淺埋富水地層防水型鐵路隧道襯砌結構力學特性分析

鐘彥之

(廣州地鐵設計研究院有限公司 廣州市 510010)

淺埋富水條件下修建鐵路隧道，襯砌結構力學特征問題是隧道設計過程中面臨的一個重要問題。在早期鐵路隧道設計中多采用“以排為主”的原則，對于靜水壓力引入修正系數進行折減[1]。近年來，隨著綠水青山就是金山銀山的環保意識不斷深入，鐵路隧道防排水設計采用“防、排、截、堵相結合，因地制宜，綜合治理，保護環境[2]”的設計理念，襯砌結構勢必將承受一定的水壓力作用。為此國內外相關專家學者開展了大量相關研究工作，如李偉等[3]采用理論分析法對高壓富水隧道襯砌水壓力影響因素及其變化規律進行了研究；王長春等[4]采用數值模擬技術研究了地下水對隧道襯砌結構受力的影響；宋建禹等[5]建立三維有限元模型研究了隧道襯砌結構在高外水壓作用下的力學響應。

1 工程概況

南方某鐵路隧道洞身穿越地表沖溝段，拱部埋深約15m，圍巖以全風化頁巖夾砂巖為主。支護結構按照新奧法原理設計，采用V級防水型復合式襯砌結構，二次襯砌采用60cm厚C35防水鋼筋混凝土。

2 數值模擬

2.1 荷載結構模型建立

根據荷載-結構模型理論，假設襯砌四周均布地基彈簧，其中襯砌結構選用彈性梁單元Beam3模擬，隧道周邊圍巖約束及彈性抗力采用彈簧單元Combin14模擬，選用大型通用有限元軟件實現計算。通過對梁單元施加荷載，計算分析二次襯砌的結構力學特性。其中，計算模型示意圖如圖1所示，研究部位示意圖如圖2所示。

圖1 計算模型示意圖

圖2 研究部位示意圖

2.2 計算參數

根據隧道詳勘報告及現行《鐵路隧道設計規范》，確定計算模型周邊圍巖參數和支護結構計算參數。同時，考慮隧道開挖引起的荷載釋放和初期支護與二次襯砌之間的分配，假定二次襯砌承擔圍巖壓力的70%。

表1 圍巖計算參數

表2 二次襯砌混凝土參數

2.3 計算工況

為便于“精細化”分析不同水位下淺埋隧道襯砌結構力學特征，以2m水位遞減的方式，模擬了13個工況。計算工況示意圖如圖3所示。

圖3 計算工況示意圖

3 計算結果分析

3.1 軸力峰值部位分析

按照圖2所示研究部位分別提取每一種計算工況下二次襯砌橫斷面軸力最大值和最小值，并繪制不同工況下軸力峰值變化情況，如圖4、圖5所示。

圖4 不同工況下最大軸力值變化曲線

圖5 不同工況下最小軸力值變化曲線

由圖4、圖5可以看出，隨著工況1～工況13的變化，軸力最大值、最小值的部位并未發生變化，分別位于仰拱的最底部和拱頂處。同時隨著水位的降低，對應工況下的軸力峰值也在不斷減小，最終軸力最大值為-1779.4kN，最小值為-893.32kN，佐證了水位降到仰拱以下之后，地下水對二次襯砌結構受力就沒有影響了。

3.2 彎矩峰值部位分析

按照圖2所示研究部位分別提取每一種計算工況下二次襯砌橫斷面軸力最大值和最小值，并繪制不同工況下軸力峰值變化情況，如圖6、圖7所示。

圖6 不同工況下最大彎矩值變化曲線

圖7 不同工況下最小彎矩值變化曲線

由圖6、圖7可以看出，隨著工況1～工況13的變化，彎矩最大值的部位并未發生變化，均位于拱頂處；而彎矩最小值卻隨著工況的不同，在邊墻與拱腰之間變化，但主要發生在邊墻處。同時隨著水位的降低，對應工況下的彎矩峰值呈現出不同程度的波浪形增大，主要是因為水荷載的存在，使隧道承受的水平荷載相對增大，進而使二次襯砌結構處于較好的三向受力狀態，但隨著水位的降低，水平壓力側向系數逐漸降低，打破了三向受力的平衡，襯砌內力的彎矩呈增大趨勢。

3.3 控制部位內力變化分析

按照圖2所示研究部位分別提取每一種計算工況下二次襯砌橫斷面研究部位處軸力、彎矩及偏心距值，如表3～表5所示。并繪制不同工況下研究部位處軸力、彎矩及偏心距的變化趨勢，如圖8～圖10所示。

圖10 不同工況下二襯結構控制截面偏心距變化趨勢

表3 控制部位軸力(單位：kN)

表4 控制部位彎矩(單位：kN·m)

表5 控制部位偏心距(單位：cm)

圖8 不同工況下二襯結構控制截面軸力變化趨勢

由圖8可以看出，隨著工況1～工況13的變化，軸力自拱頂、拱腰、邊墻、仰拱依次增大，且在襯砌橫斷面上呈“雞蛋”式分布。并隨著水位的降低，二次襯砌結構不同位置處的軸力均在下降，并趨于穩定。

由圖9可以看出，隨著工況1～工況13的變化，彎矩最大值的部位并未發生變化，均為拱頂處。隨著水位的降低，襯砌結構拱頂、拱腰處的彎矩在上升，而仰拱、邊墻處的彎矩在下降并趨近于穩定。

圖9 不同工況下二襯結構控制截面彎矩變化趨勢

由圖10可以看出，隨著工況1～工況13的變化，偏心距最大值的部位并未發生變化，均為拱頂處。隨著水位的降低，襯砌結構拱頂、拱腰處的偏心距在上升，而仰拱、邊墻處的偏心距基本不變。

4 結束語

(1)隧道襯砌結構拱頂處彎矩最大、偏心距最大。由于澆筑成拱時拱頂處的混凝土密實度相對較易出現問題，因此屬于應特別注意的部位。當拱頂襯砌背后有空洞時，應及時回填注漿，或打設拱部錨桿進行整治。

(2)襯砌結構墻腳部位也是一個薄弱部位，在強度不足時可嘗試用鎖腳錨桿來承擔此處的剪力。

(3)當地下水高于拱頂時，隧道襯砌結構軸力和彎矩值都比較大，設計時將水荷載作為淺埋富水地層隧道結構受力的主要荷載之一是非常有必要的。同時，為保障隧道結構的安全，穿越該地層時應采用鋼筋混凝土襯砌。