王明年，徐湉源，于　麗，羅　勇

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都　610031；2.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都　610031)

目前高速鐵路路網(wǎng)正迅速向西南山區(qū)延伸，穿越山區(qū)城市的高鐵隧道數(shù)量逐漸增多?？紤]到山區(qū)城市用地緊張及城市的未來發(fā)展規(guī)劃，在隧道洞口修建明洞后再進行人工回填造地的方案逐漸得到了采用，從而出現(xiàn)了高填方明洞這種特殊的結構，且數(shù)量逐漸增多。

高填方必然帶來極高的土壓力，并且回填施工過程中亦可能出現(xiàn)各類沖擊及偏壓荷載，這使得明洞襯砌的厚度及強度均需要提高。目前已有的工程實例表明：當明洞上方填土高度大于數(shù)十米后，明洞襯砌的厚度常常達到2 m左右[1-3]，而高填方明洞設計通常采用整體式襯砌，如此厚的襯砌已屬于大體積混凝土范疇，施工后襯砌內外側溫度梯度很大，從而產(chǎn)生較大的溫度應力，使得襯砌混凝土極有可能產(chǎn)生收縮裂縫，對結構的安全性及耐久性產(chǎn)生極不利的影響[8]。為使明洞襯砌在滿足承載能力要求的同時又不會因為截面過厚而產(chǎn)生收縮裂縫，所以將雙層襯砌的設計思路引用到明洞結構中，將原本較厚的襯砌劃分為內外2層并分別施工，以此來降低大體積混凝土施工后的水化熱影響。

目前雙層襯砌主要應用于暗挖隧道，尤其是盾構隧道。盾構隧道中的雙層襯砌一般由預制管片與二次襯砌組成，對其力學特性已有一定的研究成果。如何川[4]對獅子洋隧道雙層襯砌進行了模型實驗，得到雙層襯砌可一定程度上抵御不均勻沉降，且內襯承受絕大部分彎矩的結論。晏啟祥[5]利用特定徑、切向彈簧模型對雙層襯砌內襯厚度做了研究，結果表明增大內襯厚度會導致雙層襯砌彎矩明顯增大，但對軸力的影響很小，且彎矩在2層襯砌間的分配比例與厚度基本無關。邱月[6]對溫度荷載下的雙層襯砌進行了分析，得到內襯可以降低結構整體主拉、壓應力的結論。張永冠[7]對盾構隧道雙層襯砌進行了室內模型實驗，得出雙層襯砌都是從內襯開始破壞，且層間鑿毛結合方式最難以破壞的結論。吳林[8]對盾構隧道內襯厚度進行了研究，結果表明內襯的厚度增大時其內力也隨之明顯增大，內外襯的剛度比是影響荷載分擔的最重要的參數(shù)。

然而，如果在明洞中采用雙層襯砌設計，勢必與暗挖隧道存在極大的差別，除了主要體現(xiàn)在修筑過程、斷面大小以及襯砌外輪廓形式外，更明顯的區(qū)別還在于要考慮地基和基礎的影響。因此，本文針對渝利鐵路DK149+437—DK149+810段雙層襯砌明洞回填工程，現(xiàn)場實測雙層襯砌結構的內力，數(shù)值模擬該結構的內力變化和應力分布，研究雙層襯砌式明洞的力學特性，為今后該類工程的設計及施工提供一定參考。

1　工程背景

渝利鐵路DK149+437—DK149+810段位于重慶豐都斜南溪溝谷，根據(jù)豐都縣城建設需要，對該段采用修筑明洞并回填造地的方案，并首次在明洞設計中采用了雙層襯砌形式，外襯厚1.4 m，內襯厚0.5 m，2層襯砌之間添加防水板及土工布作為墊層。明洞的結構高度為14.0 m，最大跨度為20.0 m，最高規(guī)劃回填高度為41.0 m(回填土頂面至明洞底部的距離)，其橫斷面如圖1所示。該雙層襯砌明洞施工工序為：先施作外襯，待其達到設計強度后再施作內襯，最后進行回填土?；靥畈捎昧朔謱犹钪姆绞剑瑔未位靥罡叨葹?.4～0.8 m，明洞從開始回填至回填完成共耗時約9個月。

圖1　雙層襯砌明洞橫斷面圖(單位：m)

為滿足高速鐵路列車在溝谷段線路的平順性及沉降要求，明洞在D5K149+575—D5K149+746范圍內采用了C30混凝土壩基礎(以下簡稱混凝土壩基礎)，其橫斷面如圖2所示；其余里程段的明洞則采用在原有軟巖地基上加做防風化保護層方案(以下簡稱軟巖基礎)。

2　現(xiàn)場實測

在軟巖基礎和混凝土壩基礎段各選取1個襯砌斷面，每個斷面選取7個位置，每個位置布置4個測點，分別位于外襯、內襯的內、外側處，每個測點均安裝1只混凝土應變計，布置方案如圖3所示?；炷翂位A段所選斷面的最大回填高度為32 m，軟巖基礎段所選斷面的最大回填高度為38 m。

圖2　混凝土壩基礎(單位：m)

圖3　混凝土應變計測點布置

在回填過程中定期采集應變傳感器的數(shù)據(jù)，并換算為截面外側、內側的切向應力σ1和σ2；根據(jù)材料力學壓彎組合公式推得襯砌截面的彎矩M和軸力N，并繪制回填過程中襯砌彎矩M、軸力N的變化曲線。

(1)

(2)

式中：b和h分別為襯砌載面的寬度、厚度，m。

3　有限元模型

采用有限元軟件ANSYS分別建立軟巖基礎段及混凝土壩基礎段的明洞實體三維有限元模型，根據(jù)高填方明洞的特點，采用接觸單元算法模擬外襯與內襯之間、外襯與回填土之間的相互作用，采用生死單元計算方法模擬整個回填過程。模型橫截面尺寸與現(xiàn)場保持一致，縱向取10 m。邊界條件為約束明洞底部豎向位移，模型z軸前后面約束明洞軸向位移，填土兩側岸坡不進行約束。建立的有限元模型如圖4所示，襯砌之間、外襯與回填土之間的接觸單元如圖5所示。各材料的物理力學參數(shù)見表1。

通過對實體的三維有限元模擬，得到默認直角坐標系下各單元的節(jié)點應力；然后采用彈性力學的坐標轉化方法，將直角坐標系下的節(jié)點應力轉化為襯砌切向的應力；進而計算截面的彎矩、軸力。

圖4　有限元模型

圖5　襯砌之間、外襯與回填土之間的接觸單元

結構　　彈性模量/GPa密度/(kg·m-3)泊松比黏聚力/MPa內摩擦角/(°)外襯　　335250002內襯　　328250002回填土　01262100040122混凝土壩315250002

坐標轉化方法：取襯砌單元上外側及內側2個節(jié)點1和2，如圖6所示，設通過這2個節(jié)點的襯砌截面與豎直面之間的夾角為θ，則在該襯砌截面上各個節(jié)點對應的切向應力σn為

σn=σxcos2θ+σysin2θ+τxysin2θn=1,2

(3)

式中：σx，σy，τxy為原直角坐標系下的節(jié)點應力分量。

圖6　襯砌的有限元單元

4　結果對比分析

因為明洞左右兩側的對稱性，在襯砌左、右兩側測點所測得的內力在數(shù)值大小和變化規(guī)律上都較為相似，因此以左側測點的結果進行分析，并且軸力以拉為正、壓為負；彎矩以內側受拉為正、壓為負。

4.1　在回填過程中結構內力的變化規(guī)律

4.1.1軟巖基礎上雙層襯砌明洞內力變化規(guī)律

在回填過程中，軟巖基礎上明洞雙層襯砌外襯、內襯的軸力和彎矩的變化規(guī)律如圖7—圖10所示。

圖7　軟巖基礎上明洞雙層襯砌外襯軸力的變化規(guī)律

圖8　軟巖基礎上明洞雙層襯砌外襯彎矩的變化規(guī)律

圖9　軟巖基礎上明洞雙層襯砌內襯軸力的變化規(guī)律

圖10　軟巖基礎上明洞雙層襯砌內襯彎矩的變化規(guī)律

由圖7—圖10可知：隨著回填土高度的增加，外襯及內襯的軸力均呈現(xiàn)兩段式變化規(guī)律，在回填土低于明洞頂部時，襯砌的軸力變化幅度很?。淮靥钔脸^明洞頂部時，軸力則呈線性增長；彎矩則主要呈“八字形”或“倒八字形”變化，在回填土高度達到拱頂附近后，彎矩方向開始發(fā)生改變；數(shù)值分析和現(xiàn)場實測取得的結果也較為接近，說明該數(shù)值模擬方法對于高填方雙層襯砌明洞是較為適用且可靠的，后續(xù)可作為襯砌應力分布規(guī)律的研究手段。

外襯承受的內力明顯高于內襯，二者在回填完成時的內力對比見表2。由表2可知：外襯的軸力是內襯的2.6～3.2倍左右，外襯與內襯的相互作用方式類似于組合梁，而組合梁的軸力分配和梁的高度成正比關系，本工程中外襯與內襯的厚度比在3∶1左右，與實測的軸力比例十分接近。這也說明了雙層襯砌明洞的軸力分擔比例和2層襯砌的厚度比例有著直接的關聯(lián)。

表2　外襯與內襯的內力對比

此外，本工程中外襯與內襯之間采用了防水板加土工布的組合，二者之間的摩擦系數(shù)較低，意味著外襯和內襯之間只能實現(xiàn)軸力的傳遞，而不能傳遞剪力，這也側面印證了二者軸力的比例接近于厚度比，而彎矩比例卻無類似規(guī)律。

4.1.2混凝土壩基礎上雙層襯砌明洞的內力變化規(guī)律

在回填過程中混凝土壩基礎上明洞外襯、內襯軸力和彎矩的變化規(guī)律如圖11—圖14所示。由圖11—圖14可知：混凝土壩基礎上明洞結構內力的變化規(guī)律與4.1.1中基本一致，說明基礎類型對明洞結構內力的動態(tài)變化規(guī)律并無明顯影響，外襯的軸力是內襯的2.6～3.9倍左右，結論也和上一節(jié)類似，在此不再重述。

綜合4.1.1及4.1.2的分析可轉，當回填土高度低于明洞頂部，即僅有側向荷載時，明洞結構的內力增量很?。划敾靥罡叨瘸^明洞頂部后，明洞的結構內力則隨著回填高度的增加而線性增長。

圖11　混凝土壩基礎上明洞雙層襯砌外襯軸力的變化規(guī)律

圖12　混凝土壩基礎上明洞雙層襯砌外襯彎矩的變化規(guī)律

圖13　混凝土壩基礎上明洞雙層襯砌內襯軸力的變化規(guī)律

圖14　混凝土壩基礎上明洞雙層襯砌內襯彎矩的變化規(guī)律

4.1.3基礎類型對高填方明洞內力的影響

在相同的填方高度32 m下，對比軟巖基礎和混凝土壩基礎上明洞的內力，結果見表3和表4。

由表3和表4可知，混凝土壩基礎上明洞的結構內力明顯大于軟巖基礎上，前者的軸力達到了后者的1.2～1.6倍左右，彎矩則為1.6～2.4倍左右。這間接說明在相同的填方高度下，基礎類型對明洞所承受的土壓力大小有明顯的影響，混凝土壩這類的剛性基礎在一定程度上增大了明洞承受的土壓力。

表3　明洞軸力與基礎類型的關系(實測值)

表4　明洞彎矩與基礎類型的關系(實測值)

該現(xiàn)象主要由明洞自身和其周圍土體的差異沉降所帶來的附加土壓力造成[10]：因為明洞剛度大于回填土的剛度，使明洞頂部填土所組成的內土柱的沉降小于其兩側外土柱的沉降，內外土柱之間出現(xiàn)沉降差，相當于外土柱對內土柱施加了一個向下的剪力，明洞頂部不僅承擔了土體的自重，還承擔了這部分附加的剪力。因此，當明洞采用混凝土壩基礎時，其自身剛度大大增加，導致內土柱的沉降遠小于兩側的外土柱，大大增加了附加的剪力，使得明洞需要承受更大的荷載。基本作用原理如圖15所示。

圖15　基本作用原理圖

這一現(xiàn)象在國內外上埋式涵洞的研究領域中也有所體現(xiàn)，許多在深樁基礎上修建的涵洞出現(xiàn)縱向開裂甚至被壓垮的現(xiàn)象，測得的涵洞頂部土壓力也遠超過土體的自重[10-15]。然而，這并不意味著高填方明洞采用剛性基礎是不合理的，因為鐵路明洞的用途與涵洞完全不同，涵洞主要是方便行人、小型車或者水流通過，而明洞則需要滿足高速鐵路的行車要求，對沉降的控制十分嚴格，尤其在地質條件不佳的區(qū)域更是必須對結構的基礎進行一定處理。因此，當明洞采用了剛性基礎時，可適當借鑒高填方涵洞領域中的“減載”方法[16-18]，例如在結構頂部添加“柔性填充層”，“減載孔”[19]等，即可在滿足線路沉降要求的同時又能適當降低明洞承受的荷載，保障結構的安全和耐久性。

4.2　雙層襯砌式明洞在回填完成后的應力分布

在回填工程完成后對雙層襯砌明洞的第一主應力分布進行了數(shù)值模擬，結果如圖16和圖17所示。由圖16和圖17可知：無論采用何種基礎，高填方雙層襯砌明洞的拉應力集中區(qū)域均出現(xiàn)在襯砌邊墻處，軟巖基礎上明洞的外襯與內襯的最大拉應力分別為0.068和0.027 MPa，混凝土壩基礎上明洞的外襯與內襯的最大拉應力分別為0.26和0.046 MPa，分別達到了前者的3.8與1.7倍，這也從側面說明了在相同填方高度下，明洞基礎類型對襯砌的內力存在明顯的影響。

圖16　外襯第一主應力分布(單位：Pa)

圖17　內襯第一主應力分布(單位：Pa)

在本節(jié)的研究中，明洞的最大拉應力值雖然沒有超過混凝土的抗拉極限，但在填方高度繼續(xù)增加或是出現(xiàn)其他未知的荷載時，出現(xiàn)拉應力集中現(xiàn)象的明洞邊墻或將成為整個結構的薄弱環(huán)節(jié)，因此建議在設計中對該部分進行適當優(yōu)化。

5　結　論

(1)在回填土過程中，明洞雙層襯砌內、外襯的軸力均出現(xiàn)了明顯的2段式變化規(guī)律，以回填土高度接近明洞頂部為分界，在此之前內、外襯的軸力變化很小，此后則呈線性增加；結構的彎矩方向在回填土高度接近洞頂時發(fā)生改變，之后又隨著回

填土高度的增加再次改變，之后亦呈線性增長。

(2)外襯與內襯的軸力之比接近于二者的厚度之比，而彎矩之比卻無類似規(guī)律；實測測得的軸力之比在2.6～3.9之間，接近襯砌的厚度之比。這是因為外襯與內襯之間采用了防水板加土工布的墊層，襯砌之間的摩擦系數(shù)較低，使得襯砌之間只能傳遞軸力，而不能傳遞剪力，類似于組合梁之間的相互作用。

(3)在相同的回填土高度下，混凝土壩基礎上明洞的軸力和彎矩分別為軟巖基礎上的1.2～1.6倍和1.6～2.4倍。原因是結構上方和兩側回填土之間的沉降差會產(chǎn)生附加剪力，且該剪力隨著明洞基礎剛度的增加而增大，因此建議適當借鑒涵洞領域的“減載”措施，以保障結構安全及耐久性。

(4)雙層襯砌內、外襯的拉應力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在邊墻位置，且混凝土壩基礎上明洞襯砌的拉應力最大值為軟巖基礎時上的1.7～3.8倍。雖然在本文的研究中拉應力完全處于混凝土的抗拉強度范圍內，但未來若回填土高度增加或是出現(xiàn)其他不可預知的因素時，該位置有可能成為結構的薄弱處，因此建議在設計時對該部分進行適當優(yōu)化。

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