單線隧道預(yù)制裝配式襯砌結(jié)構(gòu)選型及接頭參數(shù)敏感性分析

張勝龍，劉艷青，王志偉，馬偉斌，王子洪

（1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

傳統(tǒng)鐵路隧道襯砌由于結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計薄弱，排水設(shè)計不合理，施工工藝存在缺陷，質(zhì)量差，日常養(yǎng)護(hù)維修不到位，以及隧道底部受到列車動力、地下水侵蝕等方面的自然和人為因素作用，襯砌結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)開裂、破損、下陷、向兩側(cè)外擠以及翻漿、冒泥等病害，使得運(yùn)營期各類病害突出［1-2］。相對于既有建造技術(shù)，預(yù)制結(jié)構(gòu)具有縮短工期、方便施工、提高質(zhì)量、保護(hù)環(huán)境、控制成本等優(yōu)勢，其標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配式施工、智能化管理及專業(yè)化協(xié)同的特點(diǎn)適合我國鐵路隧道修建［3］。在國內(nèi)外的隧道與地下工程中已經(jīng)有了很多案例，如荷蘭鹿特丹地鐵“殼式裝配”結(jié)構(gòu)、日本仙臺地鐵“雙跨箱形”結(jié)構(gòu)、前蘇聯(lián)俄羅斯“整體管段”結(jié)構(gòu)，我國的秦嶺Ⅰ線隧道［4］（單線鐵路隧道）、大連地鐵袁家店站［5］（明挖地鐵車站）、南京緯三路過江隧道［6-7］（公路隧道）也進(jìn)行了多種預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實(shí)踐。

目前國內(nèi)雖然對城市軌道交通裝配式車站結(jié)構(gòu)有了一定的研究［8］，但對于鉆爆法鐵路隧道預(yù)制裝配式襯砌的研究尚未開展。本文針對單線鐵路隧道，進(jìn)行預(yù)制裝配式襯砌結(jié)構(gòu)選型研究，分析襯砌接頭剛度對整體襯砌結(jié)構(gòu)的影響，為單線鐵路隧道預(yù)制裝配式襯砌結(jié)構(gòu)研究提供設(shè)計思路。

1 整體襯砌內(nèi)力分析

1.1 荷載計算

采用經(jīng)典“荷載-結(jié)構(gòu)”模型對Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖深埋情況下單線鐵路隧道二次襯砌內(nèi)力進(jìn)行計算，隧道內(nèi)輪廓采用馬蹄形斷面。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》［9］，采用初期支護(hù)承擔(dān)70%荷載，二次襯砌承擔(dān)30%荷載的原則，進(jìn)行襯砌受力計算。具體計算公式為

式中：q為垂直均布壓力；γ為圍巖重度；hq為荷載等效高度；n為圍巖級別；ω為寬度影響系數(shù)；i為跨度每增減1 m 時圍巖壓力的增減率，B＞5 m 時i=0.1；B為隧道的跨度；λ為地層的側(cè)壓力系數(shù)；p為水平均布壓力。

Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖垂直荷載分別為60，120，200 kPa，水平荷載分別為9，36，100 kPa。

1.2 整體分析

整體襯砌斷面［10］如圖1（a）所示。采用有限元軟件ANSYS 對其進(jìn)行受力分析。襯砌采用Beam188 模擬，圍巖與襯砌的相互作用采用Link10 模擬［11］。隧道結(jié)構(gòu)厚0.3 m，劃分為90個單元，如圖1（b）所示。

圖1 整體襯砌斷面及計算模型

將荷載施加到模型，計算得到不同等級圍巖條件下整體襯砌所受的內(nèi)力，見圖2。

圖2 不同等級圍巖條件下整體襯砌所受內(nèi)力

不同等級圍巖條件下襯砌橫向和豎向位移最大值見表2。橫向?yàn)樨?fù)表示向內(nèi)移動，豎向?yàn)樨?fù)表示向下移動。

表2 襯砌位移最大值 mm

由圖2和表2可知：在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下整體襯砌軸力最大值位于拱腳處，其值分別為539，807，1 192 kN，彎矩最大值位于拱腳處，其值分別為128，283，480 kN·m。拱腳處彎矩和軸力均最大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)采取相應(yīng)加固措施。在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下整體襯砌橫向位移向內(nèi)，其最大值分別為0.62，2.52，13.94 mm，豎向位移向下，其最大值分別為2.23，4.62，4.91 mm。隨著圍巖等級的提高整體襯砌所受軸力、彎矩、橫向位移和豎向位移均逐漸增加，但是整體受力形式?jīng)]有發(fā)生改變。受力形式相同對預(yù)制結(jié)構(gòu)選型統(tǒng)一化具有重要意義。該種隧道斷面在Ⅴ級圍巖中橫向位移相對較大，應(yīng)將橫向位移作為重點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)。

2 整體襯砌分塊選型

綜合考慮結(jié)構(gòu)拼裝后整體安全、防水控制、施工難度、經(jīng)濟(jì)成本等因素，預(yù)制結(jié)構(gòu)徑向長度采用2 m。環(huán)向在彎矩零點(diǎn)位置分塊，整體襯砌分為8塊，具體如圖3所示。

圖3 整體襯砌分塊示意

對預(yù)制裝配式襯砌進(jìn)行受力計算。預(yù)制裝配式襯砌接頭位置主要采用Combin7［12］模擬，襯砌采用Beam188 模擬，圍巖與襯砌的相互作用采用Link10 模擬，整個隧道結(jié)構(gòu)劃分為90個單元，見圖4。

采用帶有旋轉(zhuǎn)剛度K的旋轉(zhuǎn)銷軸單元來描述接頭效應(yīng)。旋轉(zhuǎn)銷軸單元力學(xué)模型如圖5所示。

通過資料調(diào)研國內(nèi)襯砌接頭剛度一般在6.8～950 MN·m/rad［13］，接頭剛度取 240 MN·m/rad 進(jìn)行計算。在V 級圍巖條件下預(yù)制裝配式襯砌所受內(nèi)力見圖6。對比圖2和圖6可以看出：預(yù)制裝配式襯砌與傳統(tǒng)整體襯砌在受力形式上相同。

圖4 預(yù)制裝配式襯砌計算模型

圖5 旋轉(zhuǎn)銷軸單元力學(xué)模型

圖6 V級圍巖條件下預(yù)制裝配式襯砌所受內(nèi)力

各級圍巖條件下2種襯砌最大位移和所受內(nèi)力最大值對比見表3。2種襯砌位移和受力方向相同。

表3 整體襯砌和預(yù)制裝配式襯砌最大位移和所受內(nèi)力最大值對比

從表3可以看出：①Ⅲ級圍巖條件下預(yù)制裝配式襯砌最大橫向位移較整體襯砌增加0.01 mm，占比（橫向位移增加量/橫向位移原值，以下類推）1.6%；最大豎向位移增加0.03 mm，占比1.3%；最大軸力減小0.1 kN，占比0.02%；最大彎矩增加0.3 kN·m，占比0.20%。②IV 級圍巖條件下預(yù)制裝配式襯砌最大橫向位移較整體襯砌增加0.06 mm，占比2.4%；最大豎向位移增加0.06 mm，占比1.3%；最大軸力減少0.1 kN，占比0.01%；最大彎矩增加0.3 kN·m，占比0.11%。③V 級圍巖條件下預(yù)制裝配式襯砌較整體襯砌最大橫向位移增加0.14 mm，占比1.0%；最大豎向位移增加0.12 mm，占比2.4%；最大軸力減少0.7 kN，占比0.06%；最大彎矩增加0.7 kN·m，占比0.15%。預(yù)制裝配式襯砌和整體襯砌相比除軸力有所降低外，最大橫向位移、最大豎向位移和最大彎矩均有所增加，但是增幅不大，滿足要求。

3 接頭參數(shù)研究

為分析不同接頭剛度對預(yù)制裝配式襯砌接頭處受力的影響，接頭剛度分別取6.8，12.5，45，240，500，950 MN·m/rad進(jìn)行模擬計算。模型同圖5。由于接頭位置位于襯砌兩側(cè)對稱位置，受力相同，故取一側(cè)預(yù)制裝配式襯砌的計算結(jié)果與整體襯砌進(jìn)行對比，分別見表4—表6。

表4 預(yù)制裝配式襯砌和整體襯砌所受軸力對比 kN

表5 預(yù)制裝配式襯砌和整體襯砌所受彎矩對比 kN·m

表6 預(yù)制裝配式襯砌和整體襯砌位移對比 mm

由表4—表6可以看出：①隨著接頭剛度的增加接頭處軸力逐漸減小，向整體襯砌接頭處軸力靠近。當(dāng)接頭剛度大于240 MN·m/rad 時預(yù)制裝配式襯砌軸力和整體襯砌差距不大；②隨著接頭剛度的增加接頭處彎矩逐漸向整體襯砌接頭處彎矩靠近，當(dāng)接頭剛度大于240 MN·m/rad 時預(yù)制裝配式襯砌和整體襯砌彎矩差距不大；③綜合考慮受力穩(wěn)定與變形限制，建議預(yù)制裝配式襯砌接頭剛度不小于230 MN·m/rad。

4 結(jié)論

1）單線鐵路隧道整體襯砌在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下襯砌軸力最大值分別為539，807，1 192 kN，彎矩最大值分別為128，283，480 kN·m，橫向位移向內(nèi)，最大值分別為0.6，2.5，13.9 mm，豎向位移向下，最大值分別為2.2，4.6，4.9 mm。軸力和彎矩主要集中在拱腳處，設(shè)計時應(yīng)將拱腳處加固。該種隧道斷面在Ⅴ級圍巖中橫向位移相對較大，應(yīng)將其作為重點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)。

2）預(yù)制裝配式襯砌較整體襯砌在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下除最大軸力有所降低外，最大橫向位移、最大豎向位移和最大彎矩均有不同程度的增加，但增幅較小。

3）預(yù)制裝配式襯砌接頭剛度對接頭處受力有一定影響，接頭剛度越大越接近整體襯砌受力狀態(tài)。建議接頭剛度不小于230 MN·m/rad。