铁路隧道新型隧道门的研究（二）

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为了确定新型隧道门的结构受力变形状态和整体的稳定性，并与三维模型试验的结果进行对比分析。因此，对设计的新型隧道门进行三维数值计算，采用的计算软件为大型有限元（FEM）计算程序ANSYS5.6。 

计算工况：

考虑与三维模型试验和现场测试结果进行比较，计算均采用模型试验和现场施工相对应工况，采用三维有限元模型进行计算分析。

计算结果分析

工况一：

（1）衬砌横向轴力全部受压，衬砌纵向轴力在洞口一定范围内处于受压状态，而在洞身地段纵向轴力全部受拉，而其最大值均出现在仰拱。 

（2）衬砌的横向最大正弯矩出现在仰拱的洞身部位，最大负弯矩出现在拱顶的洞口端。

（3）作用在衬砌上的最大围岩压力在仰拱部位。

（4）当采用正切式洞门时，洞口一定范围内衬砌结构的受力特征与洞身衬砌有显著的差别，呈空间分布，所以对洞口段衬砌结构必须进行特殊设计。

（5）衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸20～25m后，基本上趋于稳定，也就是说，在进行洞口段衬砌结构设计时，洞口段取20～25m作为整体考虑较为合理，此段要考虑空间效应，即不仅要考虑横截面受力，还要考虑纵向受力，而再往洞内延伸，则可按传统上的平面应变问题处理，这样既保证结构的安全性，也提高了工程的经济性。

（6）在隧道洞身地段，横向上仰拱处于受压状态，而纵向上处于受拉状态，所以在结构设计中，应考虑洞身地段的纵向配筋设计。

工况二：

（1）衬砌横向轴力全部受压， 衬砌纵向轴力也全部受压。

（2）衬砌的横向最大正弯矩出现在仰拱的洞身部位，最大负弯矩出现在拱顶的洞口端，衬砌的纵向弯矩跟其横向弯矩相比，值都很小，最大值出现在围岩与衬砌的交界处。

（3）作用在衬砌上的最大围岩压力在仰拱部位。

（4）当采用正切式洞门时，洞口一定范围内衬砌结构的受力特征与洞身衬砌有显著的差别，呈空间分布，所以对洞口段衬砌结构必须进行特殊设计。

（5）衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸20～25m后，基本上趋于稳定，也就是说，在进行洞口段衬砌结构设计时，洞口段取20～25m作为整体考虑较为合理，此段要考虑空间效应，即不仅要考虑横截面受力，还要考虑纵向受力，而再往洞内延伸，则可按传统上的平面应变问题处理，这样既保证结构的安全性，也提高了工程的经济性。

（6）在隧道洞身地段，横向上仰拱处于受压状态，同时纵向上也处于受压状态，从计算结果可知，纵向上轴力值远小于横向轴力，横向弯矩是纵向弯矩的4～6倍，而且纵向结构内力的绝对数值都很小，故在结构设计中可不必考虑纵向内力的影响，按平面应变问题进行结构设计。

洞口段三维数值分析结论 

通过对单线铁路隧道正切式、倒切式洞门、双线铁路隧道正切式、弧形挡墙式洞口段的三维数值仿真分析，经过对计算结果的分析和比较，得出以下一些结论。

（1）不管是单线还是双线铁路隧道，当采用正切式、反切式及弧形挡墙式洞口时，洞口段一定范围内衬砌

结构的受力特征与洞身衬砌有显著的差别，呈空间分布，所以对洞口段衬砌结构必须进行特殊设计。

（2）对于单线铁路隧道，当采用正切式洞口时，衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸20～25m后，基本上趋于稳定；当采用倒切式洞口时，衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸16～22m后，基本上趋于稳定。对于双线铁路隧道，采用正切式及弧形挡墙式洞口时，衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸25～30m后，基本上趋于稳定。所以，在进行洞口段衬砌结构设计时，洞口段一定范围必须作为整体进行，此段要考虑空间效应，即不仅要考虑横截面受力，还要考虑纵向受力，与模型试验结果相吻合。基于上述计算结果，同时考虑施工因素的影响，建议单线正切式洞门段取25m，单线倒切式洞门段取22m，双线正切式及弧形挡墙式洞门段取30m，进行整体结构设计，而再往洞内延伸，则可按传统上的平面应变问题处理，这样既保证结构的安全性，也提高了工程的经济性。

（3）由数值计算结果得知，工况一衬砌结构上对应位置的轴力、弯矩值比工况二都要大一些。在工况一中，衬砌结构的上覆土体相当于明挖回填加载的；而在工况二中，衬砌结构是在暗挖条件下加载的，由此可以看出，在相同的埋深条件下，明挖回填作用在衬砌上的荷载比暗挖条件下的要大，对结构受力不利。所以，在条件允许的情况下，建议尽量采用暗挖法进行隧道洞口段施工。确实由于环境限制，不得不采用明挖法进行隧道洞口段施工时，此时作用在衬砌仰拱上的纵向轴力在洞口一定范围内呈受压状态，而在洞身段呈受拉状态，特别是在双线隧道中，受拉值非常大，此时必须对仰拱进行受拉配筋设计。

1.拱顶压力计算方法的研究 

考察一理想化的山体，两侧对称，山脚下为平地，取如图1平面应变模型，考察在自重作用下的初始地应场，山体的主应力等值线如图2所示，对如图1中的山体中心点埋深为100m的水平线处的竖向压力与埋深的关系见图3，该图表明，在靠近山脚处，竖向压力大于γh，而靠近山里处则小于γh。山里的压力部分向山脚处转移。这是地形对自重应力场分布产生的影响，这时主应力将发生偏转，不再是半无限体（平坦地形）的情形，很重要的一点是零埋深处压力不为零，这是以往我们没有注意到的。 

图1 理想对称山体网格剖分图

图2 山体竖向压力等值线

图3山体顶下100m水平线处竖向压力及γh与埋深关系图

各种公式、计算所得的单线隧道拱顶竖向压力－埋深关系曲线 

各种公式、计算所得的双线隧道拱顶竖向压力－埋深关系曲线 

结论：当需要简化结构计算为平面计算时，必须对按平面计算得到荷载加以修正。从几组拱顶竖向压力曲线来看，三维计算结果具有比较合理的结果，相对又偏于安全，因此建议采用三维计算得到的拱顶压力曲线。

2.横向计算简化模式研究

计算图式的确定

严格来说，洞口段结构具有明显的空间效应，应按三维计算。但为方便设计中的计算工作，取如图的洞口段中的一段封闭衬砌环，并把该段的所有外力示于图中。 

3.纵向简化计算模式的研究 

纵向简化计算模式对混合法施工工况的适用性 

在原各工况计算中，洞口段长度一般都大于30m，并且按一种施工模式施工。根据本课题的研究，为保持新型洞口结构整体稳定，我们建议洞口段应具有一定的长度，并且建议长度为25～30m。

对切削式隧道门，国内的通常施工方法是口部较短的一段按明洞法施工，而后进行暗挖施工。如按本课题的建议，以单线铁路隧道为例，取整体设防长度25m，假定明挖段15m，暗挖段10m，按课题组提出的简化计算模式（混合工法），控制点位于明暗交接处，按该内力进行结构设计，只需按构造进行配筋。 

4.切削式隧道洞口段结构设计总结

切削式隧道洞口段结构按以下方法设计。

（1）切削式隧道洞口段结构设计有条件的应采用三维数值分析方法，如果条件不具备的话，应采用简化计算方法。

（2）切削式隧道洞口段结构简化设计方法包括横向和纵向两部分：

a.横向

① 不考虑悬臂段，洞口仅按洞口段控制截面配筋；

② 以拱顶压力为基准，根据基本压力图式确定截面上其他部位的压力大小。

③
横向简化公式

三维计算所得的隧道拱顶竖向压力与γh比值随埋深关系曲线

（注：图16只限于Ⅴ级围岩，地形坡度1：1.5的情形。）

b.纵向

①
洞口段结构前部为压弯，后部为拉弯受力，控制点在仰拱及衬砌下半部，控制断面在洞口段后段；

②
在横向受压，纵向受拉双向受力状态下，将出现较大剪应力，因此洞口较宜出现斜裂缝。

③ 纵向简化公式

纵向简化计算按下图的简化计算模式，将隧道洞口段看成纵向箱梁，受水平弹簧和竖向弹簧约束，尾部作用弹性铰合弹性水平约束。

5.新型洞门设计说明 

几种新型洞门适用的地形条件

a、正切式洞门主要适用于以下地形条件：

（1）线路中线与地形等高线为正交；

（2）地面坡率一般在1:2.5～1:0.5之间；

（3）地表植被较好，无落石等不良地质情况；

（4）隧道出洞后无深路堑，路堑边坡无挡墙防护，或者隧道出洞后即接近路基填挖平衡点；

（5）洞口处汇水面积较小，洞口上坡面无需作截水沟。

b．倒切式洞门主要适用于以下地形条件：

（1）线路中线与地形等高线为正交；

（2）地面坡度较陡，坡率一般大于1:0.5；

（3）洞口仰坡存在落石的可能性；

（4）隧道出洞后无深路堑，路堑边坡无挡墙防护，或者隧道出洞后即接近路基填挖平衡点；

（5）洞口处汇水面积较小，洞口上坡面无需作截水沟。

C、弧型挡墙式洞门主要适用于以下地形条件：

（1）路中线与地形等高线正交或斜交角度大于70°；

（2）道出洞后为深路堑，路堑两侧边坡为挡墙防护，洞门弧型挡墙有条件与路堑两侧挡墙顺接。

隧道洞口的施工工法 

根据目前施工的技术条件，我们建议一般情况下隧道洞口施工可采用以下两种施工方法：

a.不破坏洞口边仰坡的暗挖进洞施工法

对于大部分洞口边仰坡稳定的隧道均可以采用这种方法进行施工。如果隧道洞口段围岩较好，为Ⅱ、Ⅲ级围岩，为不破坏洞口的原始地貌，在第一次进洞爆破开挖炮眼布置时，周边炮眼应当加密至间距30cm左右，并且应减少每个炮眼的装药量，必要时可以在隧道开挖轮廓线上预留一圈空炮眼，以减少爆破对洞口坡面稳定性的影响。如果隧道洞口段为Ⅳ、Ⅴ级围岩，坡面稳定且植被较好时，更应该想办法在施工进洞时减少对地表的破坏。施工时，在清理出洞口开挖面后，根据围岩稳定性和地下水发育情况，应先在开挖轮廓线外施作二环超前锚杆或超前注浆小导管进行预加固，锚杆或小导管的环向间距应在30cm左右，内外环的间距在50cm左右，然后采用人工或机械进行开挖，以减少对洞口围岩的扰动。

削式洞门是将隧道洞口段20～30米作为一个整体来看待的，衬砌时若能一次衬砌完成是最好的，但目前的施工工艺还难以达到，在进行分段衬砌时，段与段间应作好钢筋的连接和防水处理。