高速铁路隧道变形特性与极限承载能力探讨

高速铁路隧道变形特性与极限承载能力探讨

高军

1.清华大学土木工程系北京海淀100083；2.武广高铁公司湖北武汉430212

摘要：随着我国社会经济不断发展，当今高速铁路工程数量也不断增多，但由于受到地质因素、经济因素等影响，部分铁路线必须要穿过山体修建隧道，大大提高了施工难度与危险系数。基于此，本文重点探究高速铁路隧道二次衬砌的变形特性，并提出极限承载能力。

关键词：高速铁路隧道；二次衬砌；极限承载能力；计算方法

引言

总所周知，高速铁路隧道结构在出现地震、落石等过大荷载作用而产生破坏问题，在加上在高速铁路隧道衬砌结构强度设计中，并没有对地震力、冲击力偶然荷载作用做出明确规定，从而提高了隧道变形的几率。为了保证高速铁路隧道的快捷、通畅、安全等目标，就必须要提高对高速铁路隧道结构设计要求，保证极限荷载力符合当地环境要求，避免出现隧道变形问题。在高速铁路隧道衬砌设计中，钢筋砼施工只具备初期支护作用，这就需要对二次衬砌结构真实极限承载力进行评价。基于此，本文就对高速铁路隧道二次衬砌变形以及极限承载力进行探究。

1、基本理论

本文主要是采用了钢筋砼梁单元有限元方法，并对每个梁单元接点位置单元截面上的钢筋砼进行子元素（微小元素）划分（如图1），每个子元素必须要遵循材料的应力-应变结构关系，并采用子要素的贡献度构成单元刚度矩阵。主要的假设内容包括：结构构件截面变形保持平面、荷载按比例递减、钢筋子要素与混凝土子要素变形协调。结合每个梁单元截面自要素，轴向应变量的公式为：

图2A工程隧道结构图

如图2所示，A工程主要是V类围岩隧道复合衬砌构造图。本工程隧道主要是采用了C20湿喷混凝土作为初期支护，二次衬砌采用了钢筋混凝土拱式结构，采用C25号模筑浇筑混凝土施工。整个隧道的基本参数为：宽度125.2m、高度为5m，按照地震基本烈度6度设计，采用简易抗震设防方法。在实际设计过程中，在初期支护和二次衬砌中预留出5cm变形量。所以本工程结构的极限荷载部分要视为独立结构并进行分析。由于隧道结构在分析工程中都是采用平面形式，为了能够提高二次衬砌结构计算的便捷性，采用隧道轴线方向单位长度二次衬砌结构单元作为模型。将本工程模型划分为30节点、29单元，每个单元截面都展开了1600个钢筋混凝土子要素划分，可以视为模型两端拱座为固定约束。由于A工程隧道围岩性能较好，所以本工程只考虑自重荷载与横向地震荷载以及自重荷载与竖向地震荷载。

该方法在多个非线性极限分析已经在工程中使用，并且在多个拱式结构分析、计算中十分安全、可靠。在实际分析当中采用混凝土的应力-应变关系图（如图3）。在A工程中，隧道二次衬砌结构荷载的定义为：自重荷载与横向地震荷载代表荷载-1；自重荷载与竖向地震荷载代表荷载-2。在横、竖地震荷载计算中，静力集中荷载中主要采用渐增方法，在结构失去平衡性时最终荷载就是结构的极限荷载性能。

图3混凝土材料的应力-应变关系

2.2计算结果分析

通过以上几点计算结果得出：（1）案例当中混凝土界面1600子要素分割精度非常精准；（2）在荷载-1作用时，衬砌拱顶横向极限荷载高达2.75kN，荷载系数相当于单元自身荷载重量的3.8倍，也就是可以抵抗3.8度的横向地震压力，表明二次衬砌结构对横向地震的抵抗力较强；（3）在荷载-2作用单重，衬砌拱顶不竖向极限荷载性为7.29倍，大约会时单元块自身荷载重量的1.0倍，相当于抵抗了10度的竖向地震力，表示衬砌结构对竖向地震荷载的抵抗力非常强；（4）混凝土标号是提高衬砌结构极限荷载力的重要因素，通常情况下采用C25标号要比C20标号的荷载性能高出36%（如图4）。

由此可见，采用二次衬砌方法具备非常充足的储备量，并且实际承载性能远超过了实际需求。实现了超安全设计，但也不能忽视在实际施工中衬砌的前期工作，很多施工单位习惯在初期衬砌中采用简单的临时支护，等到二次衬砌再加强荷载系数，对二次衬砌十分依赖，所以必须要求一次衬砌和二次衬砌保持一样的施工要求。在施工中，如果对围岩变形时空效应掌握不当，则有几率造成塌方冒顶问题，威胁到整个隧道工程的安全。所以在高速铁路隧道二次衬砌中可以适当“减薄”。

图4混凝土C20、C25砼标号对衬砌拱顶横向荷载的影响

结束语

综上所述，高速铁路隧道设计必须要保证安全性，保证隧道结构设计的合理性，前期做好地质勘察、完善排水系统、良好通风照明、周密的防火措施工作非常重要。隧道二次衬砌能够有效抵抗外来因素带来的荷载作用。采用混凝土二次衬砌可以有效提高横、纵向地震极限承受力，保证隧道工程安全。

参考文献：

[1]孙毅,张顶立,于富才,等.高速铁路隧道二次衬砌的变形特性与极限承载能力[J].中国铁道科学,2016,37(1):69-70.

[2]张顶立,陈峰宾,房倩.隧道初期支护结构受力特性及适用性研究[J].工程力学,2014,31(7):78-84.

[3]李文江.软弱围岩隧道变形特征与控制技术研究[D].西南交通大学,2012.

[4]杨小军.铁路隧道围岩变形特征及稳定性判据研究[D].长安大学,2010.