以初期支護為主要承載結構的復合式襯砌設計研究

羅章波

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

0 引言

常用的隧道襯砌類型一般有2種:一種是復合式襯砌，一種是單層式襯砌。單層式襯砌相對于復合式襯砌，具有工序簡化、施工快速、經濟合理等多方面的優點。取消了防水板，結構與圍巖共同受力;單層襯砌自身滿足防水要求;作為永久結構單層襯砌滿足耐久性要求等。但單層襯砌表面不平整，不利于隧道通風和防水，更為重要的是噴混凝土施工工藝難以保證結構質量。

目前復合式襯砌是世界各國及地區高速鐵路山嶺隧道襯砌結構的主流。復合式襯砌可以滿足初期支護施作及時、剛度小易變形的要求，且與圍巖密貼，能保護和加固圍巖，充分發揮圍巖的自承作用。二次襯砌后，襯砌內表面光滑平整，可以防止外層風化，裝飾內壁，增強安全感，是一種合理的結構形式。我國鐵路隧道襯砌結構類型選擇中，多采用復合式襯砌。我國《鐵路隧道設計規范》規定:“噴錨襯砌和復合式襯砌的初期支護宜按工程類比法確定襯砌設計參數，施工期間應通過監控量測進行修正。”計算復合式襯砌時，初期支護應按主要承載結構計算;二次襯砌在Ⅰ～Ⅲ級圍巖可作為安全儲備，按構造要求設計，在Ⅳ～Ⅵ級圍巖，應按承載結構設計［1］。目前鐵路隧道復合式襯砌設計基本按照噴錨支護作為承載結構的一部分來考慮。而在初期支護與襯砌結構共同承受荷載中，對各自承載能力或分擔荷載比例無明確規定，仍然以模筑混凝土襯砌作為主要承載結構，這種過于保守的設計原則必然會造成一些不必要的浪費，也是導致初期支護質量長期處于低水平的原因之一。

國內外針對以初期支護作為主要承載結構的設計思路進行過以下研究:

1)初期支護作為主要承載結構的復合式襯砌適用性研究。馬孝軒等［2］對現澆混凝土在不同土壤環境中的腐蝕進行了試驗研究，現澆混凝土的腐蝕類型和嚴重程度取決于混凝土的質量和水泥品種、土壤中腐蝕介質的種類和含量及土壤質地。

噴射混凝土由于使用條件及施工工藝的限制，密實度相對較差，噴射混凝土厚度較薄，受地下水的滲流影響非常明顯。滲漏溶蝕對噴射混凝土材料性能的影響與水壓力、噴射混凝土厚度、圍巖節理裂隙發育程度、地下水和圍巖中各種侵蝕性離子類型、含量等有關，目前還缺少這方面的研究。

2)初期支護的耐久性研究。采用初期支護作為主要承載結構，樊文熙等［3］采用高活性細摻料和水泥裹砂、水泥裹石工藝，噴射混凝土的耐久性大大提高，抗滲性能達到0.8 MPa，碳化系數為0.88，腐蝕系數為0.78，干縮率降低 16.6%，長期強度(360 d)達到 40.7 MPa，并對耐久性提高的原因進行了分析。

汪向紅等［4］針對某海底隧道工程對C40、P10噴射混凝土的使用要求，實驗研究了速凝劑、硅灰以及鋼纖維對噴射混凝土工作性能、力學性能以及耐久性的影響。在噴射混凝土中加入硅灰和鋼纖維能夠顯著改善其力學性能，增強其抗水滲透能力;摻入硅灰的噴射混凝土表現出優異的抗氯離子滲透能力。

3)初期支護結構作為主要承載形式的施工設備配套方案研究。萬姜林等［5］根據米花嶺隧道的工程實際，闡述了單線鐵路長隧道施工機械化配套技術和3條機械化作業線的組成。米花嶺隧道全長9 293 m，采用以門架式全液壓三臂鑿巖臺車為代表的大型配套機械進行鉆爆掘進作業，施工機械化配套技術全面考慮了生產性、可靠性、安全性、耐久性、維修性、經濟性和適應性等要求，3條機械化作業線高效耐用、配套合理，較以往的施工技術有較大突破，在保證安全、工程質量的基礎上實現了快速施工技術。

總之，國內外針對以初期支護作為主要承載結構的設計思路進行過局部研究，始終沒有系統研究并用以指導設計和施工。本次研究從隧道復合式襯砌的初期支護與二次襯砌結構作用關系這一核心問題出發，通過系統地理論與應用研究，形成以初期支護作為主要承載結構的隧道復合式襯砌設計理論體系，從而充分發揮初期支護的作用，提高隧道結構質量，加快施工進度。

初期支護在施工期間和運營期間究竟發揮多大作用，承擔多少荷載;通過增加二次襯砌的厚度究竟能提供多少安全儲備。本次研究結合包蘭線特長隧道工程，從隧道復合式襯砌的初期支護與襯砌結構作用關系這一核心問題出發，重點開展初期支護結構作為主要承載形式的復合式襯砌研究，建立以初期支護為主要承載結構的復合式襯砌設計體系，從而充分發揮初期支護的作用，提高隧道結構質量，加快施工進度，提升我國隧道建設水平。

1 工程概況

包蘭鐵路銀川至蘭州段線路西起寧夏自治區首府銀川市銀川南站，向西偏南經寧夏、甘肅至蘭州東站，設計正線全長370 km。該線有20 km的隧道2座(雙洞單線)，其中香山隧道長度為20 328 m，青天寺隧道長度為21 457 m。地層有第四系、第三系、白堊系、侏羅系、三疊系、石灰系、泥盆系和寒武系等。

隧道采用鐵科技函〔2004〕157號《200 km/h客貨共線鐵路雙層集裝箱運輸建筑限界(暫行)》中“電力牽引鐵路雙層集裝箱運輸隧道建筑限界(SJXSD)”［6］。

常規設計根據“通隧(2008)1203”通用圖進行。根據鐵道部鑒定中心的要求，特長隧道開展以初期支護為主要承載結構研究，以便節省投資，加快施工進度，保證隧道控制工程按期完工。

2 作為主要承載結構的初期支護荷載類型及計算方法

2.1 隧道結構設計模型

根據國際隧道協會規定，目前所采用的隧道結構設計模型分為4種:連續體或不連續體模型、作用—反作用模型(基礎梁模型)、收斂—約束模型、工程類比法(經驗方法)。我國學者劉建航、候學淵結合我國地下結構的實踐，也做出了類似的劃分，將隧道設計模型也分為4種:經驗類比模型、荷載結構模型、地層結構模型、收斂限制模型。收斂限制模型是以測試為主的設計方法，但因為地層和襯砌的響應曲線目前仍無法完全確定，故而使得該方法仍只能停留在定性的描述階段。所以，從考慮隧道襯砌和地層的相互作用出發，地下結構的理論計算方法僅有荷載結構法和地層結構法，或者稱之為結構力學方法和連續介質力學方法。

事實上，荷載結構法仍然是目前進行隧道結構理論計算用得最多的一種方法，在這種模型中，認為圍巖壓力的來源是坍塌巖塊的質量。我國鐵路隧道規范推薦的計算模式主要也是荷載—結構模式。

2.2 計算模型

采用“荷載—結構”模型，作用在初期支護結構上的永久荷載有地層壓力和結構自重，不計水壓力、偶然荷載等其他荷載，計算采用平面桿系有限元位移法。對于無仰拱的斷面，拱部的90°左右(自動試算確定)范圍不設彈性鏈桿，周邊加徑向鏈桿，墻腳加能產生轉動和豎向位移、不能產生水平位移的彈性鏈桿，計算模型如圖1所示。對于有仰拱斷面初期支護計算模型，拱部的90°左右(自動試算確定)范圍不設彈性鏈桿，周邊加徑向鏈桿，計算模型如圖2所示。

2.3 隧道初期支護強度計算方法

根據《鐵路隧道設計規范》［1］，當 e0≤0.2h 時，混凝土矩形截面中心及偏心受壓構件的抗壓強度

當e0＞0.2h時，從抗裂要求出發，混凝土矩形截面偏心受壓構件的抗拉強度

式中:Ra為混凝土極限抗壓強度;Rl為混凝土極限抗拉強度;K為安全系數;N為軸向力;b為截面的寬度;h為截面的厚度;φ為構件的縱向彎曲系數，對于隧道襯砌可取φ=1.0;α為軸向力的偏心影響系數;e0為截面偏心距。

鋼筋混凝土矩形截面的偏心受壓構件計算公式如下:

大偏心受壓構件(x≤0.55h0)時，KNe≤Rwbx(h0－x/2)+(h0－a');小偏心受壓構件(x＞0.55h0)時，KNe≤0.05Ra+(h0－a')。

式中:K為安全系數;N為軸向力;b為截面的寬度;h為截面的厚度;h0為截面的有效高度，h0=h－a;e為軸向力作用點到受拉鋼筋Ag合力點的距離;a，a'分別為自Ag和鋼筋的重心至截面最近邊緣的距離;Rw為混凝土的彎曲抗壓極限強度;Ra為混凝土的抗壓極限強度;Rg，為鋼筋的抗拉、抗壓計算強度;Ag為受拉、受壓鋼筋面積。

3 以初期支護為主要承載結構的隧道復合式襯砌結構參數優化

設計參數擬定的原則是初期支護承擔施工階段全部荷載，初期支護與襯砌結構共同承受永久荷載，而以模筑混凝土襯砌作為主要承載結構。

初期支護結構作為獨立承載結構的作用時間相對較短，重要性程度也相對較低。根據TB 10003—2005《鐵路隧道設計規范》素混凝土或鋼筋混凝土結構強度安全系數規定(如表1所示)，采用施工階段強度安全系數。

表1 隧道初期支護(鋼筋)混凝土結構強度安全系數Table 1 Safety coefficients of concrete structure of primary support

按照鐵道部《時速200 km客貨共線鐵路(雙層集裝箱)單線隧道復合式襯砌》(通隧(2008)1203)，隧道結構參數如表2所示［8］。

時速200 km鐵路(雙層集裝箱運輸)以初期支護為主要承載結構的隧道復合式襯砌結構參數優化如表3 所示［8］。

4 優化后初期支護安全性檢算

1)Ⅱ級圍巖斷面。Ⅱ級圍巖斷面初期支護結構承受100%的圍巖荷載時典型截面的檢算結果如表4所示。

2)Ⅲ級圍巖斷面。Ⅲ級圍巖斷面初期支護結構承受100%的圍巖荷載時典型截面的檢算結果如表5所示。

3)Ⅳ級圍巖斷面。Ⅳ級圍巖斷面拱墻部位每1.2 m架設φ22格柵鋼架1榀，初期支護結構承受100%的圍巖荷載時典型截面的檢算結果如表6所示。

表2 時速200 km鐵路(雙層集裝箱運輸)單線隧道以初期支護為主要承載結構的復合式襯砌結構參數Table 2 Parameters of composite lining structure with its primary support as the load-bearing structure

表3 時速200 km鐵路(雙層集裝箱運輸)以初期支護為主要承載結構的隧道復合式襯砌結構參數(優化)Table 3 Optimized parameters of composite lining structure with its primary support as the load-bearing structure

表4 Ⅱ級圍巖初期支護結構截面計算結果Table 4 Calculation results of cross-section of primary support structure in GradeⅡsurrounding rock

表5 Ⅲ級圍巖初期支護結構截面計算結果Table 5 Calculation results of cross-section of primary support structure in GradeⅢsurrounding rock

表6 Ⅳ級圍巖初期支護結構截面計算結果Table 6 Calculation results of cross-section of primary support structure in GradeⅣsurrounding rock

4)Ⅳ級圍巖加強斷面。Ⅳ級圍巖加強斷面拱墻部位每1.2 m架設φ22格柵鋼架1榀，初期支護結構承受100%的圍巖荷載時典型截面的檢算結果如表7所示。

表7 Ⅳ級圍巖加強斷面初期支護結構截面計算結果Table 7 Calculation results of strengthened cross-section of primary support structure in GradeⅣsurrounding rock

5)Ⅴ級圍巖斷面。Ⅴ級圍巖斷面每1.0 m全環架設I20鋼架1榀，初期支護結構承受100%的圍巖荷載時典型截面的檢算結果如表8所示。

表8 Ⅴ級圍巖初期支護結構截面計算結果Table 8 Calculation results of cross-section of primary support structure in GradeⅤsurrounding rock

6)Ⅴ級圍巖加強斷面。Ⅴ級圍巖加強斷面每0.5 m架設全環H175鋼架1榀，初期支護支護結構承受100%的圍巖荷載時典型截面的檢算結果如表9所示。Ⅴ級圍巖加強斷面初期支護結構受力圖如圖3所示。

表9 Ⅴ級圍巖加強斷面初期支護結構截面計算結果Table 9 Calculation results of strengthened cross-section of primary support structure in GradeⅤsurrounding rock

5 優化后初期支護與襯砌共同承受荷載時襯砌安全性檢算

按照噴錨構筑法的基本原理，Ⅱ～Ⅲ級圍巖初期支護為主要承載結構，二次襯砌作為安全儲備，按承受圍巖荷載的30%計算;Ⅳ～Ⅴ級圍巖二次襯砌作為承載結構，分別按承受圍巖荷載的50%和70%計算，得出相應的計算結果。

1)Ⅱ級圍巖斷面。Ⅱ級圍巖襯砌結構斷面不考慮仰拱作用，襯砌結構承受30%的圍巖荷載時典型截面的檢算結果如表10所示。

表10 Ⅱ級圍巖斷面襯砌結構截面計算結果Table 10 Calculation results of cross-section of lining structure in GradeⅡsurrounding rock

2)Ⅲ級圍巖斷面。Ⅲ級圍巖襯砌結構斷面考慮仰拱作用，襯砌結構承受30%的圍巖荷載時典型截面的檢算結果如表11所示。

表11 Ⅲ級圍巖斷面襯砌結構截面計算結果Table 11 Calculation results of cross-section of lining structure in GradeⅢsurrounding rock

3)Ⅳ級圍巖斷面。Ⅳ級圍巖襯砌結構斷面考慮仰拱作用，襯砌結構承受50%的圍巖荷載時典型截面的檢算結果如表12所示。

表12 Ⅳ級圍巖斷面襯砌結構截面計算結果Table 12 Calculation results of cross-section of lining structure in GradeⅣsurrounding rock

4)Ⅳ級圍巖加強斷面。襯砌結構采用鋼筋混凝土結構，考慮仰拱作用，襯砌結構承受50%的圍巖荷載時典型截面的檢算結果如表13所示。

5)Ⅴ級圍巖斷面。襯砌結構采用鋼筋混凝土結構，考慮仰拱作用，襯砌結構承受70%的圍巖荷載時典型截面的檢算結果如表14所示。

表13 Ⅳ級圍巖加強斷面二次襯砌截面計算結果(5根φ18)Table 13 Calculation results of strengthened cross-section of lining structure in GradeⅣsurrounding rock(5根φ18)

表14 Ⅴ級圍巖斷面襯砌結構截面計算結果(5根φ20)Table 14 Calculation results of cross-section of lining structure in GradeⅤsurrounding(5根φ20)

6)Ⅴ級圍巖加強斷面。襯砌結構采用鋼筋混凝土結構，考慮仰拱作用，襯砌結構承受70%的圍巖荷載時典型截面的檢算結果見表15，Ⅴ級圍巖加強斷面襯砌結構受力如圖4所示。

表15 Ⅴ級圍巖加強斷面襯砌結構截面計算結果(5根φ22)Table 15 Calculation results of strengthened cross-section of lining structure in GradeⅤsurrounding rock(5根φ22)

6 支護參數優化后工程量對比

以初期支護為主要承載結構的單線隧道與部頒標準圖對應隧道的工程量對比結果見表16，表中數值為正代表優化后較實際量大，反之較實際量小。

表16 時速200 km/h雙層集裝箱初期支護及襯砌參數經濟指標對比Table 16 Comparison of economical parameters of primary support and lining

由表16可以看出:由于初期支護措施的適當增強和二次襯砌厚度的減小，隧道的開挖量減少，初期支護噴射混凝土量增加，鋼架的鋼筋用量增加，二次襯砌混凝土量減少。

7 結論與體會

1)根據優化后初期支護安全性檢算。①Ⅱ、Ⅲ級圍巖初期支護結構為素混凝土結構，初期支護結構獨立作用時，其控制截面的安全系數分別為2.18和2.022，出現在拱頂部位，滿足安全系數2.0的強度要求。②Ⅳ級及Ⅳ級圍巖加強斷面初期支護結構，拱墻架設了鋼筋格柵，初期支護結構獨立作用時，Ⅳ級圍巖控制截面的安全系數為3.989，Ⅳ級圍巖加強斷面控制截面的安全系數為1.905(滿足安全系數1.7的強度要求)，均出現在拱頂位置。③Ⅴ級圍巖斷面初期支護結構考慮了仰拱的作用，全環架設了I20型鋼鋼架，控制截面的安全系數為2.509，出現在墻腳位置。④Ⅴ級加強斷面初期支護結構考慮了仰拱的作用，全環架設了H175型鋼鋼架，其控制截面的安全系數為1.827(滿足安全系數1.7的強度要求)，出現在墻腳位置。

2)根據初期支護與襯砌共同承受荷載時襯砌安全性檢算。考慮初期支護的作用時，Ⅱ級圍巖襯砌結構控制截面的安全系數為9.544，Ⅲ級圍巖為7.814，Ⅳ級圍巖為4.061，均出現在拱頂部位;Ⅳ級圍巖加強斷面安全系數為4.273，Ⅴ級圍巖為3.824，Ⅴ級圍巖加強斷面為2.394，均出現在墻腳部位。

初期支護承擔100%的施工期荷載時，各級圍巖支護參數均可以滿足安全性檢算要求。

采用以初期支護為主要承載結構的設計理念后，二次襯砌的施作時機可以推遲，減少了施工干擾，有利于施工中各道工序的開展。結合包蘭線特長隧道的機械化配套研究(根據隧道地質情況、埋深、輔助坑道設置、運輸方式等進行了專題研究，本文不展開敘述)，隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖采用全斷面法施工，Ⅳ級圍巖采用臺階法施工，Ⅴ級圍巖采用預留核心土臺階法施工，各級圍巖施工綜合進度指標如表17所示，相對于以往類似工程施工進度提高約20%［9］。

表17 施工綜合進度指標Table 17 Construction progress index m/月

在200 km/h客貨共線鐵路(雙層集裝箱運輸)開展的以初期支護為主要承載結構的復合式襯砌設計研究，目前仍停留在理論階段，下階段將結合包蘭線隧道工程的建設，開展現場實驗，驗證并優化支護參數。

［1］ 鐵道部建設司.TB 10003—2005鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005:68－77.

［2］ 馬孝軒，冷發光，仇新剛.混凝土材料在土壤環境中腐蝕的試驗研究［C］//混凝土結構耐久性設計與施工論文集.北京:中國工程院土木水利與建筑學部，2001.(MA Xiaoxuan，LENG Faguang，CHOU Xingang.Concrete materials in soil corrosion test research［C］//Concrete structure durability design and construction of Proceedings.Beijing:Division of Civil Hydraulic and Architecture Engineering，Chinese Academy of Engineering，2001.(in Chinese))

［3］ 樊文熙，張長海，鄭永保.高性能噴射混凝土的耐久性研究［J］.煤炭學報，2000(4):366 － 368.(FAN Wenxi，ZHANG Changhai， ZHENG Yongbao.High performance concrete durability research［J］.Journal of China Coal Society，2000(4):366 －368.(in Chinese))

［4］ 汪向紅，王立燕，段珍華，等.海底隧道C40P10噴射混凝土的試驗研究［J］.混凝土與水泥制品，2007(6):18－20.(WANG Xianghong，WANG Liyan，DUAN Zhenhua，et al.C40P10 sprayed concrete in submarine tunnel test study［J］.Concrete and cement products，2007(6):18 －20.(in Chinese))

［5］ 萬姜林，李檜祥，時圣文，等.單線鐵路長隧道機械化配套與快速施工技術［J］.中國鐵道科學，2002(3):110－116.(WAN Jianglin，LI Huixiang，SHI Shengwen，Dong Jie.Long single-track railway tunnel mechanical Set-forming and rapid construction technology［J］.China Railway Science，2002(3):110 －116.(in Chinese))

［6］ 中鐵第五勘察設計院.改建鐵路包蘭線銀川至蘭州段擴能工程初步設計［R］.北京:中鐵第五勘察設計院，2010.

［7］ GB 50010—2002混凝土結構設計規范［M］.北京:中國建筑資訊網，2002:41－111.

［8］ 鐵道部建設司.鐵建設〔2005〕140號新建時速200～250公里客運專線鐵路設計暫行規定［S］.北京:中國鐵道出版社，2005:72－74.

［9］ 鐵道部建設司.TB 10304—2009鐵路隧道工程施工安全技術規程［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.