基于结构受力模式主动调整的高速铁路双线隧道预制装配式衬砌的设计选型

2020-11-07马伟斌王志伟张胜龙郭小雄王子洪

铁道建筑 2020年10期

马伟斌王志伟张胜龙郭小雄王子洪

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心，北京 100081）

预制装配式结构在国内外城市地下工程中已经有一定应用［1-2］。地下工程预制结构设计主要考虑结构运输、拼装、防水、受力等因素。从结构受力角度来说，预制地下结构分块设计分为最小弯矩位置分块、最大弯矩位置分块和混合分块3种。最小弯矩位置分块可以最大限度保持整体结构力学行为［3］，如前苏联俄罗斯“整体管段”隧道、荷兰鹿特丹地铁“壳式装配”隧道［4］、我国秦岭Ⅰ线隧道［5］和我国大部分地铁隧道［6］。国内也有从弯矩最大位置进行分块设计的工程案例，如大连地铁袁家店站（明挖地铁车站）［7］。

目前国内针对钻爆法山岭隧道衬砌设计选型研究较少。本文针对我国350 km/h 高速铁路双线隧道断面从弯矩最大位置分块，分析衬砌接头刚度对衬砌结构的影响，为双线铁路隧道预制装配式衬砌结构设计提供思路。

1 整体衬砌内力分析

1.1 模型的建立与参数的确定

隧道断面采用时速350 km 高速列车双线隧道复合式衬砌断面型式，如图1（a）所示。隧道二次衬砌的内力计算采用经典“荷载-结构”模型。衬砌采用三维梁单元（beam188）模拟，围岩与衬砌的相互作用采用无拉链杆（link10）模拟［8］。隧道结构划分为425 个单元，计算模型如图1（b）所示。

图1 整体衬砌断面及计算模型

采用数值分析软件计算Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩条件下，深埋隧道结构的受力特性。衬砌结构厚0.45 m，围岩及结构物理力学参数见表1。

根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［9］，采用初期支护承担70%荷载，二次衬砌承担30%荷载的方式进行衬砌内力计算［10］。Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩水平荷载分别为9，36，100 kPa，垂直荷载分别为60，120，200 kPa。

表1 围岩及支护结构物理力学参数

1.2 内力分析

在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩条件下整体衬砌轴力最大值出现在仰拱，其值分别为686.8，1 234.4，1 949.8 kN；弯矩最大值出现于拱顶，其值分别为40.6，79.4，136.7 kN·m；衬砌横向位移向内，最大值分别为0.91，2.03，4.38 mm；衬砌竖向位移向下，最大值分别为3.57，7.55，15.31 mm。随围岩等级的提高（Ⅲ级—Ⅴ级）衬砌所受轴力、弯矩、横向位移和竖向位移逐渐增加，但是整体受力形式没有发生改变，对预制结构选型统一化具有重要意义。

2 预制装配式衬砌分块设计

综合考虑结构预制、运输、施工、防水等因素，预制结构径向长度采用1 m。环向从弯矩极大位置开始将整个衬砌分为7块。

计算模型如图2 所示。衬砌采用三维梁单元（beam188）模拟，接头位置采用旋转销轴单元（combin7）［9］进行模拟，围岩与衬砌的相互作用采用无拉链杆（link10）［8］模拟。模型共划分为432 个单元。

图2 预制装配式衬砌计算模型

国内隧道衬砌接头刚度一般在6.8～950 MN·m/rad［7］。计算时接头刚度分别取 0，6.8，12.5，45，240，500，950 MN·m/rad。计算Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩条件下预制装配式衬砌在不同接头刚度时最大轴力、最大弯矩、最大横向位移和最大垂向位移，并与整体衬砌对比，结果见表2—表5。衬砌所受轴力均为压力，最大横向位移均向内，最大竖向位移均向下。

表2 衬砌最大轴力 kN

表3 衬砌最大弯矩 kN·m

表4 衬砌最大横向位移 mm

表5 衬砌最大竖向位移 mm

由表2—表5可知：Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩条件下随着接头刚度增大，预制装配式衬砌最大轴力、最大横向位移、最大垂向位移均逐渐减小，最大弯矩均先减小后增大。整体衬砌分块后虽然位移有所增大但衬砌结构受力更加稳定。与整体衬砌相比，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩条件下预制装配式衬砌接头刚度为0时，最大轴力分别增加4.5%，5.3%，6.2%；最大弯矩分别降低25.9%，34.6%，48.2%；最大横向位移分别增加17.6%，27.1%，44.5%；最大竖向位移分别增加41.7%，41.7%，45.3%。

3 预制装配式衬砌安全性分析

按照TB 10003—2016 中公式计算不同接头刚度时预制装配式衬砌各部位安全系数，并与整体衬砌对比，结果见表6—表10。

表6 衬砌拱顶安全系数

表7 衬砌拱肩安全系数

表8 衬砌边墙安全系数

表9 衬砌拱脚安全系数

表10 衬砌仰拱安全系数

由表6—表10 可知：①Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩条件下随着接头刚度增大预制装配式衬砌边墙、拱脚、仰拱安全系数均逐渐增大，拱顶、拱肩安全系数均逐渐减小。②与整体衬砌相比，Ⅲ，Ⅳ，V 级围岩条件下预制装配式衬砌接头刚度为0时拱顶安全系数分别增加4.38倍、2.77 倍、2.16 倍，拱肩安全系数分别增加18.3%，9.9%，115.6%，边墙安全系数分别降低4.6%，5.2%，6.3%，拱脚安全系数分别降低4.3%，4.3%，0，仰拱系数分别降低4.4%，5.6%，5.4%。③当整体衬砌从弯矩最大位置开始分块时，拱顶和拱肩位置安全系数大幅提高，边墙、拱脚和仰拱的安全系数均略有下降，降幅均未超10%且安全系数远高于规范限值2.4。

计算不同接头刚度时预制装配式衬砌全环平均安全系数、最小安全系数，并与整体衬砌对比，结果见表11和表12。

表11 衬砌全环平均安全系数

表12 衬砌最小安全系数

由表11 和表12 可知：①装配式衬砌从弯矩最大位置开始分块时，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ围岩条件下随着接头刚度增大预制装配式衬砌全环平均安全系数和最小安全系数均有所减小；②与整体衬砌相比，接头刚度为0时全环平均安全系数分别增加3.5%，4.3%，8.8%，最小安全系数分别增加2.33 倍、2.36 倍、1.12 倍。当接头刚度小于45 MN·m/rad 时，衬砌最小安全系数增加较大，所以接头刚度不宜大于45 MN·m/rad。