余大龍，舒東利，廖 余，華 陽

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國鐵路、公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，部分區(qū)段結(jié)合地方發(fā)展，出現(xiàn)越來越多的高填方明洞。由于高填方明洞回填土石壓力較大，對明洞襯砌結(jié)構(gòu)的安全性要求也較高。由于各種原因，較多的高填方明洞在修建過程中均出現(xiàn)襯砌開裂現(xiàn)象，明洞開裂后對運(yùn)營造成的安全隱患是建設(shè)、運(yùn)營各方較關(guān)注的問題。

韓國強(qiáng)等[1]通過定義明洞寬度、斷面形式、填土性質(zhì)、邊坡坡角和槽寬比等影響系數(shù)，對傳統(tǒng)土壓力計算公式進(jìn)行修正，提出4個影響系數(shù)下高填方明洞洞頂垂直土壓力計算公式；曹淑學(xué)等[2]探討了高填方、軟地基和大偏壓明洞的結(jié)構(gòu)布置、基礎(chǔ)選型和結(jié)構(gòu)計算分析；黎康[3]對在溝谷中建造大體積混凝土隧道壩基的技術(shù)方案進(jìn)行研究，提出在壩基上修建明洞，再在明洞上方回填土至設(shè)計標(biāo)高；周鵬[4]提出高填方明洞頂部垂直土壓力建議計算公式和洞周側(cè)向土壓力建議計算公式；卓彬[5]研究了不同結(jié)構(gòu)形式的明洞及其減載結(jié)構(gòu)內(nèi)力和襯砌厚度的變化規(guī)律，揭示了EPS板的減載力學(xué)特性，給出了最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式的高填方明洞；李明等[6]研究了采用泡沫輕質(zhì)土對高填方明洞結(jié)構(gòu)受力特性的影響；李智鵬[7]分析了考慮時間效應(yīng)下，高填方減載明洞土壓力的變化規(guī)律；賴士謙[8]揭示了超厚回填土大跨明洞襯砌結(jié)構(gòu)存在“土拱效應(yīng)”，并研究了大跨明洞豎向荷載隨分層填土高度的動態(tài)變化規(guī)律；曠文濤[9]對超高回填明洞設(shè)計及施工進(jìn)行了探討，提出蓋挖法是修建超高回填明洞的有效方法；羅祿森等[10]提出高填方明洞荷載計算應(yīng)考慮土體挾持作用的影響，推導(dǎo)出高填方明洞荷載計算方法；唐援彬[11]采用數(shù)值模擬與理論推導(dǎo)方法得出適合高填方明挖隧道的土壓力計算方法及加筋減載設(shè)計理論。

隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展，已有較多高填方明洞修建成功，但由于種種原因加之運(yùn)營時間的增長，明洞襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫缺陷也越來越凸顯，襯砌裂縫是否會影響運(yùn)營安全須重點關(guān)注。因此，本文依托廣大線云驛隧道明洞，開展高填方明洞襯砌結(jié)構(gòu)裂縫安全評價，以期為類似工程提供工程經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 云驛隧道明洞設(shè)計概況

廣通—大理鐵路云驛隧道位于云南驛—祥云南區(qū)間，為雙線隧道，設(shè)計為1.2%，0.6%的上坡，全隧均位于半徑R=3 500m的右偏曲線上外側(cè)。隧道進(jìn)口里程為D1K122+580，出口里程為D1K123+020，全長440m。全隧為全回填明洞，回填土石高2～15m， 如圖1所示。

圖1 云驛隧道縱斷面設(shè)計

云驛隧道施工圖設(shè)計采用路塹式明洞襯砌結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

圖2 路塹式明洞結(jié)構(gòu)

1.2 云驛隧道明洞開裂情況

1.2.1襯砌裂縫開裂情況

2017年3月31日至4月1日，提前對云驛隧道進(jìn)行敲擊檢查，發(fā)現(xiàn)D1K122+730—D1K123+020段拱部90°范圍內(nèi)均出現(xiàn)縱向裂縫。D1K122+730—D1K123+020段隧道拱頂中心線兩側(cè)2.5m范圍內(nèi)，拱頂襯砌分布縱向裂縫7～10條，裂縫間距20～60cm，呈線性分布。

2017年4月9日，項目部在D1K122+741，D1K122+841，D1K122+864，D1K122+880，D1K122+900處拱頂中心位置分別設(shè)置裂縫觀測標(biāo)識，采用裂縫觀測儀對裂縫寬度進(jìn)行第1次觀測。最寬裂縫出現(xiàn)在D1K122+826，D1K122+864處，寬度約為1mm，其他裂縫寬度沿隧道縱向逐漸變窄。

目前最深裂縫位置為D1K122+910處，縫寬0.17mm，縫深達(dá)291mm；最寬裂縫位置為D1K122+826處，縫寬0.98mm，縫深還未檢測。

D1K122+730—D1K123+020段隧道襯砌厚度為0.8～1.2m，回填高2～15m，結(jié)合裂縫分布情況及洞頂回填土高度，可發(fā)現(xiàn)裂縫的寬度、深度與回填土方高度成正比。

1.2.2裂縫形狀

通過芯樣可明顯看出，混凝土表面裂縫最寬，最里面最窄，最終裂縫(縫)消失，呈倒V形。

1.3 云驛隧道明洞清方減載方案

云驛隧道施工完成后襯砌出現(xiàn)局部開裂，2017年5月襯砌開裂后提出清方減載方案，將明洞最大回填土石高度由15m減至5m，清方減載方案縱、橫斷面如圖3,4所示。

圖3 清方減載方案縱斷面

圖4 清方減載方案D1K122+840橫斷面

清方減載后，仍采用裂縫觀測儀對裂縫進(jìn)行觀測，最寬裂縫位置D1K122+826處縫寬0.99mm；僅發(fā)展0.01mm。最深裂縫位置D1K122+910處縫深仍為291mm，縫深沒有增加。D1K122+730—D1K123+020段隧道拱頂中心線兩側(cè)2.5m范圍內(nèi)，拱頂襯砌縱向裂縫仍呈線性分布，裂縫寬度和深度沒有繼續(xù)發(fā)展。

2 云驛隧道明洞荷載及工況模型

2.1 明洞荷載

明洞的主要荷載包括結(jié)構(gòu)自重、圍巖壓力及回填土石壓力?；靥钔潦瘔毫Ψ譃榇怪眽毫蛡?cè)壓力，側(cè)壓力又分為拱圈回填土石側(cè)壓力和邊墻墻背回填土石側(cè)壓力。明洞回填土石壓力計算方法參照《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊》隧道篇及TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》。

2.2 施工荷載

考慮施工期間明洞頂部回填土過程中施工機(jī)械自重及施工振動對明洞結(jié)構(gòu)的影響，施工現(xiàn)場采用LG518B型壓路機(jī)，機(jī)身尺寸為6.24m×2.44m(長×寬)，壓路機(jī)重18t，前輪靜線荷載40.5kN/m，激振力190～330kN。

施工中僅考慮激振荷載，激振荷載取最大值330/2.44=135.25kN/m。填土高度<1m時應(yīng)考慮施工荷載對隧道襯砌的影響，≥1m時因有填土層的緩沖作用，不考慮施工荷載對隧道的影響。

2.3 計算工況及模型

考慮拱頂上方填土受雨水影響，填土采用飽和重度?？紤]襯砌開裂后按原設(shè)計與減載方案設(shè)計分別計算，計算工況如表1所示。

表1 云驛明洞計算工況

根據(jù)廣大線云驛隧道明洞設(shè)計圖，回填土高度取15m，建立ANSYS荷載結(jié)構(gòu)模型，如圖5 所示。

圖5 云驛隧道明洞計算模型

回填土石及明洞襯砌計算參數(shù)如表2所示。

表2 回填土石及明洞襯砌計算參數(shù)

3 云驛隧道明洞襯砌開裂后安全性性分析

3.1 填土高度15m計算結(jié)果

在自重及回填土壓力作用下，靜力計算得到明洞襯砌軸力和彎矩，如圖6所示。

圖6 填土高度15m明洞襯砌軸力及彎矩

根據(jù)設(shè)計配筋，拱墻采用單側(cè)雙層雙筋2N2aC25@200+2N2bC25@200，邊墻采用單側(cè)雙層雙筋2N1aC28@200+N1cC28@200，仰拱采用單側(cè)雙層雙筋2N4bC25@200+2N4aC28@200，按鋼筋混凝土安全系數(shù)計算方法計算二襯的安全系數(shù)，襯砌局部厚度為1m，在回填土石荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)為3.66，位于拱頂位置，大于《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》所要求的安全系數(shù)2.4。

3.2 填土高度5m計算結(jié)果

在自重及回填土壓力作用下，靜力計算得到明洞襯砌彎矩和軸力，如圖7所示。

圖7 填土高度5m明洞襯砌彎矩及軸力

根據(jù)設(shè)計配筋，拱墻采用單側(cè)雙層雙筋2N2aC25@200+2N2bC25@200，邊墻采用單側(cè)雙層雙筋2N1aC28@200+N1cC28@200，仰拱采用單側(cè)雙層雙筋2N4bC25@200+2N4aC28@200，按鋼筋混凝土安全系數(shù)計算方法計算二襯的安全系數(shù)，襯砌局部厚度為1m，在回填土石荷載作用下，結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)為10.93，位于拱頂位置，大于《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》所要求的安全系數(shù)2.4。

3.3 安全性評價

根據(jù)襯砌裂縫檢測報告，隧道拱部裂縫較多，最大裂縫深度約為200mm，等效為拱部襯砌厚度由原設(shè)計120cm縮減至100cm。對考慮裂縫情況的明洞襯砌進(jìn)行安全性分析，計算結(jié)果如表3所示。

表3 襯砌開裂后安全系數(shù)計算結(jié)果

由表3可知，若不采取減載方案，按原設(shè)計填土高度計算，目前襯砌的安全系數(shù)為3.66，安全儲備較低。襯砌開裂后混凝土與鋼筋間的黏結(jié)咬合力降低，在同樣荷載作用下裂縫發(fā)展的趨勢會增大，再加上雨季影響很有可能造成襯砌繼續(xù)開裂。清方減載后襯砌的安全系數(shù)為10.93，安全儲備高，襯砌所受荷載減小，有利于結(jié)構(gòu)安全。綜上所述，建議對隧道明洞襯砌上方填土進(jìn)行清方減載。

4 結(jié)語

1)云驛隧道明洞襯砌最大裂縫深度達(dá)20cm，考慮開裂后襯砌不再工作，相當(dāng)于拱部襯砌厚度由120cm減薄至100cm。

2)在填方高度15m的回填土石壓力及結(jié)構(gòu)自重作用下，明洞襯砌最小安全系數(shù)為3.66，雖滿足規(guī)范要求，但襯砌開裂后混凝土與鋼筋間的黏結(jié)咬合力降低，在同樣的荷載下裂縫發(fā)展的趨勢會增大，再加上雨季影響很有可能造成襯砌繼續(xù)開裂，列車振動也可能造成裂縫繼續(xù)發(fā)展。

3)清方減載方案中明洞上方回填土石高度降低至5m后，明洞襯砌最小安全系數(shù)為10.93，襯砌所受荷載減小，有利于結(jié)構(gòu)安全，建議對云驛隧道明洞襯砌上方填土進(jìn)行清方減載。

4)結(jié)合現(xiàn)場觀測和數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)兩者得出的裂縫發(fā)展規(guī)律一致，對明洞襯砌上方填土進(jìn)行清方減載有利于結(jié)構(gòu)安全。

5)今后在類似工程設(shè)計和施工中應(yīng)嚴(yán)格控制回填土高度，盡量考慮控制在5～10m。