金星亮，胡曦波，梁 斌

（1、中鐵隧道勘察設計研究院有限公司 廣州 511400；2、中鐵重慶地鐵建設指揮部 重慶 401120；3、河南科技大學土木工程學院 河南洛陽 471023）

0 引言

某工程為單拱四線地鐵隧道，斷面開挖面積約388 m2，為國內在建的最大斷面暗挖隧道，屬于超大斷面扁平隧道。國內超大斷面扁平隧道工程實例還較少，超大斷面扁平隧道襯砌結構受力復雜，需進一步研究［1-3］。

淺埋扁平超大斷面隧道由于其跨度大、扁平斷面形式，在施工過程中其力學特性較為特殊［3］。朱得華等人［4］通過有限元數值模擬并結合現場監(jiān)測數據，對隧道的初期支護結構安全度進行了研究。馮文文等人［5］通過有限元數值分析軟件ANSYS 對襯砌結構內力進行了計算和分析，并計算出襯砌的強度安全系數，最后對襯砌厚度變化對安全系數和結構穩(wěn)定性的影響進行了研究。彭文波等人［6］對大瑤山1號隧道下穿水庫段襯砌結構設計進行了研究，提出進行襯砌結構驗算時應考慮水壓力，分析了兩種不同狀態(tài)下襯砌的受力狀態(tài)。侯德彪［7］通過數值分析軟件FLAC，建立未采用襯砌與采用襯砌研究了隧道圍巖與襯砌結構變形規(guī)律。栗超等人［8］通過現場測試對砂卵石地層隧道襯砌結構力學特性進行研究。

本文采用有限元數值分析軟件對襯砌結構進行受力分析，并在工程現場隧道襯砌結構埋設土壓力盒以及鋼筋計，共布置8個測點，對襯砌結構脫模后的受力情況進行分析。通過有限元數值分析軟件，對襯砌結構彎距、軸力等力學指標進行分析。對現場采集數據進行分析，對襯砌結構安全性進行評價。

1 工程概況

1.1 工程背景

本工程為重慶軌道交通5 號線3 標段四線交匯處隧道斷面，隧道起始里程為DK18+138.948～DK18+191.964，總長約53 m，開挖斷面約388 m2，跨度約28 m，拱高約17 m，矢跨比0.63，為國內在建軌道交通最大跨度暗挖區(qū)間隧道。巖層主要為砂質泥巖，約0.5 m泥質巖層夾層，等級劃分為Ⅳ級，地下水豐富，屬于富水淺埋扁平超大斷面隧道。

施工采用雙側壁導坑法施工，開挖斷面劃分成9 個部分，施工工序如圖1 所示。采用30 cm 厚C25 噴射混凝土，二次襯砌厚度為100 cm 的C40 混凝土，縱向間距0.5 m的I25b工字鋼鋼架。

圖1 施工工序Fig.1 Construction Process

1.2 結構受力測點埋設里程與測試內容

超大扁平隧道斷面總長約53 m，選取中間斷面襯砌埋設壓力盒及鋼筋計，測試內容包括初支與二襯接觸壓力、二襯鋼筋受力。

二襯結構受力分別在YDK18+160附近埋設1個受力斷面，分別在拱頂、上臺階、中臺階、下臺階和仰拱共計布置8個測點，每個測點布設1個土壓力計和2個鋼筋計（內外層鋼筋各1個），如圖2所示，現場埋設鋼筋計如圖3所示。壓力盒埋設應當注意壓力盒表面與初支的緊密貼合。壓力盒與鋼筋計埋設完畢后，將連接的傳輸線集中到邊墻的塑料管中，待襯砌混凝土澆筑后，將塑料管位置鑿開并將傳輸線扯出進行數據采集。

圖2 測點布置Fig.2 Location of Measuring Points

圖3 鋼筋計綁扎Fig.3 Reinforcement Bar Binding

2 有限元模擬結果及試驗數據分析

2.1 有限元數值計算分析

采用大型有限元分析軟件建立二維單元模型，采用“結構荷載”模型分析，襯砌結構材料采用彈性本構模型的beam 單元，襯砌與圍巖的接觸采用僅受壓作用的曲面彈簧模擬。

模型考慮水壓力作用，覆土厚度為12 m，圍巖彈性抗力系數為450 MPa∕m。約束拱頂隧道中線處節(jié)點水平向位移。

2.2 有限元數值計算分析

彎矩圖如圖4?所示，襯砌拱頂彎矩較大與一般常規(guī)隧道相比，分析是由于扁平隧道拱頂部位受力作用面積較大，拱頂彎矩隨扁平率的降低而增大；隧道襯砌拱腰最大彎矩位置也由于扁平率的減小而向邊墻附近移動；仰拱處最大彎矩出現在兩側靠近拱腳附近，這一規(guī)律表現出了扁平超大斷面隧道的受力特性性，分析由于仰拱受力面積較大，在兩側靠近拱腳附近位置發(fā)生應力集中。

軸力圖如圖4?所示，圖4?中顯示拱頂附近軸力值較大，說明扁平超大斷面隧道拱頂及上拱腰附近受力較大，表現為大跨扁平隧道結構受力特征。

圖4 彎矩及軸力Fig.4 Bending Moment and Axial Force

混凝土的抗壓極限強度參考《鐵路隧道設計規(guī)范：TB 10003—2016》表5.3.1進行取值，混凝土極限抗拉強度為2.7 MPa。襯砌結構的安全系數如表1所示。

表1 襯砌結構安全系數Tab.1 Safety Factor for Lining Structure

安全系數分布示意圖如圖5 所示?？芍绊敿吧瞎把课话踩禂递^其他部位低，設計及施工中應以拱頂及拱腰部位進行控制，安全系數最低部位在上拱腰部位為2.55，文獻［9］規(guī)定抗拉控制安全系數為2.4，略大于安全系數。厚度為100 cm 的襯砌安全系數滿足文獻［9］要求。

圖5 襯砌結構安全系數分布示意圖Fig.5 Safety Factor for Lining Structure

2.3 現場試驗數據分析

臨空側鋼筋計受力變化曲線如圖6?所示，可知，所有臨空側鋼筋計受力值均在（-4）～3.12 kN范圍。受拉鋼筋值最終值穩(wěn)定在0.4～3.12 kN，受壓鋼筋值最終穩(wěn)定在（-4）～（-1）kN。襯砌脫模初期鋼筋受力增長較快，6～10 d 后鋼筋受力開始逐步減小，是由于剛澆注混凝土處于收縮期，混凝土還未完全凝固，因而拱頂鋼筋受較大拉力阻礙混凝土的下沉開裂，其他測點呈現類似規(guī)律，待混凝土收縮凝固完成之后，鋼筋受力減小逐步趨于穩(wěn)定。

襯砌臨空側鋼筋受力分布示意圖如圖7?所示。襯砌臨空側鋼筋受力并不對稱，考慮可能是由于隧道地表兩側構筑物荷載不同造成，通過監(jiān)測數據分析呈現同樣規(guī)律?？梢钥吹焦绊數缴瞎把艽髤^(qū)域鋼筋都處于受拉狀態(tài)，說明拱頂及上拱腰為受力較大區(qū)域；仰拱部位臨空側鋼筋也處于受拉狀態(tài)，說明仰拱在地應力的作用下有隆起趨勢。數值模擬結果與現場試驗結果相吻合。

圍巖側鋼筋計受力變化曲線如圖6?所示，鋼筋最終穩(wěn)定受力值在（-5）～3.4 kN 范圍。鋼筋計受力值在襯砌混凝土澆注之后15 d內變化較大，觀測15 d后鋼筋計受力值趨于穩(wěn)定。圍巖側受拉鋼筋值最終穩(wěn)定在0.5～3.4 kN，受壓鋼筋值穩(wěn)定在（-5.0）～（-0.5）kN。其中仰拱圍巖側鋼筋受力較大，最大值為-4.92 kN，分析仰拱在地應力作用下有隆起趨勢，因而圍巖側鋼筋受力較大。襯砌圍巖側鋼筋受力分布如圖7?所示。圍巖側鋼筋受力基本對稱，受力規(guī)律與臨空側鋼筋一致。

圖6 鋼筋受力變化曲線Fig.6 Stress Variation Curve of Reinforcement

圖7 鋼筋受力分布示意圖Fig.7 Force Distribution on the Lining（kN）

3 結語

⑴大跨度扁平隧道結構拱頂附近區(qū)域受力面積大，拱頂及上拱腰部位受力較大，表現為特殊的受力規(guī)律。

⑵有限元數值模擬與現場試驗數據相吻合，隧道襯砌結構拱頂、上拱腰附近受力較大。

⑶扁平大跨隧道拱頂襯砌承載功能作用強，不只是作為安全儲備。

⑷根據測試數據，襯砌兩側鋼筋受力不對稱，可能由于隧道地表構筑物荷載不對稱造成。

⑸通過數值模擬與現場試驗分析，襯砌結構安全。