王明年，徐湉源，于　麗，羅　勇

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都　610031；2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都　610031)

目前高速鐵路路網(wǎng)正迅速向西南山區(qū)延伸，穿越山區(qū)城市的高鐵隧道數(shù)量逐漸增多?？紤]到山區(qū)城市用地緊張及城市的未來(lái)發(fā)展規(guī)劃，在隧道洞口修建明洞后再進(jìn)行人工回填造地的方案逐漸得到了采用，從而出現(xiàn)了高填方明洞這種特殊的結(jié)構(gòu)，且數(shù)量逐漸增多。

高填方必然帶來(lái)極高的土壓力，并且回填施工過(guò)程中亦可能出現(xiàn)各類沖擊及偏壓荷載，這使得明洞襯砌的厚度及強(qiáng)度均需要提高。目前已有的工程實(shí)例表明：當(dāng)明洞上方填土高度大于數(shù)十米后，明洞襯砌的厚度常常達(dá)到2 m左右[1-3]，而高填方明洞設(shè)計(jì)通常采用整體式襯砌，如此厚的襯砌已屬于大體積混凝土范疇，施工后襯砌內(nèi)外側(cè)溫度梯度很大，從而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，使得襯砌混凝土極有可能產(chǎn)生收縮裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性產(chǎn)生極不利的影響[8]。為使明洞襯砌在滿足承載能力要求的同時(shí)又不會(huì)因?yàn)榻孛孢^(guò)厚而產(chǎn)生收縮裂縫，所以將雙層襯砌的設(shè)計(jì)思路引用到明洞結(jié)構(gòu)中，將原本較厚的襯砌劃分為內(nèi)外2層并分別施工，以此來(lái)降低大體積混凝土施工后的水化熱影響。

目前雙層襯砌主要應(yīng)用于暗挖隧道，尤其是盾構(gòu)隧道。盾構(gòu)隧道中的雙層襯砌一般由預(yù)制管片與二次襯砌組成，對(duì)其力學(xué)特性已有一定的研究成果。如何川[4]對(duì)獅子洋隧道雙層襯砌進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)，得到雙層襯砌可一定程度上抵御不均勻沉降，且內(nèi)襯承受絕大部分彎矩的結(jié)論。晏啟祥[5]利用特定徑、切向彈簧模型對(duì)雙層襯砌內(nèi)襯厚度做了研究，結(jié)果表明增大內(nèi)襯厚度會(huì)導(dǎo)致雙層襯砌彎矩明顯增大，但對(duì)軸力的影響很小，且彎矩在2層襯砌間的分配比例與厚度基本無(wú)關(guān)。邱月[6]對(duì)溫度荷載下的雙層襯砌進(jìn)行了分析，得到內(nèi)襯可以降低結(jié)構(gòu)整體主拉、壓應(yīng)力的結(jié)論。張永冠[7]對(duì)盾構(gòu)隧道雙層襯砌進(jìn)行了室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，得出雙層襯砌都是從內(nèi)襯開(kāi)始破壞，且層間鑿毛結(jié)合方式最難以破壞的結(jié)論。吳林[8]對(duì)盾構(gòu)隧道內(nèi)襯厚度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明內(nèi)襯的厚度增大時(shí)其內(nèi)力也隨之明顯增大，內(nèi)外襯的剛度比是影響荷載分擔(dān)的最重要的參數(shù)。

然而，如果在明洞中采用雙層襯砌設(shè)計(jì)，勢(shì)必與暗挖隧道存在極大的差別，除了主要體現(xiàn)在修筑過(guò)程、斷面大小以及襯砌外輪廓形式外，更明顯的區(qū)別還在于要考慮地基和基礎(chǔ)的影響。因此，本文針對(duì)渝利鐵路DK149+437—DK149+810段雙層襯砌明洞回填工程，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)雙層襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，數(shù)值模擬該結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化和應(yīng)力分布，研究雙層襯砌式明洞的力學(xué)特性，為今后該類工程的設(shè)計(jì)及施工提供一定參考。

1　工程背景

渝利鐵路DK149+437—DK149+810段位于重慶豐都斜南溪溝谷，根據(jù)豐都縣城建設(shè)需要，對(duì)該段采用修筑明洞并回填造地的方案，并首次在明洞設(shè)計(jì)中采用了雙層襯砌形式，外襯厚1.4 m，內(nèi)襯厚0.5 m，2層襯砌之間添加防水板及土工布作為墊層。明洞的結(jié)構(gòu)高度為14.0 m，最大跨度為20.0 m，最高規(guī)劃回填高度為41.0 m(回填土頂面至明洞底部的距離)，其橫斷面如圖1所示。該雙層襯砌明洞施工工序?yàn)椋合仁┳魍庖r，待其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再施作內(nèi)襯，最后進(jìn)行回填土。回填采用了分層填筑的方式，單次回填高度為0.4～0.8 m，明洞從開(kāi)始回填至回填完成共耗時(shí)約9個(gè)月。

圖1　雙層襯砌明洞橫斷面圖(單位：m)

為滿足高速鐵路列車在溝谷段線路的平順性及沉降要求，明洞在D5K149+575—D5K149+746范圍內(nèi)采用了C30混凝土壩基礎(chǔ)(以下簡(jiǎn)稱混凝土壩基礎(chǔ))，其橫斷面如圖2所示；其余里程段的明洞則采用在原有軟巖地基上加做防風(fēng)化保護(hù)層方案(以下簡(jiǎn)稱軟巖基礎(chǔ))。

2　現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

在軟巖基礎(chǔ)和混凝土壩基礎(chǔ)段各選取1個(gè)襯砌斷面，每個(gè)斷面選取7個(gè)位置，每個(gè)位置布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于外襯、內(nèi)襯的內(nèi)、外側(cè)處，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均安裝1只混凝土應(yīng)變計(jì)，布置方案如圖3所示。混凝土壩基礎(chǔ)段所選斷面的最大回填高度為32 m，軟巖基礎(chǔ)段所選斷面的最大回填高度為38 m。

圖2　混凝土壩基礎(chǔ)(單位：m)

圖3　混凝土應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)布置

在回填過(guò)程中定期采集應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)，并換算為截面外側(cè)、內(nèi)側(cè)的切向應(yīng)力σ1和σ2；根據(jù)材料力學(xué)壓彎組合公式推得襯砌截面的彎矩M和軸力N，并繪制回填過(guò)程中襯砌彎矩M、軸力N的變化曲線。

(1)

(2)

式中：b和h分別為襯砌載面的寬度、厚度，m。

3　有限元模型

采用有限元軟件ANSYS分別建立軟巖基礎(chǔ)段及混凝土壩基礎(chǔ)段的明洞實(shí)體三維有限元模型，根據(jù)高填方明洞的特點(diǎn)，采用接觸單元算法模擬外襯與內(nèi)襯之間、外襯與回填土之間的相互作用，采用生死單元計(jì)算方法模擬整個(gè)回填過(guò)程。模型橫截面尺寸與現(xiàn)場(chǎng)保持一致，縱向取10 m。邊界條件為約束明洞底部豎向位移，模型z軸前后面約束明洞軸向位移，填土兩側(cè)岸坡不進(jìn)行約束。建立的有限元模型如圖4所示，襯砌之間、外襯與回填土之間的接觸單元如圖5所示。各材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)實(shí)體的三維有限元模擬，得到默認(rèn)直角坐標(biāo)系下各單元的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力；然后采用彈性力學(xué)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化方法，將直角坐標(biāo)系下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力轉(zhuǎn)化為襯砌切向的應(yīng)力；進(jìn)而計(jì)算截面的彎矩、軸力。

圖4　有限元模型

圖5　襯砌之間、外襯與回填土之間的接觸單元

結(jié)構(gòu)　　彈性模量/GPa密度/(kg·m-3)泊松比黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)外襯　　335250002內(nèi)襯　　328250002回填土　01262100040122混凝土壩315250002

坐標(biāo)轉(zhuǎn)化方法：取襯砌單元上外側(cè)及內(nèi)側(cè)2個(gè)節(jié)點(diǎn)1和2，如圖6所示，設(shè)通過(guò)這2個(gè)節(jié)點(diǎn)的襯砌截面與豎直面之間的夾角為θ，則在該襯砌截面上各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的切向應(yīng)力σn為

σn=σxcos2θ+σysin2θ+τxysin2θn=1,2

(3)

式中：σx，σy，τxy為原直角坐標(biāo)系下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分量。

圖6　襯砌的有限元單元

4　結(jié)果對(duì)比分析

因?yàn)槊鞫醋笥覂蓚?cè)的對(duì)稱性，在襯砌左、右兩側(cè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的內(nèi)力在數(shù)值大小和變化規(guī)律上都較為相似，因此以左側(cè)測(cè)點(diǎn)的結(jié)果進(jìn)行分析，并且軸力以拉為正、壓為負(fù)；彎矩以內(nèi)側(cè)受拉為正、壓為負(fù)。

4.1　在回填過(guò)程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律

4.1.1軟巖基礎(chǔ)上雙層襯砌明洞內(nèi)力變化規(guī)律

在回填過(guò)程中，軟巖基礎(chǔ)上明洞雙層襯砌外襯、內(nèi)襯的軸力和彎矩的變化規(guī)律如圖7—圖10所示。

圖7　軟巖基礎(chǔ)上明洞雙層襯砌外襯軸力的變化規(guī)律

圖8　軟巖基礎(chǔ)上明洞雙層襯砌外襯彎矩的變化規(guī)律

圖9　軟巖基礎(chǔ)上明洞雙層襯砌內(nèi)襯軸力的變化規(guī)律

圖10　軟巖基礎(chǔ)上明洞雙層襯砌內(nèi)襯彎矩的變化規(guī)律

由圖7—圖10可知：隨著回填土高度的增加，外襯及內(nèi)襯的軸力均呈現(xiàn)兩段式變化規(guī)律，在回填土低于明洞頂部時(shí)，襯砌的軸力變化幅度很?。淮靥钔脸^(guò)明洞頂部時(shí)，軸力則呈線性增長(zhǎng)；彎矩則主要呈“八字形”或“倒八字形”變化，在回填土高度達(dá)到拱頂附近后，彎矩方向開(kāi)始發(fā)生改變；數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)取得的結(jié)果也較為接近，說(shuō)明該數(shù)值模擬方法對(duì)于高填方雙層襯砌明洞是較為適用且可靠的，后續(xù)可作為襯砌應(yīng)力分布規(guī)律的研究手段。

外襯承受的內(nèi)力明顯高于內(nèi)襯，二者在回填完成時(shí)的內(nèi)力對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可知：外襯的軸力是內(nèi)襯的2.6～3.2倍左右，外襯與內(nèi)襯的相互作用方式類似于組合梁，而組合梁的軸力分配和梁的高度成正比關(guān)系，本工程中外襯與內(nèi)襯的厚度比在3∶1左右，與實(shí)測(cè)的軸力比例十分接近。這也說(shuō)明了雙層襯砌明洞的軸力分擔(dān)比例和2層襯砌的厚度比例有著直接的關(guān)聯(lián)。

表2　外襯與內(nèi)襯的內(nèi)力對(duì)比

此外，本工程中外襯與內(nèi)襯之間采用了防水板加土工布的組合，二者之間的摩擦系數(shù)較低，意味著外襯和內(nèi)襯之間只能實(shí)現(xiàn)軸力的傳遞，而不能傳遞剪力，這也側(cè)面印證了二者軸力的比例接近于厚度比，而彎矩比例卻無(wú)類似規(guī)律。

4.1.2混凝土壩基礎(chǔ)上雙層襯砌明洞的內(nèi)力變化規(guī)律

在回填過(guò)程中混凝土壩基礎(chǔ)上明洞外襯、內(nèi)襯軸力和彎矩的變化規(guī)律如圖11—圖14所示。由圖11—圖14可知：混凝土壩基礎(chǔ)上明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律與4.1.1中基本一致，說(shuō)明基礎(chǔ)類型對(duì)明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律并無(wú)明顯影響，外襯的軸力是內(nèi)襯的2.6～3.9倍左右，結(jié)論也和上一節(jié)類似，在此不再重述。

綜合4.1.1及4.1.2的分析可轉(zhuǎn)，當(dāng)回填土高度低于明洞頂部，即僅有側(cè)向荷載時(shí)，明洞結(jié)構(gòu)的內(nèi)力增量很??；當(dāng)回填高度超過(guò)明洞頂部后，明洞的結(jié)構(gòu)內(nèi)力則隨著回填高度的增加而線性增長(zhǎng)。

圖11　混凝土壩基礎(chǔ)上明洞雙層襯砌外襯軸力的變化規(guī)律

圖12　混凝土壩基礎(chǔ)上明洞雙層襯砌外襯彎矩的變化規(guī)律

圖13　混凝土壩基礎(chǔ)上明洞雙層襯砌內(nèi)襯軸力的變化規(guī)律

圖14　混凝土壩基礎(chǔ)上明洞雙層襯砌內(nèi)襯彎矩的變化規(guī)律

4.1.3基礎(chǔ)類型對(duì)高填方明洞內(nèi)力的影響

在相同的填方高度32 m下，對(duì)比軟巖基礎(chǔ)和混凝土壩基礎(chǔ)上明洞的內(nèi)力，結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

由表3和表4可知，混凝土壩基礎(chǔ)上明洞的結(jié)構(gòu)內(nèi)力明顯大于軟巖基礎(chǔ)上，前者的軸力達(dá)到了后者的1.2～1.6倍左右，彎矩則為1.6～2.4倍左右。這間接說(shuō)明在相同的填方高度下，基礎(chǔ)類型對(duì)明洞所承受的土壓力大小有明顯的影響，混凝土壩這類的剛性基礎(chǔ)在一定程度上增大了明洞承受的土壓力。

表3　明洞軸力與基礎(chǔ)類型的關(guān)系(實(shí)測(cè)值)

表4　明洞彎矩與基礎(chǔ)類型的關(guān)系(實(shí)測(cè)值)

該現(xiàn)象主要由明洞自身和其周圍土體的差異沉降所帶來(lái)的附加土壓力造成[10]：因?yàn)槊鞫磩偠却笥诨靥钔恋膭偠龋姑鞫错敳刻钔了M成的內(nèi)土柱的沉降小于其兩側(cè)外土柱的沉降，內(nèi)外土柱之間出現(xiàn)沉降差，相當(dāng)于外土柱對(duì)內(nèi)土柱施加了一個(gè)向下的剪力，明洞頂部不僅承擔(dān)了土體的自重，還承擔(dān)了這部分附加的剪力。因此，當(dāng)明洞采用混凝土壩基礎(chǔ)時(shí)，其自身剛度大大增加，導(dǎo)致內(nèi)土柱的沉降遠(yuǎn)小于兩側(cè)的外土柱，大大增加了附加的剪力，使得明洞需要承受更大的荷載。基本作用原理如圖15所示。

圖15　基本作用原理圖

這一現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)外上埋式涵洞的研究領(lǐng)域中也有所體現(xiàn)，許多在深樁基礎(chǔ)上修建的涵洞出現(xiàn)縱向開(kāi)裂甚至被壓垮的現(xiàn)象，測(cè)得的涵洞頂部土壓力也遠(yuǎn)超過(guò)土體的自重[10-15]。然而，這并不意味著高填方明洞采用剛性基礎(chǔ)是不合理的，因?yàn)殍F路明洞的用途與涵洞完全不同，涵洞主要是方便行人、小型車或者水流通過(guò)，而明洞則需要滿足高速鐵路的行車要求，對(duì)沉降的控制十分嚴(yán)格，尤其在地質(zhì)條件不佳的區(qū)域更是必須對(duì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)進(jìn)行一定處理。因此，當(dāng)明洞采用了剛性基礎(chǔ)時(shí)，可適當(dāng)借鑒高填方涵洞領(lǐng)域中的“減載”方法[16-18]，例如在結(jié)構(gòu)頂部添加“柔性填充層”，“減載孔”[19]等，即可在滿足線路沉降要求的同時(shí)又能適當(dāng)降低明洞承受的荷載，保障結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。

4.2　雙層襯砌式明洞在回填完成后的應(yīng)力分布

在回填工程完成后對(duì)雙層襯砌明洞的第一主應(yīng)力分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果如圖16和圖17所示。由圖16和圖17可知：無(wú)論采用何種基礎(chǔ)，高填方雙層襯砌明洞的拉應(yīng)力集中區(qū)域均出現(xiàn)在襯砌邊墻處，軟巖基礎(chǔ)上明洞的外襯與內(nèi)襯的最大拉應(yīng)力分別為0.068和0.027 MPa，混凝土壩基礎(chǔ)上明洞的外襯與內(nèi)襯的最大拉應(yīng)力分別為0.26和0.046 MPa，分別達(dá)到了前者的3.8與1.7倍，這也從側(cè)面說(shuō)明了在相同填方高度下，明洞基礎(chǔ)類型對(duì)襯砌的內(nèi)力存在明顯的影響。

圖16　外襯第一主應(yīng)力分布(單位：Pa)

圖17　內(nèi)襯第一主應(yīng)力分布(單位：Pa)

在本節(jié)的研究中，明洞的最大拉應(yīng)力值雖然沒(méi)有超過(guò)混凝土的抗拉極限，但在填方高度繼續(xù)增加或是出現(xiàn)其他未知的荷載時(shí)，出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象的明洞邊墻或?qū)⒊蔀檎麄€(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，因此建議在設(shè)計(jì)中對(duì)該部分進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

5　結(jié)　論

(1)在回填土過(guò)程中，明洞雙層襯砌內(nèi)、外襯的軸力均出現(xiàn)了明顯的2段式變化規(guī)律，以回填土高度接近明洞頂部為分界，在此之前內(nèi)、外襯的軸力變化很小，此后則呈線性增加；結(jié)構(gòu)的彎矩方向在回填土高度接近洞頂時(shí)發(fā)生改變，之后又隨著回

填土高度的增加再次改變，之后亦呈線性增長(zhǎng)。

(2)外襯與內(nèi)襯的軸力之比接近于二者的厚度之比，而彎矩之比卻無(wú)類似規(guī)律；實(shí)測(cè)測(cè)得的軸力之比在2.6～3.9之間，接近襯砌的厚度之比。這是因?yàn)橥庖r與內(nèi)襯之間采用了防水板加土工布的墊層，襯砌之間的摩擦系數(shù)較低，使得襯砌之間只能傳遞軸力，而不能傳遞剪力，類似于組合梁之間的相互作用。

(3)在相同的回填土高度下，混凝土壩基礎(chǔ)上明洞的軸力和彎矩分別為軟巖基礎(chǔ)上的1.2～1.6倍和1.6～2.4倍。原因是結(jié)構(gòu)上方和兩側(cè)回填土之間的沉降差會(huì)產(chǎn)生附加剪力，且該剪力隨著明洞基礎(chǔ)剛度的增加而增大，因此建議適當(dāng)借鑒涵洞領(lǐng)域的“減載”措施，以保障結(jié)構(gòu)安全及耐久性。

(4)雙層襯砌內(nèi)、外襯的拉應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在邊墻位置，且混凝土壩基礎(chǔ)上明洞襯砌的拉應(yīng)力最大值為軟巖基礎(chǔ)時(shí)上的1.7～3.8倍。雖然在本文的研究中拉應(yīng)力完全處于混凝土的抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，但未來(lái)若回填土高度增加或是出現(xiàn)其他不可預(yù)知的因素時(shí)，該位置有可能成為結(jié)構(gòu)的薄弱處，因此建議在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)該部分進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

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