卿偉宸,高 楊,章慧健

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031； 2.西南交通大學(xué),成都 610031)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，進(jìn)入21世紀(jì)后，我國鐵路建設(shè)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。隨著高速鐵路建設(shè)在西部山區(qū)的不斷開展，隧道建設(shè)也開始向“多、長、大、深”方向發(fā)展[1-4]。由于西部地區(qū)地形復(fù)雜、地質(zhì)艱險(xiǎn)，橋隧比重大，大部分鐵路隧線比達(dá)到50%以上，部分鐵路如成都至九寨溝鐵路隧線比達(dá)90%以上。諸如大瑞線、成蘭線(成都至九寨溝鐵路)部分地段地形條件限制，導(dǎo)致車站伸入隧道內(nèi)，由于之前國內(nèi)外無修建四線車站隧道的成功先例，傳統(tǒng)車站設(shè)計(jì)一般采用Y字形“2+2”、分修式“2+2”、縱列式“3+3”等形式，以控制隧道跨度不超過三線，但上述方案惡化了車站功能，不利于運(yùn)營管理。顯然，隨著高速鐵路在西部山區(qū)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的大跨度三線隧道已不能滿足山區(qū)選線及設(shè)站的需要，四線車站隧道將不可避免越來越多。而四線車站隧道的成功修建和大量采用使得山區(qū)車站布置形式更為靈活，車站功能更易得到保證，有利于車站的運(yùn)營管理；從而有效降低山區(qū)鐵路車站設(shè)置對線路選線的影響，提高艱險(xiǎn)山區(qū)雙線鐵路特別是客運(yùn)專線選線的自由度。

建國以來尤其是20世紀(jì)90年代，經(jīng)過歷代隧道工程技術(shù)人員的探索實(shí)踐，大跨度三線及以下的車站隧道設(shè)計(jì)、施工技術(shù)已較為成熟，但特大跨度四線車站隧道設(shè)計(jì)、施工尚無先例。對于特大跨度四線隧道，其開挖面積大、跨度大，為提高隧道空間的利用率、降低工程成本，與高跨比較大的單線隧道、近于圓形的雙線隧道及三線隧道相比，其斷面形式將更加扁平，在力學(xué)行為上有較大差別，在結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下問題。

(1)對特大跨度四線隧道，增大高跨比對提高結(jié)構(gòu)安全性能是有利的[5]，但會(huì)造成浪費(fèi)；相反，降低高跨比會(huì)提高經(jīng)濟(jì)效益[6]，但斷面越扁平，開挖后的應(yīng)力集中程度增加[7]、應(yīng)力重分布更加惡化[8-9]，增加了隧道工程設(shè)計(jì)和施工的難度，即隧道開挖后圍巖拱部土體在自重應(yīng)力場作用下向洞內(nèi)移動(dòng)，并導(dǎo)致兩側(cè)土體受壓，反映在洞周位移上，拱頂下沉要遠(yuǎn)大于水平收斂位移[1]。顯然，支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)與隧道高跨比有關(guān)[6]。

(2)在滿足建筑限界及相關(guān)作業(yè)要求條件下，在技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的范圍內(nèi)，通過對特大跨度四線隧道洞室的圍巖力學(xué)特性，襯砌結(jié)構(gòu)的承載力，大斷面隧道合理的扁平率等進(jìn)行研究，以確定經(jīng)濟(jì)合理的斷面形式。

本文依托烏蒙山2號出口四線鐵路車站隧道，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，針對以上問題，詳細(xì)研究了特大跨度四線隧道不同扁平率的內(nèi)輪廓對圍巖應(yīng)力、位移、塑性區(qū)及結(jié)構(gòu)性能的力學(xué)行為影響，以提出合理的襯砌內(nèi)輪廓及扁平率范圍。

2 工程概況

烏蒙山2號隧道，為單洞雙線隧道位于六盤水—沾益鐵路貴州省境內(nèi)，由觀音河右岸進(jìn)洞，進(jìn)口里程為DK276+090；終于扒挪塊車站，出口里程為DK288+350，隧道全長12 260 m。最大埋深400余m。設(shè)計(jì)時(shí)速為160 km，通行雙層集裝箱。由于運(yùn)能需要，隧道出口端扒挪塊車站伸入隧道，DK287+740～DK288+350段形成四線車站隧道，長610 m，洞身主要通過以泥巖、頁巖夾砂巖為主的軟巖地層。圍巖物理力學(xué)參數(shù)按表1取值，襯砌混凝土的物理力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 襯砌混凝土力學(xué)參數(shù)

3 隧道建筑限界

3.1 隧道建筑限界擬定考慮的主要因素

列車在隧道中行駛，必須有足夠的空間，隧道建筑限界就是為了保證隧道內(nèi)各種交通正常進(jìn)行與安全，而規(guī)定的在一定寬度高度范圍內(nèi)不得有任何障礙物侵入的空間。建筑限界是擬定隧道輪廓線的前提，隧道建筑限界是決定隧道凈空尺寸的依據(jù)[10]。因此，隧道建筑限界的確定，對隧道的設(shè)計(jì)來說至關(guān)重要。影響建筑限界的主要因素包括以下方面：(1)機(jī)車車輛限界；(2)線別及設(shè)計(jì)速度；(3)線路展線布置及設(shè)站要求；(4)電氣化接觸網(wǎng)懸掛設(shè)備布置的要求；(5)隧道內(nèi)通風(fēng)、照明、通信、警告信號及色燈信號等附屬設(shè)備安裝要求。

3.2 四線隧道建筑限界的擬定

本隧道旅客列車設(shè)計(jì)行車速度160 km/h并通行雙層集裝箱列車。四線車站隧道“基本建筑限界”系根據(jù)相關(guān)規(guī)范[11-14]的規(guī)定，并根據(jù)本線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、接觸網(wǎng)和站場專業(yè)的技術(shù)要求綜合確定。大跨度四線車站段建筑限界如圖1所示。

圖1 烏蒙山2號大跨度四線車站隧道建筑限界(單位：mm)

4 襯砌斷面內(nèi)輪廓研究

4.1 襯砌內(nèi)輪廓初步擬定

扁平率是指隧道襯砌內(nèi)輪廓的高度與其寬度的比值[15]，現(xiàn)有的鐵路隧道中，單線隧道扁平率為1.16～1.50；雙線隧道扁平率為0.82～0.95；三線隧道為0.70～0.80。對大跨度隧道，隨著扁平率的減小，可減小洞室開挖量，但開挖后的應(yīng)力重分布狀態(tài)變差[7]，對支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求必將增加。顯然，扁平率是影響支護(hù)結(jié)構(gòu)體系受力及工程投資的一個(gè)重要因素。

本隧道襯砌內(nèi)凈空軌上斷面采用曲墻三心圓拱，在滿足限界基礎(chǔ)上，初步擬定了10種不同扁平率襯砌內(nèi)輪廓，其拱部半徑分別為900、950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 200、1 250、1 300、1 350 cm。各斷面參數(shù)如表3所示，圖2僅對其中3種內(nèi)輪廓示意。

表3 斷面參數(shù)

4.2 不同襯砌內(nèi)輪廓的圍巖力學(xué)特性分析

4.2.1 塑性區(qū)計(jì)算分析

圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。通過計(jì)算，得到上述10種不同扁平率工況的毛洞塑性區(qū)分布，選取4種典型工況如圖3所示。各工況的塑性區(qū)面積和塑性區(qū)高度如表4及圖4所示。

表4 不同扁平率內(nèi)輪廓毛洞的塑性區(qū)比較

圖2 烏蒙山2號大跨度四線車站隧道內(nèi)輪廓(單位：mm)

圖3 不同扁平率內(nèi)輪廓毛洞的塑性區(qū)分布形態(tài)

圖4 不同扁平率內(nèi)輪廓毛洞的塑性區(qū)

從圖3可以看出，上述10種內(nèi)輪廓毛洞圍巖塑性區(qū)自兩側(cè)邊墻底外以一定角度向上發(fā)展，拱部塑性區(qū)高度約1倍洞徑。

圖4可以看出，扁平率為0.85左右時(shí)，拱部塑性區(qū)高度最小，但塑性區(qū)面積卻并為最小。說明當(dāng)內(nèi)輪廓扁平率為0.85左右時(shí)，拱部塑性區(qū)高度雖然較小，但由于扁平率較大，邊墻部位發(fā)生塑性破壞的范圍較大，導(dǎo)致總塑性區(qū)面積較大；扁平率為0.69左右時(shí)，拱部塑性區(qū)高度雖然并不是最小，但塑性區(qū)面積相對較小，說明當(dāng)內(nèi)輪廓扁平率為0.69左右時(shí)，邊墻部位發(fā)生塑性破壞的范圍相對較小。綜合毛洞塑性區(qū)面積及拱部塑性區(qū)高度來看，內(nèi)輪廓扁平率為0.69左右時(shí)較優(yōu)。

4.2.2 圍巖變形分析

通過數(shù)值計(jì)算，得到各工況拱頂沉降及水平收斂，整理如表5及圖5所示。

從圖5可以看出，水平收斂與拱頂沉降具有相同的變化趨勢。水平收斂和拱頂沉降隨扁平率的增大先略有減小后急劇增大。當(dāng)扁平率低于0.69時(shí)，水平收斂和拱頂沉降隨扁平率增加總體上略有增加，但變化幅度很??；當(dāng)扁平率高于0.73時(shí)，水平收斂和拱頂沉降隨扁平率增加而急劇增大。由此可見，在特大跨度隧道中，水平收斂起控制作用。當(dāng)跨度基本一致時(shí)，扁平率越大，則洞形越高，邊墻越高且曲率越小，邊墻與仰拱連接曲線曲率變化大，因此水平收斂就越大。水平收斂越大，兩側(cè)邊墻向內(nèi)位移大，導(dǎo)致拱部整體下沉量增大。

表5 不同扁平率內(nèi)輪廓毛洞圍巖變形比較

圖5 不同扁平率毛洞拱頂沉降收斂

4.3 不同襯砌內(nèi)輪廓二襯受力分析

4.3.1 安全系數(shù)對比分析

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]，混凝土襯砌結(jié)構(gòu)截面安全系數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算

當(dāng)e>0.2h時(shí)，抗拉安全系數(shù)

當(dāng)e≤0.2h時(shí)，抗壓安全系數(shù)

式中K——安全系數(shù)；

N——軸向力，MN；

ψ——構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)，取ψ=1；

b——截面寬度，m；

h——截面厚度，m；

e0——軸向力偏心距，m；

Rl——混凝土抗拉極限強(qiáng)度，MPa；

Ra——混凝土抗壓極限強(qiáng)度，MPa；

α——軸向力的偏心距影響系數(shù)。

對上述10種不同扁平率的內(nèi)輪廓，均取襯砌厚度為90 cm，按V級深埋條件計(jì)算，得到各襯砌拱頂、拱腳、邊墻底及仰拱中部節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力并計(jì)算出安全系數(shù)，具體詳見表6及圖6。

表6 不同扁平率內(nèi)輪廓襯砌安全系數(shù)對比

注：r1為襯砌內(nèi)輪廓拱部半徑；K為安全系數(shù)。

圖6 不同扁平率內(nèi)輪廓襯砌安全系數(shù)對比

結(jié)合表6及圖6可知，隨著內(nèi)輪廓扁平率的減小，拱部圓弧半徑增大，襯砌拱頂、拱腳及仰拱中部截面安全系數(shù)減小，邊墻底截面安全系數(shù)增大。

從圖6可以很直觀地看出，當(dāng)扁平率位于0.67～0.70時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)受力更為均衡。

4.3.2 襯砌內(nèi)力計(jì)算

對4.1節(jié)中10種不同扁平率的內(nèi)輪廓，取襯砌厚度為90 cm，按V級圍巖深埋條件計(jì)算，各襯砌拱頂、拱腳、邊墻中部、邊墻底及仰拱部位截面內(nèi)力及配筋量分別如圖7、圖8所示。

圖7 不同扁平率內(nèi)輪廓襯砌截面內(nèi)力

圖8 不同扁平率內(nèi)輪廓襯砌截面配筋量

從圖7及圖8可以看出，隨著扁平率減小，拱頂及拱腳部位截面彎矩增大，軸力增大，需求配筋量增大；隨著扁平率減小，邊墻底截面彎矩減小，軸力增大，需求配筋量減小。當(dāng)扁平率位于0.65～0.70時(shí)，襯砌截面配筋量較小且沿全環(huán)二次襯砌更為均衡。

4.4 不同內(nèi)輪廓襯砌結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性分析

對4.1節(jié)中10種不同扁平率的內(nèi)輪廓的襯砌結(jié)構(gòu)，結(jié)合計(jì)算分析，在保證各襯砌結(jié)構(gòu)初期支護(hù)及二次襯砌(均采用鋼筋混凝土)最小安全系數(shù)基本一致的情況下，擬定的主要支護(hù)參數(shù)如表7所示。

表7 不同扁平率內(nèi)輪廓襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)

同時(shí)，為更好地指導(dǎo)特大跨度隧道內(nèi)輪廓擬定，補(bǔ)充了受力性能更好的圓形內(nèi)輪廓襯砌結(jié)構(gòu)，主要支護(hù)參數(shù)如表7所示。

通過對表7中11種不同內(nèi)輪廓的襯砌結(jié)構(gòu)工程造價(jià)進(jìn)行計(jì)算，對比分析結(jié)果詳見圖9。從圖9可以看出：(1)襯砌5總造價(jià)最低；(2)對采用圓形內(nèi)輪廓的襯砌結(jié)構(gòu)，二襯圬工及鋼筋均較節(jié)省，但由于開挖、初期支護(hù)等工程量大幅增加，工程造價(jià)并沒有明顯優(yōu)勢；(3)從內(nèi)輪廓扁平率與襯砌工程造價(jià)關(guān)系來看，當(dāng)內(nèi)輪廓扁平率在0.67～0.86范圍，相對較省。

圖9 不同扁平率內(nèi)輪廓襯砌結(jié)構(gòu)工程造價(jià)

5 結(jié)論

對大跨度扁平隧道，扁平率是影響隧道結(jié)構(gòu)受力的一個(gè)主要因素。結(jié)合烏蒙山2號四線車站隧道實(shí)際工程，通過數(shù)值模擬及綜合比較分析，對大跨度四線隧道合理扁平率范圍開展了深入研究，得出如下主要結(jié)論。

(1)對擬定的10種內(nèi)輪廓毛洞進(jìn)行分析，其圍巖塑性區(qū)為自兩側(cè)邊墻底外以一定角度向上發(fā)展，拱部塑性區(qū)高度約1倍洞徑。綜合毛洞塑性區(qū)面積及拱部塑性區(qū)高度來看，內(nèi)輪廓扁平率為0.69左右時(shí)較優(yōu)。

(2)水平收斂和拱頂沉降隨扁平率的增大先略有減小后急劇增大。當(dāng)扁平率低于0.69時(shí)，水平收斂和拱頂沉降隨扁平率增加總體上略有增加，但變化幅度很??；當(dāng)扁平率高于0.73時(shí)，水平收斂和拱頂沉降隨扁平率增加而急劇增大。由此可見，在特大跨度隧道中，水平收斂與拱頂沉降具有相同的變化趨勢，且水平收斂起控制作用。究其原因，當(dāng)跨度基本一致時(shí)，扁平率越大，洞形越高，邊墻越高且曲率越小，邊墻與仰拱連接曲線曲率變化大，水平收斂就越大。水平收斂越大，兩側(cè)邊墻向內(nèi)位移大，導(dǎo)致拱部整體下沉量增大。

(3)隨著內(nèi)輪廓扁平率的減小，拱頂圍巖應(yīng)力松弛嚴(yán)重，造成拱頂下沉和仰拱突起變形比較嚴(yán)重，拱腳及邊墻上部受到強(qiáng)烈擠壓，造成壓應(yīng)力集中嚴(yán)重，從而導(dǎo)致拱頂、拱腳及仰拱部位安全系數(shù)減?。涣硪环矫?，隨著內(nèi)輪廓扁平率的減小，邊墻底與仰拱連接更為圓順平緩，應(yīng)力集中減小，邊墻底安全系數(shù)增大。結(jié)合襯砌結(jié)構(gòu)各部位安全系數(shù)變化趨勢，當(dāng)扁平率位于0.67～0.70時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)受力更為均衡。

(4)隨著內(nèi)輪廓扁平率減小，二次襯砌拱頂及拱腳部位截面需求配筋量增大，邊墻底截面配筋需求量減小。當(dāng)扁平率位于0.67～0.70時(shí)，襯砌截面配筋量較小且沿全環(huán)襯砌更為均衡。

(5)襯砌結(jié)構(gòu)工程造價(jià)基本上呈現(xiàn)“隨著內(nèi)輪廓扁平率增大，先減小后增大”的趨勢，當(dāng)內(nèi)輪廓扁平率在0.67～0.86時(shí)，相對較省，襯砌結(jié)構(gòu)采用受力性能更好的圓形內(nèi)輪廓，工程造價(jià)并沒有優(yōu)勢。

綜合考慮洞室穩(wěn)定性、洞周位移、塑性區(qū)、圍巖應(yīng)力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力及工程造價(jià)，大跨度四線鐵路隧道合理的偏平率應(yīng)控制在0.67～0.70。

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