高速鐵路隧道仰拱與填充整體澆筑問題研究

【摘要】隧道工程的仰拱與填充整體澆筑問題是近年來隧道建設(shè)的焦點(diǎn)問題，整體澆筑可提高施工進(jìn)度，但也改變了隧底結(jié)構(gòu)。以新建重慶至昆明高速鐵路為例，通過有限元數(shù)值模擬，研究了仰拱與填充整體澆筑對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響，并提出了工程應(yīng)對(duì)措施。研究結(jié)果表明，中心溝附近屬于結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)，最容易發(fā)生剪切、開裂破壞；仰拱變厚加強(qiáng)了隧道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致隧道拱部及邊墻的受力有所減少，仰拱受力增加；填充物與仰拱共同受力，導(dǎo)致填充物受拉嚴(yán)重，存在表面開裂風(fēng)險(xiǎn)。為保證運(yùn)營安全，在仰拱與填充整體澆筑時(shí)，填充物應(yīng)采用與仰拱同強(qiáng)度混凝土，并加強(qiáng)隧底結(jié)構(gòu)配筋，對(duì)仰拱為素混凝土的襯砌結(jié)構(gòu)，應(yīng)增設(shè)防開裂的鋼筋網(wǎng)片，同時(shí)應(yīng)盡量取消中心水溝或采用其他排水方式。研究得到的結(jié)論可為設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考，也為類似工程提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路； 仰拱； 仰拱填充； 整體澆筑； 數(shù)值模擬； 加強(qiáng)配筋

【中圖分類號(hào)】U455.91A

0 引言

隨著我國鐵路事業(yè)的蓬勃發(fā)展，高速鐵路引來了建設(shè)高潮。受高速鐵路線路曲線半徑的控制，隧道工程的占比大幅增加，且出現(xiàn)了大量的特長隧道。高鐵線路的建設(shè)工期往往受控于隧道工程，如何多方位提高隧道建設(shè)速度成為鐵路建設(shè)者關(guān)注的重點(diǎn)。仰拱與填充的澆筑作為隧道施工的關(guān)鍵工序，其能否整體澆筑也成為了業(yè)界焦點(diǎn)話題。

陳永照［1］對(duì)仰拱與填充一次性澆筑成型施工方法進(jìn)行了研究，指出填充的混凝土將承受拉應(yīng)力，容易造成路面施工縫、中心排水溝等部位發(fā)生拉裂破壞，認(rèn)為仰拱與填充一次性澆筑成型工法對(duì)整個(gè)隧道支護(hù)體系造成了安全隱患。卿偉宸等［2］采用數(shù)值計(jì)算手段對(duì)仰拱與填充整體澆筑進(jìn)行了探討，指出當(dāng)設(shè)置中心管（溝）時(shí)，整體澆筑對(duì)填充物表面形成較大的拉應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)不利；當(dāng)不設(shè)置中心管（溝）時(shí)，整體澆筑可減少襯砌結(jié)構(gòu)其他部位的受力。

仰拱是隧道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，一方面要將隧道上部的地層壓力通過隧道邊墻結(jié)構(gòu)或?qū)⒙访嫔系暮奢d有效的傳遞到地下，而且還有效抵抗隧道下部地層傳來的反力。實(shí)際上是能承受地層永久荷載和路面臨時(shí)荷載（動(dòng)荷載）的一種地基梁（板），因此仰拱的受力狀態(tài)比較復(fù)雜［3-4］，一般采用高強(qiáng)度的混凝土，圍巖條件較差時(shí)還需采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。仰拱填充是利用混凝土將弧形仰拱形成的空間回填為平整的路面，便于施工期間的車輛運(yùn)輸及運(yùn)營期間的列車運(yùn)行，一般情況下只承受豎向壓力荷載，故其普遍采用低強(qiáng)度的混凝土。在現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范中，2020年之前頒布的隧道相關(guān)設(shè)計(jì)、施工規(guī)范［5-8］均普遍要求仰拱填充應(yīng)在仰拱混凝土終凝后施作；2020年頒布的隧道襯砌施工規(guī)程［9］提出了新要求，即在確定質(zhì)量保證措施后，仰拱填充與仰拱混凝土可一次澆筑完成。本文依托在建渝昆高鐵，通過數(shù)值計(jì)算分析，研究雙線合修隧道的仰拱與填充整體澆筑的工程質(zhì)量保證措施，為設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考，也為類似工程提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

重慶至昆明高速鐵路位于我國西南地區(qū)的重慶市、四川省、貴州省和云南省境內(nèi)，線路自重慶樞紐重慶西站引出后，沿途經(jīng)過重慶江津和永川區(qū)、四川瀘州和宜賓市、貴州畢節(jié)市、云南昭通和曲靖市后接入昆明樞紐昆明南站渝昆場(chǎng)，線路全長699.3 km。渝昆高鐵設(shè)計(jì)速度350 km/h，是國家“八縱八橫”高鐵網(wǎng)中京昆通道的重要組成部分。與成都至自貢至宜賓高速鐵路銜接，構(gòu)成成都至昆明高速鐵路通道，連接重慶、成都、昆明三個(gè)省會(huì)城市，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和路網(wǎng)中具有重要地位。全線新建隧道91座，隧道總長350.397 km，占正線長度的50.1%。全線于2021年全面開工，土建工程要求工期為5年。

1.2 工程地質(zhì)條件

本線位于艱險(xiǎn)山區(qū)，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，地質(zhì)問題包羅萬象，堪稱高鐵建設(shè)地質(zhì)博物館［10］。主要不良地質(zhì)為地震及活動(dòng)斷裂、煤層采空區(qū)及瓦斯、巖溶、滑坡、危巖落石及巖堆、泥石流、高地應(yīng)力、順層、淺層天然氣等。

1.3 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況

全線除明洞、斜切及特殊襯砌段落，均采用復(fù)合式襯砌，其中Ⅱ級(jí)圍巖段采用曲墻帶底板結(jié)構(gòu)，無仰拱填充；Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖段采用曲墻帶仰拱結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

施工圖設(shè)計(jì)根據(jù)圍巖及地質(zhì)條件，將襯砌類型分為七類，具體見表1。

Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖地段拱墻二次襯砌采用素混凝土，IV、V級(jí)圍巖地段拱墻及仰拱二次襯砌均采用鋼筋混凝土。仰拱與仰拱填充分開澆筑，在無地下水侵蝕性環(huán)境下，仰拱采用C35混凝土，仰拱填充采用C20混凝土。各類襯砌的襯砌厚度與主筋配置詳見表2。

2 仰拱與填充整體澆筑數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

通過ANSYS軟件，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，將連續(xù)的介質(zhì)離散化，采用彈性支承法進(jìn)行內(nèi)力分析。模型假定：地層對(duì)襯砌的作用始終在平面應(yīng)變狀態(tài)下；地層與襯砌之間存在約束，忽略切向約束的作用，用徑向彈簧模擬，不考慮地層的拉力，襯砌被認(rèn)為是勻質(zhì)連續(xù)的，且在變形過程中一直處于彈性應(yīng)力狀態(tài)。

其中，采用梁?jiǎn)卧M二襯，用桿件單元模擬襯砌的徑向彈簧，彈簧的勁度系數(shù)為地層的彈性抗力系數(shù)。建模時(shí)，考慮仰拱與填充整體澆筑，故將仰拱填充的厚度與仰拱襯砌的厚度之和考慮為隧底梁?jiǎn)卧暮穸?。隧道襯砌整體共劃分為100個(gè)單元，計(jì)算模型如圖2所示（各級(jí)圍巖及地質(zhì)條件的建模節(jié)點(diǎn)及單元?jiǎng)澐窒嗤?/p>

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算時(shí)參照TB 1003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱隧規(guī)），選取圍巖及二襯的物理力學(xué)參數(shù)，主要參數(shù)見表3。

2.3 計(jì)算工況與結(jié)果

為研究在各級(jí)圍巖的不同地質(zhì)條件下，仰拱與填充整體澆筑對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，計(jì)算考慮Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖共6種襯砌的6種工況。通過對(duì)彈簧單元外部施加固定約束，再對(duì)梁?jiǎn)卧┘虞d荷，計(jì)算得出二次襯砌的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。以IV級(jí)圍巖為例，根據(jù)IVa襯砌適應(yīng)的地質(zhì)條件（Ⅳ級(jí)圍巖深埋以硬質(zhì)巖為主），參照隧規(guī)的“附錄D 深埋隧道荷載計(jì)算方法”，對(duì)模型進(jìn)行加載后的有限元計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，仰拱與填充整體澆筑時(shí)，襯砌最大彎矩出現(xiàn)在仰拱底部的中心溝兩側(cè)，仰拱填充表面受拉嚴(yán)重；最大剪力出現(xiàn)在仰拱底部中心溝兩側(cè)、仰拱與邊墻連接處；最大軸力為仰拱最低處的中心溝位置。各襯砌詳細(xì)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表4所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析與工程應(yīng)對(duì)措施

3.1 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)有限元分析結(jié)果，進(jìn)行綜合分析，可以得到仰拱與填充整體澆筑對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響如下：①仰拱結(jié)構(gòu)變厚，但中心溝附近屬于結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)，最容易發(fā)生剪切、開裂破壞。②整體澆筑對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的整體受力趨勢(shì)影響較小，但由于仰拱結(jié)構(gòu)變厚加強(qiáng)了隧道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致隧道拱部及邊墻的受力有所減少。③整體澆筑后，填充物與仰拱共同受力，導(dǎo)致填充物受拉嚴(yán)重，存在表面開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 應(yīng)對(duì)措施

根據(jù)上述分析情況，在填充物與仰拱整體澆筑時(shí)，為保證運(yùn)營安全與質(zhì)量，應(yīng)采取以下工程應(yīng)對(duì)措施：①對(duì)地下水量較小地段，可考慮取消中心溝，由側(cè)溝進(jìn)行排水，以減少中心溝對(duì)隧底結(jié)構(gòu)造成的應(yīng)力集中效應(yīng)。②填充應(yīng)與仰拱采用同強(qiáng)度混凝土，并加強(qiáng)大體積混凝土的施工質(zhì)量控制，避免填充物與仰拱之間出現(xiàn)不規(guī)則的施工冷縫。③仰拱結(jié)構(gòu)受力增加后，應(yīng)根據(jù)內(nèi)力分析結(jié)果，將填充物與仰拱考慮為整體梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋。

通過計(jì)算內(nèi)力結(jié)果，按破損階段承載能力計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)的裂縫計(jì)算控制配筋，推薦配筋情況見表5。

Ⅲ級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)滿足承載要求，不需配筋，但GB 50496-2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》［11］規(guī)定，大體積混凝土結(jié)構(gòu)配筋除應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)承載力結(jié)合構(gòu)造要求外，還應(yīng)結(jié)合大體積混凝土的施工方法配置控制溫度和收縮的構(gòu)造鋼筋。故在仰拱與填充整體澆筑時(shí)，III級(jí)圍巖的仰拱填充表層應(yīng)增設(shè)鋼筋網(wǎng)片，建議采用12 mm鋼筋，間距20 cm×20 cm。

4 結(jié)束語

現(xiàn)行的鐵路規(guī)范以要求仰拱與填充分開澆筑為主，且各項(xiàng)目多是采用分開澆筑的方式進(jìn)行施工。本文以渝昆高鐵的雙線隧道為例，通過有限元數(shù)值模擬，得到的計(jì)算結(jié)果表明仰拱與填充在采取一定的工程措施下，可進(jìn)行整體澆筑。

（1）中心水溝對(duì)整體澆筑的受力影響較大，應(yīng)盡量取消中心水溝或采用其他排水方式。

（2）為保證整體澆筑后的結(jié)構(gòu)安全，填充物應(yīng)與仰拱采用同強(qiáng)度混凝土。

（3）整體澆筑后，仰拱受力增加，填充層表面受拉嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)配筋。對(duì)仰拱為素混凝土的襯砌結(jié)構(gòu)，應(yīng)增設(shè)防開裂的鋼筋網(wǎng)片。

參考文獻(xiàn)

［1］ 陳永照. 高速鐵路隧道仰拱襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及快速施工技術(shù)研究［D］. 北京： 中國鐵道科學(xué)研究院，2012.

［2］ 卿偉宸，鐘昌桂，曾宏飛. 關(guān)于鐵路隧道仰拱與填充整體澆筑的探討［J］. 隧道建設(shè)，2021，41（增刊1）：63-69.

［3］ 周宇鍇，張志強(qiáng). 活動(dòng)斷層中隧道結(jié)構(gòu)受力與安全評(píng)價(jià)［J］. 四川建筑，2019，39（6）：135-137.

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［7］ 高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程：Q/CR 9604－2015 ［S］.北京： 中國鐵道出版社，2015.

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［11］ 大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)：GB 50496-2018 ［S］.北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2018.