淺埋富水地層防水型鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

鐘彥之

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州市 510010)

淺埋富水條件下修建鐵路隧道，襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特征問題是隧道設(shè)計(jì)過程中面臨的一個(gè)重要問題。在早期鐵路隧道設(shè)計(jì)中多采用“以排為主”的原則，對(duì)于靜水壓力引入修正系數(shù)進(jìn)行折減[1]。近年來，隨著綠水青山就是金山銀山的環(huán)保意識(shí)不斷深入，鐵路隧道防排水設(shè)計(jì)采用“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理，保護(hù)環(huán)境[2]”的設(shè)計(jì)理念，襯砌結(jié)構(gòu)勢(shì)必將承受一定的水壓力作用。為此國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者開展了大量相關(guān)研究工作，如李偉等[3]采用理論分析法對(duì)高壓富水隧道襯砌水壓力影響因素及其變化規(guī)律進(jìn)行了研究；王長(zhǎng)春等[4]采用數(shù)值模擬技術(shù)研究了地下水對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響；宋建禹等[5]建立三維有限元模型研究了隧道襯砌結(jié)構(gòu)在高外水壓作用下的力學(xué)響應(yīng)。

1 工程概況

南方某鐵路隧道洞身穿越地表沖溝段，拱部埋深約15m，圍巖以全風(fēng)化頁巖夾砂巖為主。支護(hù)結(jié)構(gòu)按照新奧法原理設(shè)計(jì)，采用V級(jí)防水型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，二次襯砌采用60cm厚C35防水鋼筋混凝土。

2 數(shù)值模擬

2.1 荷載結(jié)構(gòu)模型建立

根據(jù)荷載-結(jié)構(gòu)模型理論，假設(shè)襯砌四周均布地基彈簧，其中襯砌結(jié)構(gòu)選用彈性梁?jiǎn)卧狟eam3模擬，隧道周邊圍巖約束及彈性抗力采用彈簧單元Combin14模擬，選用大型通用有限元軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)算。通過對(duì)梁?jiǎn)卧┘雍奢d，計(jì)算分析二次襯砌的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。其中，計(jì)算模型示意圖如圖1所示，研究部位示意圖如圖2所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖

圖2 研究部位示意圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)隧道詳勘報(bào)告及現(xiàn)行《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定計(jì)算模型周邊圍巖參數(shù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)。同時(shí)，考慮隧道開挖引起的荷載釋放和初期支護(hù)與二次襯砌之間的分配，假定二次襯砌承擔(dān)圍巖壓力的70%。

表1 圍巖計(jì)算參數(shù)

表2 二次襯砌混凝土參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

為便于“精細(xì)化”分析不同水位下淺埋隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，以2m水位遞減的方式，模擬了13個(gè)工況。計(jì)算工況示意圖如圖3所示。

圖3 計(jì)算工況示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 軸力峰值部位分析

按照?qǐng)D2所示研究部位分別提取每一種計(jì)算工況下二次襯砌橫斷面軸力最大值和最小值，并繪制不同工況下軸力峰值變化情況，如圖4、圖5所示。

圖4 不同工況下最大軸力值變化曲線

圖5 不同工況下最小軸力值變化曲線

由圖4、圖5可以看出，隨著工況1～工況13的變化，軸力最大值、最小值的部位并未發(fā)生變化，分別位于仰拱的最底部和拱頂處。同時(shí)隨著水位的降低，對(duì)應(yīng)工況下的軸力峰值也在不斷減小，最終軸力最大值為-1779.4kN，最小值為-893.32kN，佐證了水位降到仰拱以下之后，地下水對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)受力就沒有影響了。

3.2 彎矩峰值部位分析

按照?qǐng)D2所示研究部位分別提取每一種計(jì)算工況下二次襯砌橫斷面軸力最大值和最小值，并繪制不同工況下軸力峰值變化情況，如圖6、圖7所示。

圖6 不同工況下最大彎矩值變化曲線

圖7 不同工況下最小彎矩值變化曲線

由圖6、圖7可以看出，隨著工況1～工況13的變化，彎矩最大值的部位并未發(fā)生變化，均位于拱頂處；而彎矩最小值卻隨著工況的不同，在邊墻與拱腰之間變化，但主要發(fā)生在邊墻處。同時(shí)隨著水位的降低，對(duì)應(yīng)工況下的彎矩峰值呈現(xiàn)出不同程度的波浪形增大，主要是因?yàn)樗奢d的存在，使隧道承受的水平荷載相對(duì)增大，進(jìn)而使二次襯砌結(jié)構(gòu)處于較好的三向受力狀態(tài)，但隨著水位的降低，水平壓力側(cè)向系數(shù)逐漸降低，打破了三向受力的平衡，襯砌內(nèi)力的彎矩呈增大趨勢(shì)。

3.3 控制部位內(nèi)力變化分析

按照?qǐng)D2所示研究部位分別提取每一種計(jì)算工況下二次襯砌橫斷面研究部位處軸力、彎矩及偏心距值，如表3～表5所示。并繪制不同工況下研究部位處軸力、彎矩及偏心距的變化趨勢(shì)，如圖8～圖10所示。

圖10 不同工況下二襯結(jié)構(gòu)控制截面偏心距變化趨勢(shì)

表3 控制部位軸力(單位：kN)

表4 控制部位彎矩(單位：kN·m)

表5 控制部位偏心距(單位：cm)

圖8 不同工況下二襯結(jié)構(gòu)控制截面軸力變化趨勢(shì)

由圖8可以看出，隨著工況1～工況13的變化，軸力自拱頂、拱腰、邊墻、仰拱依次增大，且在襯砌橫斷面上呈“雞蛋”式分布。并隨著水位的降低，二次襯砌結(jié)構(gòu)不同位置處的軸力均在下降，并趨于穩(wěn)定。

由圖9可以看出，隨著工況1～工況13的變化，彎矩最大值的部位并未發(fā)生變化，均為拱頂處。隨著水位的降低，襯砌結(jié)構(gòu)拱頂、拱腰處的彎矩在上升，而仰拱、邊墻處的彎矩在下降并趨近于穩(wěn)定。

圖9 不同工況下二襯結(jié)構(gòu)控制截面彎矩變化趨勢(shì)

由圖10可以看出，隨著工況1～工況13的變化，偏心距最大值的部位并未發(fā)生變化，均為拱頂處。隨著水位的降低，襯砌結(jié)構(gòu)拱頂、拱腰處的偏心距在上升，而仰拱、邊墻處的偏心距基本不變。

4 結(jié)束語

(1)隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂處彎矩最大、偏心距最大。由于澆筑成拱時(shí)拱頂處的混凝土密實(shí)度相對(duì)較易出現(xiàn)問題，因此屬于應(yīng)特別注意的部位。當(dāng)拱頂襯砌背后有空洞時(shí)，應(yīng)及時(shí)回填注漿，或打設(shè)拱部錨桿進(jìn)行整治。

(2)襯砌結(jié)構(gòu)墻腳部位也是一個(gè)薄弱部位，在強(qiáng)度不足時(shí)可嘗試用鎖腳錨桿來承擔(dān)此處的剪力。

(3)當(dāng)?shù)叵滤哂诠绊敃r(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)軸力和彎矩值都比較大，設(shè)計(jì)時(shí)將水荷載作為淺埋富水地層隧道結(jié)構(gòu)受力的主要荷載之一是非常有必要的。同時(shí)，為保障隧道結(jié)構(gòu)的安全，穿越該地層時(shí)應(yīng)采用鋼筋混凝土襯砌。