膨脹巖地層雙線隧道仰拱矢跨比對二次襯砌力學特性的影響

符亞鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

膨脹巖水敏感性強，含有較多的親水礦物，含水率變化將引起較大的體積變化，遇水膨脹變形、軟化、崩解[1]。近年來，在建和已建的鐵路隧道工程中遇到的膨脹巖問題越來越多，主要表現為襯砌開裂、軌道異常隆起、仰拱填充開裂等。目前，雙線隧道襯砌斷面主要特點為軌面以上為單心圓，軌面以下較為扁平，仰拱矢跨比較小。防排水系統能為拱墻襯砌背后地下水提供通暢的排出通道，卻不能為仰拱下方地下水提供通暢的排出通道。若膨脹巖隧道仰拱下方地下水長期匯集，吸水膨脹產生的膨脹荷載將直接作用于仰拱，危及襯砌結構的安全。

膨脹巖地層工程實例較多，在理論研究和現場施工等方面已取得了一些成果。李化云等[2]通過室內試驗得到膨脹巖試樣在連續吸水過程中不同含水率與體積膨脹率的關系；方勇等[3-6]依托成都地鐵2號線膨脹巖地層，采用現場測試和數值模擬的方式獲得了膨脹巖地層盾構隧道管片荷載特征，不同膨脹形式對管片襯砌荷載分布的影響規律；崔蓬勃等[7]分析了鐵路膨脹巖隧道初期支護的穩定性，并提出了設計優化措施；譚永慶[8]分析了膨脹性地層鐵路隧道仰拱上拱的原因，并提出了對應的整治措施；唐連權等[9]基于對膨脹巖引起的公路隧道路面病害的調查及處治，提出一套膨脹巖地層公路隧道路面病害檢測和維修治理方案。雖然對膨脹巖隧道工程的研究較多，但尚未形成完整的理論及設計體系。本文基于鐵路雙線隧道仰拱矢跨比較小、仰拱下方地下水無通暢的排出通道等現狀，分析不同仰拱矢跨比下雙線隧道二次襯砌力學特性的變化規律。

1 雙線隧道襯砌結構設計

膨脹巖地層雙線隧道設計為曲墻式帶仰拱復合式襯砌。隧道內軌面以上凈空面積大小主要取決于鐵路設計速度目標值，軌面以下大小取決于仰拱矢跨比。雙線隧道襯砌結構及防排水系統設計見圖1。

圖1 雙線隧道襯砌結構及防排水系統設計

鐵路隧道防排水系統設計一般遵循“防、排、截、堵相結合，因地制宜，綜合治理”的原則。目前常見的防排水系統敷設于初期支護與二次襯砌之間。防排水系統主要由排水盲管、無紡布、防水板、排水側溝、中心水溝等構成，且襯砌混凝土需滿足一定的抗滲等級[10]，拱墻襯砌背后地下水通過排水系統匯集到排水側溝或中心水溝排出洞外。

2 不同仰拱矢跨比下雙線隧道二次襯砌力學特性分析

2.1 計算工況

新建西寧至成都鐵路在青海省境內以隧道方式長距離穿越第三系泥巖、泥巖夾石膏巖、泥巖夾砂巖等膨脹巖地層。設計為單洞雙線隧道，隧道二次襯砌為模筑C35鋼筋混凝土結構，拱墻和仰拱的厚度分別為55，60 cm，主筋為φ22＠200 mm，箍筋為φ8＠200 mm，架立筋為φ12＠200 mm。

基于荷載-結構設計理念，采用有限元軟件構建二維數值計算模型，采用統計法計算獲得Ⅴ級圍巖(重度20 kN/m3)鐵路深埋隧道所承受的荷載。根據現場勘探，計算中取膨脹荷載為150 kPa。分析仰拱矢跨比分別為 1/11.87，1/9.85，1/6.76，1/5.56 時隧道二次襯砌的力學特性。荷載分布如圖2所示。數值計算模型單元劃分如圖3所示。

圖2 荷載分布

圖3 數值計算模型單元劃分

2.2 計算結果與分析

由于計算模型為對稱模型，選結構的一半(圖3中單元1～37)來研究。不同仰拱矢跨比下雙線隧道二次襯砌的彎矩、軸力、安全系數分布見圖4。

圖4 雙線隧道二次襯砌彎矩、軸力及安全系數分布

由圖4(a)可以得出:膨脹巖地層雙線隧道仰拱矢跨比對仰拱和邊墻處的彎矩影響較大，對拱部彎矩影響較小。隨著仰拱矢跨比的增大，仰拱、邊墻處二次襯砌的彎矩絕對值減小。

由圖4(b)可以得出:膨脹巖地層雙線隧道仰拱矢跨比對仰拱處軸力的影響較大，對拱部軸力的影響較小。隨著仰拱矢跨比的增大，仰拱處軸力絕對值增大，墻腳處軸力絕對值減小，但降幅較小。

由圖4(c)可以得出:膨脹巖地層雙線隧道仰拱矢跨比對仰拱和邊墻處安全系數的影響較大，對拱部安全系數的影響較小。隨著仰拱矢跨比的增大，仰拱、邊墻處安全系數增大。當仰拱矢跨比為1/11.87時，墻腳處安全系數小于2，不滿足規范要求。增大仰拱矢跨比后，安全系數均大于2。

3 結論

1)雙線隧道仰拱矢跨比對仰拱、邊墻處二次襯砌的力學特性影響大，對拱部影響小。隨著仰拱矢跨比的增大，仰拱、邊墻處二次襯砌彎矩絕對值減小，仰拱處二次襯砌軸力絕對值增大，墻腳處二次襯砌軸力絕對值減小，仰拱、邊墻處二次襯砌的安全系數均增大。

2)仰拱矢跨比為1/11.87時，墻腳處安全系數小于2，不滿足規范要求。因此，在膨脹巖地層隧道設計中應適當提高仰拱矢跨比。