1云南云交建工程试验检测有限公司 2云南交投集团公路建设有限公司 云南昆明 650032
摘要：本文介绍大跨径装配式隧道波纹钢明洞的主要结构、功能特点及优势，利用迈达斯计算软件分析了安装误差对装配式隧道波纹钢明洞结构的影响，为后续项目的施工及同类型项目的施工验算及验收提供了一种参考依据。
关键字：安装误差 波纹钢 隧道明洞
一、前言
隧道明洞主要用于遭受坍方、落石、泥石流或受到边坡上方重要结构物影响或危害公路安全的洞口或路堑地段，在保障公路运营安全方面起到了较好的效果，但传统的明洞结构具有环向非受力裂缝易导致隧道渗水甚至影响结构耐久性，同时，拱部易出现裂缝。此外混凝土明洞（棚洞）需要埋深大、尺寸大的基础，施工难度大，建设成本高等缺点。为了使工程造价、安全、工期、舒适性达到一个合理的平衡，许多新型结构、新工艺、新材料也不断应用到隧道明洞的施工中来，波纹钢装配式明洞结构正是其中兴起的结构之一。大跨径装配式波纹钢隧道明洞结构是将普通Q235或Q345钢板在工厂内经冷弯加工成波形板，再运输至施工现场用高强度螺栓拼装连接成预定截面形状的一种新型钢结构。该结构具有强度高、抗变形能力强、结构耐久性强、生产运输方便、运营维护方便等特点[1]。特别是3m以上大跨径隧道明洞，采用装配式波纹钢经济性明显。但在装配式隧道波纹钢明洞施工过程中，对大跨径波纹钢安装精度要求较高，特别是拱脚预埋螺栓的位置，需要考虑基层混凝土浇筑过程的混凝土的收缩以及波纹钢板吊装过程中的变形，本文将重点分析安装误差对大跨径装配式隧道波纹钢结构的影响。
二、结构形式
本文以云南某高速公路隧道明洞进行分析，该隧道明洞所在路段采用双向两车道高速公路设计标准，设计速度为80km/h，单幅路基宽度为11.5m，拟定建筑限界为13.0m×5.23m。隧道明洞顶部波纹钢板尺寸规格为波距×波高×壁厚=300mm×110mm×5mm，拱脚水平净距为1390cm，波纹钢板拱轴线型为半圆拱，半径为695cm，矢跨比0.5。波纹钢外侧现浇钢筋混凝土拱圈，净厚30cm（平均厚35.5cm），拱顶最大填土高度8m。在结构施工过程中由于各阶段累计误差，波纹钢拱脚与设计线不能完全重合，拱脚最大向外偏移量约为12cm；且拱脚螺孔不能精准对位，需要在预埋角钢略微扩孔以便于安装，为保证施工过程及后期运营过程的质量及安全性，通过迈达斯软件对安装误差对波纹钢拱圈在各阶段受力变化及结构安全性、对拱脚处连接高强螺栓结构安全性、扩孔后的预埋角钢结构安全性进行了理论验算分析。
三、结构模型及计算
3.1结构模型
考虑到项目所在地址环境条件，根据波纹钢板抗弯矩能力强的特点，同时考虑到圆弧形拱具有线型简单的特点，隧道明洞采用装配式波纹钢采用半圆拱圈结构，同时尽量采用较大的曲率半径，用于减小拱轴线与恒载压力线之间的偏离，在拱脚处利用线型简单的圆弧线来解决拱脚处的净空问题[2]。
3.2施工阶段
第一阶段现浇制作混凝土基础与侧墙，第二阶段安装波纹钢板拱，第三阶浇筑拱脚钢筋混凝土、固结拱脚，第四阶段浇筑拱圈钢筋混凝土，第五阶段填筑碎石混凝土，第六阶段分层回填土。
3.3计算结果
根据断面测量的结果左侧拱脚左侧偏移12.7cm，右侧拱脚左侧偏移10.2cm，相对位移2.5cm。拱顶最大竖向位移5.9cm，造成安装的波钢线形与设计线形不一致，为保证波钢的应力在允许值范围内，按现有实际线形模拟计算波钢应力，计算点为拱脚和拱顶。
对各施工及运营阶段进行计算对比误差大小，各施工阶段因安装误差产生波钢应力值对比后判断其安全性，计算结果如下：
波钢安装阶段：自重产生的波钢应力增幅：10.61-10.48=0.13MPa，增加值较小,结构安全。浇筑拱脚混凝土阶段：波钢安装完毕后，浇筑拱脚段的混凝土，导致波钢的应力增幅：14.61-13.41=1.2MPa，增幅值较小。浇筑拱圈混凝土阶段：波钢上缘的拱圈混凝土全部浇筑完毕后导致的波钢应力增幅：51.93-49.59=2.34MPa，增幅值较小。拱背回填阶段：回填波钢上的回填土，因施工需要不平衡的加载，其应力增幅：53.2-48.7=4.5MPa。运营阶段：运营阶段（即回填土全部施工完毕）因波钢的安装误差造成的波钢应力增幅:62.49-54.95=7.54MPa。
对比结果来看，原设计各工况下波纹钢拱圈最大拉应力为28.3MPa，最大压应力为58.5MPa，而偏移后，在运营阶段，在温度变化+恒载+临时荷载的情况下应力最大增幅为7.54MPa，远小于Q345钢材的设计应力值，结构安全。
3.4 高强螺栓验算
以每环波纹钢板最小宽度为分析单元，每环波纹钢宽度1.5m，长度21.823m（中轴线），每环1.25t/m，考虑螺栓和拼装过程中重叠部分的质量，每环重量21KN（2.1t）。假设波纹钢安装完成后，波纹钢拱脚部分未与角钢接触，处于悬空状态。此时波纹钢稳定性靠10.9级M24*70高强度螺栓与角钢的连接进行稳定。
针对高强度螺栓，每侧每个高强度螺栓承受的竖向荷载为1.05KN（每片波纹钢板拱脚部分有高强螺栓10个）。根据《钢结构高强度螺栓连接技术规程》（JGJ82-2011），10.9级M24高强度螺栓抗剪强度设计值NV=0.8*1.0*1.0*0.35*225=63KN>1.05KN，满足要求。针对波纹钢板，波形参数300mm*110mm*5mm，壁厚5mm，材质Q345,设计应力345MPa，根据《公路涵洞通道用波纹钢管（板）》（JT/T 791-2010)波纹钢板与高强度螺栓接触的有效面积As=6.553mm2/mm，承受应力fy=1.05/6.553=0.16MPa <345MPa，满足要求。
此外，根据《钢结构高强度螺栓连接技术规程》（JGJ82-2011），高强螺栓抗剪承载力与高强度螺栓等级和预埋角钢厚度（接触面积）和材质有关，当角钢背部增加螺栓孔时，在确保最小边距39mm（1.5d0）时，高强度螺栓和角钢的竖向承载力不会减小。
3.5 拱圈二衬混凝土浇筑阶段
在拱圈二衬混凝土浇筑前，波纹钢拱脚内测的C30混凝土已浇筑完成,且强度以达到设计强度的80%，波纹钢、角钢、预埋地脚螺栓、侧墙已连接成一体，共同承受波纹钢板和二衬钢筋混凝土的质量。钢筋混凝土容重26KN/m3，此时每环质量276.4KN，假设此时波纹钢仍然处于悬空的不利状态，针对高强螺栓，每侧每个高强螺栓承受的竖向荷载为13.82KN，10.9级M24高强度螺栓抗剪强度设计值NV=63KN>13.82KN，满足要求。针对波纹钢，承受应力fy=1.05/6.553=2.11MPa <345MPa，满足要求。
此外，在实际受力分析过程中，当拱圈混凝土强度达到设计强度后，钢筋混凝土拱圈的强度已经能满足外部荷载的需求，此时波纹钢几乎不受力（除特殊外部荷载如滚石、泥石流等特殊情况）。
3.6 角钢扩孔验算
关于拱脚预埋角钢的受力，该位置的最大受力为安装阶段，后续阶段该位置已经浇筑混凝土进行包裹。角钢钢板设计厚度为最小16mm，实际厚度为18mm，该位置角钢主要受波钢通过螺栓传递下来的轴力，以及拱脚处的弯矩。保守考虑，采用16mm厚度的钢板进行验算，在极端冲孔情况下，最不利截面角钢面积减半，角钢此截面应力由30.82MPa增加到59.3MPa，仍旧远远小于Q235钢材的设计应力拉压235 MPa，抗剪160 MPa，角钢安全。
四、结论
1）拱圈在由于安装偏差最不利情况，两个拱脚向外各12cm的情况下，波纹钢在各阶段受力远小于Q345的设计强度，结构安全；
2）拱脚高强螺栓在拱圈拼装阶段成环后受力最大，所受剪力远小于其强度，结构安全；
3）角钢在极端扩孔的最不利情况下，有效面积减半，其应力远小于设计强度，结构安全；
4）钢筋混凝土拱圈及侧墙结构应力变化小于0.2MPa，结构安全。
5）由于波纹钢相对于柔性，在施工过程中为防止偏压坍塌，建议安装应对称。拱顶位移应控制在10cm以内。
参考文献
[1]王哲,张清照,潘青,刘文彤,罗泽军.装配式波纹钢棚洞的施工方法及受力特性研究[J].地下空间与工程学报,2020,16(S1):185-193+207.
[2]闫晓玲.波纹钢板-混凝土组合结构的力学性能和在隧道中的应用研究[D].导师：江建洪.苏州大学,2019.