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(jié)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(zhì)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(yōu)點的結(jié)論；潘乘浪[5]結(jié)合下穿西湖風景區(qū)的紫之隧道工程，對護拱法設計施工技術(shù)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(jīng)濟效益和環(huán)保效益顯著的結(jié)論；桂登斌等[6]根據(jù)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(jié)構(gòu)模型，計算了護拱襯砌和初期支護的內(nèi)力、安全系數(shù)，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(guān)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(tài)較填土自重狀態(tài)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(jié)構(gòu)數(shù)值分析，評價了護拱襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。隧道明洞為C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。護拱兩側(cè)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(xiàn)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(jié)構(gòu)；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(shù)值模型

2.1 有限元模型及參數(shù)

根據(jù)隧道明洞段設計圖紙，選取典型斷面進行二維數(shù)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(chǎn)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(shù)，未考慮鋼筋作用，模型計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)

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(tǒng)沖擊動力學問題，沖擊產(chǎn)生的動應力經(jīng)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(jié)構(gòu)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(cè)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?？h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(shù)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(jié)果中取最大值進行分析評價。

3 計算結(jié)果分析

3.1 護拱襯砌應力隨時間變化規(guī)律

圖4為隧道護拱拱頂單元第一主應力與時間關(guān)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?？梢钥闯觯谝恢鲬Τ尸F(xiàn)正弦變化規(guī)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(chǎn)生較大的拉應力，數(shù)值遠超過自重荷載，其他部位的主應力也有類似規(guī)律。

3.2 護拱襯砌位移最大值

圖5為隧道護拱襯砌結(jié)構(gòu)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(shù)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(xiàn)不對稱分布規(guī)律，最大值位于拱頂部位，數(shù)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(jié)構(gòu)主應力最大值，可以看出主應力大致呈對稱分布規(guī)律。由圖6a)可以看出，拱頂內(nèi)側(cè)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(shù)值約為325 kPa，說明暗挖施工中，拱腳是薄弱部位，有與圍巖產(chǎn)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(cè)最大，數(shù)值約為1.37 MPa。

根據(jù)TB 10003—2016鐵路隧道設計規(guī)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(shù)據(jù)可知，隧道護拱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)安全性滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

通過上述計算分析，得到如下結(jié)論：

1)車輛荷載作用下，隧道護拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的拉應力和壓應力，且數(shù)值遠超過自重荷載，因此施工車輛超載是現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)生向下沉降變形，拱腳產(chǎn)生向內(nèi)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(jiān)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(jié)構(gòu)拱頂下沉最大值為0.037 mm，數(shù)值較?。蛔o拱結(jié)構(gòu)上的第一主應力和第三主應力最大值均未超過規(guī)范要求的材料容許應力，結(jié)構(gòu)安全性滿足要求。