卿伟宸,高 杨,章慧健

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031； 2.西南交通大学,成都 610031)

1 概述

随着我国经济和社会的高速发展，进入21世纪后，我国铁路建设进入一个新时代。随着高速铁路建设在西部山区的不断开展，隧道建设也开始向“多、长、大、深”方向发展[1-4]。由于西部地区地形复杂、地质艰险，桥隧比重大，大部分铁路隧线比达到50%以上，部分铁路如成都至九寨沟铁路隧线比达90%以上。诸如大瑞线、成兰线(成都至九寨沟铁路)部分地段地形条件限制，导致车站伸入隧道内，由于之前国内外无修建四线车站隧道的成功先例，传统车站设计一般采用Y字形“2+2”、分修式“2+2”、纵列式“3+3”等形式，以控制隧道跨度不超过三线，但上述方案恶化了车站功能，不利于运营管理。显然，随着高速铁路在西部山区的高速发展，传统的大跨度三线隧道已不能满足山区选线及设站的需要，四线车站隧道将不可避免越来越多。而四线车站隧道的成功修建和大量采用使得山区车站布置形式更为灵活，车站功能更易得到保证，有利于车站的运营管理；从而有效降低山区铁路车站设置对线路选线的影响，提高艰险山区双线铁路特别是客运专线选线的自由度。

建国以来尤其是20世纪90年代，经过历代隧道工程技术人员的探索实践，大跨度三线及以下的车站隧道设计、施工技术已较为成熟，但特大跨度四线车站隧道设计、施工尚无先例。对于特大跨度四线隧道，其开挖面积大、跨度大，为提高隧道空间的利用率、降低工程成本，与高跨比较大的单线隧道、近于圆形的双线隧道及三线隧道相比，其断面形式将更加扁平，在力学行为上有较大差别，在结构选型设计中应考虑以下问题。

(1)对特大跨度四线隧道，增大高跨比对提高结构安全性能是有利的[5]，但会造成浪费；相反，降低高跨比会提高经济效益[6]，但断面越扁平，开挖后的应力集中程度增加[7]、应力重分布更加恶化[8-9]，增加了隧道工程设计和施工的难度，即隧道开挖后围岩拱部土体在自重应力场作用下向洞内移动，并导致两侧土体受压，反映在洞周位移上，拱顶下沉要远大于水平收敛位移[1]。显然，支护结构的破坏形态与隧道高跨比有关[6]。

(2)在满足建筑限界及相关作业要求条件下，在技术可行、经济合理的范围内，通过对特大跨度四线隧道洞室的围岩力学特性，衬砌结构的承载力，大断面隧道合理的扁平率等进行研究，以确定经济合理的断面形式。

本文依托乌蒙山2号出口四线铁路车站隧道，根据设计需要，针对以上问题，详细研究了特大跨度四线隧道不同扁平率的内轮廓对围岩应力、位移、塑性区及结构性能的力学行为影响，以提出合理的衬砌内轮廓及扁平率范围。

2 工程概况

乌蒙山2号隧道，为单洞双线隧道位于六盘水—沾益铁路贵州省境内，由观音河右岸进洞，进口里程为DK276+090；终于扒挪块车站，出口里程为DK288+350，隧道全长12 260 m。最大埋深400余m。设计时速为160 km，通行双层集装箱。由于运能需要，隧道出口端扒挪块车站伸入隧道，DK287+740～DK288+350段形成四线车站隧道，长610 m，洞身主要通过以泥岩、页岩夹砂岩为主的软岩地层。围岩物理力学参数按表1取值，衬砌混凝土的物理力学性能指标如表2所示。

表1 围岩物理力学参数

表2 衬砌混凝土力学参数

3 隧道建筑限界

3.1 隧道建筑限界拟定考虑的主要因素

列车在隧道中行驶，必须有足够的空间，隧道建筑限界就是为了保证隧道内各种交通正常进行与安全，而规定的在一定宽度高度范围内不得有任何障碍物侵入的空间。建筑限界是拟定隧道轮廓线的前提，隧道建筑限界是决定隧道净空尺寸的依据[10]。因此，隧道建筑限界的确定，对隧道的设计来说至关重要。影响建筑限界的主要因素包括以下方面：(1)机车车辆限界；(2)线别及设计速度；(3)线路展线布置及设站要求；(4)电气化接触网悬挂设备布置的要求；(5)隧道内通风、照明、通信、警告信号及色灯信号等附属设备安装要求。

3.2 四线隧道建筑限界的拟定

本隧道旅客列车设计行车速度160 km/h并通行双层集装箱列车。四线车站隧道“基本建筑限界”系根据相关规范[11-14]的规定，并根据本线技术标准、接触网和站场专业的技术要求综合确定。大跨度四线车站段建筑限界如图1所示。

图1 乌蒙山2号大跨度四线车站隧道建筑限界(单位：mm)

4 衬砌断面内轮廓研究

4.1 衬砌内轮廓初步拟定

扁平率是指隧道衬砌内轮廓的高度与其宽度的比值[15]，现有的铁路隧道中，单线隧道扁平率为1.16～1.50；双线隧道扁平率为0.82～0.95；三线隧道为0.70～0.80。对大跨度隧道，随着扁平率的减小，可减小洞室开挖量，但开挖后的应力重分布状态变差[7]，对支护结构强度需求必将增加。显然，扁平率是影响支护结构体系受力及工程投资的一个重要因素。

本隧道衬砌内净空轨上断面采用曲墙三心圆拱，在满足限界基础上，初步拟定了10种不同扁平率衬砌内轮廓，其拱部半径分别为900、950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 200、1 250、1 300、1 350 cm。各断面参数如表3所示，图2仅对其中3种内轮廓示意。

表3 断面参数

4.2 不同衬砌内轮廓的围岩力学特性分析

4.2.1 塑性区计算分析

围岩物理力学参数如表1所示。通过计算，得到上述10种不同扁平率工况的毛洞塑性区分布，选取4种典型工况如图3所示。各工况的塑性区面积和塑性区高度如表4及图4所示。

表4 不同扁平率内轮廓毛洞的塑性区比较

图2 乌蒙山2号大跨度四线车站隧道内轮廓(单位：mm)

图3 不同扁平率内轮廓毛洞的塑性区分布形态

图4 不同扁平率内轮廓毛洞的塑性区

从图3可以看出，上述10种内轮廓毛洞围岩塑性区自两侧边墙底外以一定角度向上发展，拱部塑性区高度约1倍洞径。

图4可以看出，扁平率为0.85左右时，拱部塑性区高度最小，但塑性区面积却并为最小。说明当内轮廓扁平率为0.85左右时，拱部塑性区高度虽然较小，但由于扁平率较大，边墙部位发生塑性破坏的范围较大，导致总塑性区面积较大；扁平率为0.69左右时，拱部塑性区高度虽然并不是最小，但塑性区面积相对较小，说明当内轮廓扁平率为0.69左右时，边墙部位发生塑性破坏的范围相对较小。综合毛洞塑性区面积及拱部塑性区高度来看，内轮廓扁平率为0.69左右时较优。

4.2.2 围岩变形分析

通过数值计算，得到各工况拱顶沉降及水平收敛，整理如表5及图5所示。

从图5可以看出，水平收敛与拱顶沉降具有相同的变化趋势。水平收敛和拱顶沉降随扁平率的增大先略有减小后急剧增大。当扁平率低于0.69时，水平收敛和拱顶沉降随扁平率增加总体上略有增加，但变化幅度很小；当扁平率高于0.73时，水平收敛和拱顶沉降随扁平率增加而急剧增大。由此可见，在特大跨度隧道中，水平收敛起控制作用。当跨度基本一致时，扁平率越大，则洞形越高，边墙越高且曲率越小，边墙与仰拱连接曲线曲率变化大，因此水平收敛就越大。水平收敛越大，两侧边墙向内位移大，导致拱部整体下沉量增大。

表5 不同扁平率内轮廓毛洞围岩变形比较

图5 不同扁平率毛洞拱顶沉降收敛

4.3 不同衬砌内轮廓二衬受力分析

4.3.1 安全系数对比分析

根据《铁路隧道设计规范》[14]，混凝土衬砌结构截面安全系数应按下式计算

当e>0.2h时，抗拉安全系数

当e≤0.2h时，抗压安全系数

式中K——安全系数；

N——轴向力，MN；

ψ——构件的纵向弯曲系数，取ψ=1；

b——截面宽度，m；

h——截面厚度，m；

e0——轴向力偏心距，m；

Rl——混凝土抗拉极限强度，MPa；

Ra——混凝土抗压极限强度，MPa；

α——轴向力的偏心距影响系数。

对上述10种不同扁平率的内轮廓，均取衬砌厚度为90 cm，按V级深埋条件计算，得到各衬砌拱顶、拱脚、边墙底及仰拱中部节点的内力并计算出安全系数，具体详见表6及图6。

表6 不同扁平率内轮廓衬砌安全系数对比

注：r1为衬砌内轮廓拱部半径；K为安全系数。

图6 不同扁平率内轮廓衬砌安全系数对比

结合表6及图6可知，随着内轮廓扁平率的减小，拱部圆弧半径增大，衬砌拱顶、拱脚及仰拱中部截面安全系数减小，边墙底截面安全系数增大。

从图6可以很直观地看出，当扁平率位于0.67～0.70时，衬砌结构受力更为均衡。

4.3.2 衬砌内力计算

对4.1节中10种不同扁平率的内轮廓，取衬砌厚度为90 cm，按V级围岩深埋条件计算，各衬砌拱顶、拱脚、边墙中部、边墙底及仰拱部位截面内力及配筋量分别如图7、图8所示。

图7 不同扁平率内轮廓衬砌截面内力

图8 不同扁平率内轮廓衬砌截面配筋量

从图7及图8可以看出，随着扁平率减小，拱顶及拱脚部位截面弯矩增大，轴力增大，需求配筋量增大；随着扁平率减小，边墙底截面弯矩减小，轴力增大，需求配筋量减小。当扁平率位于0.65～0.70时，衬砌截面配筋量较小且沿全环二次衬砌更为均衡。

4.4 不同内轮廓衬砌结构经济性分析

对4.1节中10种不同扁平率的内轮廓的衬砌结构，结合计算分析，在保证各衬砌结构初期支护及二次衬砌(均采用钢筋混凝土)最小安全系数基本一致的情况下，拟定的主要支护参数如表7所示。

表7 不同扁平率内轮廓衬砌结构支护参数

同时，为更好地指导特大跨度隧道内轮廓拟定，补充了受力性能更好的圆形内轮廓衬砌结构，主要支护参数如表7所示。

通过对表7中11种不同内轮廓的衬砌结构工程造价进行计算，对比分析结果详见图9。从图9可以看出：(1)衬砌5总造价最低；(2)对采用圆形内轮廓的衬砌结构，二衬圬工及钢筋均较节省，但由于开挖、初期支护等工程量大幅增加，工程造价并没有明显优势；(3)从内轮廓扁平率与衬砌工程造价关系来看，当内轮廓扁平率在0.67～0.86范围，相对较省。

图9 不同扁平率内轮廓衬砌结构工程造价

5 结论

对大跨度扁平隧道，扁平率是影响隧道结构受力的一个主要因素。结合乌蒙山2号四线车站隧道实际工程，通过数值模拟及综合比较分析，对大跨度四线隧道合理扁平率范围开展了深入研究，得出如下主要结论。

(1)对拟定的10种内轮廓毛洞进行分析，其围岩塑性区为自两侧边墙底外以一定角度向上发展，拱部塑性区高度约1倍洞径。综合毛洞塑性区面积及拱部塑性区高度来看，内轮廓扁平率为0.69左右时较优。

(2)水平收敛和拱顶沉降随扁平率的增大先略有减小后急剧增大。当扁平率低于0.69时，水平收敛和拱顶沉降随扁平率增加总体上略有增加，但变化幅度很小；当扁平率高于0.73时，水平收敛和拱顶沉降随扁平率增加而急剧增大。由此可见，在特大跨度隧道中，水平收敛与拱顶沉降具有相同的变化趋势，且水平收敛起控制作用。究其原因，当跨度基本一致时，扁平率越大，洞形越高，边墙越高且曲率越小，边墙与仰拱连接曲线曲率变化大，水平收敛就越大。水平收敛越大，两侧边墙向内位移大，导致拱部整体下沉量增大。

(3)随着内轮廓扁平率的减小，拱顶围岩应力松弛严重，造成拱顶下沉和仰拱突起变形比较严重，拱脚及边墙上部受到强烈挤压，造成压应力集中严重，从而导致拱顶、拱脚及仰拱部位安全系数减小；另一方面，随着内轮廓扁平率的减小，边墙底与仰拱连接更为圆顺平缓，应力集中减小，边墙底安全系数增大。结合衬砌结构各部位安全系数变化趋势，当扁平率位于0.67～0.70时，衬砌结构受力更为均衡。

(4)随着内轮廓扁平率减小，二次衬砌拱顶及拱脚部位截面需求配筋量增大，边墙底截面配筋需求量减小。当扁平率位于0.67～0.70时，衬砌截面配筋量较小且沿全环衬砌更为均衡。

(5)衬砌结构工程造价基本上呈现“随着内轮廓扁平率增大，先减小后增大”的趋势，当内轮廓扁平率在0.67～0.86时，相对较省，衬砌结构采用受力性能更好的圆形内轮廓，工程造价并没有优势。

综合考虑洞室稳定性、洞周位移、塑性区、围岩应力、结构内力及工程造价，大跨度四线铁路隧道合理的偏平率应控制在0.67～0.70。

[1] 关宝树.隧道施工的技术特性、理念及其发展[J].铁道建筑技术，2003(4)：1-5.

[2] 孙钧.山岭隧道工程的技术进步[J].西部探矿工程，2000(1):1-6.

[3] 王梦恕.交通建设进入隧道时代[J].建设科技，2004(7)：26-27.

[4] 王建宇.隧道工程和地下空间开发在可持续发展中的地位[J].世界隧道，1996，3(6)：1-3.

[5] 何复生.矿山法隧道施工期洞室围岩安全性评价[J].铁道标准设计，2012(4)：104-107.

[6] 蒋树屏，黄伦海，胡学兵.超大断面公路隧道的设计与研究[J].地下空间与工程学报，2005,2(1):54-61.

[7] 顾洪源.大断面小净距隧道断面优化及其设计参数研究[J].铁道标准设计，2013(2)：85-89.

[8] 关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[9] 袁小龙.基于应变软化模型的扁平大跨度隧道开挖过程稳定性分析[D].郑州：郑州大学，2012：Ⅰ-Ⅱ.

[10] 刘婷，王智慧，贺桂超.一种公路隧道结构断面优化与设计方法[J].中国高新技术企业，2008(14):180-181.

[11] 中国铁路总公司.铁路技术管理规程[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[12] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2003]76号 新建客货共线铁路设计暂行规定[S].北京：中国铁道出版社，2003.

[13] 中华人民共和国铁道部.铁科技函[2004]157号 铁路双层集装箱运输装载限界(暂行)[S].北京：中国铁道出版社，2004.

[14] 中华人民共和国铁道部.TB10003—2005 铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[15] 曾宜江.单拱四车道公路隧道结构优化的研究[D].长沙：中南大学，2009：26-27.