浅埋富水地层防水型铁路隧道衬砌结构力学特性分析

钟彦之

(广州地铁设计研究院有限公司 广州市 510010)

浅埋富水条件下修建铁路隧道，衬砌结构力学特征问题是隧道设计过程中面临的一个重要问题。在早期铁路隧道设计中多采用“以排为主”的原则，对于静水压力引入修正系数进行折减[1]。近年来，随着绿水青山就是金山银山的环保意识不断深入，铁路隧道防排水设计采用“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理，保护环境[2]”的设计理念，衬砌结构势必将承受一定的水压力作用。为此国内外相关专家学者开展了大量相关研究工作，如李伟等[3]采用理论分析法对高压富水隧道衬砌水压力影响因素及其变化规律进行了研究；王长春等[4]采用数值模拟技术研究了地下水对隧道衬砌结构受力的影响；宋建禹等[5]建立三维有限元模型研究了隧道衬砌结构在高外水压作用下的力学响应。

1 工程概况

南方某铁路隧道洞身穿越地表冲沟段，拱部埋深约15m，围岩以全风化页岩夹砂岩为主。支护结构按照新奥法原理设计，采用V级防水型复合式衬砌结构，二次衬砌采用60cm厚C35防水钢筋混凝土。

2 数值模拟

2.1 荷载结构模型建立

根据荷载-结构模型理论，假设衬砌四周均布地基弹簧，其中衬砌结构选用弹性梁单元Beam3模拟，隧道周边围岩约束及弹性抗力采用弹簧单元Combin14模拟，选用大型通用有限元软件实现计算。通过对梁单元施加荷载，计算分析二次衬砌的结构力学特性。其中，计算模型示意图如图1所示，研究部位示意图如图2所示。

图1 计算模型示意图

图2 研究部位示意图

2.2 计算参数

根据隧道详勘报告及现行《铁路隧道设计规范》，确定计算模型周边围岩参数和支护结构计算参数。同时，考虑隧道开挖引起的荷载释放和初期支护与二次衬砌之间的分配，假定二次衬砌承担围岩压力的70%。

表1 围岩计算参数

表2 二次衬砌混凝土参数

2.3 计算工况

为便于“精细化”分析不同水位下浅埋隧道衬砌结构力学特征，以2m水位递减的方式，模拟了13个工况。计算工况示意图如图3所示。

图3 计算工况示意图

3 计算结果分析

3.1 轴力峰值部位分析

按照图2所示研究部位分别提取每一种计算工况下二次衬砌横断面轴力最大值和最小值，并绘制不同工况下轴力峰值变化情况，如图4、图5所示。

图4 不同工况下最大轴力值变化曲线

图5 不同工况下最小轴力值变化曲线

由图4、图5可以看出，随着工况1～工况13的变化，轴力最大值、最小值的部位并未发生变化，分别位于仰拱的最底部和拱顶处。同时随着水位的降低，对应工况下的轴力峰值也在不断减小，最终轴力最大值为-1779.4kN，最小值为-893.32kN，佐证了水位降到仰拱以下之后，地下水对二次衬砌结构受力就没有影响了。

3.2 弯矩峰值部位分析

按照图2所示研究部位分别提取每一种计算工况下二次衬砌横断面轴力最大值和最小值，并绘制不同工况下轴力峰值变化情况，如图6、图7所示。

图6 不同工况下最大弯矩值变化曲线

图7 不同工况下最小弯矩值变化曲线

由图6、图7可以看出，随着工况1～工况13的变化，弯矩最大值的部位并未发生变化，均位于拱顶处；而弯矩最小值却随着工况的不同，在边墙与拱腰之间变化，但主要发生在边墙处。同时随着水位的降低，对应工况下的弯矩峰值呈现出不同程度的波浪形增大，主要是因为水荷载的存在，使隧道承受的水平荷载相对增大，进而使二次衬砌结构处于较好的三向受力状态，但随着水位的降低，水平压力侧向系数逐渐降低，打破了三向受力的平衡，衬砌内力的弯矩呈增大趋势。

3.3 控制部位内力变化分析

按照图2所示研究部位分别提取每一种计算工况下二次衬砌横断面研究部位处轴力、弯矩及偏心距值，如表3～表5所示。并绘制不同工况下研究部位处轴力、弯矩及偏心距的变化趋势，如图8～图10所示。

图10 不同工况下二衬结构控制截面偏心距变化趋势

表3 控制部位轴力(单位：kN)

表4 控制部位弯矩(单位：kN·m)

表5 控制部位偏心距(单位：cm)

图8 不同工况下二衬结构控制截面轴力变化趋势

由图8可以看出，随着工况1～工况13的变化，轴力自拱顶、拱腰、边墙、仰拱依次增大，且在衬砌横断面上呈“鸡蛋”式分布。并随着水位的降低，二次衬砌结构不同位置处的轴力均在下降，并趋于稳定。

由图9可以看出，随着工况1～工况13的变化，弯矩最大值的部位并未发生变化，均为拱顶处。随着水位的降低，衬砌结构拱顶、拱腰处的弯矩在上升，而仰拱、边墙处的弯矩在下降并趋近于稳定。

图9 不同工况下二衬结构控制截面弯矩变化趋势

由图10可以看出，随着工况1～工况13的变化，偏心距最大值的部位并未发生变化，均为拱顶处。随着水位的降低，衬砌结构拱顶、拱腰处的偏心距在上升，而仰拱、边墙处的偏心距基本不变。

4 结束语

(1)隧道衬砌结构拱顶处弯矩最大、偏心距最大。由于浇筑成拱时拱顶处的混凝土密实度相对较易出现问题，因此属于应特别注意的部位。当拱顶衬砌背后有空洞时，应及时回填注浆，或打设拱部锚杆进行整治。

(2)衬砌结构墙脚部位也是一个薄弱部位，在强度不足时可尝试用锁脚锚杆来承担此处的剪力。

(3)当地下水高于拱顶时，隧道衬砌结构轴力和弯矩值都比较大，设计时将水荷载作为浅埋富水地层隧道结构受力的主要荷载之一是非常有必要的。同时，为保障隧道结构的安全，穿越该地层时应采用钢筋混凝土衬砌。