大跨度高速鐵路隧道襯砌結構設計的經濟性研究

史天龍

（中國鐵路設計集團有限公司，天津300142）

1 引言

鐵路隧道襯砌的投資占隧道全部投資的比例較高，目前，大部分高速鐵路隧道設計均參考TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》及經規標準函等規定確定隧道襯砌結構，但對于大跨度襯砌結構的設計往往借鑒既有工程實例確定襯砌結構，在滿足結構強度的要求下，大多情況下設計是比較保守的，因此，研究大跨度隧道襯砌結構設計的經濟性對降低整個工程投資造價十分必要。

2 工程概述

張家山隧道位于重慶市南岸區，設計時速為350 km/h，受站場布置影響，該隧道最大斷面處開挖寬度為27.64 m，高度為19.516 m，矢跨比為0.11。輪廓線設計采用六心圓確定，半徑自上而下分別為：12.88 m、6.65 m、6.65 m、2.7 m、2.7 m、26.01 m，開挖面積約為427.88 mm2。該大跨段隧道穿越的地層主要為砂巖夾泥巖地層，根據地質鉆孔資料顯示，圍巖計算物理學參數如表1所示。

表1 Ⅴ級圍巖物理力學參數

3 大跨度襯砌結構設計情況

本工程位于重慶東站附近，受站場布置影響，隧道斷面需加大，結合周邊既有工程實例分析確定本隧道大跨度襯砌結構，二襯混凝土標號為C35，主筋采用HRB400鋼筋，具體襯砌支護參數如表2所示。

表2 大跨隧道襯砌支護參數表

4 設計荷載計算

本大跨度襯砌結構覆土較淺，為淺埋隧道襯砌，根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》附錄E淺埋隧道荷載計算方法規定（見表3）。

表3 大跨度隧道襯砌淺埋荷載

5 大跨度襯砌結構模型建立

圖1 計算模型示意圖

按荷載-結構模型，采用SAP84結構設計軟件。根據地下結構的埋深，將結構覆土換算成上覆土荷載和側土壓力，施加在結構上進行結構內力計算；采用徑向彈簧模擬地層對結構的水平位移和垂直位移的約束作用[1]。采用承載能力極限狀態法檢算結構強度，結構重要性系數為1.1，分項系數為1.35。裂縫寬度不大于0.2 mm。如圖1所示。

6 計算結果分析

Ⅴ級圍巖淺埋段大跨度襯砌結構各關鍵位置處內力與彎矩值如表4所示。

表4 二襯關鍵點受力分析

從表4計算結果可以看出，各級圍巖e0/h0均小于0.55，根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》7.1.2條注3說明，可不驗算裂縫寬度。大跨度襯砌結構采用容許應力法配筋計算可滿足要求，但采用極限狀態法計算時，拱腳處的設計配筋面積設計配筋面積＜計算配筋面積，不滿足結構強度要求，設計襯砌斷面拱墻及仰拱厚度已經分別達到1 m和1.1 m，再增大襯砌厚度對提高結構強度的效果并不明顯，且不經濟。為滿足結構強度要求，可采用以下2個方法：增大襯砌配筋面積；提高襯砌混凝土強度[2，3]。下面分別通過這2種方法分析提高結構強度的經濟性。

從計算結果可以明顯看出，設計配筋量小于計算配筋量導致結構強度不滿足要求，因此，增大結構配筋面積顯然可以提高結構強度。計算結果采用的是雙排15根φ28 mm的鋼筋，為滿足要求，現采用單排15根φ32 mm+單排15根φ28 mm鋼筋，計算結果如表5所示。

表5 加強配筋后二襯關鍵點受力分析

從表5可以得出，當配筋面積從18 463 m2（雙排15根φ28 mm）增加至21 289 m2（單排15根φ32 mm+單排15根φ28 mm）時，設計配筋面積＞計算配筋面積，襯砌結構滿足度要求。

一般情況下，高速鐵路隧道襯砌選用C35鋼筋混凝土結構，本計算模型也是參考其他高速鐵路項目選用C35鋼筋混凝土襯砌結構，但由于本項目為大跨度結構，且常規設計不滿足結構強度，因此，本文嘗試通過提高混凝土強度來分析，看此方法能否對大跨結構強度的提高有無明顯效果[4，5]。現采用C40鋼筋混凝土襯砌結構計算大跨結構受力情況，計算結果如表6所示。

表6 加強混凝土強度后二襯關鍵點受力分析

從表6可以得出，在配筋面積不變的情況下，僅提高大跨襯砌結構混凝土強度，結構強度就可滿足要求。

7 結論

本文結合工程實例對大跨度襯砌結構設計的經濟性進行研究，得出以下結論：

1）在Ⅴ級圍巖淺埋段條件下，大跨度襯砌結構為小偏心受力構件，若提高結構強度，通過提高結構混凝土強度加強結構的效果優于通過增加結構配筋面積來加強結構的效果，通過提高混凝土強度可減少約0.74%的鋼筋配筋率，即提高混凝土標號更加經濟合理。

2）通過本文對高速鐵路大跨度襯砌結構受力分析計算可以得出，大跨度襯砌結構強度的提高不可只針對結構厚度和配筋面積的增加而獲得，當結構厚度和配筋面積達到一定程度時，再增加厚度和配筋面積，對結構強度的提高效果既不明顯也不經濟，可通過改善周邊圍巖情況以改善大跨度結構受力情況來提高結構強度，亦可通過提高結構混凝土強度來提高結構強度，這樣，既效果明顯也經濟合理。