高速鐵路隧道仰拱與填充整體澆筑問題研究

2025-04-23 00:00:00李濟良汪勇劉偉施定林劉濤

四川建筑 2025年1期

【摘要】隧道工程的仰拱與填充整體澆筑問題是近年來隧道建設的焦點問題，整體澆筑可提高施工進度，但也改變了隧底結構。以新建重慶至昆明高速鐵路為例，通過有限元數值模擬，研究了仰拱與填充整體澆筑對襯砌結構受力的影響，并提出了工程應對措施。研究結果表明，中心溝附近屬于結構的薄弱區，最容易發生剪切、開裂破壞；仰拱變厚加強了隧道基礎結構，導致隧道拱部及邊墻的受力有所減少，仰拱受力增加；填充物與仰拱共同受力，導致填充物受拉嚴重，存在表面開裂風險。為保證運營安全，在仰拱與填充整體澆筑時，填充物應采用與仰拱同強度混凝土，并加強隧底結構配筋，對仰拱為素混凝土的襯砌結構，應增設防開裂的鋼筋網片，同時應盡量取消中心水溝或采用其他排水方式。研究得到的結論可為設計與現場施工提供參考，也為類似工程提供借鑒。

【關鍵詞】高速鐵路；仰拱；仰拱填充；整體澆筑；數值模擬；加強配筋

【中圖分類號】U455.91A

0 引言

隨著我國鐵路事業的蓬勃發展，高速鐵路引來了建設高潮。受高速鐵路線路曲線半徑的控制，隧道工程的占比大幅增加，且出現了大量的特長隧道。高鐵線路的建設工期往往受控于隧道工程，如何多方位提高隧道建設速度成為鐵路建設者關注的重點。仰拱與填充的澆筑作為隧道施工的關鍵工序，其能否整體澆筑也成為了業界焦點話題。

陳永照［1］對仰拱與填充一次性澆筑成型施工方法進行了研究，指出填充的混凝土將承受拉應力，容易造成路面施工縫、中心排水溝等部位發生拉裂破壞，認為仰拱與填充一次性澆筑成型工法對整個隧道支護體系造成了安全隱患。卿偉宸等［2］采用數值計算手段對仰拱與填充整體澆筑進行了探討，指出當設置中心管（溝）時，整體澆筑對填充物表面形成較大的拉應力，對結構不利；當不設置中心管（溝）時，整體澆筑可減少襯砌結構其他部位的受力。

仰拱是隧道結構的重要組成部分，一方面要將隧道上部的地層壓力通過隧道邊墻結構或將路面上的荷載有效的傳遞到地下，而且還有效抵抗隧道下部地層傳來的反力。實際上是能承受地層永久荷載和路面臨時荷載（動荷載）的一種地基梁（板），因此仰拱的受力狀態比較復雜［3-4］，一般采用高強度的混凝土，圍巖條件較差時還需采用鋼筋混凝土結構。仰拱填充是利用混凝土將弧形仰拱形成的空間回填為平整的路面，便于施工期間的車輛運輸及運營期間的列車運行，一般情況下只承受豎向壓力荷載，故其普遍采用低強度的混凝土。在現行行業規范中，2020年之前頒布的隧道相關設計、施工規范［5-8］均普遍要求仰拱填充應在仰拱混凝土終凝后施作；2020年頒布的隧道襯砌施工規程［9］提出了新要求，即在確定質量保證措施后，仰拱填充與仰拱混凝土可一次澆筑完成。本文依托在建渝昆高鐵，通過數值計算分析，研究雙線合修隧道的仰拱與填充整體澆筑的工程質量保證措施，為設計與現場施工提供參考，也為類似工程提供借鑒。

1 項目概況

1.1 工程概況

重慶至昆明高速鐵路位于我國西南地區的重慶市、四川省、貴州省和云南省境內，線路自重慶樞紐重慶西站引出后，沿途經過重慶江津和永川區、四川瀘州和宜賓市、貴州畢節市、云南昭通和曲靖市后接入昆明樞紐昆明南站渝昆場，線路全長699.3 km。渝昆高鐵設計速度350 km/h，是國家“八縱八橫”高鐵網中京昆通道的重要組成部分。與成都至自貢至宜賓高速鐵路銜接，構成成都至昆明高速鐵路通道，連接重慶、成都、昆明三個省會城市，在區域經濟社會發展和路網中具有重要地位。全線新建隧道91座，隧道總長350.397 km，占正線長度的50.1%。全線于2021年全面開工，土建工程要求工期為5年。

1.2 工程地質條件

本線位于艱險山區，地質條件極其復雜，地質問題包羅萬象，堪稱高鐵建設地質博物館［10］。主要不良地質為地震及活動斷裂、煤層采空區及瓦斯、巖溶、滑坡、危巖落石及巖堆、泥石流、高地應力、順層、淺層天然氣等。

1.3 隧道結構設計情況

全線除明洞、斜切及特殊襯砌段落，均采用復合式襯砌，其中Ⅱ級圍巖段采用曲墻帶底板結構，無仰拱填充；Ⅲ～Ⅴ級圍巖段采用曲墻帶仰拱結構，其結構形式如圖1所示。

施工圖設計根據圍巖及地質條件，將襯砌類型分為七類，具體見表1。

Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段拱墻二次襯砌采用素混凝土，IV、V級圍巖地段拱墻及仰拱二次襯砌均采用鋼筋混凝土。仰拱與仰拱填充分開澆筑，在無地下水侵蝕性環境下，仰拱采用C35混凝土，仰拱填充采用C20混凝土。各類襯砌的襯砌厚度與主筋配置詳見表2。

2 仰拱與填充整體澆筑數值模擬

2.1 計算模型

通過ANSYS軟件，采用荷載-結構模型進行計算，將連續的介質離散化，采用彈性支承法進行內力分析。模型假定：地層對襯砌的作用始終在平面應變狀態下；地層與襯砌之間存在約束，忽略切向約束的作用，用徑向彈簧模擬，不考慮地層的拉力，襯砌被認為是勻質連續的，且在變形過程中一直處于彈性應力狀態。

其中，采用梁單元模擬二襯，用桿件單元模擬襯砌的徑向彈簧，彈簧的勁度系數為地層的彈性抗力系數。建模時，考慮仰拱與填充整體澆筑，故將仰拱填充的厚度與仰拱襯砌的厚度之和考慮為隧底梁單元的厚度。隧道襯砌整體共劃分為100個單元，計算模型如圖2所示（各級圍巖及地質條件的建模節點及單元劃分相同）。

2.2 計算參數

計算時參照TB 1003-2016《鐵路隧道設計規范》（簡稱隧規），選取圍巖及二襯的物理力學參數，主要參數見表3。

2.3 計算工況與結果

為研究在各級圍巖的不同地質條件下，仰拱與填充整體澆筑對結構受力的影響，計算考慮Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖共6種襯砌的6種工況。通過對彈簧單元外部施加固定約束，再對梁單元施加載荷，計算得出二次襯砌的結構內力。以IV級圍巖為例，根據IVa襯砌適應的地質條件（Ⅳ級圍巖深埋以硬質巖為主），參照隧規的“附錄D 深埋隧道荷載計算方法”，對模型進行加載后的有限元計算結果如圖3～圖5所示。

由計算結果可知，仰拱與填充整體澆筑時，襯砌最大彎矩出現在仰拱底部的中心溝兩側，仰拱填充表面受拉嚴重；最大剪力出現在仰拱底部中心溝兩側、仰拱與邊墻連接處；最大軸力為仰拱最低處的中心溝位置。各襯砌詳細內力計算結果如表4所示。

3 計算結果分析與工程應對措施

3.1 計算結果分析

根據有限元分析結果，進行綜合分析，可以得到仰拱與填充整體澆筑對襯砌結構的影響如下：①仰拱結構變厚，但中心溝附近屬于結構的薄弱區，最容易發生剪切、開裂破壞。②整體澆筑對襯砌結構的整體受力趨勢影響較小，但由于仰拱結構變厚加強了隧道基礎結構，導致隧道拱部及邊墻的受力有所減少。③整體澆筑后，填充物與仰拱共同受力，導致填充物受拉嚴重，存在表面開裂風險。

3.2 應對措施

根據上述分析情況，在填充物與仰拱整體澆筑時，為保證運營安全與質量，應采取以下工程應對措施：①對地下水量較小地段，可考慮取消中心溝，由側溝進行排水，以減少中心溝對隧底結構造成的應力集中效應。②填充應與仰拱采用同強度混凝土，并加強大體積混凝土的施工質量控制，避免填充物與仰拱之間出現不規則的施工冷縫。③仰拱結構受力增加后，應根據內力分析結果，將填充物與仰拱考慮為整體梁結構進行配筋。

通過計算內力結果，按破損階段承載能力計算和正常使用極限狀態的裂縫計算控制配筋，推薦配筋情況見表5。

Ⅲ級圍巖襯砌結構滿足承載要求，不需配筋，但GB 50496-2018《大體積混凝土施工標準》［11］規定，大體積混凝土結構配筋除應滿足結構承載力結合構造要求外，還應結合大體積混凝土的施工方法配置控制溫度和收縮的構造鋼筋。故在仰拱與填充整體澆筑時，III級圍巖的仰拱填充表層應增設鋼筋網片，建議采用12 mm鋼筋，間距20 cm×20 cm。

4 結束語

現行的鐵路規范以要求仰拱與填充分開澆筑為主，且各項目多是采用分開澆筑的方式進行施工。本文以渝昆高鐵的雙線隧道為例，通過有限元數值模擬，得到的計算結果表明仰拱與填充在采取一定的工程措施下，可進行整體澆筑。

（1）中心水溝對整體澆筑的受力影響較大，應盡量取消中心水溝或采用其他排水方式。

（2）為保證整體澆筑后的結構安全，填充物應與仰拱采用同強度混凝土。

（3）整體澆筑后，仰拱受力增加，填充層表面受拉嚴重，應加強結構配筋。對仰拱為素混凝土的襯砌結構，應增設防開裂的鋼筋網片。

參考文獻

［1］陳永照. 高速鐵路隧道仰拱襯砌結構力學特性及快速施工技術研究［D］. 北京：中國鐵道科學研究院，2012.

［2］卿偉宸，鐘昌桂，曾宏飛. 關于鐵路隧道仰拱與填充整體澆筑的探討［J］. 隧道建設，2021，41（增刊1）：63-69.

［3］周宇鍇，張志強. 活動斷層中隧道結構受力與安全評價［J］. 四川建筑，2019，39（6）：135-137.

［4］廖煒. 既有隧道病害綜合處治技術［J］. 四川建筑，2014，34（3）：225-227.

［5］鐵路隧道設計規范：TB 10003－2016 ［S］.北京：中國鐵道出版社，2017.

［6］城際鐵路設計規范：TB 10623－2014 ［S］.北京：中國鐵道出版社，2015.