張勝龍 劉艷青 馬偉斌 郭小雄 陳學(xué)軍

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；4.中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，西安 710038）

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)是以預(yù)制構(gòu)件為主要受力構(gòu)件經(jīng)裝配連接而成的混凝土結(jié)構(gòu)，作為新型結(jié)構(gòu)形式其在國(guó)內(nèi)外城市地下工程中已經(jīng)有一定應(yīng)用［1-2］。目前大部分地下預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)主要在結(jié)構(gòu)彎矩較小位置進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)［3］，最大限度減小對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力的影響。如荷蘭鹿特丹地鐵“殼式裝配”結(jié)構(gòu)、前蘇聯(lián)俄羅斯“整體管段”結(jié)構(gòu)［4］，中國(guó)的秦嶺Ⅰ線隧道［5］（單線鐵路隧道）和大部分城市地鐵隧道［6］。另一部分地下結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)拼裝的便利性角度進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，如大連地鐵袁家店站［7］（明挖地鐵車站）。

目前針對(duì)鉆爆法山嶺隧道預(yù)制襯砌選型研究較少。本文采用在隧道結(jié)構(gòu)彎矩極大值處進(jìn)行分塊的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)我國(guó)350 km/h 高速鐵路單線隧道斷面形式進(jìn)行預(yù)制裝配式襯砌選型研究，分析襯砌接頭剛度對(duì)整體襯砌的影響，為單線鐵路隧道預(yù)制裝配式襯砌結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)思路。

1 整體襯砌內(nèi)力分析

1.1 荷載計(jì)算

采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模型對(duì)Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖深埋情況下單線鐵路隧道二次襯砌內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，采用時(shí)速350 km 高速列車單線隧道復(fù)合式襯砌內(nèi)輪廓。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)［8］見(jiàn)表1。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］，采用初期支護(hù)承擔(dān)70%荷載，二次襯砌承擔(dān)30%荷載的原則進(jìn)行襯砌內(nèi)力計(jì)算［9］。Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖垂直荷載分別為60，120，200 kPa，水平荷載分別為9，36，100 kPa。

1.2 內(nèi)力分析

整體襯砌斷面如圖1（a）所示，采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行受力分析。襯砌采用三維梁?jiǎn)卧˙eam188）模擬，圍巖與襯砌的相互作用采用“無(wú)拉鏈桿”（Link10）模擬［10］，整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)劃分為350個(gè)單元，襯砌結(jié)構(gòu)厚度0.3 m，如圖1（b）所示。

圖1 整體襯砌斷面及計(jì)算模型

將荷載施加到模型，計(jì)算得到整體襯砌所受內(nèi)力，見(jiàn)圖2。

圖2 不同等級(jí)圍巖條件下整體襯砌所受內(nèi)力分布

由圖2 可知，在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖條件下整體襯砌軸力最大值出現(xiàn)于仰拱，其值分別為508.7，906.6，1 437.7 kN，彎矩最大值出現(xiàn)于拱頂，其值分別為32.6，63.9，109.0 kN。在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖條件下襯砌橫向位移向內(nèi)，其最大值分別為0.58，1.29，2.72 mm，襯砌豎向位移向下，其最大值分別為1.94，4.15，8.46 mm。隨圍巖等級(jí)的提高整體襯砌所受內(nèi)力和位移均逐漸增大，但是整體受力形式?jīng)]有發(fā)生改變。受力形式相同對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)選型統(tǒng)一化具有重要意義。

2 整體襯砌分塊選型

綜合考慮結(jié)構(gòu)拼裝后整體安全、防水控制、施工難度、經(jīng)濟(jì)成本等因素，預(yù)制結(jié)構(gòu)徑向長(zhǎng)度取1.5 m。環(huán)向在彎矩極大值處分塊，整體襯砌分為7塊。

對(duì)預(yù)制裝配式襯砌進(jìn)行受力計(jì)算。預(yù)制裝配式襯砌計(jì)算模型見(jiàn)圖3。接頭位置主要采用帶有旋轉(zhuǎn)剛度的旋轉(zhuǎn)銷軸單元（Combin7）［9］進(jìn)行模擬，襯砌采用三維梁?jiǎn)卧˙eam188）模擬，圍巖與襯砌的相互作用采用“無(wú)拉鏈桿”（Link10）模擬［8］，整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)劃分為350個(gè)單元。

圖3 預(yù)制裝配式襯砌計(jì)算模型

通過(guò)資料［7］調(diào)研國(guó)內(nèi)襯砌接頭剛度一般在6.8～950 MN·m/rad。預(yù)制裝配式襯砌接頭剛度分別取0，6.8，12.5，45，240，500，950 MN·m/rad進(jìn)行計(jì)算。

各級(jí)圍巖條件下不同接頭剛度時(shí)預(yù)制裝配式襯砌的受力和位移見(jiàn)表2—表5。初砌結(jié)構(gòu)所受軸力均為壓力。

表2 襯砌結(jié)構(gòu)最大軸力 kN

表3 襯砌結(jié)構(gòu)最大彎矩 kN·m

表4 襯砌結(jié)構(gòu)最大橫向位移 mm

表5 襯砌結(jié)構(gòu)最大垂向位移 mm

由表2—表5可知：不同級(jí)別圍巖條件下隨著接頭剛度的減小預(yù)制裝配式襯砌最大軸力均逐漸增大，最大彎矩均先減小后增大，最大橫向位移均逐漸增大，最大垂向位移均逐漸增大。襯砌結(jié)構(gòu)分塊后雖然位移有所增大但襯砌結(jié)構(gòu)平衡后受力更加穩(wěn)定。與整體襯砌相比，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖條件下接頭剛度為0 時(shí)最大軸力分別增加5.6%，6.5%，7.3%。最大彎矩分別減少35.0%，43.0%，54.6%。最大橫向位移分別增大22.4%，36.4%，64.7%。最大豎向位移分別增大41.8%，44.6%，52.5%。

3 預(yù)制裝配式襯砌安全性分析

按照TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中素混凝土計(jì)算公式計(jì)算不同接頭剛度時(shí)隧道襯砌各部位安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6—表10。

表6 襯砌結(jié)構(gòu)拱頂安全系數(shù)

表7 襯砌結(jié)構(gòu)拱肩安全系數(shù)

表8 襯砌結(jié)構(gòu)邊墻安全系數(shù)

表9 襯砌結(jié)構(gòu)拱腳安全系數(shù)

表10 襯砌結(jié)構(gòu)仰拱安全系數(shù)

由表6—表10 可知：不同圍巖條件下隨著接頭剛度的減小預(yù)制裝配式襯砌拱頂安全系數(shù)均而逐漸增大，拱肩安全系數(shù)均逐漸增大，邊墻安全系數(shù)均逐漸減小，拱腳安全系數(shù)均逐漸減小，仰拱安全系數(shù)均逐漸減小。與整體襯砌相比，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖條件下接頭剛度為0 時(shí)拱頂安全系數(shù)分別增加6.14 倍、4.40倍、3.52 倍，拱肩安全系數(shù)分別增加1.26 倍，1.27 倍，0.98倍。邊墻安全系數(shù)分別減少5.7%，6.6%，7.9%。拱腳安全系數(shù)分別減少5.8%，4.0%，3.9%。仰拱安全系數(shù)分別減少5.6%，5.8%，6.6%。

當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)在彎矩最大位置分塊時(shí)，邊墻、拱腳和仰拱安全系數(shù)均略有下降，降幅均小于10%且安全系數(shù)遠(yuǎn)高于規(guī)范限值（2.4）；拱頂和拱肩安全系數(shù)大幅提高，尤其當(dāng)接頭剛度不大于45 MN·m/rad 時(shí)提升較大。近年來(lái)鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)掉塊、剝落等病害均發(fā)生在拱腰以上部位，除施工質(zhì)量外，與襯砌整體受力過(guò)大不無(wú)關(guān)系。通過(guò)預(yù)制分塊能夠大幅增大襯砌上部安全系數(shù)，降低類似病害。

各級(jí)圍巖條件下不同接頭剛度時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)平均安全系數(shù)、最小安全系數(shù)分別見(jiàn)表11、表12。

表11 襯砌結(jié)構(gòu)平均安全系數(shù)

表12 襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)

由表11、表12 可得：襯砌結(jié)構(gòu)在彎矩最大位置分塊，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖作用下隨著接頭剛度的減小襯砌平均安全系數(shù)和最小安全系數(shù)均有所增大。接頭剛度為0 時(shí)，平均安全系數(shù)分別增加9.2%，7.2%，10.4%；最小安全系數(shù)分別增加3.14倍，2.26倍，1.84倍。當(dāng)接頭剛度小于45 MN·m/rad時(shí)，襯砌最小安全系數(shù)增加較大。綜合考慮，接頭剛度不宜大于45 MN·m/rad。

4 結(jié)論

1）在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級(jí)圍巖條件下350 km/h 高速鐵路單線隧道整體襯砌受力和位移逐漸增加，受力形式相似，有利于預(yù)制結(jié)構(gòu)選型統(tǒng)一化。

2）襯砌接頭剛度越小襯砌結(jié)構(gòu)最大位移越大，最大軸力越大，最大彎矩先減小后增大。

3）不同級(jí)別圍巖條件下裝配式襯砌安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。與整體襯砌相比，邊墻、拱腳和仰拱安全系數(shù)略有下降，拱頂和拱肩安全系數(shù)大幅增加，平均安全系數(shù)和最小安全系數(shù)增加，接頭剛度不宜大于45 MN·m/rad。