李 鸿

(中机中联工程有限公司，重庆 400039)

对于超高填方隧道，衬砌结构受地层土压力荷载大，衬砌厚度和裂缝控制困难，当裂缝控制不满足要求，但是结构安全满足条件时，过度增加衬砌厚度和钢筋数量将导致结构受力不合理、造价急剧增加等问题[1-7]。因此，在隧道变形基本稳定时，设计采用对隧道裂缝进行病害处理方式处理后，再增加内侧套拱的方案[8-13]，来解决衬砌厚度过厚和钢筋数量过多的问题。本文介绍了某市铁路枢纽环线超高填方隧道套拱设计的设计荷载种类，竖向土压力分布模式计算，运营、施工阶段隧道结构力学分析，结构竖向不均匀沉降的力学分析情况。

1 工程概况

该隧道位于某市铁路枢纽环线，隧道全长540 m，平面为直线，设计纵坡25 ‰，线路高程348.95～364.57 m，位于规划机场跑道下方。隧道宽17.5 m，衬砌厚度1.6 m，为保证结构耐久性在衬砌内施作0.4 m套拱，如图1所示。隧区属丘陵地貌，原始地面高程359.38～388.20 m，相对高差约30 m，地形起伏较小；沿线多为旱地，植被不发育，附近有多条乡村道路，交通便利；最终设计填方标高为383.65～405.18 m，隧道顶部填方高度10～40 m。

隧址区原始地形为天然沟壑，主要地层为第四系全新统人工弃填土、坡洪积残积层、粉质黏土，侏罗系中统沙溪庙组泥岩夹砂岩。为单斜构造，无不良地质，特殊岩土为人工弃土、填土，埋深仅为5～18 m，且地表分布厚层弃填块石土、粉质黏土、人工筑填土等。隧区地表水不发育且无侵蚀性，隧道施工时地下水以滴水、浸出为主，环境等级为T2。

图1 套拱衬砌断面构造(单位：cm)

2 隧道设计荷载

2.1 荷载种类

2.1.1 竖向静载

本隧道结构荷载的最重要来源为填方荷载，可分解为竖向荷载和横向荷载两个方面。由于填方体的土拱效应并不明确，以相对保守的泰沙基松散体理论为基础考虑初始荷载。

2.1.2 施工期临时荷载

在隧道结构上部填方时，考虑压路机及强夯机等临时荷载作用于隧道结构上方土体。对于碾压工况，验算采用运输车限重为250 kN，考虑1.2动载系数修正为300 kN，以某市面常见满载质量为25 t自卸车为例，其荷载分布形式见图2。设计选用的压路机自重约为80 kN，远小于运输车辆的满载重量，无须单独进行验证。同时要求每10 m×10 m的区域中工作车辆不得超过1台，避免两部车辆荷载的情形。

图2 拱顶填方运输车辆荷载分布模型(单位：cm)

2.1.3 运营期附加荷载

隧道纵轴线距离第四跑道线路中线约120 m，无需考虑飞机荷载作用于结构范围，但考虑到隧道洞顶填方后期建有机场场坪等运营相关的小型建构筑(如导航灯带、导航天线)，以及地勤工作车辆通行，上部附加荷载按20 kPa取值。

2.2 填方终态结构竖向土压力确定

衬砌所受荷载分布及大小与既有地形、岩层等有关，为了解地形及岩层对衬砌荷载的影响，利用MIDAS/GTS有限元软件建立计算断面的地层结构模型，见图3，计算分析衬砌拱顶处平面的竖向土压力变化趋势，以此趋势来推断衬砌竖向土压力的分布形式和数值大小，并采用推定的荷载模式对衬砌结构进行荷载结构模型计算，验算衬砌结构的截面承载能力及裂缝。

按照施工顺序，地层结构模型计算顺序为：自重应力平衡→位移置零→明洞开挖→衬砌施作→明洞回填，图4为明洞回填后的竖向应力云图。

图3 控制断面竖向土压力分布计算模型

图4 明洞回填后的竖向应力云图(单位：kPa)

定义回填后竖向土压力增大系数μ为σy/γh，其中，σy为回填后衬砌承受的竖向土压力，γ为地层容重，h为计算点埋深。可以得到，明洞衬砌范围内竖向土压力增大系数μ分布，如图5所示。

图5 衬砌竖向土压力增大系数沿横断面分布

对上图分析可知，明洞范围内，实际竖向荷载与γh的比值最小值为0.93，最大值为1.28。偏于安全考虑，荷载结构模式计算如下三种分布模式：

(1)荷载模式一：假设作用于明洞顶部的竖向土压力为均布荷载，出于保守考虑，建模计算时的竖向土压力取1.3倍γh值，如图6所示。

图6 均布竖向土压力分布形式

γh

γh

图7 偏心竖向土压力分布形式一

(3)荷载模式三：假设作用于明洞顶部的竖向土压力为偏心荷载。出于保守考虑，建模计算时左右两端竖向土压力分别取0.9和1.3倍值，如图8所示。

图8 偏心竖向土压力分布形式二

3 运营阶段结构分析

用MIDAS/GTS建立荷载结构模型，分别施加荷载模式一～荷载模式三荷载，可计算得运营工况衬砌结构内力情况，以荷载模式一计算情况为例进行说明，如图9～图11所示为结构轴力、弯矩、剪力分布。

图9 荷载模式一衬砌轴力(单位：kN)

图10 荷载模式一衬砌弯矩(单位：kN·m)

图11 荷载模式一衬砌剪力(单位：kN)

根据TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》关于破损阶段法及正截面在偏压荷载作用下安全系数求解方法的相关规定，得出衬砌关键控制截面的内力、安全系数及裂缝宽度如表1所示。

表1 荷载模式一关键截面内力值及验算

由表1计算可得，衬砌各控制截面的安全系数均大于2.4(主要荷载组合作用下，钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度时，安全系数应大于2.0；混凝土达到抗拉极限强度，安全系数应大于2.4)，拱腰、边墙、拱脚、仰拱弯矩与轴力比值较小，处于小偏心受压状态，裂缝宽度均满足要求。拱顶处的裂缝宽度为0.22 mm，不满足规范要求，因此当回填至设计标高后，且裂缝发展稳定后，对于宽度大于0.2 mm既有裂缝进行处理，并施作套拱衬砌。

4 施工阶段结构分析

考虑到明洞上方回填至2 m后会采用大型机械进行施工，需要对施工中存在的附加荷载工况进行承载能力验算。计算模式如图12所示，附加荷载列于表2。

图12 施工工况荷载施加节点示意

表2 施工工况节点荷载(附加荷载) kN

回填土压力按2.6 m考虑，认为回填土厚度较薄，对机械设备荷载的扩散作用不明显。利用MIDAS/GTS建立衬砌结构模型，计算得出衬砌的内力分别如图13～图15所示。

图13 施工工况衬砌轴力云图(单位：kN)

图14 施工工况衬砌弯矩云图(单位：kN·m)

图15 施工工况衬砌剪力云图(单位：kN)

5 不均匀沉降分析

由于不同里程隧道上方回填土高度差异大、同一里程填土横向坡度大、隧道底部围岩工程地质条件不均匀等不利因素，需要分析衬砌结构在横向及纵向上的不均匀沉降程度。以JDK15+442与JDK15+590两个里程为计算对象，采用地层结构模型分析衬砌结构的横向及纵向差异沉降，计算模型如图16所示。

图16 不均匀沉降计算模型

重点分析明洞衬砌结构施作完成、隧道上方回填至设计标高后的结构变形情况，计算结果如图17、图18所示。

从图17、图18可以看出，衬砌结构在横向上墙脚位置沉降大，仰拱处沉降小。JDK15+442里程，结构横向最大沉降差为5.4 mm；JDK15+590里程，结构横向最大沉降差为4.4 mm；在横向上，明洞结构整体倾斜很小。

从图19可以看出，衬砌结构在JDK15+442与JDK15+590里程处的纵向差异沉降为8.1 mm，纵向长度为148 m，故衬砌结构纵向倾斜值为1/18272，纵向不均匀沉降较小。同时计算采用的是两个不同断面分开计算得到的隧道沉降，没有考虑隧道结构的纵向效应，实际纵向沉降差异应该更小。

图17 JDK15+442竖向位移云图

图18 JDK15+590竖向位移云图

图19 不同里程衬砌结构基底变形曲线

6 结束语

(1)对于超高填方隧道，受地层土压力荷载影响大，衬砌厚度和裂缝控制困难，本设计采用对隧道裂缝进行病害处理后，再增加内侧套拱的方案，解决衬砌厚度过厚和钢筋数量过多的问题。

(2)高填方隧道衬砌竖向土压力分布受地形、地质等多种因素影响，衬砌结构受的竖向土压力按均布、梯形偏压、双梯形偏压分布等效。

(3)高填方隧道衬砌结构除需考虑运营工况外，仍需考虑施工工况回填过程、施工器械，地层回填导致的纵向和横向不均匀沉降分析。