基于结构受力模式主动调整的高速铁路单线隧道预制拼装衬砌设计选型研究

张胜龙 刘艳青 马伟斌 郭小雄 陈学军

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；4.中铁十二局集团第一工程有限公司，西安 710038）

预制装配式结构是以预制构件为主要受力构件经装配连接而成的混凝土结构，作为新型结构形式其在国内外城市地下工程中已经有一定应用［1-2］。目前大部分地下预制装配式结构主要在结构弯矩较小位置进行分块设计［3］，最大限度减小对结构整体受力的影响。如荷兰鹿特丹地铁“壳式装配”结构、前苏联俄罗斯“整体管段”结构［4］，中国的秦岭Ⅰ线隧道［5］（单线铁路隧道）和大部分城市地铁隧道［6］。另一部分地下结构从结构拼装的便利性角度进行分块设计，如大连地铁袁家店站［7］（明挖地铁车站）。

目前针对钻爆法山岭隧道预制衬砌选型研究较少。本文采用在隧道结构弯矩极大值处进行分块的设计方法，针对我国350 km/h 高速铁路单线隧道断面形式进行预制装配式衬砌选型研究，分析衬砌接头刚度对整体衬砌的影响，为单线铁路隧道预制装配式衬砌结构提供设计思路。

1 整体衬砌内力分析

1.1 荷载计算

采用“荷载-结构”模型对Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩深埋情况下单线铁路隧道二次衬砌内力进行计算，采用时速350 km 高速列车单线隧道复合式衬砌内轮廓。围岩及支护结构物理力学参数［8］见表1。

表1 围岩及支护结构物理力学参数

根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［8］，采用初期支护承担70%荷载，二次衬砌承担30%荷载的原则进行衬砌内力计算［9］。Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩垂直荷载分别为60，120，200 kPa，水平荷载分别为9，36，100 kPa。

1.2 内力分析

整体衬砌断面如图1（a）所示，采用有限元软件对其进行受力分析。衬砌采用三维梁单元（Beam188）模拟，围岩与衬砌的相互作用采用“无拉链杆”（Link10）模拟［10］，整个隧道结构划分为350个单元，衬砌结构厚度0.3 m，如图1（b）所示。

图1 整体衬砌断面及计算模型

将荷载施加到模型，计算得到整体衬砌所受内力，见图2。

图2 不同等级围岩条件下整体衬砌所受内力分布

由图2 可知，在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩条件下整体衬砌轴力最大值出现于仰拱，其值分别为508.7，906.6，1 437.7 kN，弯矩最大值出现于拱顶，其值分别为32.6，63.9，109.0 kN。在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩条件下衬砌横向位移向内，其最大值分别为0.58，1.29，2.72 mm，衬砌竖向位移向下，其最大值分别为1.94，4.15，8.46 mm。随围岩等级的提高整体衬砌所受内力和位移均逐渐增大，但是整体受力形式没有发生改变。受力形式相同对预制结构选型统一化具有重要意义。

2 整体衬砌分块选型

综合考虑结构拼装后整体安全、防水控制、施工难度、经济成本等因素，预制结构径向长度取1.5 m。环向在弯矩极大值处分块，整体衬砌分为7块。

对预制装配式衬砌进行受力计算。预制装配式衬砌计算模型见图3。接头位置主要采用带有旋转刚度的旋转销轴单元（Combin7）［9］进行模拟，衬砌采用三维梁单元（Beam188）模拟，围岩与衬砌的相互作用采用“无拉链杆”（Link10）模拟［8］，整个隧道结构划分为350个单元。

图3 预制装配式衬砌计算模型

通过资料［7］调研国内衬砌接头刚度一般在6.8～950 MN·m/rad。预制装配式衬砌接头刚度分别取0，6.8，12.5，45，240，500，950 MN·m/rad进行计算。

各级围岩条件下不同接头刚度时预制装配式衬砌的受力和位移见表2—表5。初砌结构所受轴力均为压力。

表2 衬砌结构最大轴力 kN

表3 衬砌结构最大弯矩 kN·m

表4 衬砌结构最大横向位移 mm

表5 衬砌结构最大垂向位移 mm

由表2—表5可知：不同级别围岩条件下随着接头刚度的减小预制装配式衬砌最大轴力均逐渐增大，最大弯矩均先减小后增大，最大横向位移均逐渐增大，最大垂向位移均逐渐增大。衬砌结构分块后虽然位移有所增大但衬砌结构平衡后受力更加稳定。与整体衬砌相比，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩条件下接头刚度为0 时最大轴力分别增加5.6%，6.5%，7.3%。最大弯矩分别减少35.0%，43.0%，54.6%。最大横向位移分别增大22.4%，36.4%，64.7%。最大竖向位移分别增大41.8%，44.6%，52.5%。

3 预制装配式衬砌安全性分析

按照TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》中素混凝土计算公式计算不同接头刚度时隧道衬砌各部位安全系数，计算结果见表6—表10。

表6 衬砌结构拱顶安全系数

表7 衬砌结构拱肩安全系数

表8 衬砌结构边墙安全系数

表9 衬砌结构拱脚安全系数

表10 衬砌结构仰拱安全系数

由表6—表10 可知：不同围岩条件下随着接头刚度的减小预制装配式衬砌拱顶安全系数均而逐渐增大，拱肩安全系数均逐渐增大，边墙安全系数均逐渐减小，拱脚安全系数均逐渐减小，仰拱安全系数均逐渐减小。与整体衬砌相比，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩条件下接头刚度为0 时拱顶安全系数分别增加6.14 倍、4.40倍、3.52 倍，拱肩安全系数分别增加1.26 倍，1.27 倍，0.98倍。边墙安全系数分别减少5.7%，6.6%，7.9%。拱脚安全系数分别减少5.8%，4.0%，3.9%。仰拱安全系数分别减少5.6%，5.8%，6.6%。

当衬砌结构在弯矩最大位置分块时，边墙、拱脚和仰拱安全系数均略有下降，降幅均小于10%且安全系数远高于规范限值（2.4）；拱顶和拱肩安全系数大幅提高，尤其当接头刚度不大于45 MN·m/rad 时提升较大。近年来铁路隧道衬砌结构出现掉块、剥落等病害均发生在拱腰以上部位，除施工质量外，与衬砌整体受力过大不无关系。通过预制分块能够大幅增大衬砌上部安全系数，降低类似病害。

各级围岩条件下不同接头刚度时衬砌结构平均安全系数、最小安全系数分别见表11、表12。

表11 衬砌结构平均安全系数

表12 衬砌结构最小安全系数

由表11、表12 可得：衬砌结构在弯矩最大位置分块，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩作用下随着接头刚度的减小衬砌平均安全系数和最小安全系数均有所增大。接头刚度为0 时，平均安全系数分别增加9.2%，7.2%，10.4%；最小安全系数分别增加3.14倍，2.26倍，1.84倍。当接头刚度小于45 MN·m/rad时，衬砌最小安全系数增加较大。综合考虑，接头刚度不宜大于45 MN·m/rad。

4 结论

1）在Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩条件下350 km/h 高速铁路单线隧道整体衬砌受力和位移逐渐增加，受力形式相似，有利于预制结构选型统一化。

2）衬砌接头刚度越小衬砌结构最大位移越大，最大轴力越大，最大弯矩先减小后增大。

3）不同级别围岩条件下装配式衬砌安全系数均满足规范要求。与整体衬砌相比，边墙、拱脚和仰拱安全系数略有下降，拱顶和拱肩安全系数大幅增加，平均安全系数和最小安全系数增加，接头刚度不宜大于45 MN·m/rad。