大跨度高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性研究

史天龍

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)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(shè)計(jì)均參考TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》及經(jīng)規(guī)標(biāo)準(zhǔn)函等規(guī)定確定隧道襯砌結(jié)構(gòu)，但對(duì)于大跨度襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)往往借鑒既有工程實(shí)例確定襯砌結(jié)構(gòu)，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求下，大多情況下設(shè)計(jì)是比較保守的，因此，研究大跨度隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)降低整個(gè)工程投資造價(jià)十分必要。

2 工程概述

張家山隧道位于重慶市南岸區(qū)，設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km/h，受站場(chǎng)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(shè)計(jì)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(jù)地質(zhì)鉆孔資料顯示，圍巖計(jì)算物理學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 Ⅴ級(jí)圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3 大跨度襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況

本工程位于重慶東站附近，受站場(chǎng)布置影響，隧道斷面需加大，結(jié)合周邊既有工程實(shí)例分析確定本隧道大跨度襯砌結(jié)構(gòu)，二襯混凝土標(biāo)號(hào)為C35，主筋采用HRB400鋼筋，具體襯砌支護(hù)參數(shù)如表2所示。

表2 大跨隧道襯砌支護(hù)參數(shù)表

4 設(shè)計(jì)荷載計(jì)算

本大跨度襯砌結(jié)構(gòu)覆土較淺，為淺埋隧道襯砌，根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E淺埋隧道荷載計(jì)算方法規(guī)定（見表3）。

表3 大跨度隧道襯砌淺埋荷載

5 大跨度襯砌結(jié)構(gòu)模型建立

圖1 計(jì)算模型示意圖

按荷載-結(jié)構(gòu)模型，采用SAP84結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件。根據(jù)地下結(jié)構(gòu)的埋深，將結(jié)構(gòu)覆土換算成上覆土荷載和側(cè)土壓力，施加在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算；采用徑向彈簧模擬地層對(duì)結(jié)構(gòu)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(tài)法檢算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，分項(xiàng)系數(shù)為1.35。裂縫寬度不大于0.2 mm。如圖1所示。

6 計(jì)算結(jié)果分析

Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段大跨度襯砌結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵位置處內(nèi)力與彎矩值如表4所示。

表4 二襯關(guān)鍵點(diǎn)受力分析

從表4計(jì)算結(jié)果可以看出，各級(jí)圍巖e0/h0均小于0.55，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》7.1.2條注3說(shuō)明，可不驗(yàn)算裂縫寬度。大跨度襯砌結(jié)構(gòu)采用容許應(yīng)力法配筋計(jì)算可滿足要求，但采用極限狀態(tài)法計(jì)算時(shí)，拱腳處的設(shè)計(jì)配筋面積設(shè)計(jì)配筋面積＜計(jì)算配筋面積，不滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)襯砌斷面拱墻及仰拱厚度已經(jīng)分別達(dá)到1 m和1.1 m，再增大襯砌厚度對(duì)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的效果并不明顯，且不經(jīng)濟(jì)。為滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，可采用以下2個(gè)方法：增大襯砌配筋面積；提高襯砌混凝土強(qiáng)度[2，3]。下面分別通過(guò)這2種方法分析提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)性。

從計(jì)算結(jié)果可以明顯看出，設(shè)計(jì)配筋量小于計(jì)算配筋量導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足要求，因此，增大結(jié)構(gòu)配筋面積顯然可以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果采用的是雙排15根φ28 mm的鋼筋，為滿足要求，現(xiàn)采用單排15根φ32 mm+單排15根φ28 mm鋼筋，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 加強(qiáng)配筋后二襯關(guān)鍵點(diǎn)受力分析

從表5可以得出，當(dāng)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(shí)，設(shè)計(jì)配筋面積＞計(jì)算配筋面積，襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，本計(jì)算模型也是參考其他高速鐵路項(xiàng)目選用C35鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，但由于本項(xiàng)目為大跨度結(jié)構(gòu)，且常規(guī)設(shè)計(jì)不滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，本文嘗試通過(guò)提高混凝土強(qiáng)度來(lái)分析，看此方法能否對(duì)大跨結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提高有無(wú)明顯效果[4，5]?，F(xiàn)采用C40鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算大跨結(jié)構(gòu)受力情況，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 加強(qiáng)混凝土強(qiáng)度后二襯關(guān)鍵點(diǎn)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(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就可滿足要求。

7 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)大跨度襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）在Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段條件下，大跨度襯砌結(jié)構(gòu)為小偏心受力構(gòu)件，若提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過(guò)提高結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的效果優(yōu)于通過(guò)增加結(jié)構(gòu)配筋面積來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的效果，通過(guò)提高混凝土強(qiáng)度可減少約0.74%的鋼筋配筋率，即提高混凝土標(biāo)號(hào)更加經(jīng)濟(jì)合理。

2）通過(guò)本文對(duì)高速鐵路大跨度襯砌結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算可以得出，大跨度襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提高不可只針對(duì)結(jié)構(gòu)厚度和配筋面積的增加而獲得，當(dāng)結(jié)構(gòu)厚度和配筋面積達(dá)到一定程度時(shí)，再增加厚度和配筋面積，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提高效果既不明顯也不經(jīng)濟(jì)，可通過(guò)改善周邊圍巖情況以改善大跨度結(jié)構(gòu)受力情況來(lái)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，亦可通過(guò)提高結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度來(lái)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這樣，既效果明顯也經(jīng)濟(jì)合理。