1、投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：运凯，朱永全，郭小龙 膨胀岩隧道二次衬砌结构受力特性及工程对策分析 科学技术与工程，（）：.，（）：.膨胀岩隧道二次衬砌结构受力特性及工程对策分析运凯，朱永全，郭小龙（.石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，石家庄；.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄）摘 要 膨胀岩对水敏感性强，遇水发生膨胀变形，并产生膨胀压力。为探究膨胀岩隧道在膨胀压力作用下的结构受力特性，以实际隧道项目为工程背景，基于荷载结构法理论，对膨胀岩浅埋隧道在不同的膨胀位置、不同仰拱矢跨比和不同仰拱厚度时的二次衬砌结构的受力特
2、性及变形规律进行了分析和研究。研究结果表明：隧道常规设计断面下，当围岩发生膨胀时，结构承载力不足；当围岩在隧道仰拱和边墙处发生局部膨胀，此工况下的仰拱及拱脚位置处的内力最大，仰拱隆起变形最大，对结构的危害最大；提高仰拱矢跨比和加大仰拱厚度可降低结构内力和抑制仰拱隆起变形，发挥重要作用，但二者提高到一定范围后作用减弱，工程中应视实际情况选择最优仰拱矢跨比和厚度；当围岩在隧道全环发生膨胀时，可通过提高结构混凝土强度等级和配筋率增大结构承载能力。关键词 铁路隧道；膨胀岩；荷载结构法；二次衬砌；力学特性中图法分类号；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金（）第一作者：运凯（），男
3、，汉族，河北邯郸人，博士研究生。研究方向：膨胀岩隧道稳定性分析。：。通信作者：朱永全（），男，汉族，安徽安庆人，博士，教授。研究方向：隧道工程。：。，（.，；.，），；膨胀性岩土是以蒙脱石、伊利石或蒙脱石伊利石等强亲水性矿物为主，黏粒含量高，塑性较高，遇水膨胀，失水收缩的一类岩土。近年来，铁路、公路、地铁工程等在隧道修建及运营过程中出现了大量由于膨胀性岩土引起的洞室稳定性及病害问题，其膨胀作用不仅给隧道的施工增加了难度，而且投入运营后，会因排水不畅、措施不利等原因易出现底鼓、衬砌开裂等问题，不仅影响隧道结构的安全投稿网址：和稳定性，而且对列车的行车安全造成巨大事故隐患。因此，对膨胀性围岩隧道开
4、挖后支护结构的受力进行研究具有重要工程意义。目前针对膨胀岩隧道，国内外学者进行了大量的理论和实践研究，取得很多重要成果。等利用数值计算手段，对围岩产生膨胀荷载后，隧道结构的受力和变形进行分析和总结，并论述了病害产生的机理和原因；杨军平等通过室内试验得到了温湿度对膨胀岩吸水崩解软化作用和抗剪强度的影响规律；陈志敏等通过对 种代表性岩样崩解试验研究，揭示了软岩膨胀岩软化崩解规律，结果表明，软岩膨胀岩矿物组成类型和含量是影响其崩解性强弱的主要因素；董建华等推导出膨胀作用下隧道围岩压力的弹性解析解和黏弹性解析解，并通过有限元数值分析验证了该理论公式的合理性；赵凡等利用数值分析软件论述了隧道围岩最大膨胀
5、半径、膨胀系数以图 隧道地质走向图.及隧道病害类型之间的关系；周洪博通过数值计算对铁路隧道膨胀岩边坡的稳定性进行了分析，阐述了降水状态下边坡失稳的原因及工程应对措施；崔蓬勃等分析了不同膨胀级别、膨胀范围下膨胀力对支护结构的影响程度；华柯强等对白垩系下统普昌河组紫红色粉砂质泥岩的软化和膨胀特性及其对支护结构的影响进行了研究；符亚鹏基于荷载结构法原理计算并分析了仰拱矢跨比对膨胀岩隧道结构稳定性的影响；吴顺川等阐述了衬砌结构中增加 缓冲层是富水膨胀性围岩隧道的有效支护形式和潜在灾害防治措施；陈志明探讨了石膏质岩的膨胀及腐蚀特性对隧道结构稳定性影响并提出相应的处治思路及处治技术；王武田对隧底结构病害原
6、因进行了统计分析，提出了隧道基底注浆挤密加固、轨道板裂缝壁可法注入处理、基底纵向裂缝水泥浆高压灌注处理等综合整治方案。虽然大量学者做了相关研究，但主要集中在膨胀岩的膨胀性及工程特性的研究、膨胀岩隧道结构稳定性分析以及病害处理等方面，而基于不同位置处围岩发生膨胀情况下，隧道结构受力和变形的总结分析尚不完善，同时目前研究中病害处理措施较为笼统，未根据围岩发生膨胀的不同位置及结构内力的大小有针对性地提出性价比较高的可行性工程措施，尚未形成完整的理论及设计体系。因此，现基于荷载结构法设计理论，对膨胀岩浅埋隧道不同位置处发生膨胀作用时，二次衬砌结构的受力特性及变形规律进行计算研究，评估结构安全性，并在此
7、基础上分析不同仰拱矢跨比和仰拱厚度下隧道二次衬砌结构力学特性的变化规律，以期为类似工程提供可行性较高的处治措施和建议。膨胀岩隧道工程概况研究对象选取中卫兰州高铁客运专线上的宝台山隧道，隧道全长 ，为单洞双线隧道，设计时速为 ，隧道埋深 。通过工程地质测绘和勘探，隧道主要穿越地层包括砂质黄土、砂岩夹泥岩及泥岩夹砂岩，围岩纵向节理裂隙发育，岩体较为破碎，其中泥岩具有微膨胀性。地下水类型主要为基岩裂隙孔隙水，但受季节性影响，在富水季节时，地下水补给条件较好。通过对隧道概况的研究，拟选取的计算断面位于山体的浅埋沟附近，该位置处围岩受季节性降水的影响较大，同时位于隧道下坡段，受重力影响，容易形成地下水的
8、聚集区。围岩等级级，隧道埋深约为 。计算断面附近位置处隧道地质走向图如图 所示。隧道断面设计采用曲墙式带仰拱复合式衬砌结构形式，断面净宽约.，净高约.，二次衬砌采用模筑 钢筋混凝土结构，厚度为.，环向主受力钢筋采用 ，型。隧道横断面结构图如图 所示。基于荷载结构法有限元分析方法.荷载结构法荷载结构法是将岩体对结构的围岩压力作用科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：、为马蹄形横断面隧道三心圆的圆心的位置标注图 隧道横断面结构图.简化为荷载直接施加于结构上进行结构内力计算的一种方法，通过对计算所得的内力进行分析，从而达到检验结构安全性的目的。其基本假设主要如下。（）将隧道衬砌结构认作为平面应
9、变问题进行计算分析。（）隧道衬砌结构可看作多个小变形弹性梁组成。（）围岩与结构的相互作用可采用施加弹簧单元模拟，围岩的弹性抗力作用可按照局部变形理论加以确定。.计算参数计算运用有限元分析软件 建立二维数值计算模型。采用 梁单元模拟衬砌结构，沿隧道纵向取 为梁单元计算宽度，同时基于隧道二次衬砌结构厚度，拟定 梁单元参数为高.，宽 。采用 弹簧单元模拟地层围岩，根据工程地质勘查资料，隧道计算断面位置处 的 地 层 弹 性 抗 力 系 数 为 ，故 弹簧单元弹性抗力系数 取值 ，计算中应结合隧道结构变形情况，删除模型中受拉弹簧，仅保留受压弹簧。在模型仰拱中部添加水平和竖直方向位移约束。围岩压力和膨胀
10、压力通过转化为节点力形式进行施加，即通过计算各均布荷载在相邻两节点间的投影面积以及各均布荷载的大小，将围岩压力、膨胀压力等均布荷载分配至结构模型各节点处，转化为各节点的集中荷载形式后对结构的受力进行计算和分析。考虑结构重力，重力加速度取.。计算模型受力简图如图 所示。图 计算模型受力简图.围岩及衬砌结构参数的确定计算断面根据中国铁路隧道设计规范（）规定，围岩压力按浅埋隧道荷载方法进行计算。围岩相关计算参数如表 所示。隧道二次衬砌采用模筑 钢筋混凝土结构，其相关力学参数如表 所示。表 围岩计算参数 围岩等级重度（）弹性抗力系数（）侧压力系数 垂直荷载 水平荷载 水平荷载.表 衬砌结构力学参数 混
11、凝土等级重度 （）弹性模量 泊松比.膨胀压力的确定计算断面所处围岩主要是泥岩夹砂岩，其膨胀压力主要是通过进行室内体积不变条件下的膨胀压力试验进行测定。首先通过现场原岩采样，采得的岩块经过室内切割、取芯及打磨等加工处理，得到尺寸为（直径）（高）的符合试验标准的圆柱体岩样（图）；然后根据试验要求和步骤，利用膨胀压力试验仪（图）进行膨胀性试验；最后根据记录的膨胀压力在时间上的发展规律，得到岩样的最大膨胀压力值。试验共测试 组岩样，取平均值为最终结果。试验结果如表 所示。根据试验结果，围岩膨胀压力取.。表 围岩膨胀压力试验结果 岩样编号膨胀压力.，（）运凯，等：膨胀岩隧道二次衬砌结构受力特性及工程对策
12、分析投稿网址：图 岩样（）.（）图 膨胀压力试验仪.隧道二次衬砌结构力学特性分析通过计算得到不同工况下隧道二次衬砌结构的内力和位移的大小及分布，进而探讨了不同仰拱矢跨比和仰拱厚度对结构的影响，最后根据研究成果，提出针对不同膨胀位置的可行性较高的工程应对措施。.计算工况根据隧道计算断面所处位置的地下水分布情况，综合考虑到不同地下水位时围岩遇水状态的各种可能性，共计算和分析 种不同的工况，即工况一：围岩未发生膨胀；工况二：隧道仰拱位置处围岩发生膨胀；工况三：隧道仰拱和边墙位置处围岩发生膨胀；工况四：隧道全环围岩均发生膨胀。种工图 种工况荷载分布示意图.况下的荷载分布示意图如图 所示。.计算结果分析
13、 种不同工况下隧道二次衬砌结构各部位的弯矩、轴力及位移图如图 图 所示。科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 工况一下二次衬砌内力及位移分布图.由铁路隧道设计规范（）规定可知，结构受力安全系数大于.属于安全。根据上述内力图，将 种工况下计算结果汇总如表 所示。由图 图 和表 数据可知，当二次衬砌结构未受到膨胀压力时，即工况一下，结构主要承受上部围岩的自重应力，所以其弯矩最大位置主要出现在拱顶及拱肩处，拱顶主要受到压应力，两侧拱肩主要受到较大的拉应力，而拱脚及仰拱位置处弯矩较小。全断面最不利位置出现在拱顶处，其中弯矩为 ，轴力为 ，最大竖向位移量为.，安全系数.，结构安全。当二次衬图
14、工况二下二次衬砌内力及位移分布图.表 种工况下内力计算结果统计表 工况最不利位置轴力弯矩（）最大位移安全系数是否安全工况一拱顶.（仰拱）.（拱顶）.是工况二仰拱.（仰拱）.（拱顶）.否工况三拱脚.（仰拱）.（拱顶）.否工况四拱顶.（仰拱）.（拱顶）.否，（）运凯，等：膨胀岩隧道二次衬砌结构受力特性及工程对策分析投稿网址：图 工况三下二次衬砌内力及位移分布图.砌结构受到局部膨胀力作用时，即工况二及工况三下，结构仰拱及边墙位置处弯矩有显著的增大，较工况一时其增幅达到 倍，仰拱隆起位移也由基本不隆起增长至 ，而拱顶及拱肩处的弯矩则有小幅度的降低，拱顶沉降位移也由工况一的.降低至.。此时结构最不利位置
15、出现在仰拱及拱脚处，其安全系数均小于.，结构破坏的可能性较高；说明局部的膨胀压力作用对衬砌结构全环的受力及变形状态影响明显，尤其是边墙和仰拱均受到膨胀压力时对结构仰拱位置的危害更大，常规的结构设计已无法满足承图 工况四下二次衬砌内力及位移分布图.载力要求。当二次衬砌结构全环受到膨胀压力时，最大弯矩都主要出现在拱顶及拱肩的位置，但较工况一时内力增长较为明显，约为工况一的 倍，拱顶及仰拱的位移量也均小范围的增加，而相比较工况二和工况三，其仰拱及拱脚处的弯矩降低，变形量也大幅度降低。说明当全环受到膨胀压力作用时，衬砌结构的整体受力及变形规律与未受到膨胀压力时的规律基本一致，仅是内力及变形数值在一定程
16、度上的提高，而对于仰拱位置处的受力及隆起变形的影响要明显小于结构局部受到膨胀压力时的情况，此时应重点关注拱顶处的受力情况。科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：.不同矢跨比下结构力学特性分析由.节计算结果可以看出，当围岩发生膨胀，产生膨胀压力作用在二次衬砌上时，结构的安全系数均小于.，表明隧道结构在局部受力最不利位置处，混凝土开裂的可能性较高，局部的破坏造成结构整体稳定性降低的风险较大。针对这种情况，考虑加大隧道仰拱部位的矢跨比，优化结构受力状态，提高断面承载能力。主要探讨工况二、工况三和工况四下仰拱矢跨比从原来的.依次提高至.、.和.时结构的内力分布及变形规律。矢跨比为.时 种工况的内力及位移图如图 图 所示。图 工况二下二次衬砌内力及位移分布图.图 工况三下二次衬砌内力及位移分布图.矢跨比为.和.时，结构内力及变形分布规律同矢跨比为.时是一致的。现将 种矢跨比下的计算结果汇总如表 表 所示。由图 图 和表 表 可知，在工况二和工况三下，结构内力的分布规律与矢跨比为.时基本一致，最大弯矩均发生在仰拱及拱脚位置处，仰拱主要承受压应力，拱脚主要承受拉应力，但弯矩、轴力和仰拱隆起值均