石宏泰 黄 河 郑烨晨

(中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710000)

高速铁路隧道下穿既有公路时，常遇到浅埋、地层软弱、路面沉降难以控制等难题[1]，不宜采用明挖施工，常采用超前支护结合暗挖施工方法。但暗挖法存在施工周期长、造价高，超前支护施工质量难以保证等问题，因此，护拱暗挖法得到了广泛应用[2,3]。徐光和[4]依托岱山隧道工程，对护拱明挖法与暗挖法进行了对比，得出护拱暗挖法具有缩短工期、减小隧道施工风险、降低造价等优点的结论；潘乘浪[5]结合下穿西湖风景区的紫之隧道工程，对护拱法设计施工技术进行研究，得出该方法既确保了工程安全和进度，又能大大减少地表开挖和植被破坏，经济效益和环保效益显著的结论；桂登斌等[6]根据弹性理论推导了护拱与初期支护的围岩荷载分担比例公式，采用荷载—结构模型，计算了护拱衬砌和初期支护的内力、安全系数，评价了护拱和初期支护的安全性。

护拱暗挖法施工中，护拱上方回填土石，恢复路面交通是关键步骤，此时施工车辆常借道路面行驶，车辆超载作用下护拱衬砌的受力状态较填土自重状态更为不利，护拱安全性较为突出。本文以某高速铁路隧道下穿既有县道工程为依托，采用ANSYS进行车辆超载作用下护拱衬砌结构数值分析，评价了护拱衬砌结构的安全性，以期为类似工程提供参考。

1 工程背景

某高速铁路隧道下穿既有县道，采用明洞+护拱+回填层结构。隧道明洞为C35钢筋混凝土结构，护拱采用复合式衬砌，初支采用28 cm厚C25喷射混凝土+Ⅰ20b型钢钢架(间距1.0 m/榀)，二次衬砌采用C35钢筋混凝土结构。护拱两侧采用C20混凝土回填至拱顶，然后施作防水层，防水层上土石夯填，最后进行C35混凝土路面施工，隧道断面如图1所示。现场施工步骤为：1)边坡开挖，留护拱部位核心土；2)浇筑护拱结构；3)回填，铺设混凝土路面，恢复交通；4)暗挖护拱下方土体；5)施作初期支护；6)浇筑二次衬砌。

2 数值模型

2.1 有限元模型及参数

根据隧道明洞段设计图纸，选取典型断面进行二维数值模拟。有限元模型如图2所示。模型水平长度(x方向)100 m，竖向高度(y方向)50 m，模型底边界约束竖向(y向)位移，左右边界约束水平(x向)位移。模型中自地表向下依次为C35路面混凝土(30 cm)、地表土层(2 m)、回填土石(2 m)、C20回填素混凝土，C35钢筋混凝土护拱(1 m)、基岩。

由于汽车动荷载产生的动应力自地表向下衰减很快，因此模型中所有材料均采用弹性模型，采用Plane42单元模拟。计算中钢筋混凝土护拱只考虑混凝土参数，未考虑钢筋作用，模型计算参数如表1所示。

表1 计算参数

2.2 车辆荷载模拟

车辆行驶属于多自由度且难以识别、复杂的振动体系，汽车与路面的相互作用主要属于多自由度系统冲击动力学问题，冲击产生的动应力经过路面层、回填土石层和回填混凝土层的传播，施加于护拱结构上。冲击力(荷载)的大小受汽车自重、行驶速度、路面路况、轮胎阻尼等多因素影响，且各因素通常存在相互影响。为简化分析，计算中基于如下假设：

1)将动力学问题简化为拟静力问题求解。车重取100 t即1 000 kN，从前轮到后轮，轴重按1∶1∶2∶2取值，则单侧车轮总共承受重力500 kN，荷载布置如图3所示。

2)车辆轴重平均分配在每个车轮上，不考虑车轮与混凝土路面的接触特性，轴重直接以集中力形式作用在车轮几何中心。县道最高速度为60 km/h=16.7 m/s，列车荷载可视为以速度v运行的一系列离散的集中力，车辆的冲击系数取1.4。

3)计算中首先进行自重作用下明洞施工过程模拟(步骤1)～4)，此时为车辆荷载作用的最不利工况)，然后施加移动的车辆荷载进行求解，从计算结果中取最大值进行分析评价。

3 计算结果分析

3.1 护拱衬砌应力随时间变化规律

图4为隧道护拱拱顶单元第一主应力与时间关系曲线，图中时间为1 s时为自重作用下护拱暗挖施工时工况，自2 s开始为车辆荷载作用。可以看出，第一主应力呈现正弦变化规律，在时间t=3.44 s时达到最大值，此时对应于图3中后轴两个集中力作用在明洞正上方。车辆荷载在护拱衬砌中产生较大的拉应力，数值远超过自重荷载，其他部位的主应力也有类似规律。

3.2 护拱衬砌位移最大值

图5为隧道护拱衬砌结构位移最大值。由图5a)可以看出，水平位移呈不对称分布，右拱脚大于左拱脚，最大值位于右拱脚位置，数值约为0.061 mm，这是由于车辆第一个集中力作用在拱顶处时达到最大值，此时，荷载主要作用在护拱左半部分。由图5b)可以看出，竖向位移也呈现不对称分布规律，最大值位于拱顶部位，数值约为0.347 mm，约为水平位移的6倍，说明车辆荷载作用下护拱衬砌以竖向变形为主。

3.3 护拱衬砌应力最大值

图6为隧道护拱衬砌结构主应力最大值，可以看出主应力大致呈对称分布规律。由图6a)可以看出，拱顶内侧受拉，拱脚底部与围岩接触处也承受拉应力，第一主应力在拱脚处最大，数值约为325 kPa，说明暗挖施工中，拱脚是薄弱部位，有与围岩产生错动分离的可能。由图6b)可以看出，护拱衬砌全部承受拉应力，第三主应力在拱脚处外侧最大，数值约为1.37 MPa。

根据TB 10003—2016铁路隧道设计规范，C35混凝土的容许压应力为13 MPa，容许拉应力为0.6 MPa，由上述数据可知，隧道护拱结构上的第一主应力均未超过材料的容许拉应力，第三主应力均未超过材料的容许压应力，因此护拱结构安全性满足规范要求。

4 结语

通过上述计算分析，得到如下结论：

1)车辆荷载作用下，隧道护拱结构产生较大的拉应力和压应力，且数值远超过自重荷载，因此施工车辆超载是现场不可忽视的因素，路面恢复交通后应加强观察，避免路面产生显著的局部不均匀沉降，进而加大汽车冲击效应。

2)车辆荷载作用下，护拱衬砌拱顶产生向下沉降变形，拱脚产生向内水平收敛变形，且竖向变形远大于水平变形。护拱衬砌拱顶受拉，拱脚与围岩接触处也承受拉应力，拱脚有脱离围岩的可能性。暗挖施工中应密切监控衬砌拱脚变形情况，避免拱脚脱离造成的承载力不足问题。

3)车辆荷载作用下，护拱结构拱顶下沉最大值为0.037 mm，数值较小；护拱结构上的第一主应力和第三主应力最大值均未超过规范要求的材料容许应力，结构安全性满足要求。