土质隧道角部土压力对衬砌结构受力影响分析.pdf

NO.6(Ser.297)JOURNALOFRAILWAY ENGINEERINGSOCIETY第6 期（总2 9 7)Jul2023报程学道铁2023年6 月文章编号：10 0 6-2 10 6(2 0 2 3)0 6-0 0 6 9-0 5土质隧道角部土压力对衬砌结构受力影响分析高玄涛米米（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 7 10 0 43)摘要：研究目的：现行土质隧道衬砌结构设计顶部垂直土压力通常按均布荷载考虑，而隧道拱顶至拱腰之间的角部土压力荷载对衬砌结构受力的影响鲜有研究。为研究拱顶至拱腰之间的角部土压力荷载对衬砌结构受力的影响，本文依托成都地铁13 号线四川师大站一娇子立交站区间暗挖隧道，采用荷载结构法就角部土压力荷载对衬砌结构受力的影响进行分析论证，以期为后续土质隧道衬砌结构设计提供有益帮助。研究结论：（1）考虑隧道拱顶至拱腰之间的角部土压力荷载时，衬砌结构内力极值及配筋量较垂直土压力均布荷载作用模式均增大，其中轴力较弯矩增幅更大；（2）随着围岩条件的提高和隧道埋深的增加，考虑角部土压力荷载作用下隧道衬砌结构内力极值及配筋量增幅均逐渐减小，因此当隧道围岩条件较差或隧道（超）浅埋时，衬砌结构设计应合理考虑角部土压力荷载的影响，以确保隧道的长期安全性；（3）本研究成果可为后续土质隧道衬砌结构设计提供有益借鉴和参考。关键词：土质隧道；荷载一结构法；角部土压力荷载；衬砌受力中图分类号：U213.1文献标识码：AInfluence of Earth Pressure Load on LiningStructure of Soil TunnelGAO Xuantao(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.Ltd,Xian,Shaanxi 710043,China)Abstract:Research purposes:At present,the vertical earth pressure at the top of the lining structure is usuallyconsidered as the uniform load,but the influence of the earth pressure load at the corner between the arch and the waistof the tunnel on the lining structure is rarely studied.In order to study the influence of earth pressure load at cornerbetween arch and arch waist on the stress of lining structure,this paper uses the load-structure method to analyze anddemonstrate the influence of earth pressure load at corner on the stress of lining structure based on the tunneled sectionfrom Sichuan Shida Station to Jiaozi Interchange station of Chengdu Metro Line 13,in order to provide useful help for thesubsequent design of soil tunnel lining structure.Research conclusions:(1)Considering the earth pressure load between the tunnel arch and the arch waist,the extremeinternal force and reinforcement of the lining structure increase compared with the vertical earth pressure uniform loadmode,and the axial force increases more than the bending moment.(2)With the improvement of surrounding rockconditions and the increase of tunnel burial depth,the extreme value of internal force of tunnel lining structure and theincrease of reinforcement amount under the action of corner earth pressure load gradually decrease.Therefore,when thesurrounding rock conditions of tunnel are poor or the tunnel is(over)shallow buried,the lining structure design shouldreasonably consider the influence of corner earth pressure load to ensure the long-term safety of tunnel.(3)The米收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 9基金项目：中铁第一勘察设计院集团有限公司科研开发项目（院科19-5 2,院科2 0-2 1，院科2 0-5 3）*作者简介：高玄涛，19 8 4年出生，男，高级工程师。Dcot2023年6 月报程道铁学70research results can provide useful reference for the subsequent design of soil tunnel lining structure.Key words:soil tunnel;load-structure method;corner earth pressure load;lining stress1研究背景浅埋暗挖法是城市地下工程施工的主要方法之一，与明挖法相比,浅埋暗挖法避免了大量征地拆迁工作，减少了对周围环境的粉尘污染和噪声影响，且对城市交通的干扰小 。浅埋暗挖法衬砌形式通常采用复合式，由初期支护、防水隔离层及二次衬砌构成，初期支护在围岩开挖后立即支护，承担施工期间全部荷载，并和二次衬砌共同承受水、土压力等外部荷载 2.3 地下工程结构设计常用的静力计算方法主要有荷载一结构法和地层一结构法，对于浅埋暗挖法二次衬砌的力学分析，国内外众多学者进行了广泛而深人的研究。符亚鹏 4 针对膨胀岩地层双线隧道仰拱矢跨比对二次衬砌力学特性的影响，基于荷载一结构设计理念，采用有限元软件构建二维数值计算模型，分析了不同仰拱矢跨比下隧道二次衬砌弯矩、轴力及安全系数的变化规律；陈子全等 5 为研究我国西南部山区隧道施工期支护结构所面临的重大问题，将雅安一康定、汶川一马尔康高速公路的典型隧道作为案例，归纳总结施工期存在的高地应力、软弱围岩、断层破碎带、次生地质灾害等潜在危险源，通过现场实测数据深入分析不同危险源环境下支护结构体系的力学行为特征；管晓军 6 基于室内基本力学试验，以现场监控量测为主，辅以数值试验对穿越古冲沟多种地层的隧道支护结构变形及受力特性进行了初步探究。地层结构法理论上适用于不同隧道断面形状及不同围岩条件，但在计算过程中存在围岩物理力学参数选取困难、隧道开挖围岩应力释放率以经验值为准、围岩预加固和预支护模拟偏差等诸多问题，而荷载一结构法概念清晰且计算简单而广泛应用于实际工程设计，在采用荷载结构法计算隧道衬砌内力时，作用于衬砌结构顶部的垂直土压力通常按均布荷载考虑，即地表至隧道拱顶的垂直土压力，未考虑隧道拱顶至拱腰之间的角部土压力荷载。荷载结构计算模型示意如图1所示。本文依托成都地铁13 号线四川师大站一娇子立交站区间曲边墙马蹄形暗挖隧道，采用荷载结构法就角部土压力荷载对衬砌结构受力的影响进行分析论证，以期为后续土质隧道衬砌结构设计提供有益帮助。竖向水土压力角部土压力角部土压力侧向水土压力自重侧向水土压力WAA地基弹簧地基反力图1荷载一结构计算模型示意图2土质隧道衬砌结构垂直土压力计算目前，土质隧道垂直土压力荷载计算方法均按照作用于衬砌顶部的均布荷载考虑，垂直土压力计算方法如下：当土质隧道覆土厚度H2D（D 为隧道开挖跨度）时，按全土柱重量计算；当土质隧道覆土厚度H2D时，考虑土拱效应，采用太沙基（Terzaghi)理论计算土的松动高度ho：-e-Ko an )+Pooe-KotangBho=-Hytange(1)式中B。一隧道开挖影响宽度一半T/2;+42Ko水平土压力和垂直土压力之比（通常取K。=1);土的内摩擦角；土的内摩擦角；C土的黏聚力；一土的重度；Po地面超载。当ho2D时，按全土柱重量计算；当ho2D时，按太沙基松动土压力计算。现行土质隧道垂直土压力计算均未计取角部土压力荷载，而由太沙基松动土压理论中隧道开挖影响宽度（2 B。）可知角部土压力荷载属于松动土压范畴，因此有必要对角部土压力荷载进行分析论证，太沙基松高玄涛：土质隧道角部土压力对衬砌结构受力影响分析第6 期71动土压示意如图2 所示。PoH2Bo角部土体角部土体/主动滑移面D元/4+0/2图2太沙基松动土压示意图3荷载一结构法二衬结构受力分析以成都地铁13 号线四川师大站一娇子立交站区间曲边墙马蹄形暗挖隧道为例，采用荷载结构法就考虑角部土压力荷载进行衬砌结构内力计算，并与垂直土压力均布荷载作用模式进行对比分析，马蹄形隧道断面如图3 所示，其开挖跨度为8.2 8 m，隧道高度为9.0 7 m，二次衬砌为C35防水钢筋混凝土。由于初期支护喷射混凝土难以满足地铁工程耐久性要求，因此矿山法隧道复合式衬砌在长期使用过程中，外部荷载因初期支护材料性能退化和刚度下降向二次衬砌转移，故本文考虑二衬承担全部外部荷载。大管棚+小导管初期支护（C25）防水层00%00二次衬砌（C35/P10）：2.0.0.0.0。0206009730040068804003008280图3马蹄形隧道断面图（单位：mm）3.1计算模型静力计算方法采用荷载一结构法，二次衬砌采用梁单元模拟，地层抗力采用法向受压地基弹簧和切向地基弹簧模拟,地基弹簧刚度按下列公式计算确定 7 ：k=K,Bl(2)K,=kh cos,+k,sin.(3)式中k-地基法向弹簧刚度；K.地层法向基床系数；B计算单元宽度；1相邻计算单元长度平均值；kih地层水平基床系数；地层垂直基床系数；弹簧的作用中心线与水平线的夹角。切向地基弹簧刚度取法向地基弹簧刚度的1/3 7 O3.2计算工况为研究不同围岩和隧道埋深条件下角部土压力荷载对衬砌结构内力的影响，选取三种不同围岩条件（松散卵石、稍密卵石和中密卵石）和三种不同覆土厚度（1.0 D、1.5 D 和2.0 D）工况，与垂直土压力均布荷载作用模式下的衬砌结构内力进行对比分析。围岩与隧道衬砌的物理力学参数如表1所示。表1围岩与隧道衬砌的物理力学参数基床系数地层重度/压缩模量泊松比/MPa（结构）(kN m3)/MPa水平垂直松散卵石20200.332326稍密卵石22320.254651中密卵石23430.208176二衬253.15 1040.20一一3.3不同围岩条件下二衬结构内力分析不同围岩条件下（隧道覆土厚度取1.0 D）有无考虑角部土压力隧道衬砌的弯矩和轴力分别如图4、图5所示,其中弯矩以衬砌内侧受拉为正，轴力以拉力为正 8 ,不同围岩条件下衬砌结构内力极值及配筋变化如图6 所示。由图4、图5 可知，马蹄形隧道衬砌结构内力分布规律基本一致，最大正、负弯矩分别位于隧道拱底和拱脚，最大轴力位于隧道拱脚。不同围岩条件下隧道衬砌内力极值及配筋量如表2 所示。由表2 可知，考虑马蹄形隧道拱顶至拱腰之间的角部土压力荷载时衬砌结构的内力极值及每延米配筋量均增大，且围岩条件越差，考虑角部土压力荷载时隧道衬砌结构内力极值及每延米配筋量增幅越大，因此当围岩条件较差时，仍采用垂直土压力均布荷载作用模式进行衬砌结构设计偏于不安全，应对角部土压力荷载进行合理考虑。2023年6 月报程学道铁72注：考虑角部荷载；注：考虑角部荷载；注：考虑角部荷载；一不考虑角部荷载一不考虑角部荷载不考虑角部荷载+380.1+317.5-201.2-163.3-186.7+262.7-161.3-176.4+327.9+279.2+236.0(a)松散卵石(b)稍密卵石(c)中密卵石图4不同围岩条件下隧道衬砌的弯矩分布图（单位：kNm）注：考虑角部荷载；注：一考虑角部荷载；注：考虑角部荷载；一不考虑角部荷载一不考虑角部荷载不考虑角部荷载-736.4/-904.1746.9-906.6766.5-909.6(a）松散卵石(b)稍密卵石(c)中密卵石图5不同围岩条件下隧道衬砌的轴力分布图（单位：kN）表2不同围岩条件下隧道衬砌内力极值及配筋量对比表松散卵石稍密卵石中密卵石工况弯矩/(kN m)轴力配筋/mm弯矩/(kN m)轴力配筋/mm弯矩/(kN m)轴力配筋/mm拱底拱脚/kN内侧/外侧拱底拱脚/kN内侧/外侧拱底拱脚/kN内侧/外侧不考虑+327.9175.2-736.42 828/1 244+279.2-163.3-746.92.262/1 131+236.0-161.5766.51 810/1 131角部荷载考虑+380.1-201.2-904.13 280/1 471+317.5-186.7-906.62.602/1293+262.7-176.4-909.62 036/1 244角部荷载增幅/%15.914.822.816.0/18.213.714.321.415.0/14.311.39.218.712.5/10.0252015%/10注：一拱底弯矩；一拱脚弯矩；5轴力；一衬砌内侧配筋量；一衬砌外侧配筋量0松散卵石稍密卵石中密卵石图6不同围岩条件下衬砌结构内力极值及配筋变化图3.4不同埋深条件下二衬结构内力分析不同埋深条件下（围岩条件取中密卵石)有无考虑角部土压力荷载隧道衬砌的弯矩和轴力分别如图7、图8所示，不同埋深条件下衬砌结构内力极值及配筋变化如图9 所示。由图7、图8 可知，马蹄形隧道衬砌结构内力分布规律基本一致，最大正、负弯矩分别位于隧道拱底和拱脚，最大轴力位于隧道拱脚。不同埋深条件下隧道衬砌内力极值及配筋量如表3 所示。由表3 和图9 可知，考虑马蹄形隧道拱顶至拱腰之间的角部土压力荷载时衬砌结构内力极值及每延米配筋量均增大，轴力较弯矩增幅更大，且随着隧道埋深越浅，考虑角部土压高玄涛：土质隧道角部土压力对衬砌结构受力影响分析第6 期73力荷载作用时隧道衬砌结构内力极值及每延米配筋增幅越大，因此当隧道（超）浅埋时，仍采用垂直土压力均布荷载作用模式进行衬砌结构设计偏于不安全，应对角部土压力荷载进行合理考虑。注：一考虑角部荷载；注：考虑角部荷载；注：考虑角部荷载；一不考虑角部荷载一不考虑角部荷载不考虑角部荷载+488.9+317.5+462.2+262.7-176.4+279.2+236.0163.3186.7-308.4-323.4(a)覆土厚度1.0 D(b)覆土厚度1.5 D(c）覆土厚度2.0 D图7不同埋深条件下隧道衬砌的弯矩分布图（单位：kNm）注：一考虑角部荷载；注：考虑角部荷载：注：考虑角部荷载；一不考虑角部荷载一不考虑角部荷载不考虑角部荷载166.-909.6-1109-1251.7-1443.-1586.3(a)覆土厚度1.0 D(b)覆土厚度1.5 D(c)覆土厚度2.0 D图：不同埋深条件下隧道衬砌的轴力分布图（单位：kN）表3不同埋深条件下隧道衬砌内力极值及配筋量对比表覆土厚度1.0 D覆土厚度1.5 D覆土厚度2.0 D工况弯矩/(kNm)轴力配筋/mm弯矩/(kNm)轴力配筋/mm弯矩/(kN m)轴力配筋/mm拱底拱脚/kN内侧/外侧拱底拱脚/kN内侧/外侧拱底拱脚/kN内侧/外侧不考虑+236.0-161.5-766.51 810/1 131+350.5-235.8-1 109.32 602/1 697+462.2-308.4-1 443.993820/2262角部荷载考虑+262.7-176.4909.62 036/1 244+377.2250.8-1251.72.827/1810+488.9-323.41586.34022/2375角部荷载增幅/%11.39.218.712.5/10.07.66.412.88.6/6.75.84.99.95.3/5.025注：一拱底弯矩；拱脚弯矩；轴力；20衬砌内侧配筋量；衬砌外侧配筋量15%/10501.0D1.5D2.0D不同埋深图9不同埋深条件下衬砌结构内力极值及配筋变化图4结论本文采用荷载一结构法分析研究了不同围岩和隧道埋深条件下土质隧道角部土压力荷载对衬砌结构内力的影响，主要结论如下：（1）土质隧道考虑拱顶至拱腰之间的角部土压力荷载时衬砌结构内力极值及配筋量均增大，现行垂直土压力均布荷载作用模式设计方法偏于不安全，应对角部土压力荷载进行合理考虑(2）随着围岩条件的提高，考虑角部土压力荷载作用时隧道衬砌结构内力极值及配筋量的增幅逐渐减(下转第8 1页To P.81)洁）吕（编辑From P.73)上接第7 3 页洁）吕（编辑飞：隧道装配式仰拱施工荷载受力特征试验研究第6 期81Zhang Bin.Design and Optimization of PrefabricatedFabricated Rail Structure for Mountain High SpeedRailway Tunnel D.Beijing:China Academy ofRailway Sciences,2019.6吕刚，刘建友，赵勇，等京张高铁清华园隧道轨下结构预制拼装技术 J.隧道建设（中英文）,2 0 19（8）：13 5 7-1364.Lv Gang,Liu Jianyou,Zhao Yong,etc.FullyPrefabricated Assembling Technology of TsinghuayuanTunnel in Beijing-Zhangjiakou High-speed RailwayJ.Tunnel Construction,2019(8):1357-1364.7刘建红钻爆法单线铁路隧道装配式仰拱结构形式研究小，因此围岩条件较差时，土质隧道衬砌结构设计应合理考虑角部土压力荷载的影响。（3）随着隧道埋深的增加，考虑角部土压力荷载作用时隧道衬砌结构内力极值及配筋量的增幅显著减小，因此隧道（超）浅埋时，隧道衬砌结构设计应合理考虑角部土压力荷载的影响。参考文献：1高波.地下铁道M.成都：西南交通大学出版社,2 0 11：230.Gao Bo.Metro M.Chengdu:Southwest JiaotongUniversity Press,2011:230.2肖明清，王少锋，陈立保，等.基于荷载结构法的隧道初期支护设计方法研究J.铁道工程学报，2 0 18（4）：6 0 64.Xiao Mingqing,Wang Shaofeng,Chen Libao,etc.Research on the Designm Method of Primary Support ofTunnel Based on the Load-structure Method J.Journal of Railway Engineering Society,2018(4):60-64.3GB501572013，地铁设计规范 S.GB 501572013,Code for Design of MetroS.4符亚鹏.膨胀岩地层双线隧道仰拱矢跨比对二次衬砌力学特性的影响 J.铁道建筑,2 0 18（8）：6 4-6 6.Fu Yapeng.Influence of Rise-span Ratio of DoubleTrack Tunnel Inverted Arch on Mechanical Propertiesof Secondary Lining in Swelling Rock Stratum J.Railway Engineering,2018(8):64-66.J.铁道标准设计,2 0 2 1（8）：10 1-10 6.Liu Jianhong.Research on the Block Form ofPrefabricated Invert for Single-track Railway byDrilling and Blasting Method 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