徐湉源，王明年，于 麗

(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)

我國西部山區(qū)城市周邊或內(nèi)部常出現(xiàn)溝谷地形，高速鐵路線路在穿越這類溝谷地形時(shí)一般以高架橋形式通過?？紤]到山區(qū)城市的土地資源較稀缺，一種采用隧道-明洞-隧道形式通過溝谷、隨后回填明洞得到可用土地的方案開始得到應(yīng)用，導(dǎo)致了高填方明洞這類特殊結(jié)構(gòu)的誕生[1]，如圖1所示。

圖1 溝谷修建明洞及回填造地

與傳統(tǒng)意義上的明洞相比，高填方明洞存在以下兩個(gè)特點(diǎn)：(1)回填高度大：從目前已有工程來看，回填高度可達(dá)30～40 m，是一般明洞的5倍以上；(2)襯砌厚度大：常達(dá)到2～3 m，否則難以支撐如此高的土柱。我國目前既有的高填方明洞數(shù)量有限，典型工程實(shí)例見表1。

表1 既有高填方明洞工程

高填方明洞的特點(diǎn)也帶來以下兩個(gè)問題：(1)襯砌厚度太大，仍采用整體式襯砌形式會(huì)導(dǎo)致工后水化熱裂縫問題，需引入更合理的結(jié)構(gòu)形式；(2)明洞承受的土壓力不明確，經(jīng)典土柱法是否適用于如此高的填方尚未可知。

針對(duì)問題(1)，提出將雙層襯砌形式引入高填方明洞的設(shè)計(jì)，將原本較厚的整體式襯砌分為外層襯砌和內(nèi)層襯砌(以下簡(jiǎn)稱外襯、內(nèi)襯)兩部分，二者先后分開澆筑以減少水化熱的影響。雙層襯砌一般出現(xiàn)在盾構(gòu)隧道，由管片與二次襯砌兩部分組成。文獻(xiàn)[2]分析帶有減震層的雙層組合襯砌的力學(xué)特性。文獻(xiàn)[3]得出增大內(nèi)襯厚度主要影響結(jié)構(gòu)彎矩，對(duì)軸力影響較小，且彎矩在層間的分配比例與層厚基本無關(guān)的結(jié)論。文獻(xiàn)[4]提出改進(jìn)的雙層襯砌盾構(gòu)隧道模型，采用壓桿-彈簧組合模擬雙層襯砌結(jié)合面的相互作用。文獻(xiàn)[5]擬合雙層襯砌內(nèi)外襯荷載分擔(dān)比與施加時(shí)刻的關(guān)系。由于明洞為先修筑襯砌再回填的結(jié)構(gòu)，斷面大小和類型也與盾構(gòu)隧道差別較大，同時(shí)還需考慮下方基礎(chǔ)的影響，故有必要對(duì)雙層襯砌明洞的受力特點(diǎn)開展研究。

針對(duì)問題(2)，目前明洞土壓力的研究多為極淺覆土下的荷載組合或地表傾角影響的研究[6]，而類似的高填方結(jié)構(gòu)則常見于涵管工程。文獻(xiàn)[7-8]分析各種上埋式拱涵的地基處理措施，并分別列出地基剛度和尺寸對(duì)涵洞受力的影響。文獻(xiàn)[9]研究波紋鋼管涵在減荷條件下的受力變形隨填土高度的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[10]通過原位試驗(yàn)研究高填路基蓋板涵外界面受力狀態(tài)形成機(jī)制。文獻(xiàn)[11]通過離心試驗(yàn)研究涵頂土壓力分布，試驗(yàn)結(jié)果表明采用樁基礎(chǔ)的箱涵與兩側(cè)路堤相比產(chǎn)生了明顯沉降差，并在涵頂某處達(dá)到峰值，普遍采用的大剛度基礎(chǔ)反而增大了結(jié)構(gòu)荷載。

綜上所述，高填方雙層襯砌式明洞與目前已有的盾構(gòu)隧道、涵管工程相比，在修筑方式、斷面尺寸、基礎(chǔ)類型等方面都存在很大不同，因此本文結(jié)合重慶豐都高填方雙層襯砌明洞工程對(duì)其展開實(shí)測(cè)分析，獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)力和土壓力特性，為類似工程提供參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬方案

渝利鐵路部分區(qū)段穿越重慶豐都斜南溪溝谷，為滿足豐都縣城建設(shè)規(guī)劃所需土地，采取在溝谷地區(qū)修建明洞后再回填造地的方案，明洞總長度373 m，最高回填高度(回填土頂面至明洞頂部的距離)為28.0 m，明洞結(jié)構(gòu)高度為14.0 m，跨度20.0 m，明洞外襯厚度1.4 m(拱頂)～2.8 m(邊墻)。此外，該明洞兩側(cè)無邊坡支撐，是我國首個(gè)上埋式的高填方明洞工程，單側(cè)填土寬度達(dá)到100 m以上。明洞采用分層回填，單次回填高度約為0.5 m。為控制高速鐵路線路的平順性，在部分區(qū)段修筑C30混凝土大壩作為明洞基礎(chǔ)，如圖2所示，其余部分采用對(duì)原有基巖進(jìn)行防風(fēng)化保護(hù)的方案，其中基巖為弱風(fēng)化厚層泥巖和砂巖，平均物理力學(xué)參數(shù)見表2。

(a)橫斷面視圖(混凝土壩基礎(chǔ)段)

(b)縱向視圖圖2 明洞橫斷面和縱向視圖(單位：m)

物理量彈性模量/MPa密度/(kg·m-3)泊松比黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)回填土12.62 1000.40.122基巖7 2502 3000.320.231襯砌33 5002 5000.2大壩31 5002 5000.2

1.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案1.1.1 測(cè)試斷面

分別選取采用原有基巖作為基礎(chǔ)及采用混凝土大壩作為基礎(chǔ)的明洞斷面(以下用A1，A2表示)，測(cè)試其土壓力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力，斷面信息見表3。

表3 測(cè)試斷面信息

1.1.2 測(cè)點(diǎn)布置

為獲取土壓力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力在回填過程中的變化規(guī)律，在A1及A2兩種形式的明洞拱頂及拱肩位置安裝土壓力盒，在明洞外襯和內(nèi)襯每個(gè)斷面布置7個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)力測(cè)試截面，外襯、內(nèi)襯各測(cè)試截面的內(nèi)外側(cè)均安裝一支混凝土應(yīng)變計(jì)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3、圖4所示。

圖3 土壓力測(cè)點(diǎn)布置

圖4 應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)布置

1.2 數(shù)值模擬方案

通過有限元軟件ANSYS建立實(shí)體模型進(jìn)行分析，明洞襯砌與混凝土基礎(chǔ)采用彈性模型，基巖與回填土采用Drucker-Prager彈塑性模型。模型在明洞與回填土之間添加接觸單元，以此模擬二者之間的相互擠壓及滑移。按照現(xiàn)場(chǎng)情況，明洞與回填土之間、外層襯砌與內(nèi)層襯砌之間均鋪設(shè)有防水板和土工布，經(jīng)測(cè)定，二者之間的摩擦系數(shù)為0.23。明洞回填過程通過分層激活單元的方法來模擬。數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 數(shù)值模型

在三維數(shù)值模型中，通過彈性力學(xué)的坐標(biāo)變換，將原直角坐標(biāo)系下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力轉(zhuǎn)化為襯砌切向應(yīng)力，得到襯砌彎矩和軸力來進(jìn)一步分析。

圖6 襯砌的有限元單元

取襯砌某截面的外側(cè)及內(nèi)側(cè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)1，2，如圖6所示，假定兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的連線與豎直面之間的夾角為θ，則該襯砌截面上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的切向應(yīng)力σn可按式( 1 )計(jì)算。

σn=σxcos2θ+σysin2θ+τxysin2θ

( 1 )

式中：σx，σy，τxy為原坐標(biāo)系下節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分量。

由此求得節(jié)點(diǎn)1，2的切向應(yīng)力σ1，σ2，再據(jù)材料力學(xué)壓彎組合公式推得襯砌截面的彎矩M及軸力N

( 2 )

( 3 )

2 土壓力分析

2.1 實(shí)測(cè)結(jié)果

在明洞回填過程中采集土壓力數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果用土壓力系數(shù)(土壓力與土體自重之比)的形式呈現(xiàn)，為減小測(cè)試誤差，將左右兩側(cè)拱肩的土壓力取平均值進(jìn)行分析。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

(a)拱頂

(b)拱肩圖7 明洞土壓力系數(shù)

由圖7可知：

(1)土壓力系數(shù)隨回填高度的增加呈先增大再緩慢減小的規(guī)律：A1型明洞的土壓力系數(shù)在回填高度為8 m左右時(shí)達(dá)到峰值，之后緩慢減小并趨于穩(wěn)定；A2型明洞土壓力系數(shù)在回填高度達(dá)到14 m左右時(shí)達(dá)到最大值，之后迅速減小并有穩(wěn)定的趨勢(shì)。可見，回填過程中土體內(nèi)部的相互作用存在一個(gè)逐漸達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程。

(2)在同樣的回填高度下，采用混凝土大壩基礎(chǔ)的A2型明洞的土壓力系數(shù)顯著高于A1型明洞：A1型明洞拱頂土壓力系數(shù)最大值為1.404，拱肩土壓力系數(shù)最大值為1.341；A2型明洞拱頂處的土壓力系數(shù)最大值為2.150，拱肩土壓力系數(shù)最大值為2.278，為A1型明洞的1.53～1.70倍，更強(qiáng)的基礎(chǔ)反而產(chǎn)生了更大的土壓力。

類似的現(xiàn)象在高填方涵管領(lǐng)域也有出現(xiàn)，這是由于采用上埋式填筑方式時(shí)，結(jié)構(gòu)的兩側(cè)沒有邊坡進(jìn)行支撐，而襯砌結(jié)構(gòu)的剛度遠(yuǎn)高于回填土剛度，襯砌結(jié)構(gòu)與其上方土體組成的“內(nèi)土柱”的沉降會(huì)小于結(jié)構(gòu)兩側(cè)土體組成的“外土柱”(分界線為圖8中豎線)，該沉降差異會(huì)導(dǎo)致土柱之間產(chǎn)生附加的剪應(yīng)力，明洞除了承受土柱自重以外，還需承擔(dān)這部分剪應(yīng)力。同理，對(duì)于采用了混凝土大壩基礎(chǔ)的明洞，大壩和襯砌作為一個(gè)整體極大地提高了剛度，從而產(chǎn)生更大的差異沉降，并最終使土壓力大幅增加。作用原理如圖8所示。

圖8 沉降差引起的附加剪力

總的來說，在相同填方高度下，基礎(chǔ)剛度和厚度的增加會(huì)使明洞承受更大的土壓力，提高了對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的要求。然而，鐵路明洞需嚴(yán)格控制軌面沉降以滿足列車的行駛要求，在地質(zhì)條件不良區(qū)段采用深基礎(chǔ)也十分常見，建議采用涵管行業(yè)中的“減載”措施[12]，例如在襯砌上方增加“減載層”[13-14]來減小內(nèi)外土體沉降差，達(dá)到降低明洞荷載的目的。

2.2 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比分析

為驗(yàn)證結(jié)論的可靠性，對(duì)比有限元結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如圖9、圖10所示。

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖9 拱頂土壓力系數(shù)

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖10 拱肩土壓力系數(shù)

由圖9和圖10可知，有限元分析得到的土壓力系數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得規(guī)律類似，均呈先增大后減小并趨于穩(wěn)定的規(guī)律，且采用A2型明洞的垂直土壓力系數(shù)明顯偏高：A1型明洞拱頂土壓力系數(shù)最大值為1.292，拱肩土壓力系數(shù)最大值為1.281；A2型明洞拱頂處的土壓力系數(shù)最大值為2.104，拱肩土壓力系數(shù)最大值為2.037，達(dá)到了A1型明洞的1.57～1.64倍。

對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元結(jié)果可知，實(shí)測(cè)值與有限元結(jié)果較為吻合且具有相似的規(guī)律，二者相對(duì)最大誤差為21.7%，相對(duì)誤差最大值出現(xiàn)在回填初期，其原因可能是實(shí)際施工時(shí)回填土尚未完全壓實(shí)穩(wěn)定?？傮w而言，實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬值都反映出高填方明洞需承受高于土柱自重的荷載，并且差值與基礎(chǔ)剛度密切相關(guān)，在計(jì)算這類明洞的荷載時(shí)，需將明洞結(jié)構(gòu)與下方基礎(chǔ)視為一個(gè)整體進(jìn)行考慮，才能求得與實(shí)際相符的土壓力數(shù)據(jù)。

2.3 內(nèi)外土體沉降差分析

通過前文的分析可知，明洞上方與兩側(cè)土體的沉降差異是造成實(shí)際土壓力大于土柱自重的關(guān)鍵原因，但目前的測(cè)試設(shè)備較難準(zhǔn)確測(cè)得該項(xiàng)數(shù)據(jù)或反映其分布規(guī)律，并且也難以說明土壓力系數(shù)后期逐漸減小至穩(wěn)定值這一現(xiàn)象。因此需借助有限元計(jì)算來探討土壓力大小與土體沉降差之間的關(guān)系。提取回填完成后(填方高度28.0 m)兩種基礎(chǔ)形式的明洞頂部及兩側(cè)土體的沉降差，如圖11所示。

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖11 明洞周圍土體沉降差分布(單位：m)

對(duì)比兩種基礎(chǔ)形式下的沉降曲線可知，在同一水平面上，明洞頂部與兩側(cè)的土體出現(xiàn)了明顯的沉降差，且A2型明洞的內(nèi)外土體沉降差比A1型明洞更加明顯。統(tǒng)計(jì)明洞頂部2～28 m范圍內(nèi)各水平面上的內(nèi)外土體沉降差并繪制曲線，如圖12所示。

圖12 明洞頂部各水平面上的內(nèi)外土柱沉降差

由圖12可知，在距離拱頂2 m處的水平面上，采用基巖基礎(chǔ)的A1型明洞內(nèi)外土體沉降差為18 mm，采用混凝土大壩基礎(chǔ)的A2型明洞的內(nèi)外土體沉降差為107 mm，是前者的近6倍，可見基礎(chǔ)剛度對(duì)明洞頂部及兩側(cè)土體的沉降差確實(shí)有明顯影響。內(nèi)外土體沉降差的大小隨著填土面標(biāo)高的增加逐漸減小至某一定值，這也解釋了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中土壓力系數(shù)會(huì)在后期逐步減小并穩(wěn)定下來這一現(xiàn)象。

3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

3.1 實(shí)測(cè)結(jié)果

測(cè)試過程中，結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱位置的測(cè)試結(jié)果較接近，因篇幅關(guān)系取一側(cè)的內(nèi)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。雙層襯砌內(nèi)襯軸力及彎矩在回填過程中的動(dòng)態(tài)變化如圖13、圖14所示，雙層襯砌內(nèi)襯軸力及彎矩在回填過程中的動(dòng)態(tài)變化如圖15、圖16所示。

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖13 外襯軸力變化規(guī)律

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖14 外襯彎矩變化規(guī)律

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖15 內(nèi)襯軸力變化規(guī)律

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖16 內(nèi)襯彎矩變化規(guī)律

經(jīng)分析可知，雙層襯砌外襯及內(nèi)襯的軸力在回填過程中均呈現(xiàn)兩段式變化規(guī)律：(1)在回填土低于明洞頂部時(shí)，此時(shí)明洞僅受到側(cè)向土壓力作用，襯砌的軸力和彎矩的變化量較?。?2)待回填土超過明洞頂部后，明洞同時(shí)受到垂直和側(cè)向土壓力，此時(shí)軸力表現(xiàn)出線性增長的規(guī)律，而彎矩開始產(chǎn)生方向翻轉(zhuǎn)，隨后線性增加。兩種基礎(chǔ)類型的明洞襯砌都表現(xiàn)出類似的規(guī)律，說明回填過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化與基礎(chǔ)類型并無太大關(guān)聯(lián)。

A2型明洞的結(jié)構(gòu)內(nèi)力明顯大于A1型明洞，見表4(填方高度為32 m時(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比)。A2型明洞軸力大小達(dá)到A1型明洞的1.2～1.6倍，彎矩大小前者為后者的1.6～2.4倍。這從側(cè)面印證了采用混凝土大壩基礎(chǔ)的明洞在相同的填方高度下，會(huì)承受更大的土壓力，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力也明顯增加。

表4 不同基礎(chǔ)類型的襯砌內(nèi)力

此外，外襯的軸力約為內(nèi)襯軸力的2.6～3.2倍，與二者厚度之比3∶1十分接近，這是由于兩層襯砌之間采用了防水層過渡，相互之間的摩擦很小，使得外襯與內(nèi)襯之間剪力的傳遞受阻，基本只能進(jìn)行軸力的傳遞，即雙層襯砌的力學(xué)行為可按照組合梁模式進(jìn)行分析。

3.2 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比分析

數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)對(duì)比如圖17所示。

(a)外襯軸力對(duì)比(拱頂、拱腰)

(b)外襯軸力對(duì)比(拱肩、拱腳)

(c)外襯彎矩對(duì)比(拱頂、拱腰)

(d)外襯彎矩對(duì)比(拱肩、拱腳)圖17 A1型明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬對(duì)比

由圖17可知，數(shù)值模擬得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律與實(shí)測(cè)值十分類似，均為兩段式變化規(guī)律，最大誤差值約為29%。在僅有側(cè)向荷載時(shí)，明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力的增幅很小，而當(dāng)回填土超過拱頂即垂直荷載與側(cè)向荷載共同作用時(shí)，明洞的結(jié)構(gòu)內(nèi)力才開始產(chǎn)生明顯的線性增長。A2型明洞的數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)規(guī)律與A1型明洞類似，鑒于篇幅關(guān)系不再重復(fù)敘述。

4 結(jié)論

本文通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，對(duì)高填方雙層襯砌式明洞進(jìn)行土壓力和內(nèi)力的分析，得到回填過程中土壓力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律，總結(jié)不同基礎(chǔ)形式對(duì)二者的具體影響，并通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行詳細(xì)驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

(1)高填方上埋式明洞的垂直土壓力系數(shù)隨回填高度的增加呈先增大再減小最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，明洞荷載值明顯大于土體的自重。

(2)剛性基礎(chǔ)會(huì)提高明洞結(jié)構(gòu)的整體剛度，使中心土體的沉降減小，與兩側(cè)土體之間形成更大的沉降差，從而產(chǎn)生更大的附加土壓力。在相同的填方高度下，混凝土大壩基礎(chǔ)的明洞土壓力系數(shù)可達(dá)到基巖基礎(chǔ)明洞的1.5倍以上，軸力、彎矩可達(dá)到后者的1.2～1.6倍和1.6～2.4倍。因此在計(jì)算明洞荷載時(shí)，必須將明洞及其基礎(chǔ)視為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，在此前提下才能求得與實(shí)際較為相符的土壓力值。

(3)在明洞回填過程中，外層和內(nèi)層襯砌的軸力出現(xiàn)了兩階段的變化。在回填土達(dá)到拱頂前結(jié)構(gòu)的軸力變化較小，回填土達(dá)到拱頂后軸力線性增加；彎矩的方向在回填土超過拱頂后改變，隨后表現(xiàn)為線性變化。

(4)在防水層的影響下，內(nèi)襯與外襯之間較低的摩擦系數(shù)阻止了剪力的傳遞，使二者之間只能傳遞軸力，且軸力的分配比例和二者的厚度比基本相等，而彎矩與厚度比無關(guān)。外層與內(nèi)層襯砌的整體受力特點(diǎn)與組合梁類似。

(5)從自身受力考慮，兩側(cè)無邊坡支撐的高填方明洞應(yīng)選取剛度更低的基礎(chǔ)，可明顯降低明洞承擔(dān)的土壓力；但為滿足高鐵列車的行車要求，部分不良地質(zhì)區(qū)段又必須加強(qiáng)原有的基礎(chǔ)，因此建議在這些區(qū)段為明洞進(jìn)行“減載”設(shè)計(jì)，如在明洞上方添加柔性填充層等。