朱勇
广东粤路勘察设计有限公司 广东广州 510635
摘要：公路工程中高边坡治理和防护一直是地质工程领域的重点和难点，它是制约公路建设的一个重要因素。本文结合广东省某国道工程高边坡棚洞整治方案，通过建模分析了结构在边坡土体荷载作用下的变形和内力，进行了结构的稳定性验算，以指导项目建设实施。
关键词：连拱式棚洞；结构计算；结构稳定
1 工程概况
1.1 工程背景
工程中K2330+080～K2330+200段120m范围为主滑坡体段，拟在K2330+072.86～ K2330+204.96段采用连拱式棚洞通过。为验证棚洞在回填土压力作用下的结构稳定性，需借助结构分析软件对结构进行稳定分析，方可进行棚洞施工。
1.2 边坡地质概况
1.2.1 地形地貌
工程位于广东省连平县境内，桩号K2330+000～K2330+250，为“V”字形峡谷地貌，地形陡峭，切割深度深，勘察区山顶最大高程为465.56m，河谷处高程约为260m，高差达205m，地形坡度约30～40°，近公路处部分边坡呈陡崖状。
1.2.2 地层岩性
根据地质调绘、钻探、物探资料，场区内出露的地层为第四系全新统人工填土层（Q4ml）、残坡积层（Qel+dl）和泥盆系中下统桂头群上亚群石英砂岩地层，从上到下地层依次为填筑土、块石土、碎块状强风化石英砂岩、中风化石英砂岩、微风化石英砂岩，其中微风化石英砂岩为理想的持力层。
1.3 构造设计
内轮廓设计如图1所示。
棚洞墙身内侧结构为C40钢筋混凝土拱，拱顶厚80cm，拱脚渐变至332.8cm厚，拱顶至棚洞外边采用平板结构。内侧混凝土拱基础为432.8㎝×180㎝条形基础。
棚洞中隔墙厚50cm，中隔墙顶端与平板结构固结，并设置倒角，倒角底部设置支撑梁，基础采用桩基础，基础的布置与路堤锚索格构梁错开。在洞口与沉降缝处设置桩基直径1.5m，其余位置均为1.2m。
外侧斜撑采用斜柱支撑，斜撑厚度采用渐变方式随高度变化，纵向宽度在起点处设置为1.2m，终点桩号处设置为2m，为防止应力集中，斜撑顶部及底部均设置倒角，在洞口与沉降缝处设置双排桩基。
图1 棚洞建筑限界及内轮廓图
(1)土压力分析
根据《公路隧道设计规范》JTG D70-2004规定，对该工况下棚洞土压力受力分析如下：
图4 拱圈回填土石的土侧压力系数计算简图
图5 结构荷载示意图
(2)落石冲击力分析
根据《公路隧道设计细则》（JTG/T D70－2010）所给落石冲击力计算公式12.3.7-1～5计算可知，一个1m3石块从距离棚洞顶100m高边坡上自由滚落（冲击持续时间为0.13s，冲击速度16.6m/s），所受冲击力Fnmax=295.9kN。根据叶四桥等[4]的研究成果，可算得作用在结构顶面的均布荷载为：q=19.9kPa≈20kPa(扩散角取40°，缓冲层厚度取2m)。
2.3 计算结果
2.3.1内力计算
基于以上建立的结构计算模型，在计算工况下，棚洞在施工阶段3阶段累计效应作用下结构弯矩、剪力及轴力如图6～8。
从图6～7可以看到，在与斜撑顶部相结合的拱顶处，结构的弯矩和剪力较大，在进行结构设计时需加强此处抗弯钢筋和抗剪箍筋的设计。对于图8，中隔墙、斜撑及承台受到的轴力较大，在进行结构设计时应考虑增大结构截面积或采用强度较高的材料，以免结构应力过大导致结构失稳破坏。
2.3.2强度验算
根据内力图估算截面配筋，并将各个截面钢筋输入到模型内，根据计算结果可知，施工阶段3阶段累计效应作用下，棚洞拱背、顶板各截面正截面抗弯及斜截面抗剪承载能力满足要求。
2.3.3裂缝宽度验算
根据截面内力表估算截面配筋，并将各个截面钢筋输入到模型内，棚洞在施工阶段3阶段累计效应作用下，棚洞拱背、顶板各截面上缘、下缘裂缝最大宽度均小于0.2mm，满足规范要求。
2.3.4挠度验算
根据《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）规定，跨度L0>8m，容许挠度L0/400m，本棚洞最大跨度为11m，容许挠度11/400=0.0275m，计算最大位移为0.017m，位移满足要求；悬臂长10m，容许挠度2L/400=0.05m，计算最大位移为0.044m，位移满足要求。施工阶段3阶段累计效应作用下结构位移图如图9所示。
图9 施工阶段3阶段累计效应作用结构位移图
从图9可以看到，在施工阶段右侧拱顶悬臂的位移较大，建议在施工过程中加强悬臂端的位移监测，防止位移过大影响结构稳定。
3 结语
随着我国经济的快速发展，公路交通领域取得了很大的成就，而隧道作为公路工程的重要组成部分，在设计和建设过程中必然会遇到结构稳定的问题，尤其是隧道拱顶和管棚垮塌等稳定性问题。采用计算机进行结构计算方法进行稳定分析，计算施工阶段及施工后结构的变形和内力，改善结构受力状态，从而指导结构设计将是未来结构设计的发展方向。本文结合结构计算软件和工程实际验算了连拱式棚洞在回填土压力作用下的结构稳定性，为项目设计提供方向和依据，也对同类结构的稳定分析提供了一定的参考价值。
参考文献
[1] 中华人民共和国交通运输部. JTG C20-2011 公路工程地质勘察规范[S]. 北京：人民交通出版社.
[2] 中华人民共和国交通运输部. JTG D70-2004 公路隧道设计规范[S]. 北京：人民交通出版社.
[3] 中华人民共和国交通运输部. JTG/T D70-2010 公路隧道设计细则[S]. 北京：人民交通出版社.
[4] 叶四桥, 陈洪凯, 唐红梅. 落石冲击力计算方法[J]. 中国铁道科学, 2010, 31(6): 56-62.
[5] 中华人民共和国交通运输部. JTG D62-2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]. 北京：人民交通出版社.
[6] 中华人民共和国交通运输部. JTG D63-2007 公路桥涵地基与基础设计规范[S]. 北京：人民交通出版社.
论文作者:朱勇
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/15
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