基于荷載－結(jié)構(gòu)法的某鐵路淺埋隧道頂部超載影響分析

陳澤昌，劉建國

(深圳市市政設(shè)計研究院有限公司軌道交通院，廣東深圳518040)

隨著城市發(fā)展和市區(qū)土地的緊缺，包括鐵路在內(nèi)的各種城區(qū)軌道交通線路不可避免地會受到周邊工程建設(shè)活動的影響。在既有鐵路隧道周圍進行堆載、卸載等施工，會引起鄰近隧道的附加應(yīng)力與變形，影響其運營與安全，因此必須嚴格控制隧道沿線的填挖方施工，保證隧道結(jié)構(gòu)的安全。

在隧道安全性評價上，目前，隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算主要有荷載－結(jié)構(gòu)法和地層－結(jié)構(gòu)法兩種方法。對于整體式襯砌，荷載－結(jié)構(gòu)法是目前比較通用的計算方法，其使用關(guān)鍵是正確估算支護結(jié)構(gòu)所受荷載的大小及分布。根據(jù)地層、埋深、隧道開挖尺寸等影響因素的不同，人們建立了多種隧道荷載－結(jié)構(gòu)計算模型。對于鐵路隧道而言，按荷載－結(jié)構(gòu)模式進行設(shè)計計算時，土層參數(shù)、隧道埋深、坑道跨度、起拱角和地下水位等是其主要影響因素。

本文針對已投入運營的某淺埋鐵路隧道上方堆載情況，建立基于荷載－結(jié)構(gòu)法的有限元計算模型，分析頂部超載對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響。

1 工程概況

某鐵路隧道為單拱雙線隧道，長約880m，隧道建筑限界及襯砌內(nèi)輪廓按照預(yù)留電力牽引雙層集裝箱客貨共線考慮，設(shè)計時速為120km/h。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)新奧法的基本理論和復(fù)合式襯砌的設(shè)計原理，考慮了埋深、原巖應(yīng)力場以及影響圍巖自承能力等多種因素，按照破損階段法進行二次襯砌的結(jié)構(gòu)計算，并結(jié)合科學(xué)試驗成果和工程類比的方法進行設(shè)計。

頂部超載區(qū)的原隧道最小埋深約17m，圍巖級別為Ⅵ級，采用CRD法施工。該段隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，其橫斷面參見圖1。隧道的初期支護選用27cm厚的C25噴射混凝土和0.5m間距的工20鋼架，并沿拱墻周圍布置A22的注漿錨桿;二次襯砌選用55cm厚的C35防水鋼筋混凝土，主筋采用B25@200mm;隧道中線左右兩側(cè)各12m及拱頂上方8.0m至中風(fēng)化層范圍內(nèi)進行注漿加固。

根據(jù)地勘資料，該區(qū)域地表原為水塘，后來回填厚為8～12.7m的素填土，底部分布著厚為0.9m的淤泥質(zhì)土。頂板殘積粉質(zhì)黏土和花崗巖全風(fēng)化帶厚為5～10m，巖體風(fēng)化強烈，多呈硬塑土狀，松散結(jié)構(gòu)，遇水易軟化。第四系松散土層孔隙水豐富，滲透及富水性較好，水量大小受季節(jié)性影響，雨季洞室具滲水或滴水現(xiàn)象。各土(巖)層物理力學(xué)性質(zhì)參見表1。

圖1 堆載影響區(qū)隧道

表1 土(巖)層物理力學(xué)性質(zhì)指標

目前該隧道已投入運營，但由于隧道沿線地面保護不好，周圍地塊施工時將大量的棄土堆積在隧道上方，造成隧道頂部的地面標高遠遠超過了控制值，增加填土高度最大達到了約12m，因此必須重新檢算隧道結(jié)構(gòu)能否滿足受力變形要求。

2 基于荷載－結(jié)構(gòu)法的隧道計算模型

選取最不利位置，應(yīng)用MIDAS/GTS巖土與隧道結(jié)構(gòu)分析軟件，建立基于荷載－結(jié)構(gòu)法的計算模型，將隧道襯砌結(jié)構(gòu)簡化為平面應(yīng)變問題進行分析。計算時，隧道長度取為1m，選用梁單元模擬襯砌結(jié)構(gòu)，只受壓彈簧模擬地層作用，并考慮了初期支護對荷載的分擔(dān)作用。荷載大小根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003－2005)的附錄E的計算方法確定，并考慮地下水對隧道底板的浮托作用。

隧道荷載計算圖參見圖2。

圖2 隧道荷載計算

3 計算結(jié)果分析

為了研究隧道頂部超載對其結(jié)構(gòu)安全的影響，以下分別對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩、軸力、剪力及變形等進行分析。

3.1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)彎矩

從圖3可知:

(1)側(cè)墻中部位置出現(xiàn)了最大正彎矩為302.75kN·m，側(cè)墻與仰拱相交位置出現(xiàn)了最大負彎矩為－698.51kN·m，故以上部位為襯砌抗彎設(shè)計重點。

(2)頂拱及仰拱的彎矩值均較小，說明拱形結(jié)構(gòu)對減少襯砌截面彎矩較為有利。

3.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)軸力

圖4 襯砌結(jié)構(gòu)軸力

從圖4可知，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大軸力為－1904.31kN，出現(xiàn)在仰拱的拱頂位置;最小軸力為－1505.14kN，出現(xiàn)在頂拱的拱頂位置。軸力值均為負，說明隧道襯砌均為受壓結(jié)構(gòu)。

3.3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)剪力

圖5 襯砌結(jié)構(gòu)剪力

從圖5可知，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大剪力值為947.59kN，

出現(xiàn)在側(cè)墻與仰拱相交部位，故該處是抗剪設(shè)計的重點部位。

3.4 隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形

圖6 襯砌結(jié)構(gòu)變形

從圖6可知，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大變形為2.9mm，出現(xiàn)在側(cè)墻的中部位置。

3.5 隧道襯砌結(jié)構(gòu)截面驗算

鐵路隧道設(shè)計規(guī)范第11章的相關(guān)規(guī)定，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的主筋采用B25@200mm時，側(cè)墻局部位置(最大彎矩處)未能通過破損階段法彎矩驗算及鐵路裂縫驗算。

4 結(jié)論

通過以上分析可得出以下主要結(jié)論:

(1)頂部超載將造成該鐵路淺埋隧道襯砌的局部位置不能滿足規(guī)范要求，故須對隧道結(jié)構(gòu)進行更全面檢測評估，制定確保鐵路運營安全的有效措施。

(2)拱形結(jié)構(gòu)對減少隧道襯砌的截面彎矩較為有利;拱形隧道的側(cè)墻及底部角點位置往往是薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計時應(yīng)予以加強。

(3)對已投入運營的鐵路淺埋隧道，頂部超載對襯砌結(jié)構(gòu)的受力變形有較大影響，甚至危及鐵路的運營與安全，因此必須加強隧道沿線的地面保護工作，減少周邊工程建設(shè)活動對隧道結(jié)構(gòu)的影響。

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