復合式襯砌初期支護剛度及影響因素分析

李春清，梁慶國，吳旭陽，孫 凱

(1.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；3.中鐵二局集團有限公司，四川 成都 610031)

復合式襯砌初期支護剛度及影響因素分析

李春清1,2，梁慶國1,2，吳旭陽1,2，孫 凱3

(1.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；3.中鐵二局集團有限公司，四川 成都 610031)

針對正在建設的寶蘭客運專線出現的大量超大斷面黃土隧道，介紹了客運專線中黃土隧道的初期支護結構設計研究情況，對于隧道初期支護彈性模量的取法問題，采用折算法和模擬法分別計算隧道初期支護的等效彈性模量，通過對2種計算結果進行對比，結合圍巖壓力監測資料，分析了初期支護彈性模量的取值及初期支護壓力。研究結果表明：運用模擬法計算的初期支護等效彈性模量更貼切，對今后類似工程的設計與施工具有一定參考價值。

黃土隧道；復合式襯砌；初期支護；彈性模量；噴射混凝土；支護壓力

0 引言

隨著我國鐵路客運專線的建設，高速鐵路隧道施工技術也得到了長足的發展。客運專線及高速鐵路隧道多采用單洞雙線模式，黃土地區已修建了大量的公路、鐵路隧道及各種洞室,人們對黃土隧道的認識水平也在不斷提高。黃土鐵路隧道建成后不久襯砌開裂的現象，使我們對黃土隧道的支護體系及理論進行了大量的科學研究，并且取得了豐富的成果[1]。黃土隧道由于黃土強度較低，開挖擾動后變形較大，加之客運專線隧道大跨徑、大斷面等特點，“強支護”應作為黃土隧道施工的指導原則[2]。黃土隧道的圍巖條件較差，復合式襯砌一般采用鋼拱架與噴射混凝土及錨桿組成的初期支護，噴錨支護也是當前隧道建設中采用最為廣泛的支護形式[3]。黃土隧道初期支護前期變形量大，所以鋼架的使用應結合黃土天然含水量及隧道埋深情況，為控制初期支護的收斂變形量，在淺埋隧道段應采用型鋼鋼架[1]，型鋼的剛度大，架設后受力快，對圍巖能夠迅速提供支撐作用。初期支護承受巨大的應力主要來自土的附加壓力與自重，會使初期支護的噴射混凝土發生開裂，拱架發生彎曲變形[4]。初期支護提供的支護壓力主要受支護體彈性模量的影響，對于支護體的彈性模量，國內主要通過將鋼拱架彈性模量等效折算成混凝土彈性模量進行計算，在國外Mirko Corigliano[5]通過平面應變單元模擬以獲得支護體等效彈性模量，但在我國工程實例中幾乎未曾使用。本文依托寶蘭客運專線鐵路王家溝隧道工程，采用2種計算方法對影響初期支護等效彈性模量的因素進行研究，比較分析了2種結果的差異性，得出更符合工程實際的等效彈性模量計算法，以期為后續類似工程設計與施工提供參考。

1 工程概況

王家溝隧道為單孔雙線隧道，位于蘭州榆中縣境內,地處黃土梁茆溝壑區。海拔高程1 870～2 100 m,相對高差200～250 m,隧道起訖里程DK983+685～DK986+306，全長2 621 m，洞身大約埋深214 m。隧道洞身穿越的地層主要為：第四系全新統沖積砂質黃土，上更新統風積、沖積砂質黃土，沖積礫砂，第四系中更新統風積黏質黃土、洪積中砂，第三系上新統泥巖。隧道各溝谷中基本無水，洞身穿越黃土層，地下水主要為黃土孔隙裂隙水，賦存于第四系砂質黃土的孔隙裂隙中，區內降水量少，地下水接受大氣降水的季節性補給，隧道地表水和地下水對圬工均具有氯鹽和硫酸鹽侵蝕性。隧道主要以三臺階法施工，由于隧道進口淺埋段黃土含水量大，造成隧道沉降過大，引起了拱架嚴重變形和噴射混凝土開裂，部分危險段采用CRD法施工，如圖1所示。

(a)三臺階法

(b)CRD法

2 初期支護彈性模量分析

基于客運專線大斷面黃土隧道施工環境,初期支護結構安全度應能適應黃土特性,適應大斷面快速施工要求[6],初期支護彈性模量的取值決定著初期支護提供的支護壓力，進一步也關系到初期支護的結構安全(見圖2)。目前對于其彈性模量的計算主要有2種方法：1)鋼拱架采用等效方法計算，即將鋼拱架彈性模量折算給混凝土，其等效彈性模量E可按式(1)計算(折算法)；2)初期支護采用線彈性各向同性的平面應變單元模擬，其等效彈性模量Eeq可按式(2)計算(模擬法)。本文將以王家溝隧道采用的I25a型鋼鋼架和厚度30 cm噴射混凝土為主，通過2種計算方法對初期支護結構安全起重要作用的彈性模量進行比較分析。

圖2 初期支護橫截面

E=(EcAc+EaAa)/A;

(1)

(2)

式中：E為折算法等效彈性模量，MPa；Eeq為模擬法等效彈性模量，MPa；Ec、Eshot分別為噴射混凝土的彈性模量，MPa；Ea、Esteel分別為鋼拱架的彈性模量,MPa；Aa、Asteel分別為鋼拱架的橫截面面積,cm2；S為噴射混凝土厚度，cm；d為鋼拱架縱向布置間距,cm；Ac為噴射混凝土橫斷面面積，cm2；A為初期支護整體橫斷面面積,cm2[5，7]；Jsteel為鋼拱架橫截面慣性距，cm4。

2.1 鋼拱架間距

初期支護提供的支護壓力主要來自鋼拱架和噴射混凝土組成的支護體，其主要取決于材料的彈性模量，等效彈性模量受拱架間距影響較為明顯。如圖3所示，2種計算所得的等效彈性模量都隨鋼拱架間距的增大逐漸減小，模擬法的彈性模量始終略小于折算法的彈性模量,其相對差值δ為1%～3%，相對差值隨拱架間距的線性關系為：δ=-0.023d+4.1，相關系數為0.96。

2.2 噴射混凝土厚度

隧道開挖初期，支護壓力主要由鋼拱架提供，待噴射混凝土達到一定強度后，圍巖支護壓力則由拱架和噴射混凝土組成的初期支護體提供。噴射混凝土的厚度直接影響著支護壓力，其厚度與鋼拱架截面高度相差無幾。初期支護的等效彈性模量隨噴射混凝土厚度的變化規律如圖4所示，折算彈性模量隨厚度的增大而減小收斂，模擬彈性模量隨厚度的增大而增大收斂。根據施工經驗，支護壓力不會隨噴射混凝土厚度的增大而減小，若厚度過薄其所提供支護壓力肯定小，所以合適的噴射厚度才能提供最有效的支護壓力，可見模擬彈性模量在此較為合適。2種等效彈性模量在噴射混凝土厚度為30～40 cm時最為接近，則：Eeq=E(0.42lnS-0.47)，相關系數為0.98，一般隧道施工初期支護的噴射混凝土厚度約為30 cm。

δ=|Eeq-E|/E×100%

圖3彈性模量與拱架間距關系

Fig.3 Correlation between elastic modulus and steel arch spacing

圖4 彈性模量與噴射混凝土厚度關系Fig.4 Correlation between elastic modulus and shotcrete thicknes

2.3 鋼拱架型號

隧道采用的各種型鋼拱架(如：H鋼、工字鋼、槽鋼)與噴射混凝土組成的初期支護等效彈性模量如表1所示，可以看出折算法彈性模量隨噴射混凝土厚度在減小，這與實際工程不相符，故采取模擬法計算初期支護彈性模量更為合適。圖5為采用Table Cuver 3D技術對數值計算數據結果生成的三維曲面，分析噴射混凝土厚度與型鋼鋼架間距對初期支護等效彈性模量的影響，從中可以得出三者之間的相互關系表達式及相關系數。由圖5可知，拱架間距和噴射混凝土厚度對不同型號拱架組成的初期支護彈性模量的影響都比較顯著，其中噴射混凝土厚度對等效模量的影響比拱架間距更加突出。

表1 初期支護等效彈性模量Table 1 Elastic modulus of primary support MPa

2.4 工字鋼型號

工字鋼作為隧道的鋼拱架最為普遍，采用不同型號的工字鋼作為拱架既影響隧道施工質量安全又關系著施工成本，更影響著初期支護等效彈性模量。等效彈性模量隨工字鋼型號(即截面面積的大小)的變化規律如圖6所示，折算彈性模量始終表現為隨截面面積的增大而線性增大，而模擬彈性模量隨截面面積總是起起伏伏，但變化范圍較小，表現的更為穩定。二者的比值隨拱架截面面積在0.95～1.01之間變化，則：Eeq=E(-0.074lnAa+1.27)，相關系數為0.85。

3 初期支護壓力

王家溝隧道進口淺埋黃土段，由于黃土含水量過高，采用了I25a型鋼拱架，拱架間距60 cm,噴射混凝土等級為C25，噴射厚度30 cm。由式(3)求得初期支護中鋼拱架最大支護壓力[8]，鋼拱架提供的最大支護壓力隨拱架間距的增大而減小，最大支護壓力為360 kPa(見圖7)。噴射混凝土最大支護抗力由鋼拱架與混凝土組成的支護體共同提供，根據式(4)由折算法與模擬法得到的等效彈性模量求得支護體的單軸抗壓強度[9]，再由式(5)計算出支護體能承受的最大支護抗力[10-11]。圖8為噴射混凝土28 d后達到標準強度得出的最大支護抗力，由折算法得出的最大支護抗力隨噴射厚度的增大先減小后逐漸增大，而模擬法得出最大支護抗力隨噴射厚度的增大線性增大，最大支護抗力分別為1 851 kPa和1 680 kPa，并且在噴射厚度35 cm附近，折算法計算出的最大支護抗力略等于模擬法，模擬法顯得更加保守。從計算結果看出，拱架提供的支護壓力遠小于噴射混凝土提供的支護抗力，由于噴射混凝土噴射一段時間后才能達到強度要求用以提供支護抗力，所以起初抵抗圍巖壓力的抗力主要由鋼拱架提供。

r2=0.972 2;a=29 644.6;b=-1 132 287.9;c=326 846.32。

(a)H型鋼(H20)

r2=0.975 0;a=29 725.319;b=-1 073 985.5;c=179 089.5。

(b)工字鋼(I22a)

r2=0.960 8;a=29 577.281;b=-917 593.29;c=164 128.72。

(c)槽鋼([22b)

圖中：Eeq=a+b/S2+c/d;

圖5等效彈性模量擬合曲面

Fig.5 Fitting surface of elastic modulus

圖6 彈性模量與拱架截面面積關系Fig.6 Correlation between elastic modulus and cross-sectional area of steel arch

Pmax，set=σst,yAsteel/[(R-hset/2)d];

(3)

Ec=1×105/(2.2+34.7/σc,shot);

(4)

Pmax,shot=σc,shot[1-R2/(R-S)2]/2。

(5)

式中：Pmax，set為鋼拱架提供的最大支護壓力，kPa；Pmax,shot為噴射混凝土提供的最大支護抗力，kPa；R為隧道開挖半徑,m；σsty為鋼拱架材料的屈服強度,MPa；hset為鋼拱架厚度，m；σc,shot為噴射混凝土的單軸抗壓強度，MPa。

圖7 鋼拱架最大支護壓力與間距關系Fig.7 Correlation between maximum supporting pressure of steel arch and spacing of steel arch

圖8 噴射混凝土最大支護抗力與厚度關系Fig.8 Correlation between maximum supporting pressure of shotcrete and thickness of shotcrete

混凝土軸心抗壓強度隨齡期單調增長，但增長速度逐漸減小并趨向收斂[12]。折算法和模擬法計算出的噴射混凝土支護體的支護抗力隨齡期變化趨勢如圖9所示，早期強度低變化快，折算法和模擬法得出支護體的支護抗力在噴射1 d后分別達到426 kPa和386 kPa。王家溝隧道進口淺埋段DK983+892.2處黃土斷面埋入監測圍巖壓力壓力盒，圍巖監測壓力分布如圖10所示。隧道拱頂與拱腰圍巖壓力過小，主要原因是隧道圍巖的黃土含水量過大，接近飽和狀態，開挖過程中黃土由于自重墜落，出現了開挖過剩，最終導致噴射混凝土與圍巖沒有形成嚴密地接觸，故未監測到實際的拱頂與拱腰處圍巖壓力。根據監測結果可知，隧道最寬處的圍巖壓力達到了400 kPa左右，正好位于386 kPa和426 kPa附近，說明運用模擬法得出抗力的支護體更容易發生變形破壞，這與施工現場混凝土噴射不久后發生的嚴重變形相吻合，故模擬法計算的等效彈性模量更為合理、更加適用。

圖9 噴射混凝土支護抗力與齡期關系Fig.9 Correlation between supporting pressure of shotcrete and age of shotcrete

(b)圍巖監測壓力分布

4 結論及討論

鋼拱架和噴射混凝土組成的初期支護結構與隧道圍巖共同承擔開挖而形成的荷載。本文通過對二者組成的支護體等效彈性模量進行深入分析，得到以下結論：

1)初期支護體等效彈性模量的計算方法主要有折算法和模擬法，應該按隧道不同支護形式選擇更貼近工程實際的計算方法。

2)初期支護體等效彈性模量主要受鋼拱架間距、噴射混凝土厚度與拱架型號等因素的影響。

3)采用模擬法計算出的等效彈性模量在影響因素作用下更為穩定、合理、適用。

4)噴射混凝土達到標準強度后，其最大支護抗力遠大于圍巖壓力，足夠可以維護圍巖穩定，支護體變形破壞發生在混凝土早期齡期，原因在于抵抗圍巖壓力的抗力主要由鋼拱架提供，而鋼拱架提供的最大支護壓力很小。

隧道施工中初期支護安全是隧道安全的重中之重，尤其在含水量大的黃土隧道中，其黃土圍巖的變形特征與支護體提供壓力的作用機理還有待進一步研究。

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南京城西干道技術創新為工程保駕護航

日前，城西干道草場門隧道、江東北路龍江隧道竣工通車，城市快速內環的最后一個節點實現閉合，這標志著南京快速內環全線貫通。

技術創新為工程保駕護航

城西干道綜合改造工程全線范圍內既有高架橋和隧道的拆除，又有新建道路工程、橋梁工程、隧道工程、排水工程、供電照明工程、通信監控工程、景觀綠化工程、交通安全設施、管線綜合工程等。工程東倚明城墻、西臨秦淮河、上下有運行中的各類管網，并與地鐵線(規劃、新建、既有線)交叉，工程建設中要確保道路、各類管線、地鐵等正常使用。工程建設規模之大、環境之復雜、技術難度之高，均為南京市政工程建設之最。工程中運用了不少技術創新。

六大新技術

大體積橋梁爆破技術。城西干道需完成6座高架橋共3次爆破拆除工程，因城西干道地下存在大量的地下設施，如地鐵隧道、人防工事、排洪涵洞、大直徑排污管及自來水管道等，兩側存在較多的商鋪及居民樓等，橋梁爆破過程中基于以上情況對地下設施保護的城市橋梁精細爆破設計、復雜環境條件下城市橋梁爆破飛散物控制的機制和技術、橋梁塌落沖擊作用下淺埋管線的防護技術研究與應用和城市橋梁爆破拆除塌落沖擊地面作用的動態測試與分析進行了研究，并在爆破過程中取得了良好的效果，達到了對地下設施和居民樓保護的目的。

“虛擬現實”設計技術。由于城西干道綜合改造工程涉及專業多、線路長，為直觀展現改造后的效果，首次在大型市政工程中采用“虛擬現實”設計，即采用三維設計的概念，在空間上展示各單項設計綜合后的效果，便于設計人員及早發現各專業之間的矛盾，及時調整設計，避免了返工的損失。

名勝古跡保護技術。集慶門隧道東側為明城墻、西側為秦淮河，均為南京市的名片，保護好明城墻和秦淮河是每一個建設者的責任，在設計上采用了雙排樁的設計，老隧道采取分段破除方案，最大限度減少施工對城墻的擾動；為了減少對秦淮河的污染，采用拉森鋼板樁+模袋沙吹填的圍堰工藝，既降低了工程成本，又減少了污染。

大口徑管道不停水切換技術。城西干道規劃污水進水管位于城市污水主干網的末端，水量巨大，如果在管道接駁過程中污水下河，將直接影響秦淮河的水質，所以在方案論證階段就確定了管道接駁期間污水不能下河。針對不同的管道接駁要求，確定了設騎馬井分倉施工、套管暗挖法、插板導流、管道旁路等多種技術措施保證污水不下河，有效地保護了環境。

隧道結構健康監測技術。通過布設監測設備，監測隧道特殊地段隧道結構的受力變化，對隧道在運營期的結構行為及影響進行監測和數據分析，對隧道的健康狀況以及使用壽命進行評估，判斷隧道結構在設計基準期內的安全性以及指導運營；同時可以合理配置隧道養護資源，降低成本、及時高效保證隧道的運營狀態健康和安全。

隧道群集成管控技術。項目建成后實現對內環隧道群的集中控制和管理，改造后主系統與分系統層次分明，系統可靠，實現多專業綜合，多功能集成，多系統信息互通，且具有開放性好、可擴展性強、可維護性高等特點；同時實現隧道的數字化管理，主要是在新建的地理信息系統軟件基礎上，根據運營單位的管理制度、工作流程，進行二次開發，疊加土建、機電、車輛等信息，通過系統集成軟件處理后以圖文的形式反映土建、機電設備、管養車輛，以及運營、管理所需的相關信息，實現對所轄隧道土建及機電設施進行智能化的管理和維護。

(摘自 路橋技術網 http://www.cnluqiao.com/article-5609.html 2014-07-24)

AnalysisonRigidityofPrimarySupportofCompositeLiningandItsInfluencingFactors

LI Chunqing1,2,LIANG Qingguo1,2,WU Xuyang1,2,SUN Kai3

(1.KeyLaboratoryofRoad&BridgeandUndergroundEngineeringofGansuProvince,Lanzhou730070,Gansu,China;2.CollegeofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,Gansu,China;3.TheSecondEngineeringGroupCo.,Ltd.,ofChinaRailwayErjuCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

There are a lot of super-large cross-section loess tunnels on Baoji-Lanzhou passenger-dedicated railway.In this article,the-state-of-the-art of studies on the design of the primary support of loess tunnels on passenger-dedicated railways is presented,the equivalent elastic modulus of the primary support of the tunnels is calculated by means of conversion method and simulation method,comparison and contrast is made between the calculation results obtained by these two calculation methods,the value of the elastic modulus of the primary support and the pressure of the primary support are analyzed on basis of the monitoring data of the rock mass pressure.The study results show that the equivalent elastic modulus of the primary support calculated by simulation method is more accurate.The paper can provide reference for the design and construction of similar projects in the future.

loess tunnel;composite lining;primary support;elastic modulus;shotcrete;support pressure

2014-05-23;

2014-07-11

國家自然科學基金(41262010)；長江學者和創新團隊發展計劃(IRT1139)；蘭州交通大學“青藍”人才工程項目(QL-08-19A)

李春清(1987—)，男，甘肅永靖人，蘭州交通大學，巖土工程專業，在讀碩士，主要從事巖土與地下工程研究。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.008

U 455.6

A

1672-741X(2014)08-0754-06