面、拱脚截面,对应的受力见表1。 针对表1 中的4 种工况及受力情况进行关键截面的强度和裂缝计算,获得4 种工况的混凝土正应力和钢筋应力、裂缝宽度结果见表2。

表1 截面分析工况及荷载

表2 关键截面强度和裂缝分析结果

由表2 可知,混凝土正应力最大为11.88 MPa,小于21.84 MPa 的混凝土容许应力;钢筋应力最大为189.07 MPa,小于270 MPa 的钢筋容许应力;裂缝宽度最大为0.19 mm,小于0.24 mm 的裂缝容许宽度。

6 结论

(1)新成昆铁路老鼻山隧道横洞施工完成后,掌子面施工揭示了一处大型溶洞,通过调查和监测分析,判断该溶洞为无充填溶洞,并提出“拱桥跨越+护桥结构”的主体方案。

(2)通过建立有限元模型,对考虑护桥结构的拱桥开展受力分析,荷载考虑恒载、静活载、温度荷载,设置6 个施工阶段。 恒载作用下主拱圈最大压应力和最大拉应力分别为5.94 MPa 和2.74 MPa,分别位于主拱圈拱脚的下缘和上缘位置。

(3)成桥阶段的主拱圈受力分析表明,最不利截面为“主力+附加力”作用下的跨中拱顶截面、拱脚截面,通过强度和裂缝计算分析表明,应力和裂缝均满足相关规范要求。