基于結構受力模式主動調整的高速鐵路單線隧道預制拼裝襯砌設計選型研究

張勝龍 劉艷青 馬偉斌 郭小雄 陳學軍

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；4.中鐵十二局集團第一工程有限公司，西安 710038）

預制裝配式結構是以預制構件為主要受力構件經裝配連接而成的混凝土結構，作為新型結構形式其在國內外城市地下工程中已經有一定應用［1-2］。目前大部分地下預制裝配式結構主要在結構彎矩較小位置進行分塊設計［3］，最大限度減小對結構整體受力的影響。如荷蘭鹿特丹地鐵“殼式裝配”結構、前蘇聯俄羅斯“整體管段”結構［4］，中國的秦嶺Ⅰ線隧道［5］（單線鐵路隧道）和大部分城市地鐵隧道［6］。另一部分地下結構從結構拼裝的便利性角度進行分塊設計，如大連地鐵袁家店站［7］（明挖地鐵車站）。

目前針對鉆爆法山嶺隧道預制襯砌選型研究較少。本文采用在隧道結構彎矩極大值處進行分塊的設計方法，針對我國350 km/h 高速鐵路單線隧道斷面形式進行預制裝配式襯砌選型研究，分析襯砌接頭剛度對整體襯砌的影響，為單線鐵路隧道預制裝配式襯砌結構提供設計思路。

1 整體襯砌內力分析

1.1 荷載計算

采用“荷載-結構”模型對Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖深埋情況下單線鐵路隧道二次襯砌內力進行計算，采用時速350 km 高速列車單線隧道復合式襯砌內輪廓。圍巖及支護結構物理力學參數［8］見表1。

表1 圍巖及支護結構物理力學參數

根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［8］，采用初期支護承擔70%荷載，二次襯砌承擔30%荷載的原則進行襯砌內力計算［9］。Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖垂直荷載分別為60，120，200 kPa，水平荷載分別為9，36，100 kPa。

1.2 內力分析

整體襯砌斷面如圖1（a）所示，采用有限元軟件對其進行受力分析。襯砌采用三維梁單元（Beam188）模擬，圍巖與襯砌的相互作用采用“無拉鏈桿”（Link10）模擬［10］，整個隧道結構劃分為350個單元，襯砌結構厚度0.3 m，如圖1（b）所示。

圖1 整體襯砌斷面及計算模型

將荷載施加到模型，計算得到整體襯砌所受內力，見圖2。

圖2 不同等級圍巖條件下整體襯砌所受內力分布

由圖2 可知，在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下整體襯砌軸力最大值出現于仰拱，其值分別為508.7，906.6，1 437.7 kN，彎矩最大值出現于拱頂，其值分別為32.6，63.9，109.0 kN。在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下襯砌橫向位移向內，其最大值分別為0.58，1.29，2.72 mm，襯砌豎向位移向下，其最大值分別為1.94，4.15，8.46 mm。隨圍巖等級的提高整體襯砌所受內力和位移均逐漸增大，但是整體受力形式沒有發生改變。受力形式相同對預制結構選型統一化具有重要意義。

2 整體襯砌分塊選型

綜合考慮結構拼裝后整體安全、防水控制、施工難度、經濟成本等因素，預制結構徑向長度取1.5 m。環向在彎矩極大值處分塊，整體襯砌分為7塊。

對預制裝配式襯砌進行受力計算。預制裝配式襯砌計算模型見圖3。接頭位置主要采用帶有旋轉剛度的旋轉銷軸單元（Combin7）［9］進行模擬，襯砌采用三維梁單元（Beam188）模擬，圍巖與襯砌的相互作用采用“無拉鏈桿”（Link10）模擬［8］，整個隧道結構劃分為350個單元。

圖3 預制裝配式襯砌計算模型

通過資料［7］調研國內襯砌接頭剛度一般在6.8～950 MN·m/rad。預制裝配式襯砌接頭剛度分別取0，6.8，12.5，45，240，500，950 MN·m/rad進行計算。

各級圍巖條件下不同接頭剛度時預制裝配式襯砌的受力和位移見表2—表5。初砌結構所受軸力均為壓力。

表2 襯砌結構最大軸力 kN

表3 襯砌結構最大彎矩 kN·m

表4 襯砌結構最大橫向位移 mm

表5 襯砌結構最大垂向位移 mm

由表2—表5可知：不同級別圍巖條件下隨著接頭剛度的減小預制裝配式襯砌最大軸力均逐漸增大，最大彎矩均先減小后增大，最大橫向位移均逐漸增大，最大垂向位移均逐漸增大。襯砌結構分塊后雖然位移有所增大但襯砌結構平衡后受力更加穩定。與整體襯砌相比，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下接頭剛度為0 時最大軸力分別增加5.6%，6.5%，7.3%。最大彎矩分別減少35.0%，43.0%，54.6%。最大橫向位移分別增大22.4%，36.4%，64.7%。最大豎向位移分別增大41.8%，44.6%，52.5%。

3 預制裝配式襯砌安全性分析

按照TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》中素混凝土計算公式計算不同接頭剛度時隧道襯砌各部位安全系數，計算結果見表6—表10。

表6 襯砌結構拱頂安全系數

表7 襯砌結構拱肩安全系數

表8 襯砌結構邊墻安全系數

表9 襯砌結構拱腳安全系數

表10 襯砌結構仰拱安全系數

由表6—表10 可知：不同圍巖條件下隨著接頭剛度的減小預制裝配式襯砌拱頂安全系數均而逐漸增大，拱肩安全系數均逐漸增大，邊墻安全系數均逐漸減小，拱腳安全系數均逐漸減小，仰拱安全系數均逐漸減小。與整體襯砌相比，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下接頭剛度為0 時拱頂安全系數分別增加6.14 倍、4.40倍、3.52 倍，拱肩安全系數分別增加1.26 倍，1.27 倍，0.98倍。邊墻安全系數分別減少5.7%，6.6%，7.9%。拱腳安全系數分別減少5.8%，4.0%，3.9%。仰拱安全系數分別減少5.6%，5.8%，6.6%。

當襯砌結構在彎矩最大位置分塊時，邊墻、拱腳和仰拱安全系數均略有下降，降幅均小于10%且安全系數遠高于規范限值（2.4）；拱頂和拱肩安全系數大幅提高，尤其當接頭剛度不大于45 MN·m/rad 時提升較大。近年來鐵路隧道襯砌結構出現掉塊、剝落等病害均發生在拱腰以上部位，除施工質量外，與襯砌整體受力過大不無關系。通過預制分塊能夠大幅增大襯砌上部安全系數，降低類似病害。

各級圍巖條件下不同接頭剛度時襯砌結構平均安全系數、最小安全系數分別見表11、表12。

表11 襯砌結構平均安全系數

表12 襯砌結構最小安全系數

由表11、表12 可得：襯砌結構在彎矩最大位置分塊，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖作用下隨著接頭剛度的減小襯砌平均安全系數和最小安全系數均有所增大。接頭剛度為0 時，平均安全系數分別增加9.2%，7.2%，10.4%；最小安全系數分別增加3.14倍，2.26倍，1.84倍。當接頭剛度小于45 MN·m/rad時，襯砌最小安全系數增加較大。綜合考慮，接頭剛度不宜大于45 MN·m/rad。

4 結論

1）在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下350 km/h 高速鐵路單線隧道整體襯砌受力和位移逐漸增加，受力形式相似，有利于預制結構選型統一化。

2）襯砌接頭剛度越小襯砌結構最大位移越大，最大軸力越大，最大彎矩先減小后增大。

3）不同級別圍巖條件下裝配式襯砌安全系數均滿足規范要求。與整體襯砌相比，邊墻、拱腳和仰拱安全系數略有下降，拱頂和拱肩安全系數大幅增加，平均安全系數和最小安全系數增加，接頭剛度不宜大于45 MN·m/rad。