明洞偏压高铁隧道结构稳定性分析

明洞偏压高铁隧道结构稳定性分析

张红昌

中铁十一局集团第二工程有限公司

摘要：近年来随着我国高速铁路的不断发展，穿过恶劣工程地质条件的深埋长隧道越来越多，因此，加大对复杂地质条件的高铁隧道空间支护结构受到不同偏压时的变形及裂缝分析十分必要。本文以某高铁隧道明洞段为例，考虑工程使用软件对隧道明洞偏压段进行有限元数值分析，并根据受力分析提出更加安全的隧道结构方案，并总结高速铁路偏压隧道的病害处理措施。

关键词：高速铁路；偏压隧道；衬砌结构；地层结构法；有限元分析；

1．引言

所谓偏压隧道，指的是由于各种的因素使得围岩压力表现为明显的不均匀性，从而使得隧道的支护结构承受偏压荷载，即表现为隧道两侧受到的荷载不对称，该类隧道被称为偏压隧道。根据引起偏压的性质可将其分为以下几类：地形引起的偏压、地质构造引起的偏压、施工原因引起的偏压。其中前两者是工程所处客观条件所决定，也是最常见的两种原因，后者由于人为施工不规范如回填不密实等导致的隧道受压不均衡。目前国内的研究主要关于地质构造、地形等的影响，但是施工因素的影响同样非常大。

本文以某高铁隧道进口偏压明洞段为项目依据，结合施工时回填土、挡土墙等施工方案，采用地层结构法对该偏压明洞的衬砌结构进行了有限元分析计算，分析了位移与应力情况，得出能够保证隧道结构安全的设计方案，并提出偏压隧道病害处治措施。

2．工程概况

某高铁隧道设计为单洞单线隧道，隧道全长939m；最大埋深147m，隧道轴线东北至西南走向，左线进出口拟采用端墙式洞门。隧道区属丘陵地貌，隧道为山坡隧道，地形起伏较大。进出口段地势较陡，山体自然坡度为25~45°，山体较稳定。山脊较狭窄，冲沟发育，切割较深，呈V形谷，植被较发育。进口段地形自然坡度约30°，采用放坡开挖，边坡形成后采用喷锚支护并及时进行封闭处理。回填土仍保持约30°的坡度，隧道进口形成偏压明洞段。

隧道区上覆土层一般厚度较小，岩层主要以白垩系石帽山群（K1sh）凝灰熔岩为主，属较硬－坚硬岩，岩体较破碎-较完整，对隧道洞身围岩的稳定较有利，洞口围岩级别一般为Ⅳ~Ⅴ级，洞身总体围岩的级别以Ⅱ～Ⅲ为主。

3.软件数值分析

3.1有限元模型

本文采用地层结构法建立有限元分析模型。该方法分析的假设整体化即衬砌结构和地层为一体，二者作为整体必须符合变形协调的要求，在此基础之上可计算出各自的内力，根据内力分析可判断地层稳定性，最后进行衬砌结构的截面设计。地层结构法与荷载结构法相比，更加符合实际情况，尤其是在明洞法施工时，周围回填地层对隧道结构的偏压影响不可忽略，克服了荷载结构法的不足。该方法可以兼顾二者的相互影响，并考虑实际施工的工序等工程情况，根据施工流程能够模拟隧道结构与各个地层的在不同的实施工况下内力和变形，这种分析和实际工程更加接近，也更有意义。

根据铁路隧道有关衬砌结构的计算的要求，明洞衬砌采用了地层结构法计算，建立明洞偏压隧道的二维衬砌结构模型，衬砌结构建立在土层基础之上。主要考虑回填土以及边坡挡土墙、围岩等对明洞法施工的受偏压隧道之衬砌结构的影响，采用仅受压的方式进行连续分析模拟计算，各计算参数详见表1，其他根据铁路隧道规范执行。

模型根据结构成型稳定受力状态利用采用MIDAS/GTS软件分别建立简化后的地层结构模型，边坡支护模型和衬砌结构模型，具体模型如图1、2所示。计算过程中选用与围岩地层及支护结构材料的受力特性特征相适应的本构模型，并对网格进行合理划分，提高求解速度。

3.2计算结果分析

位移分析，衬砌变形整体以竖向位移为主，最大位移值为60mm（如图3所示）；由于存在偏压，隧道右侧拱腰的横向变形大于左侧拱腰的横向变形，其中右侧拱腰DX右为17.3mm，左侧拱腰DX左为7.5mm，位移相差交大（如图4所示）。设计施工时应在重点部位加强监控量测，及时加固，保证整个工程施工安全进行。

图5为隧道偏压状态下的轴力图，从图中可以看出衬砌受力不对称，受力最大值不位于拱顶部位，而总是平行或垂直材料主轴（岩层结构面倾向通过圆心的轴线）与隧道轮廓线的交点处，其中最显著位置为左拱脚。

衬砌弯矩分布沿隧道断面变化极不规则，由于地形偏压作用,弯矩沿隧道中线呈不对称分布，左右两侧弯矩作用方向相反，与无偏压情况的隧道内力分布截然不同，支护结构发生整体向右侧的扭转变形。隧道两侧拱脚处弯矩较大，仰拱弯矩次之，拱部弯矩最小，受力最不利处位于左侧拱脚，其中二衬外侧受拉（如图6所示）。

3.3小结

（1）根据土层结构分析模型可知，弯矩以及内力最大处位于隧道洞口处，偏压现象明显，拱顶下沉位移也较大两侧拱脚横向位移相差较多，内力在环向分配时造成拱脚处应力集中。因此，建议将明洞左拱脚外轮廓边改为曲边，使明洞受力更为合理，避免应力集中。

图3衬砌结构DZ方向位移云图

（2）开挖时应及时支护，尤其是加强拱部的支护衬砌。

（3）设计时可结合实际地质状况酌情缩小上部覆盖回填土石的倾斜角度，从而降低偏压。

（4）优化施工方案以及回填土石类型，回填均匀，荷载较大的位置采用密度较小的土方，降低最大荷载。

4．高速铁路隧道偏压衬砌结构破坏整治措施

偏压隧道衬砌结构的维修是一项重要的任务。如果衬砌结构受力过大，出现裂缝或者其他病害都必须定期严加观测，时时注意病害的发展情况，同时调查裂缝产生的原因，分析裂缝的影响程度，制定不同的处理措施。

高速铁路隧道不同普通公路隧道，其对隧道的规定更高：300Km/h的双向隧道和350Km/h的单向隧道，两者的净空有效面积分为别为100m2、70m2，安全宽度大于0.8米，高度至少2.2m。高速铁路客车在运行时，尤其是通过隧道会产生瞬间增大的压力，给乘客带来不舒适的体验，因此对隧道衬砌结构的处治措施，尽量采用占净空较少或者不占的措施。根据裂缝的情况下，对明洞偏压高铁隧道可采用几种措施：

图6衬砌结构弯矩云图

（1）锚固注浆：适用于裂缝长度大于10m，宽度大于5mm的裂缝。裂缝较宽，但是量比较少。该裂缝能显著影响高速铁路隧道之承载能力与稳定性。

（2）碳纤维加固：碳纤维质地较轻，易于施工，所占空间可忽略不计。裂缝长度5~10m，宽度大于5mm的裂缝。衬砌结构背后并没用空洞，裂缝数量较少，单条裂缝开裂较厉害。

（3）骑缝注浆：裂缝长度不大于5m，宽度3~5mm；裂缝表面的剪切裂错位和漏水迹象较明显，且范围小、数量少。

（4）凿槽嵌补：裂缝长度不大于5m，宽度0.5~3mm；裂缝表面的剪切裂错位和漏水迹象并不显著，且范围小、数量少。

（5）直接涂抹：裂缝长度不大于5m，宽度小于0.5；裂缝表面的剪切裂错位和漏水不存在，结构未受到影响，可以正常使用。

以上方法适用于施工已经完成，高铁隧道已经投入使用或者竣工完成待投产，对于偏压隧道可以改进施工质量，如回填土进行均匀，不留空隙等，设计时可以增加技术处置措施增强衬砌结构的结构强度。高铁隧道的设计、施工以及后期维护关系到隧道的安全和使用寿命，因此各个环节都应做好相应措施。

参考文献：

[1]谢世平.偏压隧道稳定性分析及控制研究[D].重庆大学,2007.

[2]高世军,张学民.地形与地质构造偏压隧道结构受力分析[J].中外公路,2009,29(5):204-207.

[3]钟新樵.土质偏压隧道衬砌模型试验分析[J].西南交通大学学报,1996,31(6):602-606.

[4]彭琦,罗威,李亮.浅埋偏压小净距隧道施工力学数值分析[J].铁道建筑,2009(12):34-37.

[5]赵乐之,刘晓峰,乔宁.偏压隧道设计的数值分析[J].建筑结构,2010,40(S1):409-411.

[6]陈东柱.高速铁路隧道衬砌裂缝病害及其整治措施研究[D].长沙:中南大学,2012.

[7]中华人民共和国行业标准铁路隧道技术规范(TB10003—2001，J117—2001).北京：中国铁道出版社，2001.