基于变形分级的挤压性围岩铁路隧道断面形状优化设计.pdf

收稿日期:2022-08-31;修回日期:2023-04-28基金项目:中国铁建股份有限公司科技重大专项(2019-A04);河北省自然科学基金项目(E2021210091);河北省教育厅青年拔尖人才项目(BJ2019009)第一作者简介:杨斌(1984),男,甘肃平川人,2006 年毕业于兰州交通大学,土木工程专业,本科,高级工程师,现从事铁路工程建设管理工作。E-mail:931824113 。通信作者:刘志春,E-mail:liuzhch01 。引用格式:杨斌,刘天赐,刘志春,等.基于变形分级的挤压性围岩铁路隧道断面形状优化设计J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):344.YANG Bin,LIU Tianci,LIU Zhichun,et al.Cross-section shape optimization design of railway tunnel in squeezing rock based on deformation classificationJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):344.基于变形分级的挤压性围岩铁路隧道断面形状优化设计杨 斌1,刘天赐2,刘志春3,李 宁4,5,朵生君5(1.甘肃天陇铁路有限公司,甘肃 兰州 730030;2.衡水铁路电气化学校,河北 衡水 053000;3.石家庄铁道大学土木工程学院,河北 石家庄 050043;4.特殊复杂环境下长大隧道建造技术铁路行业工程研究中心,陕西 西安 710043;5.中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710043)摘要:针对较大形变压力作用下挤压性围岩隧道断面形状优化的问题,在时速 200 km 客货共线铁路隧道建筑限界的基础上拟定单线和双线铁路隧道断面形状,通过结构安全性评价,提出不同变形等级条件下单线和双线铁路隧道较经济、安全的断面形式。研究结果表明:1)随着变形等级的增加,围岩压力显著增大,结构安全系数明显降低,从建筑限界出发拟定的最经济的隧道断面不能满足结构安全性要求。2)拱脚及墙脚是隧道结构受力薄弱部位,通过优化断面曲率实现拱部与边墙、边墙与仰拱的圆顺衔接,可有效改善结构受力状态,提高结构安全性。3)对于单线铁路隧道,级变形条件下推荐采用单线断面 A(与常规单线铁路隧道断面相衔接),级变形条件下推荐采用单线断面 B(在单线断面 A 的基础上对断面曲率进行优化),、级变形条件下推荐采用单线断面E(圆形)。4)对于双线铁路隧道,、级变形条件下推荐采用双线断面 C(在常规双线铁路隧道的基础上优化断面曲率),、级变形条件下推荐采用双线断面 E(圆形)。5)工程实践中,隧道断面优化应综合考虑结构安全、区段衔接和施工便利性,综合确定各区段隧道断面形状;在级变形条件下,应加强注浆加固,并采用多层支护及应力释放等技术措施保证隧道结构安全。关键词:挤压性围岩;铁路隧道;断面形状;变形分级;安全系数;优化设计DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.040中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0344-12C Cr ro os ss s-S Se ec ct ti io on n S Sh ha ap pe e O Op pt ti im mi iz za at ti io on n D De es si ig gn n o of f R Ra ai il lw wa ay y T Tu un nn ne el l i in n S Sq qu ue ee ez zi in ng g R Ro oc ck k B Ba as se ed d o on n D De ef fo or rm ma at ti io on n C Cl la as ss si if fi ic ca at ti io on nYANG Bin1,LIU Tianci2,LIU Zhichun3,*,LI Ning4,5,DUO Shengjun5(1.Gansu Tian Long Railway Co.,Ltd.,Lanzhou 730030,Gansu,China;2.Hengshui Railway Electrification School,Hengshui 053000,Hebei,China;3.School of Civil Engineering,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,Hebei,China;4.Engineering Research Center of Railway Industry of Construction Technology for Long Tunnel in Special and Complex Environment,Xi an 710043,Shaanxi,China;5.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xian 710043,Shaanxi,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To optimize the cross-section shape of squeezed surrounding rock tunnels under large deformation pressure,the cross-section shapes of single-and double-track railway tunnels are determined based on the construction clearance of passenger and freight railway tunnel with a speed of 200 km/h.Economic and safe cross-section types of single-and double-track railway tunnels under various deformation levels are proposed through structural safety evaluation.The 增刊 1杨 斌,等:基于变形分级的挤压性围岩铁路隧道断面形状优化设计conclusions are drawn as follows:(1)With an increase in deformation level,the structural load increases and the structural safety coefficient decreases evidently.The most economical tunnel cross-section proposed based on the construction clearance cannot meet the structural safety requirements.(2)The arch and wall feet are the weak parts of the tunnel structure.By optimizing the curvature of tunnel cross-section,the smooth connection between arch and sidewall and that between sidewall and inverted arch can be realized,thus effectively improving the stress state of the structure and the structural safety.(3)For single track tunnel:single-track A cross-section type(connected with the normal single-track tunnel section)is recommended for grade I deformation,single-track B cross-section type(optimized cross-section curvature based on single-track A cross-section)is recommended for grade II deformation,and single-track E cross-section(circular)is recommended for grades III and IV deformation.(4)For double-track tunnel:double-track C cross-section type(cross-section curvature optimized on the basis of conventional double-track tunnel)is recommended for grades I and II deformation,and double-track E cross-section(circular)is recommended for grades III and IV deformation.(5)In engineering practice,the cross-section type should be comprehensively optimized considering structural safety,zone connection,and construction convenience.Under grade IV deformation condition,strengthened grouting reinforcement,multi-layer support,and stress release should be conducted to ensure the safety of the tunnel structure.K Ke ey yw wo or rd ds s:squeezing rock;railway tunnel;tunnel cross-section shape;deformation classification;safety factor;optimization design0 引言在我国海拔较高的西南地区修建隧道,经常会遇到挤压性围岩大变形问题,主要表现为软弱围岩在高地应力作用下导致初期支护侵限、喷射混凝土层脱落掉块、初期支护开裂、钢架扭曲变形、仰拱隆起,甚至局部发生坍塌或二次衬砌开裂等问题。面对挤压性围岩的诸多问题,挤压性围岩隧道结构设计已由传统隧道的围岩分级为基础转换为以变形分级为基础。Terzaghi1确定了大变形等级分级的依据。Hoek 等2通过广泛的实际工程调研,统计挤压性围岩隧道实测数据,提出了 5 种等级的大变形分级方法。刘志春等3基于乌鞘岭隧道工程,在相对变形量和强度应力比分级标准的基础上,提出了采用综合系数法来确定变形分级标准的方法。徐林生等4将一般估计变形量与相对变形量相结合,将大变形等级分为3 个等级。张祉道5针对单、双线铁路隧道,划分了不同的变形等级标准,将洞壁位移与相对变形相结合,将大变形等级分为 3 个等级。最早期断面优化的方法是对平面孔形的优化。Bjorkman 等6-7在 20 世纪 80 年代提出调和孔的理论。Dhirs8使用复变函数理论,对 Muskhelishvili 方法进行孔边应力求解,使用的最优准则为最小化孔边切向应力平方的积分值,这样解决了一类孔形的优化问题。王军9依托崤山隧道,通过增加隧道边墙曲率,提高了支护结构的受力性能,有效抑制了异常的水平变形。吕爱钟10为解决洞周应力过大的问题,假定围岩处于弹性状态,将洞周最大切应力达到最小作为选择条件,使用二维弹性复变方法确定洞室最佳形状。房倩等11使用复合形法原理和语言编程进行求解,解决了白洋冲一号连拱隧道断面形状优化问题。王作伟等12选取 4 种不同高跨比的隧道断面,使用多目标层次分析法(AHP),综合考虑开挖面积、水平位移收敛值、拱顶下沉量、围岩塑性区面积以及应力集中系数 5种因素,进行多目标优化分析,最终选出最优断面形状。挤压性围岩隧道围岩压力以形变压力为主13-15,远大于常规围岩隧道的围岩压力。在较大形变压力作用下,断面形状对挤压性围岩隧道结构受力和变形影响显著,特别是单线铁路隧道,例如丽香铁路等单线隧道洞室形状大部分是“瘦高马蹄形”,洞室位移以水平方向位移为主,水平方向的收敛值远大于拱顶下沉值,边墙围岩压力小于拱部围岩压力13。在隧道断面形状评价方法上,由于地层结构法缺乏公认的评价方法和判据而难以对断面形状准确评价,荷载结构法是目前规范推荐的方法。在隧道断面优化方面,以往文献多以围岩分级为基础,而目前挤压性围岩隧道已转变为以变形分级为基础,因此有必要开展基于变形分级的挤压性围岩隧道断面形状优化研究。本文在拟定单、双线铁路隧道断面形状的基础上,基于挤压性围岩变形分级标准和荷载计算方法,建立“荷载-结构”模型计算结构内力,检算初期支护及二次衬砌截面强度是否满足规范要求,从而确定不同变形等级条件下最为经济、安全的洞室断面形状。543隧道建设(中英文)第 43 卷1 断面形状优化设计方法及参数取值1.1 挤压性围岩隧道变形分级标准根据现行规范,挤压性围岩隧道变形分为 4 个等级,变形等级划分标准以变形潜势、岩体强度应力比及相对变形量 3 个因素综合确定,如表 1 所示14-15。表 1 变形等级划分14-15Table 1 Deformation grade division14-15变形等级变形潜势岩体强度应力比 Gn相对变形量/%轻微0.200.3024中等0.150.2046强烈0.100.1568极强烈 8 注:岩体强度应力比 Gn=Rcm/max,其中,Rcm为岩体强度,max为最大初始地应力,max=0v(0为初始地应力侧压力系数,v为垂直地应力)。相对变形量=u/a,其中,u 为围岩变形量,a 为隧道等效洞径。1.2 结构荷载计算方法参考刘志春等15提出的挤压性围岩隧道围岩压力计算方法,垂直均布压力q=0.191B0.15e0.445S-35H。(1)式中:B 为隧道开挖跨度,m;H 为隧道埋深,m;S 为变形等级,当变形等级为、时,S 分别取 1、2、3、4。水平均布压力e=q。(2)式中 为荷载侧压力系数,取值见表 2。表 2 荷载侧压力系数取值Table 2 Surrounding rock lateral uniform pressure变形等级0.500.750.751.00变形等级1.001.25 1.251.3 结构安全评定标准通过 ANSYS 软件计算结构内力,检算初期支护及二次衬砌混凝土截面强度是否满足规范要求,对初期支护和二次衬砌进行安全性评价。1.3.1 二次衬砌安全系数取值根据现行规范16规定,钢筋混凝土结构的强度安全系数如表 3 所示。二次衬砌的安全系数按表 3 取值。表 3 钢筋混凝土结构的强度安全系数16Table 3 Strength safety factor of reinforced concrete structure16荷载组合破坏原因钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度 混凝土达到抗拉极限强度主要荷载2.02.4主要荷载+附加荷载1.72.01.3.2 初期支护安全系数取值根据现行规范16规定,检算施工阶段结构强度时,安全系数采用表 3 所列数值乘以折减系数 0.9。这是基于常规隧道初期支护承担全部荷载、二次衬砌作为安全储备理念制定的。而对于挤压性围岩隧道二次衬砌承担部分荷载,初期支护的作用是保证施工阶段隧道稳定,为此在初期支护结构检算时按临界破坏状态取值,安全系数取 1.0。1.4 计算模型及参数取值计算模型以级围岩变形条件下的单线铁路隧道断面为例,如图 1 所示。图 1 计算模型Fig.1 Computational model diagram以新建时速 200 km 客货共线铁路隧道为基础,按式(1)、(2)及表 2 计算求得单、双线铁路隧道垂直和水平均布围岩压力,结果如表 4 所示。表 4 单、双线铁路隧道围岩压力计算值Table 4 Load calculation value of single-and double-track railway tunnelsMPa变形等级单线qe双线qe0.3800.1900.4110.2060.5950.4460.6410.4810.9330.9331.0081.0081.4641.8301.5761.986出于安全考虑,初期支护和二次衬砌围岩压力均按 100%分配比例考虑,当结构检算不满足要求时,再分别按 70%分配比例考虑。根据规范推荐的挤压性围岩隧道基本措施14,并参考规范16推荐的、级围岩参数,拟定单、双线铁643增刊 1杨 斌,等:基于变形分级的挤压性围岩铁路隧道断面形状优化设计路隧道结构及地层计算参数,分别如表 5 和表 6 所示。表 5 单线铁路隧道结构及地层计算参数Table 5 Calculation parameters of primary support and secondary lining structure of single-track railway tunnel评价对象变形等级截面厚度/cm钢架(钢筋)E/GPaK/(MPam-1)安全系数初期支护0.5027I20b 1.0 m27.982000.7525HW175 0.8 m28.351351.0025HW175 0.6 m30.401001.2527HW200 0.6 m32.2080大于1.0二次衬砌0.5045520 mm32.502000.7550522 mm32.501351.0055622 mm32.501001.2560625 mm32.5080按表 3取值 注:1)E 为结构弹性模量,K 为地层抗力系数;2)初期支护采用 C25喷射混凝土+型钢钢架,弹性模量按喷射混凝土与钢架等强度换算;3)二次衬砌采用 C35 模筑混凝土,弹性模量按规范取值。下同。表 6 双线铁路隧道结构及地层计算参数Table 6 Calculation parameters of primary support and secondary lining structure of double-track railway tunnel评价对象变形等级截面厚度/cm钢架(钢筋)E/GPaK/(MPam-1)安全系数初期支护0.5029I22a 1.0 m29.412000.7527HW200 0.8 m30.401351.0027HW200 0.6 m32.201001.2527HW200 0.6 m32.2080大于1.0二次衬砌0.5050522 mm32.502000.7555622 mm32.501351.0060625 mm32.501001.2565双层 522 mm32.5080按表 3取值2 单、双线铁路隧道断面形状拟定成兰铁路隧道中,当变形等级较小时,采用边墙及仰拱曲率优化的方式改变断面;随着变形等级增大,逐渐采用近圆形轮廓断面17。兰渝铁路软岩隧道采用马蹄形断面,随着变形等级的增加,采取增大边墙曲率的方式来优化断面18-19。本文拟定的铁路单、双线隧道断面建筑限界取自新建时速 200 公里客货共线铁路设计暂行规定20中时速 200 km 客货共线铁路桥隧限界的要求。2.1 单线铁路隧道断面形状拟定初步拟定的单线铁路隧道断面形状及尺寸分别如图 2 和表 7 所示。断面 AF 的形状依次由“鸭蛋形”逐渐向“扁平形”过渡,高跨比也随之减小。(a)单线断面 A(b)单线断面 B(c)单线断面 C(d)单线断面 D(e)单线断面 E(f)单线断面 F图 2 初步拟定的单线铁路隧道断面形状(单位:mm)Fig.2 Preliminary drawing of shape of single-track tunnel cross-section(unit:mm)表 7 初步拟定的单线铁路隧道断面尺寸Table 7 Sectional dimension of single-track railway tunnel断面断面面积/m2净空高度/mm最大跨度/mm高跨比仰拱曲率/m-1边墙曲率/m-1单线断面 A46.729 3215 9371.570.249/0.6670.093单线断面 B56.319 1457 3811.240.125/0.3940.118单线断面 C59.919 1458 0001.140.1540.155单线断面 D65.129 1498 6771.050.1530.146单线断面 E65.729 1459 1451.000.1090.109单线断面 F79.839 14511 0240.830.1540.2452.2 双线铁路隧道断面形状拟定初步拟定的双线铁路隧道断面形状及尺寸分别如图 3 和表 8 所示。743隧道建设(中英文)第 43 卷(a)双线断面 A(b)双线断面 B(c)双线断面 C(d)双线断面 D(e)双线断面 E图 3 初步拟定的双线铁路隧道断面形状(单位:mm)Fig.3 Double-track railway tunnel cross-section shape preliminary drawing(unit:mm)表 8 初步拟定的双线铁路隧道断面尺寸Table 8 Cross-section dimensions of double-track railway tunnel断面断面面积/m2净空高度/mm最大跨度/mm高跨比仰拱曲率/m-1边墙曲率/m-1双线断面 A107.7010 98912 0120.920.0730.400双线断面 B123.4211 70013 1960.890.1060.290双线断面 C115.0811 18112 8180.870.0990.357双线断面 D115.1910 87813 2970.830.154/0.0790.206双线断面 E114.5312 07612 0761.000.0830.0833 基于变形分级的单线铁路隧道断面形状优化设计3.1 单线铁路隧道结构受力特征分析以级变形条件下单线铁路隧道初期支护为例,其不同断面的轴力、弯矩分别如图 4 和图 5 所示。由图 4 和图 5 可见:1)“鸭蛋形”单线断面 A 高跨比最大,拱脚、边墙和墙脚位置弯矩较大,产生了应力集中现象。因此,断面高跨比不宜过大,应适当优化边墙曲率,使拱部圆弧在拱脚位置与边墙顺滑衔接,以消除应力集中现象。2)高跨比较大的单线断面 B 和 C墙脚位置弯矩较大,说明高跨比大于 1 的断面墙脚位置容易产生应力集中现象。3)圆形单线断面 E 拱顶产生明显下沉,拱顶位置及两侧拱脚位置出现较大弯矩,这是因边墙部位曲率较大而致。(a)单线断面 A(b)单线断面 B(c)单线断面 C(d)单线断面 D(e)单线断面 E(f)单线断面 F图 4 级变形条件下单线铁路隧道初期支护断面轴力图(单位:N)Fig.4 Sectional axial diagrams of singe-track railway tunnel primary support under grade I deformation(unit:N)843增刊 1杨 斌,等:基于变形分级的挤压性围岩铁路隧道断面形状优化设计(a)单线断面 A(b)单线断面 B(c)单线断面 C(d)单线断面 D(e)单线断面 E(f)单线断面 F图 5 级变形条件下单线铁路隧道初期支护断面弯矩图(单位:Nm)Fig.5 Cross-section bending moment diagrams of singe-track railway tunnel primary support under grade I deformation(unit:Nm)3.2 单线铁路隧道结构安全评价初期支护和二次衬砌最小安全系数分别如表 9 和表 10 所示。表 9 单线铁路隧道初期支护最小安全系数Table 9Minimum safety factor for primary support of single-track railway tunnel变形等级荷载取值比例断面安全系数最小值破坏形式应力集中出现位置是否满足要求100%A1.45抗拉墙脚满足B3.32抗压墙脚满足C1.41抗拉墙脚满足D1.29抗拉墙脚满足E2.46抗拉拱脚满足F1.78抗拉拱顶满足100%A0.65抗拉墙脚不满足B1.21抗拉墙脚满足C0.64抗拉墙脚不满足D0.67抗拉墙脚不满足E1.84抗压拱脚满足F1.10抗拉拱脚满足100%A0.45抗拉墙脚不满足B0.77抗拉墙腰不满足C0.46抗拉墙脚不满足D0.45抗拉墙脚不满足E1.47抗压仰拱满足F1.04抗压拱脚满足100%A0.25抗拉墙脚不满足B0.32抗拉墙脚不满足C0.21抗拉墙脚不满足D0.21抗拉墙脚不满足E0.82抗拉墙腰不满足F0.70抗拉拱脚不满足70%A0.31抗拉墙脚不满足B0.51抗拉墙脚不满足C0.43抗拉墙脚不满足D0.48抗拉墙脚不满足E1.15抗压墙腰满足F0.97抗拉拱脚不满足由表 9 和表 10 可知:随着变形等级的增大,作用在初期支护和二次衬砌结构上的荷载增大,安全系数降低,使高跨比较大的断面结构不能满足安全要求。单线铁路隧道初期支护和二次衬砌最小安全系数柱状图分别如图 6 和图 7 所示。由图可以直观看出不同变形等级条件下安全系数满足结构要求的断面,例如:在级变形条件下,6 种断面结构均满足结构安全要求;断面 E 对各变形等级的结构安全需求有良好的适应性。943隧道建设(中英文)第 43 卷表 10 单线铁路隧道二次衬砌最小安全系数Table 10Statistics of minimum safety factor of secondary lining of singe-track railway tunnel变形等级荷载取值比例断面安全系数最小值破坏形式应力集中出现位置是否满足要求100%A4.13抗压墙脚满足B4.09抗压仰拱满足C3.69抗压墙脚满足D3.44抗压墙脚满足E3.95抗压拱顶满足F2.45抗压拱顶满足100%A0.72抗拉墙腰不满足B2.57抗压墙脚满足C1.70抗拉墙脚不满足D1.78抗拉墙脚不满足E3.69抗压拱脚满足F2.11抗压拱顶满足100%A0.32抗拉墙腰不满足B0.74抗拉墙腰不满足C0.69抗拉墙脚不满足D0.76抗拉墙脚不满足E2.49抗拉仰拱满足F1.86抗拉拱脚不满足100%A0.15抗拉墙腰不满足B0.28抗拉墙腰不满足C0.34抗拉墙脚不满足D0.37抗拉墙脚不满足E1.14抗压拱顶不满足F1.22抗压仰拱不满足70%A1.54抗拉墙腰不满足B1.94抗拉墙腰不满足C1.25抗拉墙脚不满足D1.14抗拉墙脚不满足E2.18抗压拱顶满足F1.63抗压仰拱不满足图 6 单线铁路隧道初期支护最小安全系数柱状图Fig.6 Minimum safety factor for priamry support of single-track railway tunnel图 7 单线铁路隧道二次衬砌最小安全系数柱状图Fig.7Statistics of minimum safety factor of secondary lining of single-track railway tunnel以级变形为例,各断面初期支护安全系数分布如图 8 所示。不同变形等级条件下初期支护及二次衬砌的安全系数在数值上有差别,但分布形态一致。(a)单线断面 A(b)单线断面 B(c)单线断面 C(d)单线断面 D(e)单线断面 E(f)单线断面 F图 8 级变形条件下单线铁路隧道断面 AF 安全系数分布图Fig.8 Distribution diagrams of A-F safety factor of cross-section of single-track railway tunnel primary support under grade large deformation condition在级变形条件下,6 种断面拱肩位置的安全系数均较大,而拱脚位置均较小,说明拱肩相比拱脚受力053增刊 1杨 斌,等:基于变形分级的挤压性围岩铁路隧道断面形状优化设计更好;随着高跨比逐渐减小,拱顶位置安全系数逐渐降低,墙腰位置安全系数呈现先增加后平稳变化的趋势;受断面形状影响,单线断面 AD 墙脚部位安全系数最小,圆形断面 E 及扁平断面 F 受力更均匀。3.3 单线铁路隧道断面形状优化建议通过统计单线铁路隧道结构安全系数达标的情况,从结构受力安全及经济性(断面面积越大成本越高,断面面积如表7所示)角度考虑,给出的推荐断面如表11所示。表 11 推荐的单线铁路隧道断面Table 11 Recommended cross-section of single-track railway tunnel断面类型结构类型变形等级(荷载比例)(100%)(100%)(100%)(100%)(70%)A初期支护二次衬砌B初期支护二次衬砌C初期支护二次衬砌D初期支护二次衬砌E初期支护二次衬砌F初期支护二次衬砌推荐断面断面 A断面 B断面 E断面 E 注:表示安全系数满足要求;表示安全系数不满足要求。下同。由表 11 可见:1)级变形 100%荷载条件下,各种单线断面均能满足安全性要求,考虑到经济性及与常规断面的衔接性,选用单线断面 A。2)级变形100%荷载条件下,单线断面 B 和单线断面 E 均能满足安全性要求,考虑到经济性,选用单线断面 B,即在单线断面 A 的基础上对断面曲率进行优化。3)级变形 100%荷载条件下,仅单线断面 E 满足安全性要求,选用圆形断面 E。4)变形 100%荷载条件下,各种断面均不能满足要求,70%荷载条件下仅单线断面 E 满足安全性要求。由于在荷载结构法计算时不能考虑双层支护、地层加固和超前预支护等措施对隧道结构安全的贡献,因此在选用圆形断面 E 的同时,应加强地层注浆加固和超前预支护,并采用多层支护、应力释放等技术措施保证隧道结构安全。由表 11 还可看出:虽然单线断面 C、D 的断面曲率得到了优化,断面面积增大,但仍仅满足级变形条件。这是由于单线断面 C、D 在边墙和仰拱连接处未能圆顺连接,出现曲线连接突点而使局部出现应力集中,这种现象在结构设计时应尽量避免。经勘察设计阶段变形预测,如同一座隧道出现不同变形等级的隧道断面时,受断面频繁变化衬砌模板台车施工不便的影响,应统筹考虑结构安全、区段长度和施工便利性,按以下原则设置断面:1)当某一等级断面区段较长时,按该等级单独设置断面形状;2)当较低等级断面区段较短时,按邻近较高等级断面设置;3)当较高等级断面区段较短时,按邻近较低等级断面设置,并采取加强支护、加强地层加固等措施,保证隧道结构安全。4 基于变形分级的双线铁路隧道断面形状优化设计4.1 双线铁路隧道结构受力特征分析以 级变形条件下的双线铁路隧道初期支护为例,其不同断面的轴力和弯矩分别如图 9 和图 10 所示。(a)双线断面 A(b)双线断面 B(c)双线断面 C(d)双线断面 D(e)双线断面 E图 9 级变形条件下双线铁路隧道初期支护断面轴力图(单位:N)Fig.9Sectional axial diagrams of double-track railway tunnel primary support under grade deformation(unit:N)153隧道建设(中英文)第 43 卷(a)双线断面 A(b)双线断面 B(c)双线断面 C(d)双线断面 D(e)双线断面 E图 10 级变形条件下双线铁路隧道初期支护断面弯矩图(单位:Nm)Fig.10Cross-section bending moment diagrams of double-track railway tunnel primary support under grade deformation(unit:Nm)由图 9 和图 10 可知:1)双线铁路隧道各断面的拱顶和拱脚位置弯矩值较大,断面 AC 在墙脚位置弯矩值较大,说明这些位置容易出现应力集中现象。2)与双线断面 A 相比,断面 B 拱脚及墙脚位置弯矩值较小,其原因是断面 B 边墙曲率在断面 A 的基础上进行了优化,使拱部与边墙、边墙与仰拱连接位置更加圆顺。3)圆形断面 E 受力最均匀。4.2 双线铁路隧道结构安全评价初期支护和二次衬砌最小安全系数分别如表 12和表 13 所示。表 12 双线铁路隧道初期支护最小安全系数Table 12Minimum safety factor for primary support of double-track railway tunnel变形等级荷载取值比例断面安全系数最小值破坏形式应力集中出现位置是否满足要求100%A2.14抗拉拱脚/拱顶 满足B2.00抗拉拱脚/拱顶 满足C2.04抗拉拱脚/拱顶 满足D1.62抗压拱脚满足E2.18抗拉拱顶满足100%A1.17抗压拱脚满足B1.30抗压拱脚满足C1.23抗压拱脚满足D1.02抗压拱脚满足E1.44抗压拱顶满足100%A0.70抗压仰拱不满足B0.84抗压仰拱不满足C0.76抗压仰拱不满足D0.66抗拉拱脚不满足E1.01抗压仰拱满足100%A0.41抗拉墙脚不满足B0.45抗拉墙脚不满足C0.41抗拉墙脚不满足D0.55抗压拱脚不满足E0.60抗压墙腰不满足70%A0.63抗拉拱脚不满足B0.81抗压拱脚不满足C0.71抗拉拱脚不满足D0.99抗拉拱脚不满足E1.09抗压墙腰满足50%A1.28抗压墙脚满足B1.41抗压墙脚满足C1.29抗压墙脚满足D1.72抗压拱脚满足E1.89抗压墙腰满足253增刊 1杨 斌,等:基于变形分级的挤压性围岩铁路隧道断面形状优化设计表 13 双线铁路隧道二次衬砌最小安全系数Table 13Minimum safety factor for secondary lining of double-track railway tunnel变形等级荷载取值比例断面安全系数最小值破坏形式应力集中出现位置是否满足要求100%A3.56抗压墙脚满足B3.43抗压拱脚满足C3.49抗压拱脚满足D2.50抗压拱顶满足E3.73抗压拱脚满足100%A2.17抗压墙脚满足B2.42抗压墙脚满足C2.36抗压墙脚满足D1.84抗拉拱脚不满足E2.72抗压拱脚满足100%A1.92抗拉墙脚不满足B2.31抗拉墙脚不满足C2.12抗拉墙脚不满足D1.58抗拉拱脚不满足E2.57抗拉仰拱满足100%A0.66抗拉墙脚不满足B0.77抗拉墙脚不满足C0.73抗拉墙脚不满足D1.05抗拉仰拱不满足E0.98抗拉仰拱不满足70%A1.39抗拉墙脚不满足B1.61抗拉墙脚不满足C1.52抗拉墙脚不满足D1.91抗压仰拱不满足E1.79抗压仰拱不满足50%A1.99抗拉墙脚不满足B2.52抗拉墙脚满足C2.49抗拉墙脚满足D3.13抗压仰拱满足E2.96抗压仰拱满足由表 12 和表 13 可知:随着变形等级的增大,作用在初期支护和二次衬砌结构上的荷载增大,安全系数降低,使部分断面结构不能满足安全要求。双线铁路隧道初期支护和二次衬砌最小安全系数柱状图分别如图 11 和图 12 所示。由图可直观看出不同变形等级下安全系数满足结构要求