高速鐵路隧道隧底結(jié)構(gòu)病害防治優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王革新

(中鐵二十五局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510600)

截至2021年底，我國(guó)投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路長(zhǎng)度超過(guò)4萬(wàn)km，共建成高速鐵路隧道3 971座，長(zhǎng)度約6 473 km；在建高速鐵路隧道1 472座，長(zhǎng)度約3 409 km；規(guī)劃高速鐵路隧道共3 010座，長(zhǎng)度約6 678 km。隨著我國(guó)高速鐵路隧道工程數(shù)量的逐年增加，安全運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)壓力凸顯。大量工程實(shí)踐表明，鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)是隧道的重要組成部分，隧道病害宜始于隧底結(jié)構(gòu)，而當(dāng)隧底出現(xiàn)水害[1]、底鼓[2-3]、開裂[4]和損傷[5]等病害時(shí)，將直接影響安全行車。對(duì)于高速鐵路隧道而言，線路平順性標(biāo)準(zhǔn)要求高，如時(shí)速250～350 km的高速鐵路無(wú)砟軌道，作業(yè)驗(yàn)收的靜態(tài)水平和高程允許偏差僅2mm，對(duì)隧底結(jié)構(gòu)抗變形剛度提出了嚴(yán)格要求。由于地層的多樣性和復(fù)雜性、隧道開挖后圍巖變異性等因素影響，隧道底部發(fā)生微量變形時(shí)，即可因底鼓而導(dǎo)致軌道幾何偏差不滿足容許偏差管理值，從而影響高鐵安全運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同地質(zhì)條件下隧底結(jié)構(gòu)病害產(chǎn)生機(jī)理及防治措施開展了大量研究，BUTSCHER等[6-7]分析了膨脹圍巖引發(fā)仰拱底鼓的原因和應(yīng)對(duì)策略。杜明慶等[8]針對(duì)高鐵隧道仰拱受力的復(fù)雜性，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析了仰拱承載特性，并對(duì)仰拱底鼓進(jìn)行了分類。代鴻明[9]通過(guò)典型案例調(diào)查，總結(jié)了水害引發(fā)仰拱底鼓及襯砌開裂原因、治理及預(yù)防措施。李林毅等[10]依托某高鐵隧道在強(qiáng)降雨下出現(xiàn)的仰拱底鼓病害，提出了一種水壓型底鼓病害的反演方法。高震等[11]分析了仰拱隆起機(jī)理及圍巖弱化對(duì)底隆的影響規(guī)律。BARLA等[12-13]采用模型試驗(yàn)等手段對(duì)仰拱底鼓進(jìn)行了預(yù)測(cè)。鄒陳等[14-17]針對(duì)隧道仰拱多種病害問(wèn)題進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，提出了相應(yīng)整治措施。上述研究表明，仰拱對(duì)于維持隧底結(jié)構(gòu)承載力狀態(tài)和保障安全運(yùn)營(yíng)具有重要作用，但近幾年運(yùn)營(yíng)高鐵隧道軌道幾何偏差不滿足機(jī)車正常運(yùn)行的案例逐年增多，有關(guān)隧底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與施工控制技術(shù)研究已成為目前亟待解決的重難點(diǎn)問(wèn)題。現(xiàn)行《鐵路隧道襯砌施工技術(shù)規(guī)范》(Q/CR 9250-2020)7.1.5條款規(guī)定：經(jīng)建設(shè)單位組織設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位協(xié)商，確定質(zhì)量保證措施后，仰拱填充與仰拱混凝土可一次澆筑完成，填充層應(yīng)采用與仰拱同強(qiáng)度等級(jí)混凝土。但目前國(guó)內(nèi)尚未見IV級(jí)圍巖高鐵隧道仰拱與填充層一次澆筑設(shè)計(jì)參數(shù)及案例報(bào)道。為論證隧道仰拱與填充層一次澆筑的可靠性，采用Diana專業(yè)軟件建立IV級(jí)圍巖雙線鐵路隧道鋼筋混凝土襯砌精細(xì)化模型，對(duì)比分析不同工況下隧底結(jié)構(gòu)承載安全與抗裂性能，探討隧底結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路及可行性，以便為高鐵隧道隧底結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全施工提供參考。

1 問(wèn)題描述

仰拱是為改善隧道拱墻支護(hù)結(jié)構(gòu)受力條件而設(shè)置在隧道底部的反向拱形結(jié)構(gòu)，是隧道結(jié)構(gòu)的主要組成部分之一。具體而言，仰拱的作用主要包括提高全環(huán)結(jié)構(gòu)的整體承載力、應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)承載力不足、約束水平擠壓和底鼓變形、提高圍巖穩(wěn)定性等。如圖1(a)所示，隧道仰拱與填充層通常采用2道工序澆筑，其中填充層為構(gòu)造部件，受力方面主要起著機(jī)車靜動(dòng)載的傳遞作用，而仰拱為主要承載結(jié)構(gòu)，在水平和底部圍巖壓力作用下發(fā)揮重要的反拱效應(yīng)。填充層采用與仰拱同強(qiáng)度等級(jí)混凝土一次澆筑(見圖1(b))，取消了分次施工必然存在的結(jié)構(gòu)界面，隧底為不等厚一體化結(jié)構(gòu)，原填充層成為隧底受力結(jié)構(gòu)的一部分，改變了隧底力學(xué)模型和邊界條件。因此，有必要對(duì)比分析2種隧底結(jié)構(gòu)型式的受力特點(diǎn)及抗裂性能。

某高速鐵路雙線隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km/h，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，典型斷面見圖1。IV級(jí)圍巖隧道初期支護(hù)僅用于拱部和邊墻范圍，鋼架不閉合。襯砌按全環(huán)設(shè)計(jì)，采用C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，拱墻厚度45 cm，仰拱厚度55 cm。襯砌環(huán)向內(nèi)外側(cè)主筋采用HRB400，按Φ20@200配置；襯砌縱向構(gòu)造鋼筋、箍筋采用HPB300鋼筋，分別按Φ10@250和Φ8@250配置；鋼筋保護(hù)層為5 cm。仰拱與填充層分次澆筑時(shí)采用C20素混凝土，一次澆筑時(shí)無(wú)論是否配筋均采用與仰拱同強(qiáng)度等級(jí)混凝土。

圖1 雙線鐵路隧道斷面Fig.1 Section of double track railway tunnel

2 襯砌精細(xì)化模型建立

2.1 計(jì)算模型

襯砌內(nèi)力計(jì)算工況分為3種：1)仰拱與填充層分開澆筑；2)仰拱與填充層一次澆筑但填充層未配置加強(qiáng)筋；3)仰拱與填充層一次澆筑且填充層配置加強(qiáng)筋。根據(jù)荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算步驟，采用Diana有限元軟件，分別建立深埋IV級(jí)圍巖條件下隧道襯砌精細(xì)化組合數(shù)值模型，如圖2所示。模型邊界條件按彈性支承在地基上的無(wú)鉸拱設(shè)置。襯砌內(nèi)力與截面強(qiáng)度安全系數(shù)驗(yàn)算采用彈性力學(xué)模型；裂縫驗(yàn)算采用軟件自帶的總應(yīng)變裂縫模型，根據(jù)襯砌主應(yīng)力大小和方向判斷鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂位置、裂縫寬度。

圖2 不同工況下襯砌及鋼筋模型Fig.2 Lining and reinforcementmodelunder various conditions

2.2 模型參數(shù)及圍巖壓力

數(shù)值模型中圍巖、建筑材料的物理力學(xué)參數(shù)，參照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2016)[19]推薦值確定，圍巖彈性反力系數(shù)為350MPa/m，襯砌參數(shù)見表1。深埋條件下隧道襯砌主要荷載作用如圖3所示，水平側(cè)壓力系數(shù)取0.3，經(jīng)計(jì)算深埋IV級(jí)圍巖豎向壓力為154.0 kN/m2，水平圍巖壓力為46.2 kN/m2。

圖3 深埋條件主要荷載作用示意圖Fig.3 Schematic diagram ofmain load action under deep buried conditions

表1 襯砌材料計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parametersof liningmaterials

3 模擬結(jié)果分析

3.1 襯砌混凝土及鋼筋受力特性

圖4～6分別為3種工況下襯砌彎矩、軸力和環(huán)向主筋內(nèi)力圖，表2為3種工況下襯砌典型斷面彎矩、軸力及安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。據(jù)圖4、圖5和表2可知，工況2和工況3襯砌、環(huán)向主筋的內(nèi)力分布規(guī)律相對(duì)工況1而言均發(fā)生了不同程度變化，可見仰拱與填充層一次澆筑后形成一體化結(jié)構(gòu)改變了隧底受力模式。

圖4 3種工況下襯砌彎矩Fig.4 Bendingmomentof lining under three conditions

圖5 3種工況下襯砌軸力Fig.5 Axial force of lining under three conditions

相對(duì)工況1，工況2和工況3襯砌混凝土受力特性的變化規(guī)律如下：1)拱頂、拱肩部位，3種工況下拱頂、拱肩部位的襯砌內(nèi)力均發(fā)生小幅度波動(dòng)，無(wú)顯著變化。2)邊墻部位，工況2彎矩減少23%，軸力增大15%；工況3彎矩則小幅值增大，但軸力增大13%。3)拱腳部位，工況2彎矩增加1.30倍，軸力減少30%；工況3彎矩增加58%，軸力基本相同。4)仰拱部位，工況2彎矩減少90%，軸力減少88%；工況3彎矩和軸力分別減少17%和94%。5)襯砌環(huán)向主筋內(nèi)力分布規(guī)律與混凝土襯砌軸力相似。

由上述3種工況下混凝土襯砌和環(huán)向主筋內(nèi)力分布規(guī)律可知，仰拱與填充層一次澆筑形成整體結(jié)構(gòu)，對(duì)襯砌仰拱部位的內(nèi)力分布影響顯著。仰拱彎矩、軸力均出現(xiàn)明顯減小，僅從內(nèi)力數(shù)值大小角度看，有利于提高隧底結(jié)構(gòu)抗變形剛度，但需結(jié)合裂縫驗(yàn)算進(jìn)行綜合研判。

3.2 襯砌典型截面強(qiáng)度安全系數(shù)

據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10003—2016)[19]，應(yīng)用破損階段法對(duì)襯砌典型斷面進(jìn)行強(qiáng)度安全性分析。5個(gè)特征截面強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。據(jù)表2可知，3種工況下襯砌安全系數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定大于2.0的要求。工況2和工況3相較工況1，拱頂、拱肩處安全系數(shù)均小幅增大，邊墻和拱腳安全系數(shù)均出現(xiàn)不同幅度降低，而仰拱安全系數(shù)明顯提升，均達(dá)到工況1的9.2倍。綜合對(duì)比工況2和工況3襯砌內(nèi)力及其安全系數(shù)，填充層配筋后拱墻和拱腳處襯砌安全系數(shù)均有所降低，未充分發(fā)揮提高仰拱安全儲(chǔ)備的作用。

表2 典型截面襯砌內(nèi)力及強(qiáng)度安全系數(shù)驗(yàn)算結(jié)果Table 2 Resultsof internal force and strength safety factorof lining structure

3.3 混凝土主應(yīng)力及裂縫擴(kuò)展分析

圖7為3種工況下混凝土襯砌最大主應(yīng)力及裂縫擴(kuò)展分布。由圖7可知，3種工況下襯砌最大拉應(yīng)力均位于拱腳外側(cè)；因工況2和工況3仰拱與填充層為一體化整體結(jié)構(gòu)，除了拱腳處應(yīng)力集中比較明顯外，素混凝土填充層表面及中央水溝底部同時(shí)出現(xiàn)一定拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力小于素混凝土抗拉強(qiáng)度；工況3相對(duì)工況2而言，由于填充層的配筋加強(qiáng)作用，應(yīng)力集中得到一定改善，填充層表面和中央水溝底部的拉應(yīng)力明顯減少，但該部位為薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)考慮加強(qiáng)措施。同時(shí)，采用總應(yīng)變裂縫模型對(duì)襯砌進(jìn)行混凝土塑性狀態(tài)下裂縫分析，3種工況下襯砌混凝土均未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖6 襯砌環(huán)向鋼筋內(nèi)力Fig.6 Internal force of circum ferential reinforcement

圖7 最大主應(yīng)力分布Fig.7 Maximum principalstressof tunnel lining

為進(jìn)一步了解填充層表面應(yīng)力分布情況，按圖8(a)所示的特征點(diǎn)提取相應(yīng)單元應(yīng)力，獲得圖8(b)所示的工況2和工況3各特征點(diǎn)應(yīng)力分布曲線。由圖8(b)可知，工況2拱腳局部出現(xiàn)較大壓應(yīng)力，而工況3填充層配筋后拱腳壓應(yīng)力消失，填充層表面拉應(yīng)力有所降低，但未完全消除拉應(yīng)力。

圖8 整體澆筑填充層拉應(yīng)力比較Fig.8 Comparison of tensile stressof integralpouring filling layer

4 隧底結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討

4.1 隧底結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路

根據(jù)前述分析，工況2和工況3中隧底結(jié)構(gòu)一次澆筑形成整體結(jié)構(gòu)后，提高了隧底整體承載力和抵抗變形剛度。但填充層頂部和中央水溝底部出現(xiàn)影響耐久性的拉應(yīng)力區(qū)，特別是工況3隧底滿堂配筋僅有限地減小了拉應(yīng)力，且襯砌拱墻部位安全系數(shù)相對(duì)工況2反而出現(xiàn)一定程度降低。可見填充層配筋抑制填充層表面拉應(yīng)力的作用有限。為此提出隧底增設(shè)間隔暗梁的優(yōu)化方案：隧底結(jié)構(gòu)縱向一模長(zhǎng)12m，按間隔4m布置1道暗梁，即一模布置3道暗梁。暗梁寬度為1.0m，截面高度隨仰拱曲率而變化，配筋與工況3一致，隧底依然采用混凝土一次澆筑(定義為工況4)。隧底暗梁配筋如圖9所示，數(shù)值模型見圖10，計(jì)算參數(shù)同2.2節(jié)。

圖9 隧底暗梁配筋斷面Fig.9 Cross section of concealed beam reinforcementat the bottom of tunnel

圖10 隧底暗梁結(jié)構(gòu)模型Fig.10 Concealed beam structuremodel in tunnelbottom

4.2 襯砌安全系數(shù)與抗裂性分析

應(yīng)用破損階段法對(duì)襯砌典型斷面進(jìn)行強(qiáng)度安全性分析，拱頂、拱肩、邊墻、拱腳和仰拱5個(gè)特征截面的強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果與工況3隧底滿堂配筋情況下基本相同，限于篇幅，不再贅述。

圖11為襯砌最大主應(yīng)力分布云圖。由圖11可知，隧底填充層增設(shè)間隔4m暗梁的一次澆筑方案，拱腳處應(yīng)力集中現(xiàn)象相對(duì)工況2得到一定程度改善，拱腳與填充層結(jié)合處的單元應(yīng)力由1.22 MPa降至0.85 MPa。采用總應(yīng)變裂縫模型對(duì)襯砌進(jìn)行抗裂性能分析，未發(fā)現(xiàn)襯砌混凝土開裂現(xiàn)象。

圖11 隧底增設(shè)暗梁方案襯砌最大主應(yīng)力云圖Fig.11 Maximum principal stressof lining under adding concealed beam at the bottom

按圖8(a)所示的特征點(diǎn)提取暗梁之間中部未配筋填充層表面單元應(yīng)力，將其與工況2和工況3下填充層表面應(yīng)力同時(shí)繪制于圖12中。由圖12可以看出，采用隧底暗梁方案消除了拱腳壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，填充層頂部拉應(yīng)力值與工況3基本相同，而6號(hào)位置應(yīng)力相較于工況2應(yīng)力降低約19.0%。說(shuō)明采用暗梁方案(工況4)相對(duì)隧底滿堂配筋方案(工況3)可改善填充層拉應(yīng)力，同時(shí)節(jié)約大量鋼筋，符合國(guó)家倡導(dǎo)的綠色低碳建設(shè)理念。

圖12 暗梁結(jié)構(gòu)填充層特征點(diǎn)拉應(yīng)力比較Fig.12 Comparison of tensile stressatcharacteristic points of infill layer of concealed beam structure

5 結(jié)論

1)仰拱與填充層一次澆筑形成一體化結(jié)構(gòu)，可增加隧底結(jié)構(gòu)剛度，但改變了隧底結(jié)構(gòu)受力模式，影響襯砌內(nèi)力分布規(guī)律。僅從襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)角度分析，隧底填充層無(wú)配筋、滿堂配筋和暗梁3種一次澆筑工況下襯砌強(qiáng)度安全系數(shù)和抗裂性能均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，拱頂和拱肩部位襯砌安全系數(shù)變化不大，隧底結(jié)構(gòu)安全系數(shù)顯著提高，但邊墻襯砌安全系數(shù)有所降低。

2)仰拱與填充層一次澆筑但未配筋情況下，素混凝土填充層頂部及中央水溝底部出現(xiàn)較明顯拉應(yīng)力集中區(qū)，但拉應(yīng)力小于素混凝土抗拉強(qiáng)度允許值。上述部位為受力薄弱位置，對(duì)隧底結(jié)構(gòu)耐久性有一定影響。

3)對(duì)比分析隧底滿堂配筋方案改善隧底結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中的效果，填充層表面、中央排水溝底部拉應(yīng)力有所減小，但未完全消除該區(qū)域拉應(yīng)力，且拱腳襯砌內(nèi)側(cè)出現(xiàn)較大壓應(yīng)力。

4)提出隧底間隔設(shè)置暗梁一次澆筑優(yōu)化方案，相比隧底滿堂配筋方案而言，依然可起到改善填充層表面和中央排水溝底部拉應(yīng)力的效果，且緩解了拱腳襯砌應(yīng)力集中。該方案可節(jié)約大量鋼筋，且施工工效顯著提升，符合綠色低碳建設(shè)理念。

5)高速鐵路線路平順性指標(biāo)要求高，對(duì)高鐵隧道基底結(jié)構(gòu)抗變形剛度提出了嚴(yán)格要求。為保障高鐵安全運(yùn)營(yíng)，有關(guān)隧底結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化問(wèn)題尚有待進(jìn)一步研究。