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深埋双线铁路隧道衬砌高水压分界值研究

深埋双线铁路隧道衬砌高水压分界值研究 深埋双线铁路隧道衬砌高水压分界值研究 王志杰，赵启超，刘若愚，何晟亚，周 平 (西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031) 摘 要：为研究深埋双线铁路隧道衬砌高水压分界值以及高水压作用下的衬砌受力状态，基于双线铁路隧道设计标准，利用有限元软件计算和分析双线铁路隧道衬砌在不同水压作用下隧道衬砌安全系数的变化规律，确定双线铁路隧道衬砌的高水压分界值。研究结果表明：Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下水压力在0～0.05 MPa(约等于隧道净高一半)和Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下水压力在0～0.1 MPa(约等于隧道净高)范围内变化时，隧道断面安全系数基本不变。在Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下，双线隧道的高水压第一分界值为0.08～0.20 MPa；高水压第二分界值可取为0.40MPa。在Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下，双线隧道的高水压第一分界值为0.12～0.35 MPa；高水压第二分界值为0.50 MPa。双线铁路隧道采用标准设计图进行设计时，能够承受的最大静水头为50 m，超过50 m的静水头，则需要优化断面。 关键词：双线铁路隧道；衬砌；受力状态；安全系数；高水压分界值 随着科学技术的发展，施工设备得到不断的革新，隧道工程呈现出长(特长)、大(断面大)、深(埋深大)、难(地质条件差，开挖难度大)等的

特点[1]，这类隧道在施工与竣工运营期间，易遭受塌方、衬砌渗漏水、突水、有害气体等多种病害[2]，其中地下水是影响隧道安全施工及运营的一个重要因素。在多数的山岭隧道中，为了保证隧道的安全施工及运营，对地下水往往采取“以堵为主，适量排放”的原则[3]，但是，某些工程必须采取非排水的方案，则隧道衬砌就会承受较高的水压力，为了保证隧道施工及运营的安全，就必须了解隧道衬砌结构承受的水压力[4-8]。国内外学者对此进行过相关研究，高新强等[9]通过有限元分析高水压下衬砌的安全系数与规范限值的对比，得到了单线铁路隧道高水压分界值；张成平等[10]通过理论计算及数值模拟分析了隧道排水率与衬砌外水压力之间的关系；王秀英等[11]通过理论分析、模型试验和对厦门海底隧道现场实测数据的分析，研究了水下隧道复合式衬砌的水压特征；王建秀等[12]在深埋隧道衬砌水荷载计算的基本理论中，对渗流场和外水压力作用系数进行了研究；申志军[13]通过长期监测典型高风险岩溶隧道运营期衬砌水压，结合模型试验、理论分析研究了岩溶隧道二次衬砌水压的特征；张晓华[14]通过建立深埋山岭隧道的渗流模型，分析外水压力对支护体系的荷载影响。 目前，关于水荷载的研究主要集中于隧道衬砌上作用的水压力和流量的计算，没有考虑到隧道衬砌结构的受力状态，因此，深埋双线铁路隧道高水压分界值具有一定的研究意义。从双线铁路隧道衬砌的受

力状态入手，以不改变双线铁路隧道标准断面为基准，采用有限元法，研究了深埋双线铁路隧道高水压分界值的问题，研究结果可为双线铁路隧道衬砌外高低水压值的分界提供依据。 1 隧道结构高水压分界值依据 双线铁路隧道以标准断面图进行设计时，当隧道背后的水压力发生变化时，隧道衬砌结构的安全系数会发生变化，在无水压的条件下，隧道断面结构处于安全状态，安全系数满足要求；当作用在隧道衬砌上的水压较小时，不改变隧道的设计断面，隧道衬砌的安全系数满足规范的要求；随着水压力的增加，当水压达到某个值时，按照双线铁路隧道标准断面设计的隧道衬砌安全系数就会不满足规范的要求，此时的水压力称为高水压。如果水压力继续增加，若不改变隧道断面形状，就需要改变混凝土等级、衬砌的厚度等来满足隧道结构的安全要求，这时的水压力称为高水压第一分界值；若水压力在前面的基础上再继续增大，通过改变混凝土等级、衬砌厚度、配筋等手段也很难使隧道结构的安全要求得到满足或者已经不满足经济的要求，就需要优化隧道断面形状，使隧道结构满足安全要求，这时的水压力则称为高水压第二分界值[9]。 2 研究方法 2.1 研究流程 查阅我国铁路隧道设计规范，依据我国双线铁路隧道标准设计图(旅客列车最高时速160 km)进行建模，利用有限元软件ANSYS模拟隧道分别在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级4种不同围岩深埋条件下，隧道衬砌结构安全系数随水