填方高度对明洞衬砌运营安全的影响研究*

余大龙，舒东利，廖 余，华 阳

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

0 引言

随着我国铁路、公路建设事业的发展，部分区段结合地方发展，出现越来越多的高填方明洞。由于高填方明洞回填土石压力较大，对明洞衬砌结构的安全性要求也较高。由于各种原因，较多的高填方明洞在修建过程中均出现衬砌开裂现象，明洞开裂后对运营造成的安全隐患是建设、运营各方较关注的问题。

韩国强等[1]通过定义明洞宽度、断面形式、填土性质、边坡坡角和槽宽比等影响系数，对传统土压力计算公式进行修正，提出4个影响系数下高填方明洞洞顶垂直土压力计算公式；曹淑学等[2]探讨了高填方、软地基和大偏压明洞的结构布置、基础选型和结构计算分析；黎康[3]对在沟谷中建造大体积混凝土隧道坝基的技术方案进行研究，提出在坝基上修建明洞，再在明洞上方回填土至设计标高；周鹏[4]提出高填方明洞顶部垂直土压力建议计算公式和洞周侧向土压力建议计算公式；卓彬[5]研究了不同结构形式的明洞及其减载结构内力和衬砌厚度的变化规律，揭示了EPS板的减载力学特性，给出了最优结构形式的高填方明洞；李明等[6]研究了采用泡沫轻质土对高填方明洞结构受力特性的影响；李智鹏[7]分析了考虑时间效应下，高填方减载明洞土压力的变化规律；赖士谦[8]揭示了超厚回填土大跨明洞衬砌结构存在“土拱效应”，并研究了大跨明洞竖向荷载随分层填土高度的动态变化规律；旷文涛[9]对超高回填明洞设计及施工进行了探讨，提出盖挖法是修建超高回填明洞的有效方法；罗禄森等[10]提出高填方明洞荷载计算应考虑土体挟持作用的影响，推导出高填方明洞荷载计算方法；唐援彬[11]采用数值模拟与理论推导方法得出适合高填方明挖隧道的土压力计算方法及加筋减载设计理论。

随着我国铁路建设的发展，已有较多高填方明洞修建成功，但由于种种原因加之运营时间的增长，明洞衬砌结构的裂缝缺陷也越来越凸显，衬砌裂缝是否会影响运营安全须重点关注。因此，本文依托广大线云驿隧道明洞，开展高填方明洞衬砌结构裂缝安全评价，以期为类似工程提供工程经验。

1 工程概况

1.1 云驿隧道明洞设计概况

广通—大理铁路云驿隧道位于云南驿—祥云南区间，为双线隧道，设计为1.2%，0.6%的上坡，全隧均位于半径R=3 500m的右偏曲线上外侧。隧道进口里程为D1K122+580，出口里程为D1K123+020，全长440m。全隧为全回填明洞，回填土石高2～15m， 如图1所示。

图1 云驿隧道纵断面设计

云驿隧道施工图设计采用路堑式明洞衬砌结构形式，如图2所示。

图2 路堑式明洞结构

1.2 云驿隧道明洞开裂情况

1.2.1衬砌裂缝开裂情况

2017年3月31日至4月1日，提前对云驿隧道进行敲击检查，发现D1K122+730—D1K123+020段拱部90°范围内均出现纵向裂缝。D1K122+730—D1K123+020段隧道拱顶中心线两侧2.5m范围内，拱顶衬砌分布纵向裂缝7～10条，裂缝间距20～60cm，呈线性分布。

2017年4月9日，项目部在D1K122+741，D1K122+841，D1K122+864，D1K122+880，D1K122+900处拱顶中心位置分别设置裂缝观测标识，采用裂缝观测仪对裂缝宽度进行第1次观测。最宽裂缝出现在D1K122+826，D1K122+864处，宽度约为1mm，其他裂缝宽度沿隧道纵向逐渐变窄。

目前最深裂缝位置为D1K122+910处，缝宽0.17mm，缝深达291mm；最宽裂缝位置为D1K122+826处，缝宽0.98mm，缝深还未检测。

D1K122+730—D1K123+020段隧道衬砌厚度为0.8～1.2m，回填高2～15m，结合裂缝分布情况及洞顶回填土高度，可发现裂缝的宽度、深度与回填土方高度成正比。

1.2.2裂缝形状

通过芯样可明显看出，混凝土表面裂缝最宽，最里面最窄，最终裂缝(缝)消失，呈倒V形。

1.3 云驿隧道明洞清方减载方案

云驿隧道施工完成后衬砌出现局部开裂，2017年5月衬砌开裂后提出清方减载方案，将明洞最大回填土石高度由15m减至5m，清方减载方案纵、横断面如图3,4所示。

图3 清方减载方案纵断面

图4 清方减载方案D1K122+840横断面

清方减载后，仍采用裂缝观测仪对裂缝进行观测，最宽裂缝位置D1K122+826处缝宽0.99mm；仅发展0.01mm。最深裂缝位置D1K122+910处缝深仍为291mm，缝深没有增加。D1K122+730—D1K123+020段隧道拱顶中心线两侧2.5m范围内，拱顶衬砌纵向裂缝仍呈线性分布，裂缝宽度和深度没有继续发展。

2 云驿隧道明洞荷载及工况模型

2.1 明洞荷载

明洞的主要荷载包括结构自重、围岩压力及回填土石压力。回填土石压力分为垂直压力和侧压力，侧压力又分为拱圈回填土石侧压力和边墙墙背回填土石侧压力。明洞回填土石压力计算方法参照《铁路工程设计技术手册》隧道篇及TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》。

2.2 施工荷载

考虑施工期间明洞顶部回填土过程中施工机械自重及施工振动对明洞结构的影响，施工现场采用LG518B型压路机，机身尺寸为6.24m×2.44m(长×宽)，压路机重18t，前轮静线荷载40.5kN/m，激振力190～330kN。

施工中仅考虑激振荷载，激振荷载取最大值330/2.44=135.25kN/m。填土高度<1m时应考虑施工荷载对隧道衬砌的影响，≥1m时因有填土层的缓冲作用，不考虑施工荷载对隧道的影响。

2.3 计算工况及模型

考虑拱顶上方填土受雨水影响，填土采用饱和重度。考虑衬砌开裂后按原设计与减载方案设计分别计算，计算工况如表1所示。

表1 云驿明洞计算工况

根据广大线云驿隧道明洞设计图，回填土高度取15m，建立ANSYS荷载结构模型，如图5 所示。

图5 云驿隧道明洞计算模型

回填土石及明洞衬砌计算参数如表2所示。

表2 回填土石及明洞衬砌计算参数

3 云驿隧道明洞衬砌开裂后安全性性分析

3.1 填土高度15m计算结果

在自重及回填土压力作用下，静力计算得到明洞衬砌轴力和弯矩，如图6所示。

图6 填土高度15m明洞衬砌轴力及弯矩

根据设计配筋，拱墙采用单侧双层双筋2N2aC25@200+2N2bC25@200，边墙采用单侧双层双筋2N1aC28@200+N1cC28@200，仰拱采用单侧双层双筋2N4bC25@200+2N4aC28@200，按钢筋混凝土安全系数计算方法计算二衬的安全系数，衬砌局部厚度为1m，在回填土石荷载作用下，结构的最小安全系数为3.66，位于拱顶位置，大于《铁路隧道设计规范》所要求的安全系数2.4。

3.2 填土高度5m计算结果

在自重及回填土压力作用下，静力计算得到明洞衬砌弯矩和轴力，如图7所示。

图7 填土高度5m明洞衬砌弯矩及轴力

根据设计配筋，拱墙采用单侧双层双筋2N2aC25@200+2N2bC25@200，边墙采用单侧双层双筋2N1aC28@200+N1cC28@200，仰拱采用单侧双层双筋2N4bC25@200+2N4aC28@200，按钢筋混凝土安全系数计算方法计算二衬的安全系数，衬砌局部厚度为1m，在回填土石荷载作用下，结构的最小安全系数为10.93，位于拱顶位置，大于《铁路隧道设计规范》所要求的安全系数2.4。

3.3 安全性评价

根据衬砌裂缝检测报告，隧道拱部裂缝较多，最大裂缝深度约为200mm，等效为拱部衬砌厚度由原设计120cm缩减至100cm。对考虑裂缝情况的明洞衬砌进行安全性分析，计算结果如表3所示。

表3 衬砌开裂后安全系数计算结果

由表3可知，若不采取减载方案，按原设计填土高度计算，目前衬砌的安全系数为3.66，安全储备较低。衬砌开裂后混凝土与钢筋间的黏结咬合力降低，在同样荷载作用下裂缝发展的趋势会增大，再加上雨季影响很有可能造成衬砌继续开裂。清方减载后衬砌的安全系数为10.93，安全储备高，衬砌所受荷载减小，有利于结构安全。综上所述，建议对隧道明洞衬砌上方填土进行清方减载。

4 结语

1)云驿隧道明洞衬砌最大裂缝深度达20cm，考虑开裂后衬砌不再工作，相当于拱部衬砌厚度由120cm减薄至100cm。

2)在填方高度15m的回填土石压力及结构自重作用下，明洞衬砌最小安全系数为3.66，虽满足规范要求，但衬砌开裂后混凝土与钢筋间的黏结咬合力降低，在同样的荷载下裂缝发展的趋势会增大，再加上雨季影响很有可能造成衬砌继续开裂，列车振动也可能造成裂缝继续发展。

3)清方减载方案中明洞上方回填土石高度降低至5m后，明洞衬砌最小安全系数为10.93，衬砌所受荷载减小，有利于结构安全，建议对云驿隧道明洞衬砌上方填土进行清方减载。

4)结合现场观测和数值计算，发现两者得出的裂缝发展规律一致，对明洞衬砌上方填土进行清方减载有利于结构安全。

5)今后在类似工程设计和施工中应严格控制回填土高度，尽量考虑控制在5～10m。