大跨度高速铁路隧道衬砌结构设计的经济性研究

史天龙

（中国铁路设计集团有限公司，天津300142）

1 引言

铁路隧道衬砌的投资占隧道全部投资的比例较高，目前，大部分高速铁路隧道设计均参考TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》及经规标准函等规定确定隧道衬砌结构，但对于大跨度衬砌结构的设计往往借鉴既有工程实例确定衬砌结构，在满足结构强度的要求下，大多情况下设计是比较保守的，因此，研究大跨度隧道衬砌结构设计的经济性对降低整个工程投资造价十分必要。

2 工程概述

张家山隧道位于重庆市南岸区，设计时速为350 km/h，受站场布置影响，该隧道最大断面处开挖宽度为27.64 m，高度为19.516 m，矢跨比为0.11。轮廓线设计采用六心圆确定，半径自上而下分别为：12.88 m、6.65 m、6.65 m、2.7 m、2.7 m、26.01 m，开挖面积约为427.88 mm2。该大跨段隧道穿越的地层主要为砂岩夹泥岩地层，根据地质钻孔资料显示，围岩计算物理学参数如表1所示。

表1 Ⅴ级围岩物理力学参数

3 大跨度衬砌结构设计情况

本工程位于重庆东站附近，受站场布置影响，隧道断面需加大，结合周边既有工程实例分析确定本隧道大跨度衬砌结构，二衬混凝土标号为C35，主筋采用HRB400钢筋，具体衬砌支护参数如表2所示。

表2 大跨隧道衬砌支护参数表

4 设计荷载计算

本大跨度衬砌结构覆土较浅，为浅埋隧道衬砌，根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》附录E浅埋隧道荷载计算方法规定（见表3）。

表3 大跨度隧道衬砌浅埋荷载

5 大跨度衬砌结构模型建立

图1 计算模型示意图

按荷载-结构模型，采用SAP84结构设计软件。根据地下结构的埋深，将结构覆土换算成上覆土荷载和侧土压力，施加在结构上进行结构内力计算；采用径向弹簧模拟地层对结构的水平位移和垂直位移的约束作用[1]。采用承载能力极限状态法检算结构强度，结构重要性系数为1.1，分项系数为1.35。裂缝宽度不大于0.2 mm。如图1所示。

6 计算结果分析

Ⅴ级围岩浅埋段大跨度衬砌结构各关键位置处内力与弯矩值如表4所示。

表4 二衬关键点受力分析

从表4计算结果可以看出，各级围岩e0/h0均小于0.55，根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》7.1.2条注3说明，可不验算裂缝宽度。大跨度衬砌结构采用容许应力法配筋计算可满足要求，但采用极限状态法计算时，拱脚处的设计配筋面积设计配筋面积＜计算配筋面积，不满足结构强度要求，设计衬砌断面拱墙及仰拱厚度已经分别达到1 m和1.1 m，再增大衬砌厚度对提高结构强度的效果并不明显，且不经济。为满足结构强度要求，可采用以下2个方法：增大衬砌配筋面积；提高衬砌混凝土强度[2，3]。下面分别通过这2种方法分析提高结构强度的经济性。

从计算结果可以明显看出，设计配筋量小于计算配筋量导致结构强度不满足要求，因此，增大结构配筋面积显然可以提高结构强度。计算结果采用的是双排15根φ28 mm的钢筋，为满足要求，现采用单排15根φ32 mm+单排15根φ28 mm钢筋，计算结果如表5所示。

表5 加强配筋后二衬关键点受力分析

从表5可以得出，当配筋面积从18 463 m2（双排15根φ28 mm）增加至21 289 m2（单排15根φ32 mm+单排15根φ28 mm）时，设计配筋面积＞计算配筋面积，衬砌结构满足度要求。

一般情况下，高速铁路隧道衬砌选用C35钢筋混凝土结构，本计算模型也是参考其他高速铁路项目选用C35钢筋混凝土衬砌结构，但由于本项目为大跨度结构，且常规设计不满足结构强度，因此，本文尝试通过提高混凝土强度来分析，看此方法能否对大跨结构强度的提高有无明显效果[4，5]。现采用C40钢筋混凝土衬砌结构计算大跨结构受力情况，计算结果如表6所示。

表6 加强混凝土强度后二衬关键点受力分析

从表6可以得出，在配筋面积不变的情况下，仅提高大跨衬砌结构混凝土强度，结构强度就可满足要求。

7 结论

本文结合工程实例对大跨度衬砌结构设计的经济性进行研究，得出以下结论：

1）在Ⅴ级围岩浅埋段条件下，大跨度衬砌结构为小偏心受力构件，若提高结构强度，通过提高结构混凝土强度加强结构的效果优于通过增加结构配筋面积来加强结构的效果，通过提高混凝土强度可减少约0.74%的钢筋配筋率，即提高混凝土标号更加经济合理。

2）通过本文对高速铁路大跨度衬砌结构受力分析计算可以得出，大跨度衬砌结构强度的提高不可只针对结构厚度和配筋面积的增加而获得，当结构厚度和配筋面积达到一定程度时，再增加厚度和配筋面积，对结构强度的提高效果既不明显也不经济，可通过改善周边围岩情况以改善大跨度结构受力情况来提高结构强度，亦可通过提高结构混凝土强度来提高结构强度，这样，既效果明显也经济合理。