铁路隧道衬砌结构受力特性的数值模拟分析

宋中涛

摘要：近年来，随着我国山岭地区基础建设不断拓展，铁路隧道衬砌的破坏变形成为隧道施工中最具有危害的问题之一，关乎隧道施工的结构安全性，而国内这方面相关的研究成果较少，因此，亟需展开铁路隧道结构衬砌受力特性的研究。本文以某铁路隧道为例，运用数值模拟分析，探究铁路隧道衬砌的结构受力特性，取得了一些重要研究成果。

Abstract： In recent years， with the continuous expansion of infrastructure construction in mountainous areas of China， the destruction and deformation of railway tunnel lining has become one of the most dangerous problems in tunnel construction and it is related to the structural safety of tunnel construction， and the relevant research results in this aspect in China are more less， therefore， it is urgent to carry out research on the mechanical characteristics of railway tunnel lining structure. Taking a railway tunnel as an example， this paper uses numerical simulation analysis to explore the structural stress characteristics of railway tunnel lining， and has achieved some important research results.

关键词：铁路隧道;衬砌结构受力特性;数值模拟

Key words： railway tunnel;mechanical characteristics of lining structure;numerical simulation

中图分类号：TU473.1                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）33-0206-03

0  引言

我国隧道结构设计一般采用复合式衬砌，即由初期支护、二次衬砌组成。初期支护常由喷射混凝土和钢拱架组成，承受主要荷载，在复杂地质条件下，初期支护的受力特性，是评价隧道安全性和支护效果的关键问题之一，具有重要的工程意义[1-4]。本文对某铁路隧道的衬砌受力进行数值模拟分析，确保蒙华铁路马湾隧道的施工安全，得到的结论和建议可为类似工程的设计和施工提供参考。

1  工程概况

1.1 隧道工况及参数

某铁路隧道起讫里程DK846+156.82～DK846+675.5，全长518.68m。该铁路隧道的开挖宽度为11.43m，开挖高度为9.21m，高宽比为0.81，隧道的平均埋深为25m。隧道采用三台阶临时横撑施工，图1表示隧道的开挖步骤。隧道所在的岩体为IV级，岩体重度为25kN/m3，粘聚力为17kPa，内摩擦角为23°，计算摩擦角为29.9°，围岩θ为17.94°。隧道采用？准50小导管超前支护，初期支护为H230钢格栅，间距为0.5m，喷射混凝土采用C25混凝土，厚度为30cm。

1.2 隧道初支开裂及剥落情况

1.2.1 初支裂纹

隧道进口左侧DK846+207～+250段43m、右侧DK846+203～+250段47m，中下台阶连接板附近出现1～2mm纵向裂纹。DK846+295右侧上台阶出现环向裂纹，长约3m。经取芯发现裂纹已贯通初支厚度，通过砂浆块观察，裂缝无发展。

1.2.2 初支剥落

隧道左侧DK846+245～+257段上中台阶连接板附近喷砼连续剥落，钢筋骨架外露变形;隧道右侧DK846+237～+244段中下台阶连接板上部0.5m喷砼连续剥落;左侧DK846+205～+207、DK846+265～+273、拱顶左侧1.5m位置出现局部剥落;右侧DK846+210～+260下台阶与仰拱连接板附近出现局部剥落。

该铁路隧道初支的破坏、变形极易产生隧道围岩的失稳，致使整个开挖掌子面坍塌，极大的威胁工程的安全性，因此对铁路隧道的衬砌破坏机理进行研究具有很高的使用价值，有助于避免隧道衬砌的破坏，确保隧道施工的安全性。

2  数值计算结果分析

本文以IV级围岩为例，进行数值模拟，模拟段的隧道参数如图1所示。假定围岩和衬砌均为均质弹性体，采用的参数见表1、图1所示。

取DK846+198～DK846+265作为研究对象，沿轴线长67m，建立三维有限元模型尺寸如下：宽62.4m，长67m，高56.5m（最高處），有限元模型图2。

在图2中，左右施加按偏压力计算得到的土压力如表2，底部全约束，前后施加纵向约束，竖向施加速度，获得围岩、衬砌的位移和应力云图，见图3-图6。

由上图可以得出以下结论：

①衬砌的位移最大处：发生在拱顶，最大值为0.081m;

②衬砌的竖向应力最大处：发生在侧壁：内侧（山高一侧）：6.25MPa，外侧（山低一侧）：5.36MPa。

3  结论

以某铁路隧道为工程背景，采用现场勘查、数值模拟等方法对隧道衬砌结构受力特性机理进行研究，并对衬砌失稳破坏后给出了相应的措施。所得主要结论一下：

①隧道衬砌两侧壁应力最大，易发生应力集中，引起围岩体的破碎，进而造成混凝土喷扩层的开裂。②隧道衬砌出现裂隙、剥落现象，应采取封闭掌子面、增设临时仰拱和加固环、对初支开裂严重部位和裂缝上下2m范围采取小导管注浆加固等处理措施。③隧道衬砌在设计阶段应加强拱顶和两侧壁的承载能力，确保整个结构的稳定性。

参考文献：

[1]张建平.铁路隧道衬砌纵向裂缝产生原因分析及整治[J]. 国防交通工程与技术，2019，17（04）：14-17.

[2]唐春宇，田鹏.隧道洞顶地表及初支变形开裂综合处理措施[J].中国高新技术企业，2009（17）：168-170.

[3]魏倩，盛谦，陈健，等.隧道衬砌受力特性研究与结构安全性评价[J].人民长江，2012，43（20）：59-61.

[4]刘和清.下穿高速公路的浅埋大断面隧道衬砌受力分析[J]. 铁道标准设计，2011（04）：95-97.