車輛荷載對隧道護拱襯砌安全性影響分析

石宏泰 黃 河 鄭燁晨

(中鐵七局集團第三工程有限公司，陜西 西安 710000)

高速鐵路隧道下穿既有公路時，常遇到淺埋、地層軟弱、路面沉降難以控制等難題[1]，不宜采用明挖施工，常采用超前支護結合暗挖施工方法。但暗挖法存在施工周期長、造價高，超前支護施工質量難以保證等問題，因此，護拱暗挖法得到了廣泛應用[2,3]。徐光和[4]依托岱山隧道工程，對護拱明挖法與暗挖法進行了對比，得出護拱暗挖法具有縮短工期、減小隧道施工風險、降低造價等優點的結論；潘乘浪[5]結合下穿西湖風景區的紫之隧道工程，對護拱法設計施工技術進行研究，得出該方法既確保了工程安全和進度，又能大大減少地表開挖和植被破壞，經濟效益和環保效益顯著的結論；桂登斌等[6]根據彈性理論推導了護拱與初期支護的圍巖荷載分擔比例公式，采用荷載—結構模型，計算了護拱襯砌和初期支護的內力、安全系數，評價了護拱和初期支護的安全性。

護拱暗挖法施工中，護拱上方回填土石，恢復路面交通是關鍵步驟，此時施工車輛常借道路面行駛，車輛超載作用下護拱襯砌的受力狀態較填土自重狀態更為不利，護拱安全性較為突出。本文以某高速鐵路隧道下穿既有縣道工程為依托，采用ANSYS進行車輛超載作用下護拱襯砌結構數值分析，評價了護拱襯砌結構的安全性，以期為類似工程提供參考。

1 工程背景

某高速鐵路隧道下穿既有縣道，采用明洞+護拱+回填層結構。隧道明洞為C35鋼筋混凝土結構，護拱采用復合式襯砌，初支采用28 cm厚C25噴射混凝土+Ⅰ20b型鋼鋼架(間距1.0 m/榀)，二次襯砌采用C35鋼筋混凝土結構。護拱兩側采用C20混凝土回填至拱頂，然后施作防水層，防水層上土石夯填，最后進行C35混凝土路面施工，隧道斷面如圖1所示。現場施工步驟為：1)邊坡開挖，留護拱部位核心土；2)澆筑護拱結構；3)回填，鋪設混凝土路面，恢復交通；4)暗挖護拱下方土體；5)施作初期支護；6)澆筑二次襯砌。

2 數值模型

2.1 有限元模型及參數

根據隧道明洞段設計圖紙，選取典型斷面進行二維數值模擬。有限元模型如圖2所示。模型水平長度(x方向)100 m，豎向高度(y方向)50 m，模型底邊界約束豎向(y向)位移，左右邊界約束水平(x向)位移。模型中自地表向下依次為C35路面混凝土(30 cm)、地表土層(2 m)、回填土石(2 m)、C20回填素混凝土，C35鋼筋混凝土護拱(1 m)、基巖。

由于汽車動荷載產生的動應力自地表向下衰減很快，因此模型中所有材料均采用彈性模型，采用Plane42單元模擬。計算中鋼筋混凝土護拱只考慮混凝土參數，未考慮鋼筋作用，模型計算參數如表1所示。

表1 計算參數

2.2 車輛荷載模擬

車輛行駛屬于多自由度且難以識別、復雜的振動體系，汽車與路面的相互作用主要屬于多自由度系統沖擊動力學問題，沖擊產生的動應力經過路面層、回填土石層和回填混凝土層的傳播，施加于護拱結構上。沖擊力(荷載)的大小受汽車自重、行駛速度、路面路況、輪胎阻尼等多因素影響，且各因素通常存在相互影響。為簡化分析，計算中基于如下假設：

1)將動力學問題簡化為擬靜力問題求解。車重取100 t即1 000 kN，從前輪到后輪，軸重按1∶1∶2∶2取值，則單側車輪總共承受重力500 kN，荷載布置如圖3所示。

2)車輛軸重平均分配在每個車輪上，不考慮車輪與混凝土路面的接觸特性，軸重直接以集中力形式作用在車輪幾何中心。縣道最高速度為60 km/h=16.7 m/s，列車荷載可視為以速度v運行的一系列離散的集中力，車輛的沖擊系數取1.4。

3)計算中首先進行自重作用下明洞施工過程模擬(步驟1)～4)，此時為車輛荷載作用的最不利工況)，然后施加移動的車輛荷載進行求解，從計算結果中取最大值進行分析評價。

3 計算結果分析

3.1 護拱襯砌應力隨時間變化規律

圖4為隧道護拱拱頂單元第一主應力與時間關系曲線，圖中時間為1 s時為自重作用下護拱暗挖施工時工況，自2 s開始為車輛荷載作用。可以看出，第一主應力呈現正弦變化規律，在時間t=3.44 s時達到最大值，此時對應于圖3中后軸兩個集中力作用在明洞正上方。車輛荷載在護拱襯砌中產生較大的拉應力，數值遠超過自重荷載，其他部位的主應力也有類似規律。

3.2 護拱襯砌位移最大值

圖5為隧道護拱襯砌結構位移最大值。由圖5a)可以看出，水平位移呈不對稱分布，右拱腳大于左拱腳，最大值位于右拱腳位置，數值約為0.061 mm，這是由于車輛第一個集中力作用在拱頂處時達到最大值，此時，荷載主要作用在護拱左半部分。由圖5b)可以看出，豎向位移也呈現不對稱分布規律，最大值位于拱頂部位，數值約為0.347 mm，約為水平位移的6倍，說明車輛荷載作用下護拱襯砌以豎向變形為主。

3.3 護拱襯砌應力最大值

圖6為隧道護拱襯砌結構主應力最大值，可以看出主應力大致呈對稱分布規律。由圖6a)可以看出，拱頂內側受拉，拱腳底部與圍巖接觸處也承受拉應力，第一主應力在拱腳處最大，數值約為325 kPa，說明暗挖施工中，拱腳是薄弱部位，有與圍巖產生錯動分離的可能。由圖6b)可以看出，護拱襯砌全部承受拉應力，第三主應力在拱腳處外側最大，數值約為1.37 MPa。

根據TB 10003—2016鐵路隧道設計規范，C35混凝土的容許壓應力為13 MPa，容許拉應力為0.6 MPa，由上述數據可知，隧道護拱結構上的第一主應力均未超過材料的容許拉應力，第三主應力均未超過材料的容許壓應力，因此護拱結構安全性滿足規范要求。

4 結語

通過上述計算分析，得到如下結論：

1)車輛荷載作用下，隧道護拱結構產生較大的拉應力和壓應力，且數值遠超過自重荷載，因此施工車輛超載是現場不可忽視的因素，路面恢復交通后應加強觀察，避免路面產生顯著的局部不均勻沉降，進而加大汽車沖擊效應。

2)車輛荷載作用下，護拱襯砌拱頂產生向下沉降變形，拱腳產生向內水平收斂變形，且豎向變形遠大于水平變形。護拱襯砌拱頂受拉，拱腳與圍巖接觸處也承受拉應力，拱腳有脫離圍巖的可能性。暗挖施工中應密切監控襯砌拱腳變形情況，避免拱腳脫離造成的承載力不足問題。

3)車輛荷載作用下，護拱結構拱頂下沉最大值為0.037 mm，數值較小；護拱結構上的第一主應力和第三主應力最大值均未超過規范要求的材料容許應力，結構安全性滿足要求。