浅谈铁路隧道框架式棚洞结构设计

李济良, 巩江峰, 刘志刚

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)

浅谈铁路隧道框架式棚洞结构设计

李济良, 巩江峰, 刘志刚

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)

某新建铁路隧道斜穿山体出洞，洞口危岩落石强烈发育，地形陡峻，且洞口下方为既有省道，为保证洞口及桥台的施工与运营安全，洞口设计拟采用棚洞结构。目前国内外采用的棚洞结构形式种类繁多，但均为结合各隧道洞口具体地形、地质条件而设计，难以直接运用于本隧洞口。文章为设计出适合该新建铁路隧道洞口的棚洞结构，结合既有工程经验，利用有限元等软件，分别从棚洞选型、尺寸拟定、结构组成及结构计算等方面进行分析，研究出了满足该隧道时速要求的由矩形框架和边梁共同组成的框架式棚洞结构，并最终完成了该棚洞的具体结构设计。设计出的框架式棚洞结构在保证工程安全的同时又节约工程造价，还满足照明及美观的要求，最终成功用于该隧道施工图设计。

隧道洞口； 危岩落石； 棚洞； 结构设计

隧道洞口的安全一直是隧道设计者长期关注的重点问题，洞口设计也成为了隧道设计中的难点之一。当洞口存在塌方、危岩落石等不良地质时，设计通常考虑采用刷坡清方、预加固土体及接长拱形明洞等方案[1-2]。拱形明洞的结构整体性较好，能承受较大的侧压力与垂直力，然而由于其边墙基础不均匀沉降容易导致拱圈开裂而影响结构安全，因此其对结构基础的要求较高。在某些特殊的地质、地形条件下，为保证线路安全，桥梁台尾需伸进洞内，导致明洞取消仰拱，且又难以施作稳固的拱形明洞基础时，棚式明洞即棚洞结构则成为了隧道设计者的首选。

棚洞主要由内外墙与顶部钢筋混凝土结构组成，可采用现浇与预制拼装相结合的方式施作[3]。设计时应结合具体的地质、地形条件选择棚洞形式，常见的形式有刚架式、墙式、柱式与悬臂式等。近年来，我国高速铁路建设事业飞速发展，在一些线路难以绕避不良地质的隧道洞口，一些新型棚洞结构应运而生，如框架式棚洞、斜交托梁式棚洞及全钢结构棚洞等[4-7]。本文以某条新建铁路的隧道洞口为例，详细阐述了框架式棚洞结构设计过程，对棚洞结构设计提供了一定的参考作用。

1 工程概况

隧道全长8 601m，双线隧道，时速160km/h，最大埋深约1 075m。测区属河流峡谷中高山地貌，尼日河深切，地面高程1 025～2 150m，自然坡度5°～35°不等，局部较陡。地表植被不发育，多被垦为旱地，沟槽等低洼地带覆土较厚。测区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.45 s。

隧道斜穿山体出洞，洞口地形陡峻，为陡崖，受地质构造影响，节理裂隙发育，岩体破碎，岩性为砂岩、白云岩夹页岩，危岩落石发育。隧道出口地形如图1所示，为保证线路运营安全，出口桥梁台尾伸入隧道约11 m。

图1 隧道出口平面地形

针对本隧道出口的具体情况，在对坡面危岩落石进行清除、支护后设置一道被动防护网，同时设置拱形明洞与棚洞结构保护线路免受危岩落石侵害。根据出口的地形、地质条件，结合桥台位置，最后确定于出口设置16 m长拱形明洞接12 m长棚洞的设计方案。

本隧道出口地形横坡十分陡峻，无棚洞内边墙施作基础，因此考虑采用框架式棚洞结构。

2 棚洞净空断面

棚洞结构与拱形明洞结构相接，内轮廓应满足拱形结构衬砌的净空要求。本隧为时速160 km/h客货共线的双线隧道，隧道建筑限界执行“隧限-2B”，直线段轨面以上净空面积76.63 m2，曲线地段只考虑线间距加宽。综合考虑矩形框架棚洞受力应力集中等问题，确定出棚洞内轮廓(图2)。

图2 棚洞结构内轮廓(单位:cm)

如图2所示，棚洞轨面以上净高8.25 m，净宽11.7 m，满足隧道设计要求。

3 棚洞结构设计

完整的棚洞结构由基础、主体结构与附属结构构成。针对本隧道洞口的具体情况，以从下而上的顺序，逐步完成棚洞结构各部件设计。

棚洞基础采用桩基础，基础桩综合考虑预加固土体功能与棚洞结构受力进行设计，截面尺寸采用2 m×2 m,桩长18～30 m。

棚洞的矩形框架结构主要由横梁与立柱组成，均采用矩形断面。截面尺寸由结构计算确定，均为1.5 m×1.2 m。根据内轮廓尺寸要求，横梁长度采用11.7 m，立柱长度采用11.8 m。

由于洞口地形偏压严重，矩形框架结构与山体之间会形成V型槽，危岩落石仍可通过该槽形成的通道滚落至线路影响运营安全，因此考虑于该槽正上方设置一边梁以阻断落石滚落路径。边梁以桩为基础，左侧置于矩形框架结构之上并与之成为一整体，梁的右侧伸入山体基岩。

沿着线路纵向设置3榀矩形框架与边梁结构，每榀之间采用纵联连接，即形成了本隧道12 m长的整体棚洞结构。再于每榀矩形框架的横梁与边梁上方设置纵向T梁，以使整个12 m长的线路在横向与纵向均受到棚洞结构的保护，达到设计目的。

为减小危岩落石滚落至结构时产生的冲击力，于T梁上方回填矿渣。考虑排水，于矿渣表面设置黏土隔水层。最后于第一榀结构的矩形框架横梁与边梁上方设置棚洞端墙，完成棚洞结构各部件设计。

设计的棚洞结构横断面如图3所示，纵断面如图4所示。

图3 棚洞结构横断面

图4 棚洞结构纵断面

4 棚洞结构计算

4.1 结构模型

利用ANSYS有限元软件，采用梁单元对本棚洞各结构进行建模。棚洞主体结构分为矩形框架结构与边梁结构，计算受力最大的纵向第2榀结构。考虑地面线及永久边坡线以下为固定端，因此结构模型中包含部分桩基础(图5)。

图5 棚洞结构计算模型

棚洞上方T梁为普通简支梁结构，受力形式简单，可直接利用基础理论计算出简支梁内力，无需利用ANSYS软件建模计算。

4.2 荷载

棚洞结构所受荷载分为恒载、附加荷载与特殊荷载。其中恒载包括自重、回填土重力、T梁的自重、混凝土收缩徐变等，附加荷载包括温度变化影响引起的应力与落石冲击荷载，特殊荷载为地震荷载。

回填土重力：结合不同的工况分别按设计填土线和实际填土线计算。

落石冲击力：计算按《铁路工程设计技术手册·隧道》，根据地形条件，危岩落石下落高度按80 m计，山坡坡角45°，落石体积不大于0.5 m3。

混凝土收缩徐变：在ANSYS计算模型中施加温度场，采用在稳态传热过程中降低15 ℃来考虑混凝土收缩力对结构产生的影响。

温度变化：按温度变化20°来考虑，即升温20°，降温20°，施加至ANSYS计算模型的温度场中。

计算时，主要按4种工况进行计算。

工况一：恒载+收缩力+升温+冲击力；

工况二：恒载+收缩力+降温+冲击力；

工况三：恒载+收缩力+地震力向左；

工况四：恒载+收缩力+地震力向右。

4.3 计算结果

4.3.1 边梁

边梁为两跨结构，计算分别考虑落石冲击力作用在左跨跨中与右跨跨中两种情况。经过计算比较，当落石冲击力作用在右跨中部时，对于工况一、二、三、四，最危险工况为工况一。计算当落石冲击力作用在左跨中部时的工况一，比较得到最危险工况仍为落石冲击力作用在右跨跨中。

4.3.2 矩形框架

由于边梁置于矩形框架结构之上，因此矩形框架结构还应考虑前述边梁的压力。将边梁计算结果中的支座反力加载于矩形框架结构模型上，经过计算比较，最危险工况为工况二，最危险位置为横梁跨中。

本隧道出口仰坡较陡，危岩落石冲击力较大，通过上述结构计算结果可知，落石冲击力与温度均为结构内力的主要控制因素。最后利用计算的内力结果，对棚洞的各梁、柱分别进行配筋，完成棚洞设计的核心工作。

5 附属防护结构设计

在隧道洞口施工期间，隧道开挖崩落的碎石及运渣期间掉落的土石均容易顺着山坡滚落至洞口下方的既有省道。为保证隧道施工期间的省道行车安全，隧道出口段采用控制爆破，并于施工影响范围的省道上方设置落石临时防护棚架，棚架总长约125 m。同时设立专门的交通协管员，对过往车辆进行现场指挥。在放爆作业过程中，下方公路应实行交通管制。

临时防护棚架内净空在省道车辆限界基础上进行拟定，以使车辆能安全通过棚架。结构采用型钢与纵向连接钢筋焊为一体，并于钢架体系外侧设置圆形钢丝绳网。为确保防护棚架的稳定，钢架基底均设置条形基础，基础顶面高于路面0.50 m，采用C30混凝土。临时防护棚架应于隧道竣工后拆除，其具体结构设计如图6、图7所示。

6 结束语

本文首先针对隧道洞口的危岩落石发育及桥台进洞特点确定采用框架棚洞结构方案，再根据建筑限界拟定棚洞内轮廓，接着根据洞口具体地形、地质条件设计出棚洞的整体结构，并通过有限元软件计算分析进行配筋，最终完成了棚洞的结构设计。另外，为确保洞口下方既有省道在隧道施工期间的行车安全，于受影响范围内的省道上方设置临时防护棚架，配合隧道洞口的框架棚洞共同发挥保障作用。本文的棚洞结构方案成功用于该隧道洞口的施工图设计，并通过了施工图评审，目前现场处于在建状态。

图6 临时防护棚架横断面(单位:cm)

图7 临时防护棚架纵断面(单位:cm)

[1] 铁道部第二勘测设计院.铁路工程设计技术手册·隧道[M].北京:中国铁道出版社, 1995.

[2] TB 10003-2005 铁路隧道设计规范[S].

[3] GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[S].

[4] 郑宗溪. 设于桥梁上方的新型棚洞研究[J]. 铁道工程学报, 2007 (2): 54-57.

[5] 冉利刚，陈赤坤. 高速铁路棚洞设计[J].铁道工程学报, 2008 (6): 61-66.

[6] 刘旭光. 傍山公路棚洞设计[J]. 北方交通, 2014(11): 83-85.

[7] 李现宾. 成昆线危岩落石病害整治中的棚洞设计[J]. 现代隧道技术, 2009,46(5): 19-22.

[8] 常秀峰. 棚洞在高陡短边坡中的应用[J]. 山西建筑，2011(20): 141-142.

[9] 郭江,王全才,张群利，等. 落石冲击荷载下框架门式棚洞结构优化探讨[J]. 水文地质工程地质, 2014,41(6): 92-96.

李济良(1986～)，男，硕士研究生，工程师，主要从事地下工程与隧道工程设计工作。

U453.1

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[定稿日期]2016-10-13