基于結(jié)構(gòu)受力模式主動調(diào)整的高速鐵路雙線隧道預(yù)制裝配式襯砌的設(shè)計(jì)選型

馬偉斌 王志偉 張勝龍 郭小雄 王子洪

（1.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；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心，北京 100081）

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外城市地下工程中已經(jīng)有一定應(yīng)用［1-2］。地下工程預(yù)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮結(jié)構(gòu)運(yùn)輸、拼裝、防水、受力等因素。從結(jié)構(gòu)受力角度來說，預(yù)制地下結(jié)構(gòu)分塊設(shè)計(jì)分為最小彎矩位置分塊、最大彎矩位置分塊和混合分塊3種。最小彎矩位置分塊可以最大限度保持整體結(jié)構(gòu)力學(xué)行為［3］，如前蘇聯(lián)俄羅斯“整體管段”隧道、荷蘭鹿特丹地鐵“殼式裝配”隧道［4］、我國秦嶺Ⅰ線隧道［5］和我國大部分地鐵隧道［6］。國內(nèi)也有從彎矩最大位置進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)的工程案例，如大連地鐵袁家店站（明挖地鐵車站）［7］。

目前國內(nèi)針對鉆爆法山嶺隧道襯砌設(shè)計(jì)選型研究較少。本文針對我國350 km/h 高速鐵路雙線隧道斷面從彎矩最大位置分塊，分析襯砌接頭剛度對襯砌結(jié)構(gòu)的影響，為雙線鐵路隧道預(yù)制裝配式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供思路。

1 整體襯砌內(nèi)力分析

1.1 模型的建立與參數(shù)的確定

隧道斷面采用時(shí)速350 km 高速列車雙線隧道復(fù)合式襯砌斷面型式，如圖1（a）所示。隧道二次襯砌的內(nèi)力計(jì)算采用經(jīng)典“荷載-結(jié)構(gòu)”模型。襯砌采用三維梁單元（beam188）模擬，圍巖與襯砌的相互作用采用無拉鏈桿（link10）模擬［8］。隧道結(jié)構(gòu)劃分為425 個(gè)單元，計(jì)算模型如圖1（b）所示。

圖1 整體襯砌斷面及計(jì)算模型

采用數(shù)值分析軟件計(jì)算Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下，深埋隧道結(jié)構(gòu)的受力特性。襯砌結(jié)構(gòu)厚0.45 m，圍巖及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)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%荷載的方式進(jìn)行襯砌內(nèi)力計(jì)算［10］。Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖水平荷載分別為9，36，100 kPa，垂直荷載分別為60，120，200 kPa。

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

1.2 內(nèi)力分析

在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下整體襯砌軸力最大值出現(xiàn)在仰拱，其值分別為686.8，1 234.4，1 949.8 kN；彎矩最大值出現(xiàn)于拱頂，其值分別為40.6，79.4，136.7 kN·m；襯砌橫向位移向內(nèi)，最大值分別為0.91，2.03，4.38 mm；襯砌豎向位移向下，最大值分別為3.57，7.55，15.31 mm。隨圍巖等級的提高（Ⅲ級—Ⅴ級）襯砌所受軸力、彎矩、橫向位移和豎向位移逐漸增加，但是整體受力形式?jīng)]有發(fā)生改變，對預(yù)制結(jié)構(gòu)選型統(tǒng)一化具有重要意義。

2 預(yù)制裝配式襯砌分塊設(shè)計(jì)

綜合考慮結(jié)構(gòu)預(yù)制、運(yùn)輸、施工、防水等因素，預(yù)制結(jié)構(gòu)徑向長度采用1 m。環(huán)向從彎矩極大位置開始將整個(gè)襯砌分為7塊。

計(jì)算模型如圖2 所示。襯砌采用三維梁單元（beam188）模擬，接頭位置采用旋轉(zhuǎn)銷軸單元（combin7）［9］進(jìn)行模擬，圍巖與襯砌的相互作用采用無拉鏈桿（link10）［8］模擬。模型共劃分為432 個(gè)單元。

圖2 預(yù)制裝配式襯砌計(jì)算模型

國內(nèi)隧道襯砌接頭剛度一般在6.8～950 MN·m/rad［7］。計(jì)算時(shí)接頭剛度分別取 0，6.8，12.5，45，240，500，950 MN·m/rad。計(jì)算Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下預(yù)制裝配式襯砌在不同接頭剛度時(shí)最大軸力、最大彎矩、最大橫向位移和最大垂向位移，并與整體襯砌對比，結(jié)果見表2—表5。襯砌所受軸力均為壓力，最大橫向位移均向內(nèi)，最大豎向位移均向下。

表2 襯砌最大軸力 kN

表3 襯砌最大彎矩 kN·m

表4 襯砌最大橫向位移 mm

表5 襯砌最大豎向位移 mm

由表2—表5可知：Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下隨著接頭剛度增大，預(yù)制裝配式襯砌最大軸力、最大橫向位移、最大垂向位移均逐漸減小，最大彎矩均先減小后增大。整體襯砌分塊后雖然位移有所增大但襯砌結(jié)構(gòu)受力更加穩(wěn)定。與整體襯砌相比，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下預(yù)制裝配式襯砌接頭剛度為0時(shí)，最大軸力分別增加4.5%，5.3%，6.2%；最大彎矩分別降低25.9%，34.6%，48.2%；最大橫向位移分別增加17.6%，27.1%，44.5%；最大豎向位移分別增加41.7%，41.7%，45.3%。

3 預(yù)制裝配式襯砌安全性分析

按照TB 10003—2016 中公式計(jì)算不同接頭剛度時(shí)預(yù)制裝配式襯砌各部位安全系數(shù)，并與整體襯砌對比，結(jié)果見表6—表10。

表6 襯砌拱頂安全系數(shù)

表7 襯砌拱肩安全系數(shù)

表8 襯砌邊墻安全系數(shù)

表9 襯砌拱腳安全系數(shù)

表10 襯砌仰拱安全系數(shù)

由表6—表10 可知：①Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖條件下隨著接頭剛度增大預(yù)制裝配式襯砌邊墻、拱腳、仰拱安全系數(shù)均逐漸增大，拱頂、拱肩安全系數(shù)均逐漸減小。②與整體襯砌相比，Ⅲ，Ⅳ，V 級圍巖條件下預(yù)制裝配式襯砌接頭剛度為0時(shí)拱頂安全系數(shù)分別增加4.38倍、2.77 倍、2.16 倍，拱肩安全系數(shù)分別增加18.3%，9.9%，115.6%，邊墻安全系數(shù)分別降低4.6%，5.2%，6.3%，拱腳安全系數(shù)分別降低4.3%，4.3%，0，仰拱系數(shù)分別降低4.4%，5.6%，5.4%。③當(dāng)整體襯砌從彎矩最大位置開始分塊時(shí)，拱頂和拱肩位置安全系數(shù)大幅提高，邊墻、拱腳和仰拱的安全系數(shù)均略有下降，降幅均未超10%且安全系數(shù)遠(yuǎn)高于規(guī)范限值2.4。

計(jì)算不同接頭剛度時(shí)預(yù)制裝配式襯砌全環(huán)平均安全系數(shù)、最小安全系數(shù)，并與整體襯砌對比，結(jié)果見表11和表12。

表11 襯砌全環(huán)平均安全系數(shù)

表12 襯砌最小安全系數(shù)

由表11 和表12 可知：①裝配式襯砌從彎矩最大位置開始分塊時(shí)，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ圍巖條件下隨著接頭剛度增大預(yù)制裝配式襯砌全環(huán)平均安全系數(shù)和最小安全系數(shù)均有所減?。虎谂c整體襯砌相比，接頭剛度為0時(shí)全環(huán)平均安全系數(shù)分別增加3.5%，4.3%，8.8%，最小安全系數(shù)分別增加2.33 倍、2.36 倍、1.12 倍。當(dāng)接頭剛度小于45 MN·m/rad 時(shí)，襯砌最小安全系數(shù)增加較大，所以接頭剛度不宜大于45 MN·m/rad。

4 結(jié)論

1）隨著圍巖等級的提高（Ⅲ級—Ⅴ級），350 km/h雙線高速鐵路隧道整體襯砌受力和位移逐漸增加，但是整體受力形式相同，對預(yù)制結(jié)構(gòu)選型統(tǒng)一化具有重要意義。

2）隨著接頭剛度逐漸增大，預(yù)制裝配式襯砌最大軸力和最大位移逐漸減小，最大彎矩先減小后增大。

3）從最大彎矩位置開始分塊，當(dāng)襯砌接頭剛度不大于45 MN·m/rad時(shí)預(yù)制裝配式襯砌拱頂和拱肩安全系數(shù)大幅增加。綜合考慮，襯砌接頭剛度不宜大于45 MN·m/rad。