浅埋超大断面扁平隧道复合式衬砌结构力学特性分析

金星亮，胡曦波，梁 斌

（1、中铁隧道勘察设计研究院有限公司 广州 511400；2、中铁重庆地铁建设指挥部 重庆 401120；3、河南科技大学土木工程学院 河南洛阳 471023）

0 引言

某工程为单拱四线地铁隧道，断面开挖面积约388 m2，为国内在建的最大断面暗挖隧道，属于超大断面扁平隧道。国内超大断面扁平隧道工程实例还较少，超大断面扁平隧道衬砌结构受力复杂，需进一步研究［1-3］。

浅埋扁平超大断面隧道由于其跨度大、扁平断面形式，在施工过程中其力学特性较为特殊［3］。朱得华等人［4］通过有限元数值模拟并结合现场监测数据，对隧道的初期支护结构安全度进行了研究。冯文文等人［5］通过有限元数值分析软件ANSYS 对衬砌结构内力进行了计算和分析，并计算出衬砌的强度安全系数，最后对衬砌厚度变化对安全系数和结构稳定性的影响进行了研究。彭文波等人［6］对大瑶山1号隧道下穿水库段衬砌结构设计进行了研究，提出进行衬砌结构验算时应考虑水压力，分析了两种不同状态下衬砌的受力状态。侯德彪［7］通过数值分析软件FLAC，建立未采用衬砌与采用衬砌研究了隧道围岩与衬砌结构变形规律。栗超等人［8］通过现场测试对砂卵石地层隧道衬砌结构力学特性进行研究。

本文采用有限元数值分析软件对衬砌结构进行受力分析，并在工程现场隧道衬砌结构埋设土压力盒以及钢筋计，共布置8个测点，对衬砌结构脱模后的受力情况进行分析。通过有限元数值分析软件，对衬砌结构弯距、轴力等力学指标进行分析。对现场采集数据进行分析，对衬砌结构安全性进行评价。

1 工程概况

1.1 工程背景

本工程为重庆轨道交通5 号线3 标段四线交汇处隧道断面，隧道起始里程为DK18+138.948～DK18+191.964，总长约53 m，开挖断面约388 m2，跨度约28 m，拱高约17 m，矢跨比0.63，为国内在建轨道交通最大跨度暗挖区间隧道。岩层主要为砂质泥岩，约0.5 m泥质岩层夹层，等级划分为Ⅳ级，地下水丰富，属于富水浅埋扁平超大断面隧道。

施工采用双侧壁导坑法施工，开挖断面划分成9 个部分，施工工序如图1 所示。采用30 cm 厚C25 喷射混凝土，二次衬砌厚度为100 cm 的C40 混凝土，纵向间距0.5 m的I25b工字钢钢架。

图1 施工工序Fig.1 Construction Process

1.2 结构受力测点埋设里程与测试内容

超大扁平隧道断面总长约53 m，选取中间断面衬砌埋设压力盒及钢筋计，测试内容包括初支与二衬接触压力、二衬钢筋受力。

二衬结构受力分别在YDK18+160附近埋设1个受力断面，分别在拱顶、上台阶、中台阶、下台阶和仰拱共计布置8个测点，每个测点布设1个土压力计和2个钢筋计（内外层钢筋各1个），如图2所示，现场埋设钢筋计如图3所示。压力盒埋设应当注意压力盒表面与初支的紧密贴合。压力盒与钢筋计埋设完毕后，将连接的传输线集中到边墙的塑料管中，待衬砌混凝土浇筑后，将塑料管位置凿开并将传输线扯出进行数据采集。

图2 测点布置Fig.2 Location of Measuring Points

图3 钢筋计绑扎Fig.3 Reinforcement Bar Binding

2 有限元模拟结果及试验数据分析

2.1 有限元数值计算分析

采用大型有限元分析软件建立二维单元模型，采用“结构荷载”模型分析，衬砌结构材料采用弹性本构模型的beam 单元，衬砌与围岩的接触采用仅受压作用的曲面弹簧模拟。

模型考虑水压力作用，覆土厚度为12 m，围岩弹性抗力系数为450 MPa∕m。约束拱顶隧道中线处节点水平向位移。

2.2 有限元数值计算分析

弯矩图如图4⒜所示，衬砌拱顶弯矩较大与一般常规隧道相比，分析是由于扁平隧道拱顶部位受力作用面积较大，拱顶弯矩随扁平率的降低而增大；隧道衬砌拱腰最大弯矩位置也由于扁平率的减小而向边墙附近移动；仰拱处最大弯矩出现在两侧靠近拱脚附近，这一规律表现出了扁平超大断面隧道的受力特性性，分析由于仰拱受力面积较大，在两侧靠近拱脚附近位置发生应力集中。

轴力图如图4⒝所示，图4⒝中显示拱顶附近轴力值较大，说明扁平超大断面隧道拱顶及上拱腰附近受力较大，表现为大跨扁平隧道结构受力特征。

图4 弯矩及轴力Fig.4 Bending Moment and Axial Force

混凝土的抗压极限强度参考《铁路隧道设计规范：TB 10003—2016》表5.3.1进行取值，混凝土极限抗拉强度为2.7 MPa。衬砌结构的安全系数如表1所示。

表1 衬砌结构安全系数Tab.1 Safety Factor for Lining Structure

安全系数分布示意图如图5 所示。可知，拱顶及上拱腰部位安全系数较其他部位低，设计及施工中应以拱顶及拱腰部位进行控制，安全系数最低部位在上拱腰部位为2.55，文献［9］规定抗拉控制安全系数为2.4，略大于安全系数。厚度为100 cm 的衬砌安全系数满足文献［9］要求。

图5 衬砌结构安全系数分布示意图Fig.5 Safety Factor for Lining Structure

2.3 现场试验数据分析

临空侧钢筋计受力变化曲线如图6⒜所示，可知，所有临空侧钢筋计受力值均在（-4）～3.12 kN范围。受拉钢筋值最终值稳定在0.4～3.12 kN，受压钢筋值最终稳定在（-4）～（-1）kN。衬砌脱模初期钢筋受力增长较快，6～10 d 后钢筋受力开始逐步减小，是由于刚浇注混凝土处于收缩期，混凝土还未完全凝固，因而拱顶钢筋受较大拉力阻碍混凝土的下沉开裂，其他测点呈现类似规律，待混凝土收缩凝固完成之后，钢筋受力减小逐步趋于稳定。

衬砌临空侧钢筋受力分布示意图如图7⒜所示。衬砌临空侧钢筋受力并不对称，考虑可能是由于隧道地表两侧构筑物荷载不同造成，通过监测数据分析呈现同样规律。可以看到拱顶到上拱腰很大区域钢筋都处于受拉状态，说明拱顶及上拱腰为受力较大区域；仰拱部位临空侧钢筋也处于受拉状态，说明仰拱在地应力的作用下有隆起趋势。数值模拟结果与现场试验结果相吻合。

围岩侧钢筋计受力变化曲线如图6⒝所示，钢筋最终稳定受力值在（-5）～3.4 kN 范围。钢筋计受力值在衬砌混凝土浇注之后15 d内变化较大，观测15 d后钢筋计受力值趋于稳定。围岩侧受拉钢筋值最终稳定在0.5～3.4 kN，受压钢筋值稳定在（-5.0）～（-0.5）kN。其中仰拱围岩侧钢筋受力较大，最大值为-4.92 kN，分析仰拱在地应力作用下有隆起趋势，因而围岩侧钢筋受力较大。衬砌围岩侧钢筋受力分布如图7⒝所示。围岩侧钢筋受力基本对称，受力规律与临空侧钢筋一致。

图6 钢筋受力变化曲线Fig.6 Stress Variation Curve of Reinforcement

图7 钢筋受力分布示意图Fig.7 Force Distribution on the Lining（kN）

3 结语

⑴大跨度扁平隧道结构拱顶附近区域受力面积大，拱顶及上拱腰部位受力较大，表现为特殊的受力规律。

⑵有限元数值模拟与现场试验数据相吻合，隧道衬砌结构拱顶、上拱腰附近受力较大。

⑶扁平大跨隧道拱顶衬砌承载功能作用强，不只是作为安全储备。

⑷根据测试数据，衬砌两侧钢筋受力不对称，可能由于隧道地表构筑物荷载不对称造成。

⑸通过数值模拟与现场试验分析，衬砌结构安全。