高填方雙層襯砌式明洞土壓力和結構內力特性研究

徐湉源，王明年，于 麗

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

我國西部山區城市周邊或內部常出現溝谷地形，高速鐵路線路在穿越這類溝谷地形時一般以高架橋形式通過?？紤]到山區城市的土地資源較稀缺，一種采用隧道-明洞-隧道形式通過溝谷、隨后回填明洞得到可用土地的方案開始得到應用，導致了高填方明洞這類特殊結構的誕生[1]，如圖1所示。

圖1 溝谷修建明洞及回填造地

與傳統意義上的明洞相比，高填方明洞存在以下兩個特點：(1)回填高度大：從目前已有工程來看，回填高度可達30～40 m，是一般明洞的5倍以上；(2)襯砌厚度大：常達到2～3 m，否則難以支撐如此高的土柱。我國目前既有的高填方明洞數量有限，典型工程實例見表1。

表1 既有高填方明洞工程

高填方明洞的特點也帶來以下兩個問題：(1)襯砌厚度太大，仍采用整體式襯砌形式會導致工后水化熱裂縫問題，需引入更合理的結構形式；(2)明洞承受的土壓力不明確，經典土柱法是否適用于如此高的填方尚未可知。

針對問題(1)，提出將雙層襯砌形式引入高填方明洞的設計，將原本較厚的整體式襯砌分為外層襯砌和內層襯砌(以下簡稱外襯、內襯)兩部分，二者先后分開澆筑以減少水化熱的影響。雙層襯砌一般出現在盾構隧道，由管片與二次襯砌兩部分組成。文獻[2]分析帶有減震層的雙層組合襯砌的力學特性。文獻[3]得出增大內襯厚度主要影響結構彎矩，對軸力影響較小，且彎矩在層間的分配比例與層厚基本無關的結論。文獻[4]提出改進的雙層襯砌盾構隧道模型，采用壓桿-彈簧組合模擬雙層襯砌結合面的相互作用。文獻[5]擬合雙層襯砌內外襯荷載分擔比與施加時刻的關系。由于明洞為先修筑襯砌再回填的結構，斷面大小和類型也與盾構隧道差別較大，同時還需考慮下方基礎的影響，故有必要對雙層襯砌明洞的受力特點開展研究。

針對問題(2)，目前明洞土壓力的研究多為極淺覆土下的荷載組合或地表傾角影響的研究[6]，而類似的高填方結構則常見于涵管工程。文獻[7-8]分析各種上埋式拱涵的地基處理措施，并分別列出地基剛度和尺寸對涵洞受力的影響。文獻[9]研究波紋鋼管涵在減荷條件下的受力變形隨填土高度的變化規律。文獻[10]通過原位試驗研究高填路基蓋板涵外界面受力狀態形成機制。文獻[11]通過離心試驗研究涵頂土壓力分布，試驗結果表明采用樁基礎的箱涵與兩側路堤相比產生了明顯沉降差，并在涵頂某處達到峰值，普遍采用的大剛度基礎反而增大了結構荷載。

綜上所述，高填方雙層襯砌式明洞與目前已有的盾構隧道、涵管工程相比，在修筑方式、斷面尺寸、基礎類型等方面都存在很大不同，因此本文結合重慶豐都高填方雙層襯砌明洞工程對其展開實測分析，獲取結構內力和土壓力特性，為類似工程提供參考。

1 現場實測與數值模擬方案

渝利鐵路部分區段穿越重慶豐都斜南溪溝谷，為滿足豐都縣城建設規劃所需土地，采取在溝谷地區修建明洞后再回填造地的方案，明洞總長度373 m，最高回填高度(回填土頂面至明洞頂部的距離)為28.0 m，明洞結構高度為14.0 m，跨度20.0 m，明洞外襯厚度1.4 m(拱頂)～2.8 m(邊墻)。此外，該明洞兩側無邊坡支撐，是我國首個上埋式的高填方明洞工程，單側填土寬度達到100 m以上。明洞采用分層回填，單次回填高度約為0.5 m。為控制高速鐵路線路的平順性，在部分區段修筑C30混凝土大壩作為明洞基礎，如圖2所示，其余部分采用對原有基巖進行防風化保護的方案，其中基巖為弱風化厚層泥巖和砂巖，平均物理力學參數見表2。

(a)橫斷面視圖(混凝土壩基礎段)

(b)縱向視圖圖2 明洞橫斷面和縱向視圖(單位：m)

物理量彈性模量/MPa密度/(kg·m-3)泊松比黏聚力/MPa內摩擦角/(°)回填土12.62 1000.40.122基巖7 2502 3000.320.231襯砌33 5002 5000.2大壩31 5002 5000.2

1.1 現場測試方案1.1.1 測試斷面

分別選取采用原有基巖作為基礎及采用混凝土大壩作為基礎的明洞斷面(以下用A1，A2表示)，測試其土壓力和結構內力，斷面信息見表3。

表3 測試斷面信息

1.1.2 測點布置

為獲取土壓力和結構內力在回填過程中的變化規律，在A1及A2兩種形式的明洞拱頂及拱肩位置安裝土壓力盒，在明洞外襯和內襯每個斷面布置7個結構內力測試截面，外襯、內襯各測試截面的內外側均安裝一支混凝土應變計，測點布置如圖3、圖4所示。

圖3 土壓力測點布置

圖4 應變計測點布置

1.2 數值模擬方案

通過有限元軟件ANSYS建立實體模型進行分析，明洞襯砌與混凝土基礎采用彈性模型，基巖與回填土采用Drucker-Prager彈塑性模型。模型在明洞與回填土之間添加接觸單元，以此模擬二者之間的相互擠壓及滑移。按照現場情況，明洞與回填土之間、外層襯砌與內層襯砌之間均鋪設有防水板和土工布，經測定，二者之間的摩擦系數為0.23。明洞回填過程通過分層激活單元的方法來模擬。數值模型如圖5所示。

圖5 數值模型

在三維數值模型中，通過彈性力學的坐標變換，將原直角坐標系下的節點應力轉化為襯砌切向應力，得到襯砌彎矩和軸力來進一步分析。

圖6 襯砌的有限元單元

取襯砌某截面的外側及內側兩個節點1，2，如圖6所示，假定兩個節點的連線與豎直面之間的夾角為θ，則該襯砌截面上各個節點的切向應力σn可按式( 1 )計算。

σn=σxcos2θ+σysin2θ+τxysin2θ

( 1 )

式中：σx，σy，τxy為原坐標系下節點應力分量。

由此求得節點1，2的切向應力σ1，σ2，再據材料力學壓彎組合公式推得襯砌截面的彎矩M及軸力N

( 2 )

( 3 )

2 土壓力分析

2.1 實測結果

在明洞回填過程中采集土壓力數據，測試結果用土壓力系數(土壓力與土體自重之比)的形式呈現，為減小測試誤差，將左右兩側拱肩的土壓力取平均值進行分析。測試結果如圖7所示。

(a)拱頂

(b)拱肩圖7 明洞土壓力系數

由圖7可知：

(1)土壓力系數隨回填高度的增加呈先增大再緩慢減小的規律：A1型明洞的土壓力系數在回填高度為8 m左右時達到峰值，之后緩慢減小并趨于穩定；A2型明洞土壓力系數在回填高度達到14 m左右時達到最大值，之后迅速減小并有穩定的趨勢?？梢?，回填過程中土體內部的相互作用存在一個逐漸達到穩態的過程。

(2)在同樣的回填高度下，采用混凝土大壩基礎的A2型明洞的土壓力系數顯著高于A1型明洞：A1型明洞拱頂土壓力系數最大值為1.404，拱肩土壓力系數最大值為1.341；A2型明洞拱頂處的土壓力系數最大值為2.150，拱肩土壓力系數最大值為2.278，為A1型明洞的1.53～1.70倍，更強的基礎反而產生了更大的土壓力。

類似的現象在高填方涵管領域也有出現，這是由于采用上埋式填筑方式時，結構的兩側沒有邊坡進行支撐，而襯砌結構的剛度遠高于回填土剛度，襯砌結構與其上方土體組成的“內土柱”的沉降會小于結構兩側土體組成的“外土柱”(分界線為圖8中豎線)，該沉降差異會導致土柱之間產生附加的剪應力，明洞除了承受土柱自重以外，還需承擔這部分剪應力。同理，對于采用了混凝土大壩基礎的明洞，大壩和襯砌作為一個整體極大地提高了剛度，從而產生更大的差異沉降，并最終使土壓力大幅增加。作用原理如圖8所示。

圖8 沉降差引起的附加剪力

總的來說，在相同填方高度下，基礎剛度和厚度的增加會使明洞承受更大的土壓力，提高了對結構承載能力的要求。然而，鐵路明洞需嚴格控制軌面沉降以滿足列車的行駛要求，在地質條件不良區段采用深基礎也十分常見，建議采用涵管行業中的“減載”措施[12]，例如在襯砌上方增加“減載層”[13-14]來減小內外土體沉降差，達到降低明洞荷載的目的。

2.2 數值模擬與實測對比分析

為驗證結論的可靠性，對比有限元結果與實測數據，如圖9、圖10所示。

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖9 拱頂土壓力系數

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖10 拱肩土壓力系數

由圖9和圖10可知，有限元分析得到的土壓力系數與現場實測所得規律類似，均呈先增大后減小并趨于穩定的規律，且采用A2型明洞的垂直土壓力系數明顯偏高：A1型明洞拱頂土壓力系數最大值為1.292，拱肩土壓力系數最大值為1.281；A2型明洞拱頂處的土壓力系數最大值為2.104，拱肩土壓力系數最大值為2.037，達到了A1型明洞的1.57～1.64倍。

對比實測數據與有限元結果可知，實測值與有限元結果較為吻合且具有相似的規律，二者相對最大誤差為21.7%，相對誤差最大值出現在回填初期，其原因可能是實際施工時回填土尚未完全壓實穩定?？傮w而言，實測與數值模擬值都反映出高填方明洞需承受高于土柱自重的荷載，并且差值與基礎剛度密切相關，在計算這類明洞的荷載時，需將明洞結構與下方基礎視為一個整體進行考慮，才能求得與實際相符的土壓力數據。

2.3 內外土體沉降差分析

通過前文的分析可知，明洞上方與兩側土體的沉降差異是造成實際土壓力大于土柱自重的關鍵原因，但目前的測試設備較難準確測得該項數據或反映其分布規律，并且也難以說明土壓力系數后期逐漸減小至穩定值這一現象。因此需借助有限元計算來探討土壓力大小與土體沉降差之間的關系。提取回填完成后(填方高度28.0 m)兩種基礎形式的明洞頂部及兩側土體的沉降差，如圖11所示。

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖11 明洞周圍土體沉降差分布(單位：m)

對比兩種基礎形式下的沉降曲線可知，在同一水平面上，明洞頂部與兩側的土體出現了明顯的沉降差，且A2型明洞的內外土體沉降差比A1型明洞更加明顯。統計明洞頂部2～28 m范圍內各水平面上的內外土體沉降差并繪制曲線，如圖12所示。

圖12 明洞頂部各水平面上的內外土柱沉降差

由圖12可知，在距離拱頂2 m處的水平面上，采用基巖基礎的A1型明洞內外土體沉降差為18 mm，采用混凝土大壩基礎的A2型明洞的內外土體沉降差為107 mm，是前者的近6倍，可見基礎剛度對明洞頂部及兩側土體的沉降差確實有明顯影響。內外土體沉降差的大小隨著填土面標高的增加逐漸減小至某一定值，這也解釋了現場測試中土壓力系數會在后期逐步減小并穩定下來這一現象。

3 結構內力分析

3.1 實測結果

測試過程中，結構左右對稱位置的測試結果較接近，因篇幅關系取一側的內力測試結果進行分析。雙層襯砌內襯軸力及彎矩在回填過程中的動態變化如圖13、圖14所示，雙層襯砌內襯軸力及彎矩在回填過程中的動態變化如圖15、圖16所示。

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖13 外襯軸力變化規律

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖14 外襯彎矩變化規律

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖15 內襯軸力變化規律

(a)A1型明洞

(b)A2型明洞圖16 內襯彎矩變化規律

經分析可知，雙層襯砌外襯及內襯的軸力在回填過程中均呈現兩段式變化規律：(1)在回填土低于明洞頂部時，此時明洞僅受到側向土壓力作用，襯砌的軸力和彎矩的變化量較??；(2)待回填土超過明洞頂部后，明洞同時受到垂直和側向土壓力，此時軸力表現出線性增長的規律，而彎矩開始產生方向翻轉，隨后線性增加。兩種基礎類型的明洞襯砌都表現出類似的規律，說明回填過程中結構內力的變化與基礎類型并無太大關聯。

A2型明洞的結構內力明顯大于A1型明洞，見表4(填方高度為32 m時的結構內力對比)。A2型明洞軸力大小達到A1型明洞的1.2～1.6倍，彎矩大小前者為后者的1.6～2.4倍。這從側面印證了采用混凝土大壩基礎的明洞在相同的填方高度下，會承受更大的土壓力，使結構內力也明顯增加。

表4 不同基礎類型的襯砌內力

此外，外襯的軸力約為內襯軸力的2.6～3.2倍，與二者厚度之比3∶1十分接近，這是由于兩層襯砌之間采用了防水層過渡，相互之間的摩擦很小，使得外襯與內襯之間剪力的傳遞受阻，基本只能進行軸力的傳遞，即雙層襯砌的力學行為可按照組合梁模式進行分析。

3.2 數值模擬與實測對比分析

數值模擬與實測對比如圖17所示。

(a)外襯軸力對比(拱頂、拱腰)

(b)外襯軸力對比(拱肩、拱腳)

(c)外襯彎矩對比(拱頂、拱腰)

(d)外襯彎矩對比(拱肩、拱腳)圖17 A1型明洞結構內力實測與數值模擬對比

由圖17可知，數值模擬得到的結構內力變化規律與實測值十分類似，均為兩段式變化規律，最大誤差值約為29%。在僅有側向荷載時，明洞結構內力的增幅很小，而當回填土超過拱頂即垂直荷載與側向荷載共同作用時，明洞的結構內力才開始產生明顯的線性增長。A2型明洞的數值模擬及實測規律與A1型明洞類似，鑒于篇幅關系不再重復敘述。

4 結論

本文通過現場實測方法，對高填方雙層襯砌式明洞進行土壓力和內力的分析，得到回填過程中土壓力和結構內力的變化規律，總結不同基礎形式對二者的具體影響，并通過數值模擬方法進行詳細驗證，主要結論如下：

(1)高填方上埋式明洞的垂直土壓力系數隨回填高度的增加呈先增大再減小最后趨于穩定的規律，明洞荷載值明顯大于土體的自重。

(2)剛性基礎會提高明洞結構的整體剛度，使中心土體的沉降減小，與兩側土體之間形成更大的沉降差，從而產生更大的附加土壓力。在相同的填方高度下，混凝土大壩基礎的明洞土壓力系數可達到基巖基礎明洞的1.5倍以上，軸力、彎矩可達到后者的1.2～1.6倍和1.6～2.4倍。因此在計算明洞荷載時，必須將明洞及其基礎視為一個整體結構，在此前提下才能求得與實際較為相符的土壓力值。

(3)在明洞回填過程中，外層和內層襯砌的軸力出現了兩階段的變化。在回填土達到拱頂前結構的軸力變化較小，回填土達到拱頂后軸力線性增加；彎矩的方向在回填土超過拱頂后改變，隨后表現為線性變化。

(4)在防水層的影響下，內襯與外襯之間較低的摩擦系數阻止了剪力的傳遞，使二者之間只能傳遞軸力，且軸力的分配比例和二者的厚度比基本相等，而彎矩與厚度比無關。外層與內層襯砌的整體受力特點與組合梁類似。

(5)從自身受力考慮，兩側無邊坡支撐的高填方明洞應選取剛度更低的基礎，可明顯降低明洞承擔的土壓力；但為滿足高鐵列車的行車要求，部分不良地質區段又必須加強原有的基礎，因此建議在這些區段為明洞進行“減載”設計，如在明洞上方添加柔性填充層等。