填方高度對明洞襯砌運營安全的影響研究*

余大龍，舒東利，廖 余，華 陽

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國鐵路、公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，部分區(qū)段結(jié)合地方發(fā)展，出現(xiàn)越來越多的高填方明洞。由于高填方明洞回填土石壓力較大，對明洞襯砌結(jié)構(gòu)的安全性要求也較高。由于各種原因，較多的高填方明洞在修建過程中均出現(xiàn)襯砌開裂現(xiàn)象，明洞開裂后對運營造成的安全隱患是建設(shè)、運營各方較關(guān)注的問題。

韓國強等[1]通過定義明洞寬度、斷面形式、填土性質(zhì)、邊坡坡角和槽寬比等影響系數(shù)，對傳統(tǒng)土壓力計算公式進行修正，提出4個影響系數(shù)下高填方明洞洞頂垂直土壓力計算公式；曹淑學(xué)等[2]探討了高填方、軟地基和大偏壓明洞的結(jié)構(gòu)布置、基礎(chǔ)選型和結(jié)構(gòu)計算分析；黎康[3]對在溝谷中建造大體積混凝土隧道壩基的技術(shù)方案進行研究，提出在壩基上修建明洞，再在明洞上方回填土至設(shè)計標(biāo)高；周鵬[4]提出高填方明洞頂部垂直土壓力建議計算公式和洞周側(cè)向土壓力建議計算公式；卓彬[5]研究了不同結(jié)構(gòu)形式的明洞及其減載結(jié)構(gòu)內(nèi)力和襯砌厚度的變化規(guī)律，揭示了EPS板的減載力學(xué)特性，給出了最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式的高填方明洞；李明等[6]研究了采用泡沫輕質(zhì)土對高填方明洞結(jié)構(gòu)受力特性的影響；李智鵬[7]分析了考慮時間效應(yīng)下，高填方減載明洞土壓力的變化規(guī)律；賴士謙[8]揭示了超厚回填土大跨明洞襯砌結(jié)構(gòu)存在“土拱效應(yīng)”，并研究了大跨明洞豎向荷載隨分層填土高度的動態(tài)變化規(guī)律；曠文濤[9]對超高回填明洞設(shè)計及施工進行了探討，提出蓋挖法是修建超高回填明洞的有效方法；羅祿森等[10]提出高填方明洞荷載計算應(yīng)考慮土體挾持作用的影響，推導(dǎo)出高填方明洞荷載計算方法；唐援彬[11]采用數(shù)值模擬與理論推導(dǎo)方法得出適合高填方明挖隧道的土壓力計算方法及加筋減載設(shè)計理論。

隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展，已有較多高填方明洞修建成功，但由于種種原因加之運營時間的增長，明洞襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫缺陷也越來越凸顯，襯砌裂縫是否會影響運營安全須重點關(guān)注。因此，本文依托廣大線云驛隧道明洞，開展高填方明洞襯砌結(jié)構(gòu)裂縫安全評價，以期為類似工程提供工程經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 云驛隧道明洞設(shè)計概況

廣通—大理鐵路云驛隧道位于云南驛—祥云南區(qū)間，為雙線隧道，設(shè)計為1.2%，0.6%的上坡，全隧均位于半徑R=3 500m的右偏曲線上外側(cè)。隧道進口里程為D1K122+580，出口里程為D1K123+020，全長440m。全隧為全回填明洞，回填土石高2～15m， 如圖1所示。

圖1 云驛隧道縱斷面設(shè)計

云驛隧道施工圖設(shè)計采用路塹式明洞襯砌結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

圖2 路塹式明洞結(jié)構(gòu)

1.2 云驛隧道明洞開裂情況

1.2.1襯砌裂縫開裂情況

2017年3月31日至4月1日，提前對云驛隧道進行敲擊檢查，發(fā)現(xiàn)D1K122+730—D1K123+020段拱部90°范圍內(nèi)均出現(xiàn)縱向裂縫。D1K122+730—D1K123+020段隧道拱頂中心線兩側(cè)2.5m范圍內(nèi)，拱頂襯砌分布縱向裂縫7～10條，裂縫間距20～60cm，呈線性分布。

2017年4月9日，項目部在D1K122+741，D1K122+841，D1K122+864，D1K122+880，D1K122+900處拱頂中心位置分別設(shè)置裂縫觀測標(biāo)識，采用裂縫觀測儀對裂縫寬度進行第1次觀測。最寬裂縫出現(xiàn)在D1K122+826，D1K122+864處，寬度約為1mm，其他裂縫寬度沿隧道縱向逐漸變窄。

目前最深裂縫位置為D1K122+910處，縫寬0.17mm，縫深達291mm；最寬裂縫位置為D1K122+826處，縫寬0.98mm，縫深還未檢測。

D1K122+730—D1K123+020段隧道襯砌厚度為0.8～1.2m，回填高2～15m，結(jié)合裂縫分布情況及洞頂回填土高度，可發(fā)現(xiàn)裂縫的寬度、深度與回填土方高度成正比。

1.2.2裂縫形狀

通過芯樣可明顯看出，混凝土表面裂縫最寬，最里面最窄，最終裂縫(縫)消失，呈倒V形。

1.3 云驛隧道明洞清方減載方案

云驛隧道施工完成后襯砌出現(xiàn)局部開裂，2017年5月襯砌開裂后提出清方減載方案，將明洞最大回填土石高度由15m減至5m，清方減載方案縱、橫斷面如圖3,4所示。

圖3 清方減載方案縱斷面

圖4 清方減載方案D1K122+840橫斷面

清方減載后，仍采用裂縫觀測儀對裂縫進行觀測，最寬裂縫位置D1K122+826處縫寬0.99mm；僅發(fā)展0.01mm。最深裂縫位置D1K122+910處縫深仍為291mm，縫深沒有增加。D1K122+730—D1K123+020段隧道拱頂中心線兩側(cè)2.5m范圍內(nèi)，拱頂襯砌縱向裂縫仍呈線性分布，裂縫寬度和深度沒有繼續(xù)發(fā)展。

2 云驛隧道明洞荷載及工況模型

2.1 明洞荷載

明洞的主要荷載包括結(jié)構(gòu)自重、圍巖壓力及回填土石壓力?；靥钔潦瘔毫Ψ譃榇怪眽毫蛡?cè)壓力，側(cè)壓力又分為拱圈回填土石側(cè)壓力和邊墻墻背回填土石側(cè)壓力。明洞回填土石壓力計算方法參照《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊》隧道篇及TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》。

2.2 施工荷載

考慮施工期間明洞頂部回填土過程中施工機械自重及施工振動對明洞結(jié)構(gòu)的影響，施工現(xiàn)場采用LG518B型壓路機，機身尺寸為6.24m×2.44m(長×寬)，壓路機重18t，前輪靜線荷載40.5kN/m，激振力190～330kN。

施工中僅考慮激振荷載，激振荷載取最大值330/2.44=135.25kN/m。填土高度<1m時應(yīng)考慮施工荷載對隧道襯砌的影響，≥1m時因有填土層的緩沖作用，不考慮施工荷載對隧道的影響。

2.3 計算工況及模型

考慮拱頂上方填土受雨水影響，填土采用飽和重度。考慮襯砌開裂后按原設(shè)計與減載方案設(shè)計分別計算，計算工況如表1所示。

表1 云驛明洞計算工況

根據(jù)廣大線云驛隧道明洞設(shè)計圖，回填土高度取15m，建立ANSYS荷載結(jié)構(gòu)模型，如圖5 所示。

圖5 云驛隧道明洞計算模型

回填土石及明洞襯砌計算參數(shù)如表2所示。

表2 回填土石及明洞襯砌計算參數(shù)

3 云驛隧道明洞襯砌開裂后安全性性分析

3.1 填土高度15m計算結(jié)果

在自重及回填土壓力作用下，靜力計算得到明洞襯砌軸力和彎矩，如圖6所示。

圖6 填土高度15m明洞襯砌軸力及彎矩

根據(jù)設(shè)計配筋，拱墻采用單側(cè)雙層雙筋2N2aC25@200+2N2bC25@200，邊墻采用單側(cè)雙層雙筋2N1aC28@200+N1cC28@200，仰拱采用單側(cè)雙層雙筋2N4bC25@200+2N4aC28@200，按鋼筋混凝土安全系數(shù)計算方法計算二襯的安全系數(shù)，襯砌局部厚度為1m，在回填土石荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)為3.66，位于拱頂位置，大于《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》所要求的安全系數(shù)2.4。

3.2 填土高度5m計算結(jié)果

在自重及回填土壓力作用下，靜力計算得到明洞襯砌彎矩和軸力，如圖7所示。

圖7 填土高度5m明洞襯砌彎矩及軸力

根據(jù)設(shè)計配筋，拱墻采用單側(cè)雙層雙筋2N2aC25@200+2N2bC25@200，邊墻采用單側(cè)雙層雙筋2N1aC28@200+N1cC28@200，仰拱采用單側(cè)雙層雙筋2N4bC25@200+2N4aC28@200，按鋼筋混凝土安全系數(shù)計算方法計算二襯的安全系數(shù)，襯砌局部厚度為1m，在回填土石荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)為10.93，位于拱頂位置，大于《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》所要求的安全系數(shù)2.4。

3.3 安全性評價

根據(jù)襯砌裂縫檢測報告，隧道拱部裂縫較多，最大裂縫深度約為200mm，等效為拱部襯砌厚度由原設(shè)計120cm縮減至100cm。對考慮裂縫情況的明洞襯砌進行安全性分析，計算結(jié)果如表3所示。

表3 襯砌開裂后安全系數(shù)計算結(jié)果

由表3可知，若不采取減載方案，按原設(shè)計填土高度計算，目前襯砌的安全系數(shù)為3.66，安全儲備較低。襯砌開裂后混凝土與鋼筋間的黏結(jié)咬合力降低，在同樣荷載作用下裂縫發(fā)展的趨勢會增大，再加上雨季影響很有可能造成襯砌繼續(xù)開裂。清方減載后襯砌的安全系數(shù)為10.93，安全儲備高，襯砌所受荷載減小，有利于結(jié)構(gòu)安全。綜上所述，建議對隧道明洞襯砌上方填土進行清方減載。

4 結(jié)語

1)云驛隧道明洞襯砌最大裂縫深度達20cm，考慮開裂后襯砌不再工作，相當(dāng)于拱部襯砌厚度由120cm減薄至100cm。

2)在填方高度15m的回填土石壓力及結(jié)構(gòu)自重作用下，明洞襯砌最小安全系數(shù)為3.66，雖滿足規(guī)范要求，但襯砌開裂后混凝土與鋼筋間的黏結(jié)咬合力降低，在同樣的荷載下裂縫發(fā)展的趨勢會增大，再加上雨季影響很有可能造成襯砌繼續(xù)開裂，列車振動也可能造成裂縫繼續(xù)發(fā)展。

3)清方減載方案中明洞上方回填土石高度降低至5m后，明洞襯砌最小安全系數(shù)為10.93，襯砌所受荷載減小，有利于結(jié)構(gòu)安全，建議對云驛隧道明洞襯砌上方填土進行清方減載。

4)結(jié)合現(xiàn)場觀測和數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)兩者得出的裂縫發(fā)展規(guī)律一致，對明洞襯砌上方填土進行清方減載有利于結(jié)構(gòu)安全。

5)今后在類似工程設(shè)計和施工中應(yīng)嚴(yán)格控制回填土高度，盡量考慮控制在5～10m。