简述铁路隧道衬砌结构类型的选择及计算
摘要：隧道衬砌种类多样，本文以Ⅴ级围岩下一段标准铁路隧道为依托，根据围岩的等级及地质特点，对隧道洞身衬砌类型的确定进行简要论述并检算。
关键词：隧道、衬砌
1、工程概况
1.1设计概况
杜家沟隧道长51m，位于低山丘陵区，为一段标准单线铁路隧道。地形陡竣，沟梁相间，山间沟谷多呈U型，沟谷中现已开恳为稻田，多呈阶梯状分布，海拔高程为200～230m，相对高差20～40m。
1.2工程地质情况
工点范围内地层为第四系全新统洪积的粉质黏土，下伏白垩系砾岩夹砂岩，无断裂构造。
1.3工程水文情况
工点内沿山体坡面处据调查未发现地下水出露。山间沟谷中为季节性流水沟，勘测期间沟谷中地表径流较小，主要是稻田灌溉水。沟谷中地下水水位埋深0～2m，属第四系松散层中的孔隙水，水量丰富，水质较好，其补给来源主要为稻田灌溉水及大气降水，无侵蚀性。
2、隧道衬砌结构类型的选择
2.1隧道衬砌结构类型
从衬砌施工工艺方面将隧道衬砌的形式分为以下4类：
⑴整体式模筑混凝土衬砌
就地灌筑混凝土衬砌，工艺流程为：立模—灌筑—养护—拆模。特点是对地质条件的实用性较强，易于按需成形，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件，如可用木模板、钢模板或衬砌模板台车等。
⑵拼装式衬砌
拼装式衬砌是将衬砌分成若干块构件，这些构件在现场或工厂预制，然后运到坑道内用机械将它们拼装成一环接一环的衬砌。特点是拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。目前多在使用盾构法施工的城市地
下铁道中采用。
⑶锚喷衬砌
当岩壁不够稳定时，可加设锚杆、金属网和钢架，这样的喷锚支护形式叫锚喷衬砌，为目前常用的一种围岩支护手段，适用于各种围岩地质条件，常作为初期支护衬砌，若作为永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、完整、稳定的地段中采用。
⑷复合式衬砌
复合式衬砌把衬砌分成两层或两层以上，可以是一种形式、方法和材料施工而成的，也可以是不同形式、方法、时间和材料施工而成的。复合式衬砌是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条件，也是目前隧道工程常采用的衬砌形式。
2.2隧道类型的选择
由于复合式衬砌的初期支护可以满足初期支护施作及时、刚度小易变形的要求，且与围岩紧密，从而能保护围岩和加固围岩，促进围岩的应力调整，充分发挥围岩的自承作用。它既能容许围岩有一定的变形，又能限制围岩产生有害变形。二次衬砌完成后，衬砌内表面光滑平整，可以防止外层风化，装修内壁，增强安全感。其设计、施工工艺过程与其相应的衬砌及围岩受力状态均较合理，十分符合衬砌结构的力学变化过程，能按受力和变形的规律，按力学变化时间、变形发展状况，给予最适宜的工程措施；其质量可靠，能够达到较高的防水要求；也便于采用喷锚、钢支撑等工艺。
结合各种衬砌的特点及隧道的综合情况，本隧道采用复合式衬砌。由于隧道围岩级别为V级，所以采用喷锚支护，复合式衬砌。
初期支护：开挖后，拱墙处设置间距1m、长2.5m锚杆，围岩破碎段拱墙、仰拱铺设钢筋网，然后喷混凝土。必要时铺设钢拱架。
二次衬砌：采用筑模台车浇筑而成，二衬厚度35cm。
3、衬砌的计算及检算
3.1围岩压力计算
3.1.1弹性链杆法
基本原理
⑴采用―局部变形原理‖的弹性地基来模拟围岩。
局部变形理论：认为地层表面某点上施加的外力只会引起该点产生沉陷（变形），外力与沉陷之间为非线性关系。
共同变形理论：认为地层表面某点上施加的外力不仅会引起该点产生沉陷（变形），而且会引起附近的地层也产生沉陷变形，外力与沉陷之间为非线性关系。
⑵将衬砌与围岩所组成的衬砌结构弹性散化为有限个衬砌单元和弹簧单元所组成的组合体。
⑶确定由主动荷载直接作用在计算模型上所引起的变形，调整弹簧单元的设置使其与衬砌变形相协调。
⑷计算衬砌内力。
根据最新的铁路隧道设计规范可知单线深埋隧道衬砌时，围岩压力按松散压力考虑，其垂直及水平均布压力的作用标准值可按下列规定计算。
3.1.2垂直匀布压力可按下式计算确定
q=γh，h=0.41×1.79s
γ-围岩容重
s- 围岩的等级
q=20×0.41×1.79=150.688KN/m2
3.1.3计算各类围岩水平压力ｅ
Ⅴ级围岩下，本处围岩水平压力e的系数取0.5，
e=0.5×q=0.5×150.688=75.344KN/m2
3.2隧道初衬内力计算
在衬砌检算时，要对衬砌进行节点化分，由《铁路隧道设计规范》可知，单线电气化铁路在进行节点化分时，要不少于16个单元，此处把衬砌划分为26个单元。如图4.1所示。
分单元后，计算出围岩压力，并画出衬砌计算简图，如图4.2所示。
利用计算程序计算各节点的弯矩和轴力
衬砌容重γ=23.0KN/m3
衬砌弹性模量E=2.8e10
水平均部荷载集度QV
Ⅴ级围岩的容重γ1=20KN/m，QH=γ1h，h=0.41×1.795
QV=20×0.41×1.795=150.688KN/m2
水平均部荷载集度QH
QH=0.5QV=75.344KN/m2
竖直围岩弹性抗力系数TKV=2.0×108
水平围岩弹性抗力系数TKH=2.0×108
墙角角度弹性支座宽度HA=1.383m
经程序计算，得出数据：
3.3衬砌检算
根据以下公式进行检算：
KN≤αφRa bd（e0≤0.2d），
KN≤φ1.75Rl bd/(6e0/d-1)（e0 >0.2d）
e0-截面轴力偏心距 e0=M/N
K–强度安全系数 取3.6进行验算
N–截面的实际轴力
α-轴力偏心影响系数，按规范选用或按下式计算：
α= 1 + 0.648(e0/d)-12.569(e0/d)2 + 15.444(e0/d)3
φ-构件的纵向弯曲系数 计算中取1.0
Ra-衬砌的极限抗压强度
Rl-衬砌的极限抗拉强度
b-截面的计算宽度 计算中取1.0
d-截面的厚度
经检算，各节点检算结果均合格。
4、结语
本文实例中，复合式衬砌采用先后两次支护，对衬砌受力非常有利。围岩在柔度较大的外层支护条件下，可产生较大的形变，释放了大部分的变形能；因而能使后设的内层衬砌减小受力。内层衬砌施作以后，又会对原先处于二维受力状态的外层支护产生径向抗力，从而改善外层支护的受力条件。隧道表面光洁平整，利于通风和防水，并保护外层支护，使喷层内钢筋网和锚杆端部免于锈蚀。但是，这种衬砌的缺点是造价较高，施工也比较复杂。当前，隧道衬砌设计是复杂和多样化的，必须结合多方面的综合考虑。
参 考 文 献
[1]王毅才.隧道工程.北京：人民交通出版社，2004年1月
[2]关宝树.隧道工程施工要点集.北京：人民交通出版社, 2003年1月
[3]铁道部第二勘测设计院.铁路隧道设计规范.北京：中国铁道出版社，2001年7月
简述铁路隧道衬砌结构类型的选择及计算
摘要：隧道衬砌种类多样，本文以Ⅴ级围岩下一段标准铁路隧道为依托，根据围岩的等级及地质特点，对隧道洞身衬砌类型的确定进行简要论述并检算。
关键词：隧道、衬砌
1、工程概况
1.1设计概况
杜家沟隧道长51m，位于低山丘陵区，为一段标准单线铁路隧道。地形陡竣，沟梁相间，山间沟谷多呈U型，沟谷中现已开恳为稻田，多呈阶梯状分布，海拔高程为200～230m，相对高差20～40m。
1.2工程地质情况
工点范围内地层为第四系全新统洪积的粉质黏土，下伏白垩系砾岩夹砂岩，无断裂构造。
1.3工程水文情况
工点内沿山体坡面处据调查未发现地下水出露。山间沟谷中为季节性流水沟，勘测期间沟谷中地表径流较小，主要是稻田灌溉水。沟谷中地下水水位埋深0～2m，属第四系松散层中的孔隙水，水量丰富，水质较好，其补给来源主要为稻田灌溉水及大气降水，无侵蚀性。
2、隧道衬砌结构类型的选择
2.1隧道衬砌结构类型
从衬砌施工工艺方面将隧道衬砌的形式分为以下4类：
⑴整体式模筑混凝土衬砌
就地灌筑混凝土衬砌，工艺流程为：立模—灌筑—养护—拆模。特点是对地质条件的实用性较强，易于按需成形，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件，如可用木模板、钢模板或衬砌模板台车等。
⑵拼装式衬砌
拼装式衬砌是将衬砌分成若干块构件，这些构件在现场或工厂预制，然后运到坑道内用机械将它们拼装成一环接一环的衬砌。特点是拼装成环后立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。目前多在使用盾构法施工的城市地
下铁道中采用。
⑶锚喷衬砌
当岩壁不够稳定时，可加设锚杆、金属网和钢架，这样的喷锚支护形式叫锚喷衬砌，为目前常用的一种围岩支护手段，适用于各种围岩地质条件，常作为初期支护衬砌，若作为永久衬砌，一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级等围岩良好、完整、稳定的地段中采用。
⑷复合式衬砌
复合式衬砌把衬砌分成两层或两层以上，可以是一种形式、方法和材料施工而成的，也可以是不同形式、方法、时间和材料施工而成的。复合式衬砌是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条件，也是目前隧道工程常采用的衬砌形式。
2.2隧道类型的选择
由于复合式衬砌的初期支护可以满足初期支护施作及时、刚度小易变形的要求，且与围岩紧密，从而能保护围岩和加固围岩，促进围岩的应力调整，充分发挥围岩的自承作用。它既能容许围岩有一定的变形，又能限制围岩产生有害变形。二次衬砌完成后，衬砌内表面光滑平整，可以防止外层风化，装修内壁，增强安全感。其设计、施工工艺过程与其相应的衬砌及围岩受力状态均较合理，十分符合衬砌结构的力学变化过程，能按受力和变形的规律，按力学变化时间、变形发展状况，给予最适宜的工程措施；其质量可靠，能够达到较高的防水要求；也便于采用喷锚、钢支撑等工艺。
结合各种衬砌的特点及隧道的综合情况，本隧道采用复合式衬砌。由于隧道围岩级别为V级，所以采用喷锚支护，复合式衬砌。
初期支护：开挖后，拱墙处设置间距1m、长2.5m锚杆，围岩破碎段拱墙、仰拱铺设钢筋网，然后喷混凝土。必要时铺设钢拱架。
二次衬砌：采用筑模台车浇筑而成，二衬厚度35cm。
3、衬砌的计算及检算
3.1围岩压力计算
3.1.1弹性链杆法
基本原理
⑴采用―局部变形原理‖的弹性地基来模拟围岩。
局部变形理论：认为地层表面某点上施加的外力只会引起该点产生沉陷（变形），外力与沉陷之间为非线性关系。
共同变形理论：认为地层表面某点上施加的外力不仅会引起该点产生沉陷（变形），而且会引起附近的地层也产生沉陷变形，外力与沉陷之间为非线性关系。
⑵将衬砌与围岩所组成的衬砌结构弹性散化为有限个衬砌单元和弹簧单元所组成的组合体。
⑶确定由主动荷载直接作用在计算模型上所引起的变形，调整弹簧单元的设置使其与衬砌变形相协调。
⑷计算衬砌内力。
根据最新的铁路隧道设计规范可知单线深埋隧道衬砌时，围岩压力按松散压力考虑，其垂直及水平均布压力的作用标准值可按下列规定计算。
3.1.2垂直匀布压力可按下式计算确定
q=γh，h=0.41×1.79s
γ-围岩容重
s- 围岩的等级
q=20×0.41×1.79=150.688KN/m2
3.1.3计算各类围岩水平压力ｅ
Ⅴ级围岩下，本处围岩水平压力e的系数取0.5，
e=0.5×q=0.5×150.688=75.344KN/m2
3.2隧道初衬内力计算
在衬砌检算时，要对衬砌进行节点化分，由《铁路隧道设计规范》可知，单线电气化铁路在进行节点化分时，要不少于16个单元，此处把衬砌划分为26个单元。如图4.1所示。
分单元后，计算出围岩压力，并画出衬砌计算简图，如图4.2所示。
利用计算程序计算各节点的弯矩和轴力
衬砌容重γ=23.0KN/m3
衬砌弹性模量E=2.8e10
水平均部荷载集度QV
Ⅴ级围岩的容重γ1=20KN/m，QH=γ1h，h=0.41×1.795
QV=20×0.41×1.795=150.688KN/m2
水平均部荷载集度QH
QH=0.5QV=75.344KN/m2
竖直围岩弹性抗力系数TKV=2.0×108
水平围岩弹性抗力系数TKH=2.0×108
墙角角度弹性支座宽度HA=1.383m
经程序计算，得出数据：
3.3衬砌检算
根据以下公式进行检算：
KN≤αφRa bd（e0≤0.2d），
KN≤φ1.75Rl bd/(6e0/d-1)（e0 >0.2d）
e0-截面轴力偏心距 e0=M/N
K–强度安全系数 取3.6进行验算
N–截面的实际轴力
α-轴力偏心影响系数，按规范选用或按下式计算：
α= 1 + 0.648(e0/d)-12.569(e0/d)2 + 15.444(e0/d)3
φ-构件的纵向弯曲系数 计算中取1.0
Ra-衬砌的极限抗压强度
Rl-衬砌的极限抗拉强度
b-截面的计算宽度 计算中取1.0
d-截面的厚度
经检算，各节点检算结果均合格。
4、结语
本文实例中，复合式衬砌采用先后两次支护，对衬砌受力非常有利。围岩在柔度较大的外层支护条件下，可产生较大的形变，释放了大部分的变形能；因而能使后设的内层衬砌减小受力。内层衬砌施作以后，又会对原先处于二维受力状态的外层支护产生径向抗力，从而改善外层支护的受力条件。隧道表面光洁平整，利于通风和防水，并保护外层支护，使喷层内钢筋网和锚杆端部免于锈蚀。但是，这种衬砌的缺点是造价较高，施工也比较复杂。当前，隧道衬砌设计是复杂和多样化的，必须结合多方面的综合考虑。
参 考 文 献
[1]王毅才.隧道工程.北京：人民交通出版社，2004年1月
[2]关宝树.隧道工程施工要点集.北京：人民交通出版社, 2003年1月
[3]铁道部第二勘测设计院.铁路隧道设计规范.北京：中国铁道出版社，2001年7月