某超高填方隧道套拱襯砌設計及力學分析

李 鴻

(中機中聯工程有限公司，重慶 400039)

對于超高填方隧道，襯砌結構受地層土壓力荷載大，襯砌厚度和裂縫控制困難，當裂縫控制不滿足要求，但是結構安全滿足條件時，過度增加襯砌厚度和鋼筋數量將導致結構受力不合理、造價急劇增加等問題[1-7]。因此，在隧道變形基本穩定時，設計采用對隧道裂縫進行病害處理方式處理后，再增加內側套拱的方案[8-13]，來解決襯砌厚度過厚和鋼筋數量過多的問題。本文介紹了某市鐵路樞紐環線超高填方隧道套拱設計的設計荷載種類，豎向土壓力分布模式計算，運營、施工階段隧道結構力學分析，結構豎向不均勻沉降的力學分析情況。

1 工程概況

該隧道位于某市鐵路樞紐環線，隧道全長540 m，平面為直線，設計縱坡25 ‰，線路高程348.95～364.57 m，位于規劃機場跑道下方。隧道寬17.5 m，襯砌厚度1.6 m，為保證結構耐久性在襯砌內施作0.4 m套拱，如圖1所示。隧區屬丘陵地貌，原始地面高程359.38～388.20 m，相對高差約30 m，地形起伏較小；沿線多為旱地，植被不發育，附近有多條鄉村道路，交通便利；最終設計填方標高為383.65～405.18 m，隧道頂部填方高度10～40 m。

隧址區原始地形為天然溝壑，主要地層為第四系全新統人工棄填土、坡洪積殘積層、粉質黏土，侏羅系中統沙溪廟組泥巖夾砂巖。為單斜構造，無不良地質，特殊巖土為人工棄土、填土，埋深僅為5～18 m，且地表分布厚層棄填塊石土、粉質黏土、人工筑填土等。隧區地表水不發育且無侵蝕性，隧道施工時地下水以滴水、浸出為主，環境等級為T2。

圖1 套拱襯砌斷面構造(單位：cm)

2 隧道設計荷載

2.1 荷載種類

2.1.1 豎向靜載

本隧道結構荷載的最重要來源為填方荷載，可分解為豎向荷載和橫向荷載兩個方面。由于填方體的土拱效應并不明確，以相對保守的泰沙基松散體理論為基礎考慮初始荷載。

2.1.2 施工期臨時荷載

在隧道結構上部填方時，考慮壓路機及強夯機等臨時荷載作用于隧道結構上方土體。對于碾壓工況，驗算采用運輸車限重為250 kN，考慮1.2動載系數修正為300 kN，以某市面常見滿載質量為25 t自卸車為例，其荷載分布形式見圖2。設計選用的壓路機自重約為80 kN，遠小于運輸車輛的滿載重量，無須單獨進行驗證。同時要求每10 m×10 m的區域中工作車輛不得超過1臺，避免兩部車輛荷載的情形。

圖2 拱頂填方運輸車輛荷載分布模型(單位：cm)

2.1.3 運營期附加荷載

隧道縱軸線距離第四跑道線路中線約120 m，無需考慮飛機荷載作用于結構范圍，但考慮到隧道洞頂填方后期建有機場場坪等運營相關的小型建構筑(如導航燈帶、導航天線)，以及地勤工作車輛通行，上部附加荷載按20 kPa取值。

2.2 填方終態結構豎向土壓力確定

襯砌所受荷載分布及大小與既有地形、巖層等有關，為了解地形及巖層對襯砌荷載的影響，利用MIDAS/GTS有限元軟件建立計算斷面的地層結構模型，見圖3，計算分析襯砌拱頂處平面的豎向土壓力變化趨勢，以此趨勢來推斷襯砌豎向土壓力的分布形式和數值大小，并采用推定的荷載模式對襯砌結構進行荷載結構模型計算，驗算襯砌結構的截面承載能力及裂縫。

按照施工順序，地層結構模型計算順序為：自重應力平衡→位移置零→明洞開挖→襯砌施作→明洞回填，圖4為明洞回填后的豎向應力云圖。

圖3 控制斷面豎向土壓力分布計算模型

圖4 明洞回填后的豎向應力云圖(單位：kPa)

定義回填后豎向土壓力增大系數μ為σy/γh，其中，σy為回填后襯砌承受的豎向土壓力，γ為地層容重，h為計算點埋深。可以得到，明洞襯砌范圍內豎向土壓力增大系數μ分布，如圖5所示。

圖5 襯砌豎向土壓力增大系數沿橫斷面分布

對上圖分析可知，明洞范圍內，實際豎向荷載與γh的比值最小值為0.93，最大值為1.28。偏于安全考慮，荷載結構模式計算如下三種分布模式：

(1)荷載模式一：假設作用于明洞頂部的豎向土壓力為均布荷載，出于保守考慮，建模計算時的豎向土壓力取1.3倍γh值，如圖6所示。

圖6 均布豎向土壓力分布形式

γh

γh

圖7 偏心豎向土壓力分布形式一

(3)荷載模式三：假設作用于明洞頂部的豎向土壓力為偏心荷載。出于保守考慮，建模計算時左右兩端豎向土壓力分別取0.9和1.3倍值，如圖8所示。

圖8 偏心豎向土壓力分布形式二

3 運營階段結構分析

用MIDAS/GTS建立荷載結構模型，分別施加荷載模式一～荷載模式三荷載，可計算得運營工況襯砌結構內力情況，以荷載模式一計算情況為例進行說明，如圖9～圖11所示為結構軸力、彎矩、剪力分布。

圖9 荷載模式一襯砌軸力(單位：kN)

圖10 荷載模式一襯砌彎矩(單位：kN·m)

圖11 荷載模式一襯砌剪力(單位：kN)

根據TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》關于破損階段法及正截面在偏壓荷載作用下安全系數求解方法的相關規定，得出襯砌關鍵控制截面的內力、安全系數及裂縫寬度如表1所示。

表1 荷載模式一關鍵截面內力值及驗算

由表1計算可得，襯砌各控制截面的安全系數均大于2.4(主要荷載組合作用下，鋼筋達到計算強度或混凝土達到抗壓或抗剪極限強度時，安全系數應大于2.0；混凝土達到抗拉極限強度，安全系數應大于2.4)，拱腰、邊墻、拱腳、仰拱彎矩與軸力比值較小，處于小偏心受壓狀態，裂縫寬度均滿足要求。拱頂處的裂縫寬度為0.22 mm，不滿足規范要求，因此當回填至設計標高后，且裂縫發展穩定后，對于寬度大于0.2 mm既有裂縫進行處理，并施作套拱襯砌。

4 施工階段結構分析

考慮到明洞上方回填至2 m后會采用大型機械進行施工，需要對施工中存在的附加荷載工況進行承載能力驗算。計算模式如圖12所示，附加荷載列于表2。

圖12 施工工況荷載施加節點示意

表2 施工工況節點荷載(附加荷載) kN

回填土壓力按2.6 m考慮，認為回填土厚度較薄，對機械設備荷載的擴散作用不明顯。利用MIDAS/GTS建立襯砌結構模型，計算得出襯砌的內力分別如圖13～圖15所示。

圖13 施工工況襯砌軸力云圖(單位：kN)

圖14 施工工況襯砌彎矩云圖(單位：kN·m)

圖15 施工工況襯砌剪力云圖(單位：kN)

5 不均勻沉降分析

由于不同里程隧道上方回填土高度差異大、同一里程填土橫向坡度大、隧道底部圍巖工程地質條件不均勻等不利因素，需要分析襯砌結構在橫向及縱向上的不均勻沉降程度。以JDK15+442與JDK15+590兩個里程為計算對象，采用地層結構模型分析襯砌結構的橫向及縱向差異沉降，計算模型如圖16所示。

圖16 不均勻沉降計算模型

重點分析明洞襯砌結構施作完成、隧道上方回填至設計標高后的結構變形情況，計算結果如圖17、圖18所示。

從圖17、圖18可以看出，襯砌結構在橫向上墻腳位置沉降大，仰拱處沉降小。JDK15+442里程，結構橫向最大沉降差為5.4 mm；JDK15+590里程，結構橫向最大沉降差為4.4 mm；在橫向上，明洞結構整體傾斜很小。

從圖19可以看出，襯砌結構在JDK15+442與JDK15+590里程處的縱向差異沉降為8.1 mm，縱向長度為148 m，故襯砌結構縱向傾斜值為1/18272，縱向不均勻沉降較小。同時計算采用的是兩個不同斷面分開計算得到的隧道沉降，沒有考慮隧道結構的縱向效應，實際縱向沉降差異應該更小。

圖17 JDK15+442豎向位移云圖

圖18 JDK15+590豎向位移云圖

圖19 不同里程襯砌結構基底變形曲線

6 結束語

(1)對于超高填方隧道，受地層土壓力荷載影響大，襯砌厚度和裂縫控制困難，本設計采用對隧道裂縫進行病害處理后，再增加內側套拱的方案，解決襯砌厚度過厚和鋼筋數量過多的問題。

(2)高填方隧道襯砌豎向土壓力分布受地形、地質等多種因素影響，襯砌結構受的豎向土壓力按均布、梯形偏壓、雙梯形偏壓分布等效。

(3)高填方隧道襯砌結構除需考慮運營工況外，仍需考慮施工工況回填過程、施工器械，地層回填導致的縱向和橫向不均勻沉降分析。