陈泽昌，刘建国

(深圳市市政设计研究院有限公司轨道交通院，广东深圳518040)

随着城市发展和市区土地的紧缺，包括铁路在内的各种城区轨道交通线路不可避免地会受到周边工程建设活动的影响。在既有铁路隧道周围进行堆载、卸载等施工，会引起邻近隧道的附加应力与变形，影响其运营与安全，因此必须严格控制隧道沿线的填挖方施工，保证隧道结构的安全。

在隧道安全性评价上，目前，隧道衬砌结构内力计算主要有荷载－结构法和地层－结构法两种方法。对于整体式衬砌，荷载－结构法是目前比较通用的计算方法，其使用关键是正确估算支护结构所受荷载的大小及分布。根据地层、埋深、隧道开挖尺寸等影响因素的不同，人们建立了多种隧道荷载－结构计算模型。对于铁路隧道而言，按荷载－结构模式进行设计计算时，土层参数、隧道埋深、坑道跨度、起拱角和地下水位等是其主要影响因素。

本文针对已投入运营的某浅埋铁路隧道上方堆载情况，建立基于荷载－结构法的有限元计算模型，分析顶部超载对隧道衬砌结构的影响。

1 工程概况

某铁路隧道为单拱双线隧道，长约880m，隧道建筑限界及衬砌内轮廓按照预留电力牵引双层集装箱客货共线考虑，设计时速为120km/h。隧道结构设计时，根据新奥法的基本理论和复合式衬砌的设计原理，考虑了埋深、原岩应力场以及影响围岩自承能力等多种因素，按照破损阶段法进行二次衬砌的结构计算，并结合科学试验成果和工程类比的方法进行设计。

顶部超载区的原隧道最小埋深约17m，围岩级别为Ⅵ级，采用CRD法施工。该段隧道采用复合式衬砌结构，其横断面参见图1。隧道的初期支护选用27cm厚的C25喷射混凝土和0.5m间距的工20钢架，并沿拱墙周围布置A22的注浆锚杆;二次衬砌选用55cm厚的C35防水钢筋混凝土，主筋采用B25@200mm;隧道中线左右两侧各12m及拱顶上方8.0m至中风化层范围内进行注浆加固。

根据地勘资料，该区域地表原为水塘，后来回填厚为8～12.7m的素填土，底部分布着厚为0.9m的淤泥质土。顶板残积粉质黏土和花岗岩全风化带厚为5～10m，岩体风化强烈，多呈硬塑土状，松散结构，遇水易软化。第四系松散土层孔隙水丰富，渗透及富水性较好，水量大小受季节性影响，雨季洞室具渗水或滴水现象。各土(岩)层物理力学性质参见表1。

图1 堆载影响区隧道

表1 土(岩)层物理力学性质指标

目前该隧道已投入运营，但由于隧道沿线地面保护不好，周围地块施工时将大量的弃土堆积在隧道上方，造成隧道顶部的地面标高远远超过了控制值，增加填土高度最大达到了约12m，因此必须重新检算隧道结构能否满足受力变形要求。

2 基于荷载－结构法的隧道计算模型

选取最不利位置，应用MIDAS/GTS岩土与隧道结构分析软件，建立基于荷载－结构法的计算模型，将隧道衬砌结构简化为平面应变问题进行分析。计算时，隧道长度取为1m，选用梁单元模拟衬砌结构，只受压弹簧模拟地层作用，并考虑了初期支护对荷载的分担作用。荷载大小根据《铁路隧道设计规范》(TB10003－2005)的附录E的计算方法确定，并考虑地下水对隧道底板的浮托作用。

隧道荷载计算图参见图2。

图2 隧道荷载计算

3 计算结果分析

为了研究隧道顶部超载对其结构安全的影响，以下分别对隧道衬砌结构的弯矩、轴力、剪力及变形等进行分析。

3.1 隧道衬砌结构弯矩

图3 衬砌结构弯矩

从图3可知:

(1)侧墙中部位置出现了最大正弯矩为302.75kN·m，侧墙与仰拱相交位置出现了最大负弯矩为－698.51kN·m，故以上部位为衬砌抗弯设计重点。

(2)顶拱及仰拱的弯矩值均较小，说明拱形结构对减少衬砌截面弯矩较为有利。

3.2 隧道衬砌结构轴力

图4 衬砌结构轴力

从图4可知，隧道衬砌结构的最大轴力为－1904.31kN，出现在仰拱的拱顶位置;最小轴力为－1505.14kN，出现在顶拱的拱顶位置。轴力值均为负，说明隧道衬砌均为受压结构。

3.3 隧道衬砌结构剪力

图5 衬砌结构剪力

从图5可知，隧道衬砌结构的最大剪力值为947.59kN，

出现在侧墙与仰拱相交部位，故该处是抗剪设计的重点部位。

3.4 隧道衬砌结构变形

图6 衬砌结构变形

从图6可知，隧道衬砌结构的最大变形为2.9mm，出现在侧墙的中部位置。

3.5 隧道衬砌结构截面验算

铁路隧道设计规范第11章的相关规定，隧道衬砌结构的主筋采用B25@200mm时，侧墙局部位置(最大弯矩处)未能通过破损阶段法弯矩验算及铁路裂缝验算。

4 结论

通过以上分析可得出以下主要结论:

(1)顶部超载将造成该铁路浅埋隧道衬砌的局部位置不能满足规范要求，故须对隧道结构进行更全面检测评估，制定确保铁路运营安全的有效措施。

(2)拱形结构对减少隧道衬砌的截面弯矩较为有利;拱形隧道的侧墙及底部角点位置往往是薄弱环节，设计时应予以加强。

(3)对已投入运营的铁路浅埋隧道，顶部超载对衬砌结构的受力变形有较大影响，甚至危及铁路的运营与安全，因此必须加强隧道沿线的地面保护工作，减少周边工程建设活动对隧道结构的影响。

[1]TB10003－2005铁路隧道设计规范[S］

[2]赵晓勇.铁路隧道荷载－结构法计算中主要影响因素的分析[J］. 建筑结构，2010，40(S1):417－421

[3]赵尚毅，郑颖人，宋雅坤，等.地下隧道衬砌结构内力计算方法探讨[J］. 后勤工程学院学报，2007，23(4):29－33

[4]邓刚.半荷载结构法检算浅埋(偏压)隧道结构之探讨[J］.现代隧道技术，2002，39(3):29－34

[5]李鹏飞，张顶立，赵勇，等.大断面黄土隧道二次衬砌受力特性研究[J］. 岩石力学与工程学报，2010，29(8):1690－1696

[6]凌昌荣，张子新.偏压小间距隧道荷载结构计算模型研究[J］．地下空间与工程学报，2007，3(6):1148－1153

[7]陈贵红，高波.荆坡隧道设计与数值分析[J］.四川建筑，2002，22(2):64－65

[8]符宾宾，代刚.软弱围岩下双连拱隧道的衬砌受力分析[J］.四川建筑，2005，25(2):88－90

[9]黄庆伟，张志强，齐颖.空心中墙双连拱隧道安全性数值模拟[J］. 四川建筑，2007，27(4):69－70

[10]周笑，彭阳.荷载－结构模型在黄土隧道二次衬砌设计中的应用[J］. 四川建筑，2007，27(5):93－94

[11]刘建洪，卢磊，申景宇，等.偏压隧道明洞段初步设计浅析[J］. 四川建筑，2008，28(2):105－106，108

[12]张芹，张琳，王亚伟，等.海底隧道衬砌结构静力分析[J］.土工基础，2006，20(4):71－74