高鐵雙線隧道預(yù)制拼裝襯砌設(shè)計(jì)選型

張勝龍, 馬偉斌, 王志偉*, 王文斌, 張 冰, 王云龍

(1.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; 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司， 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; 4.北京軌道交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司， 北京 100068)

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在中外城市地下工程中已經(jīng)有一定的研究和應(yīng)用，地下工程預(yù)制結(jié)構(gòu)主要從受力型式和結(jié)構(gòu)拼裝的便利性角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前大部分地下預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)主要從受力較小位置進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，此種設(shè)計(jì)方式以能最大限度地維持整體結(jié)構(gòu)力學(xué)行為，如荷蘭鹿特丹地鐵“殼式裝配”結(jié)構(gòu)、俄羅斯“整體管段”結(jié)構(gòu)[1]，中國的秦嶺I線隧道[2](單線鐵路隧道)和中國大部分城市地鐵隧道；也有地下結(jié)構(gòu)在彎矩最大位置進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，如大連地鐵袁家店站[3](明挖地鐵車站)，該車站設(shè)計(jì)主要從結(jié)構(gòu)拼裝便易性的角度進(jìn)行考慮。針對(duì)鉆爆法山嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)預(yù)制化選型設(shè)計(jì)研究較少，王明年等[4]采用在彎矩最小位置進(jìn)行分塊的原則對(duì)山嶺隧道進(jìn)行預(yù)制分塊研究，并未對(duì)結(jié)構(gòu)安全性，及接頭剛度對(duì)襯砌受力的影響進(jìn)行研究。鄧崴等[5]對(duì)盾構(gòu)法施工隧道受力進(jìn)行了分析?，F(xiàn)針對(duì)中國350 km/h高速鐵路雙線隧道斷面型式進(jìn)行預(yù)制選型研究，在彎矩最小位置進(jìn)行分塊，分析襯砌接頭剛度對(duì)整襯砌結(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)研究提供設(shè)計(jì)思路。

1 隧道整體內(nèi)力分析

1.1 荷載計(jì)算

采用經(jīng)典“荷載-結(jié)構(gòu)”模型進(jìn)行隧道的二次襯砌內(nèi)力分布計(jì)算，斷面采用350 km/h高速列車雙線隧道復(fù)合式襯砌隧道內(nèi)輪廓，對(duì)于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件深埋情況下，計(jì)算規(guī)范荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)的受力特性，圍巖及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)[5]見表1。

表1 圍巖及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and structure

根據(jù)文獻(xiàn)[6-8]采用初期支護(hù)承擔(dān)70%受力，二次襯砌承擔(dān)30%受力，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖垂直和水平圍巖壓力見表2。

表2 不同圍巖等級(jí)圍巖壓力Table 2 Surrounding rock pressure of different surrounding rock grades

1.2 整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

采用有限元程序ANSYS對(duì)整體隧道襯砌結(jié)構(gòu)[圖1(a)]進(jìn)行受力分析。襯砌采用三維梁?jiǎn)卧?Beam188)模擬，圍巖與襯砌的相互作用采用“無拉鏈桿”(Link10)模擬[9]，隧道結(jié)構(gòu)劃分為427個(gè)單元，襯砌結(jié)構(gòu)厚0.3 m，計(jì)算模型見[圖1(b)]。

圖1 整體隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.1 Calculation model of overall tunnel structure

將荷載施加到模型計(jì)算，得到整體襯砌結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩云圖，見圖2和圖3。

圖2 圍巖軸力Fig.2 Surrounding rock axial force

圖3 圍巖彎矩Fig.3 Surrounding rock bending moment

從圖2和圖3可以看出，隧道斷面在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下受力型式相近，軸力均為拱頂最小，向下逐漸增加，拱底位置最大；彎矩拱底和兩側(cè)均較小，拱頂較大，其中拱頂中間襯砌內(nèi)部受拉外部受壓，拱頂兩端外部收拉內(nèi)部受壓，不同圍巖壓力作用下襯砌軸力、彎矩、橫豎向位移位移最大值見表3。

表3 襯砌受力響應(yīng)Table 3 Mechanical response of lining

注：位移橫向?yàn)樨?fù)表示向內(nèi)移動(dòng)；豎向?yàn)樨?fù)表示向下移動(dòng)。

在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下整體襯砌軸力最大值位于拱底處分別為686.8、1 234.4、1 949.8 kN，彎矩最大值位于拱頂處分別為40.6、79.4、136.7 kN·m。在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下襯砌橫向位移向內(nèi)分別為0.91、2.03、4.38 mm，襯砌豎向位移向下分別為3.57、7.55、15.31 mm，隨圍巖等級(jí)的提升襯砌所受軸力、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，受力形式相同對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)選型統(tǒng)一化具有重要意義。

2 分塊設(shè)計(jì)

綜合考慮結(jié)構(gòu)拼裝后整體安全、防水控制、施工難度和經(jīng)濟(jì)成本的因素，預(yù)制結(jié)構(gòu)徑向長(zhǎng)度采用1.5 m。環(huán)向在彎矩最小位置分塊，整個(gè)襯砌分為8塊，如圖4所示。

圖4 拱墻結(jié)構(gòu)分塊示意圖Fig.4 Block diagram of arch wall structure

對(duì)預(yù)制分塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計(jì)算，預(yù)制隧道結(jié)構(gòu)接頭位置計(jì)算模型主要采用旋轉(zhuǎn)銷軸單元(combin7)[10]模型進(jìn)行模擬，襯砌采用三維梁?jiǎn)卧?Beam188)模擬，圍巖與襯砌的相互作用采用“無拉鏈桿”(Link10)模擬[9]，整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)劃分為434個(gè)單元，見圖5。接頭處的旋轉(zhuǎn)銷軸單元采用旋轉(zhuǎn)剛度描述了接頭的效應(yīng)，接頭模型見圖6。

通過資料調(diào)研中國襯砌接頭剛度K1一般在6.8～950 MN·m/rad[4]。取接頭剛度為0、6.8、12.5、45、240、500、950 MN·m/rad進(jìn)行計(jì)算。

圖5 預(yù)制襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.5 Prefabricated lining structure calculation model

圖6 接頭單元力學(xué)模型Fig.6 Joint unit mechanics model

為明確各級(jí)圍巖作用下不同接頭剛度對(duì)襯砌整體受力的影響，將不同工況下結(jié)構(gòu)最大軸力、最大彎矩、最大橫向位移和最大豎向位移列表，見表4。

Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下整體襯砌軸力最大值分別為686.6、1 233.8、1 948.2 kN，隨著接頭剛度的降低襯砌結(jié)構(gòu)最大軸力逐漸增加，接頭剛度為0 MN·m/rad時(shí)，軸力最大值分別為688.6、1 237.6、1 955.8 kN，分別增加0.3%、0.3%、0.4%；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下整體襯砌彎矩最大值分別為40.7、79.7、137.6 kN·m，隨著接頭剛度的降低襯砌結(jié)構(gòu)最大彎矩逐漸增大,接頭剛度為0 MN·m/rad時(shí)，彎矩最大值分別為47.8、89.0、139.4 kN·m，分別增加17.4%、11.7%、1.3%； Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下整體襯砌橫向位移最大值分別為0.92、2.05、4.42 mm，隨著接頭剛度的降低襯砌結(jié)構(gòu)最大橫向位移逐漸增大，接頭剛度為0 MN·m/rad時(shí)，橫向位移最大值分別為2.53、5.14、9.22 mm，分別增加175%、150.7%、108.6%；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下整體襯砌豎向位移(向下)最大值分別為3.58、7.59、15.47 mm，隨著接頭剛度的降低襯砌結(jié)構(gòu)最大豎向位移逐漸增大，接頭剛度為0 MN·m/rad時(shí)，豎向位移最大值分別為3.84、7.99、15.78 mm，分別增加6.1%、5.3%、2%。

隨著接頭剛度的減小襯砌整體軸力、彎矩和豎向位移略有增加，橫向位移增加較大。為保守起見，按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中素混凝土計(jì)算公式計(jì)算襯砌安全系數(shù)，拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底位置(圖7)安全系數(shù)見表5，襯砌整體結(jié)構(gòu)安全系數(shù)平均值和最小值見表6。

表4 襯砌結(jié)構(gòu)各參數(shù)最大值對(duì)比Table 4 Comparison of the maximum value of each parameter of lining structure

圖7 安全系數(shù)拾取點(diǎn)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the safety coefficient picking point

表6 不同接頭剛度襯砌結(jié)構(gòu)平均安全系數(shù)及量小值對(duì)比Table 6 Comparison of average safety coefficients and minimum safety coefficients of lining structures with different joint stiffness

Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下整體襯砌拱頂安全系數(shù)分別為5.7、3.3、2.5。隨著接頭剛度的降低，Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖工況安全系數(shù)逐漸減小，接頭剛度為0 MN·m/rad時(shí)，拱頂安全系數(shù)分別為4.5、2.9、2.5，分別降低21.1%、12.1%、0%；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下襯砌拱肩安全系數(shù)分別為20.1、10.0、5.4，隨著接頭剛度的降低，Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖工況安全系數(shù)逐漸增加，接頭剛度為0 MN·m/rad時(shí)，拱肩安全系數(shù)分別為20.6、10.4、5.4，分別增加2.5%、4%、0%；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下襯砌拱腰安全系數(shù)分別為17.3、9.7、6.3，隨著接頭剛度的降低，Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖工況安全系數(shù)略微增加，接頭剛度為0 MN·m/rad時(shí)，拱腰安全系數(shù)分別為17.4、9.7、6.3，沒有明顯變化；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下襯砌拱腳安全系數(shù)分別為16.4、9.2、5.5，隨著接頭剛度的降低，安全系數(shù)逐漸降低，接頭剛度為0 MN·m/rad時(shí)，拱腳安全系數(shù)分別為16.3、9.1、5.4，分別減少0.6%、1.1%、1.8%；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下襯砌拱底安全系數(shù)分別為16.0、8.9、5.6，隨著接頭剛度的降低，Ⅲ級(jí)圍巖工況安全系數(shù)逐漸降低，接頭剛度為0 MN·m/rad時(shí)，拱底安全系數(shù)分別為15.9、8.9、5.6，分別減少0.6%、0%、0%。

當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)在彎矩最小位置進(jìn)行分塊時(shí)除拱頂位置有所下降外，各部位安全系數(shù)變化不大，且安全系數(shù)均高于規(guī)范規(guī)定2.4的限值。

通過對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)整體安全系數(shù)進(jìn)行平均可以發(fā)現(xiàn)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下襯砌平均安全系數(shù)分別為17.2、9.3、5.7，接頭剛度為0 MN·m/rad時(shí)，拱頂安全系數(shù)分別為17.1、9.3、5.7 kN·m，分別增加0.58%、0%、0%；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下襯砌安全系數(shù)最小值分別為5.6、3.3、2.5，接頭剛度為0 MN·m/rad時(shí)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下最小安全系數(shù)分別為4.4、2.9、2.5，分別為減小21.4%、12.1%、0%；

當(dāng)襯砌在彎矩最小位置進(jìn)行分塊時(shí)，接頭剛度對(duì)襯砌平均安全系數(shù)影響不大，在接頭剛度小于240 MN·m/rad時(shí)襯砌最小安全系數(shù)有所降低但降幅不大，所以可以認(rèn)為接頭剛度對(duì)襯砌接頭剛度對(duì)于襯砌的整體安全系數(shù)影響不大。綜合考慮裝配式襯砌位移、受力和安全系數(shù)因素，雙線隧道襯砌在彎矩最小位置進(jìn)行分塊時(shí)襯砌接頭剛度不宜小于12.5 MN·m/rad。

3 結(jié)論

采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模型分析了不同圍巖壓力條件下350 km/h雙線隧道斷面整體襯砌內(nèi)力特征，在此基礎(chǔ)上，在彎矩最小位置處進(jìn)行分塊將襯砌結(jié)構(gòu)分為8部分，并對(duì)不同接頭剛度的影響進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

(1)高速鐵路350 km/h雙線鐵路隧道整體襯砌在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作用下襯砌軸力最大值分別為686.8、1 234.4、1 949.8 kN，彎矩最大值分別為40.6、79.4、136.7 kN·m，橫向位移向內(nèi)最大值分別為0.91、2.03、4.38 mm，豎向位移向下最大值分別為3.57、7.55、15.31 mm襯砌整體受力形式相似，對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)選型統(tǒng)一化具有重要意義。

(2)雙線隧道襯砌在彎矩最小位置進(jìn)行分塊時(shí)襯砌接頭剛度不宜小于12.5 MN·m/rad。