膨胀岩地层双线隧道仰拱矢跨比对二次衬砌力学特性的影响

符亚鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

膨胀岩水敏感性强，含有较多的亲水矿物，含水率变化将引起较大的体积变化，遇水膨胀变形、软化、崩解[1]。近年来，在建和已建的铁路隧道工程中遇到的膨胀岩问题越来越多，主要表现为衬砌开裂、轨道异常隆起、仰拱填充开裂等。目前，双线隧道衬砌断面主要特点为轨面以上为单心圆，轨面以下较为扁平，仰拱矢跨比较小。防排水系统能为拱墙衬砌背后地下水提供通畅的排出通道，却不能为仰拱下方地下水提供通畅的排出通道。若膨胀岩隧道仰拱下方地下水长期汇集，吸水膨胀产生的膨胀荷载将直接作用于仰拱，危及衬砌结构的安全。

膨胀岩地层工程实例较多，在理论研究和现场施工等方面已取得了一些成果。李化云等[2]通过室内试验得到膨胀岩试样在连续吸水过程中不同含水率与体积膨胀率的关系；方勇等[3-6]依托成都地铁2号线膨胀岩地层，采用现场测试和数值模拟的方式获得了膨胀岩地层盾构隧道管片荷载特征，不同膨胀形式对管片衬砌荷载分布的影响规律；崔蓬勃等[7]分析了铁路膨胀岩隧道初期支护的稳定性，并提出了设计优化措施；谭永庆[8]分析了膨胀性地层铁路隧道仰拱上拱的原因，并提出了对应的整治措施；唐连权等[9]基于对膨胀岩引起的公路隧道路面病害的调查及处治，提出一套膨胀岩地层公路隧道路面病害检测和维修治理方案。虽然对膨胀岩隧道工程的研究较多，但尚未形成完整的理论及设计体系。本文基于铁路双线隧道仰拱矢跨比较小、仰拱下方地下水无通畅的排出通道等现状，分析不同仰拱矢跨比下双线隧道二次衬砌力学特性的变化规律。

1 双线隧道衬砌结构设计

膨胀岩地层双线隧道设计为曲墙式带仰拱复合式衬砌。隧道内轨面以上净空面积大小主要取决于铁路设计速度目标值，轨面以下大小取决于仰拱矢跨比。双线隧道衬砌结构及防排水系统设计见图1。

图1 双线隧道衬砌结构及防排水系统设计

铁路隧道防排水系统设计一般遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则。目前常见的防排水系统敷设于初期支护与二次衬砌之间。防排水系统主要由排水盲管、无纺布、防水板、排水侧沟、中心水沟等构成，且衬砌混凝土需满足一定的抗渗等级[10]，拱墙衬砌背后地下水通过排水系统汇集到排水侧沟或中心水沟排出洞外。

2 不同仰拱矢跨比下双线隧道二次衬砌力学特性分析

2.1 计算工况

新建西宁至成都铁路在青海省境内以隧道方式长距离穿越第三系泥岩、泥岩夹石膏岩、泥岩夹砂岩等膨胀岩地层。设计为单洞双线隧道，隧道二次衬砌为模筑C35钢筋混凝土结构，拱墙和仰拱的厚度分别为55，60 cm，主筋为φ22＠200 mm，箍筋为φ8＠200 mm，架立筋为φ12＠200 mm。

基于荷载-结构设计理念，采用有限元软件构建二维数值计算模型，采用统计法计算获得Ⅴ级围岩(重度20 kN/m3)铁路深埋隧道所承受的荷载。根据现场勘探，计算中取膨胀荷载为150 kPa。分析仰拱矢跨比分别为 1/11.87，1/9.85，1/6.76，1/5.56 时隧道二次衬砌的力学特性。荷载分布如图2所示。数值计算模型单元划分如图3所示。

图2 荷载分布

图3 数值计算模型单元划分

2.2 计算结果与分析

由于计算模型为对称模型，选结构的一半(图3中单元1～37)来研究。不同仰拱矢跨比下双线隧道二次衬砌的弯矩、轴力、安全系数分布见图4。

图4 双线隧道二次衬砌弯矩、轴力及安全系数分布

由图4(a)可以得出:膨胀岩地层双线隧道仰拱矢跨比对仰拱和边墙处的弯矩影响较大，对拱部弯矩影响较小。随着仰拱矢跨比的增大，仰拱、边墙处二次衬砌的弯矩绝对值减小。

由图4(b)可以得出:膨胀岩地层双线隧道仰拱矢跨比对仰拱处轴力的影响较大，对拱部轴力的影响较小。随着仰拱矢跨比的增大，仰拱处轴力绝对值增大，墙脚处轴力绝对值减小，但降幅较小。

由图4(c)可以得出:膨胀岩地层双线隧道仰拱矢跨比对仰拱和边墙处安全系数的影响较大，对拱部安全系数的影响较小。随着仰拱矢跨比的增大，仰拱、边墙处安全系数增大。当仰拱矢跨比为1/11.87时，墙脚处安全系数小于2，不满足规范要求。增大仰拱矢跨比后，安全系数均大于2。

3 结论

1)双线隧道仰拱矢跨比对仰拱、边墙处二次衬砌的力学特性影响大，对拱部影响小。随着仰拱矢跨比的增大，仰拱、边墙处二次衬砌弯矩绝对值减小，仰拱处二次衬砌轴力绝对值增大，墙脚处二次衬砌轴力绝对值减小，仰拱、边墙处二次衬砌的安全系数均增大。

2)仰拱矢跨比为1/11.87时，墙脚处安全系数小于2，不满足规范要求。因此，在膨胀岩地层隧道设计中应适当提高仰拱矢跨比。