浩吉鐵路黃土隧道初期支護格柵鋼架應用研究

皮 圣

(川藏鐵路有限公司，四川 成都 610043)

0 引言

在黃土地區修建雙線或大跨度隧道，經過近幾十年的發展(尤其是鄭西高鐵的修建)，設計施工技術取得了較大的進步，形成了系統的黃土隧道修建成套技術[1-5]。針對現有支護結構型式，相關學者在錨桿設置、鋼架形式、應用范圍等方面開展了一系列研究。錨桿設置方面：唐培連[6]通過現場實測發現拱頂錨桿支護效果不明顯，建議取消拱部錨桿；楊建民[7]根據對淺埋大斷面黃土隧道現場實測，陳建勛等[8]采用數值分析，建議取消拱部系統錨桿，加強鎖腳錨桿設置；孟德鑫等[9]對大斷面黃土隧道采用離心試驗，得出系統錨桿對控制隧道變形效果不明顯，建議取消系統錨桿。鋼架選型方面：譚忠盛等[10]開展型鋼和格柵2種鋼架現場試驗，研究認為采用格柵鋼架的圍巖壓力、支護結構應力較型鋼鋼架小，Ⅳ級黏質老黃土隧道采用格柵鋼架更具優越性；李健等[11]基于現場對比試驗和支護與圍巖特征曲線相互作用研究，表明鄭西大斷面黃土隧道Ⅳ級黏質老黃土隧道采用格柵鋼架的經濟性和施工速率更佳，Ⅴ級砂質新黃土宜采用型鋼鋼架；馬凱蒙[12]通過現場試驗與數值模擬相結合的方法建立混凝土強度增長曲線，認為混凝土早期強度控制較好且結構對沉降控制要求不大時可選用格柵鋼架支護。以上研究成果及現有規范[13-14]推薦大跨度(12～14 m)黃土隧道Ⅳ級圍巖采用格柵鋼架，Ⅴ級圍巖基本不采用格柵鋼架。

結合既有研究成果，綜合考慮格柵鋼架相比型鋼鋼架質量輕、安裝快、用鋼量少、能與噴射混凝土良好結合、應力小且分布均勻、適應變形能力強等優點[15]，研究將格柵鋼架推廣應用到黃土雙線Ⅴ級圍巖地段，洛吉鐵路全線初期支護混凝土采用噴射速度大于15 m/h的濕噴機械手作業，能確保噴射混凝土的早期強度。為此，對全線黃土隧道初期支護鋼架類型和型號進行統一設計，開展模型比例為1∶1的全環格柵鋼架混凝土結構力學性能試驗和現場力學指標測試。

1 黃土隧道概況

新建蒙西至華中地區鐵路煤運通道(即“蒙華鐵路”，開通運營后更名為浩吉鐵路，以下簡稱“浩吉鐵路”)北起內蒙古自治區浩勒報吉南站，途徑陜西、山西、河南、湖北、湖南，止于江西省吉安站，正線全長1 813.544 km。全線共有隧道229座，長468.5 km，其中74座隧道分布有黃土段落，共計176.4 km，主要分布在陜西、山西地段。

雙線黃土隧道開挖面積為101.44～170.87 m2，開挖跨度為11.16～15.40 m。洞身穿越黃土類型主要有砂質新黃土(淺黃色，稍密—中密，土質均勻，砂感較強，具濕陷性)、砂質老黃土(棕褐色，中密—密實，土質均勻)、黏質新黃土(黃褐色，軟塑—硬塑，具濕陷性)、黏質老黃土(棕褐色，硬塑—堅硬，垂直節理發育，含蒙脫石，具弱膨脹性)。

1.1 黃土物理力學特性

全線隧道黃土的物理力學性質具有如下特點：

1)孔隙率大、密度小、透水性好。孔隙率為45%～55%(孔隙比為0.8～1.1)，干密度為1.3～1.5 g/cm3。

2)含水率較高。含水率為10%～29%，飽和度為85%～90%，因含水率不同呈現硬塑—流塑狀態。

3)抗水性差。以粉粒和親水弱的礦物為主，具有大孔結構，天然含水率小，具有黏粒的強結合水聯結和鹽分的膠結聯結，在干燥時可以承擔一定荷載而變形不大；但受水浸濕后，土粒聯結顯著減弱，引起土結構破壞產生濕陷變形。特別是對于干燥的黃土，遇水極易崩解。

4)黃土濕陷性差異大。濕陷性系數為0.015～0.126，從不具濕陷性到強濕陷性。

5)塑性較小。液限為23%～33%，塑限為15%～20%。

6)黏聚力和內摩擦角差異大。自然狀態下黏聚力為0.03～0.06 MPa，內摩擦角為15°～25°；受水浸濕后，黃土的壓縮性隨著含水率的增加而急劇增大，抗剪強度隨之顯著降低。

1.2 黃土不良地質特點

黃土地區沖溝發育，洞口段常見陷穴、淺層溜塌體，淺埋、淺埋偏壓，主要分布新黃土，呈松散結構，局部易發生坍塌；部分淺埋黃土區段，洞身位于地下水位以下，黃土呈流塑—軟塑狀，開挖成型難；土石界面區段，黃土豎向節理發育，基巖裂隙發育，伴隨裂隙水，黃土開挖易局部掉塊，下部巖體需采用控制爆破施工；埋深90 m以上老黃土地段，含水率較高(局部達到18%以上)，開挖后持續變形時間長，支護結構形變壓力大。

2 初期支護鋼架形式及全環力學試驗

2.1 初期支護鋼架形式

浩吉鐵路隧道建設明確初期支護作為主要承載結構，與圍巖共同作用承擔施工期的全部荷載，不受二次襯砌步距限制。初期支護變形基本穩定后，二次襯砌施工根據施組安排確定。

考慮全線隧道Ⅳ～Ⅴ級圍巖初期支護鋼架均有采用格柵鋼架和型鋼鋼架2種類型，鋼架型號和參數類型較多，不利于采用工廠化集中生產加工。綜合格柵鋼架和型鋼鋼架的力學性能特點，在征集全鐵路系統格柵鋼架設計圖的基礎上，編制了浩吉鐵路8字結格柵鋼架通用設計圖。根據隧道斷面形式、圍巖條件，全線黃土隧道格柵鋼架規格主要包含H150、H180、H230(H表示格柵鋼架高度)，格柵鋼架按40 mm(外側)、30 mm(內側)厚度設置混凝土保護層。黃土隧道格柵鋼架規格類型見表1。

表1 黃土隧道格柵鋼架規格類型

以H180型格柵鋼架為例，其結構設計如圖1所示。

(a)空間布置

2.2 格柵鋼架全環力學試驗

考慮全線黃土地段地質條件復雜，格柵鋼架應用范圍廣，為充分掌握格柵鋼架力學特性，對現場應用較多的H180型格柵鋼架，開展模型比例為1∶1的全環格柵鋼架混凝土結構力學性能試驗。

2.2.1 格柵鋼架噴混凝土試件

試件截面尺寸b×h=270 mm×800 mm，格柵鋼架位于試件中間位置。試件制作流程為：格柵鋼架拼接與架立—沿格柵鋼架弧度架設內外木模—采用隧道實際工程所用C25噴射混凝土一次性澆筑成型—拆模以及對試驗構件進行定期養護，直到混凝土達到設計強度。

2.2.2 試驗加載系統

全環試驗采用臥式靜力加載系統，從試驗結構縱向和環向方向施加均布荷載，加載系統分為4部分。試驗由鋼筋混凝土反力墻提供反力，鋼絞線束錨固在反力墻與千斤頂之間以對構件施加千斤頂提供的加載力，鋼板焊接組成的加載梁與工字鋼焊接組成的弧形分配梁位于千斤頂和試驗試件之間，將千斤頂和鋼絞線束提供的點荷載轉變為均布荷載作用在試驗結構上。加載系統如圖2—5所示。

圖2 全環加載示意圖

圖3 局部加載示意圖

圖4 分配梁與加載梁示意圖(單位：mm)

圖5 現場試件

2.2.3 試驗測試結果

試驗采用拱頂加載-橫向約束，通過拱頂5個Ⅰ型弧形梁處10個千斤頂對試驗構件施加徑向向內的等大荷載，同時限制拱腰及邊墻位置上Ⅱ、Ⅲ型弧形梁及仰拱Ⅳ型弧形梁處沿徑向向外的位移，對加載處的試驗構件位移與變形進行實時量測。

試驗共制作2個試件，進行了破壞性試驗，拱頂加載-橫向約束位移下結構極限荷載-位移曲線如圖6所示(“中Ⅰ”表示處于示意圖中間位置的Ⅰ型弧形梁所對應的結構部分，“左Ⅰ-1”表示處于示意圖左側距離中間最近處的結構部分，以此類推)。

圖6 拱頂加載-橫向約束下結構極限荷載-位移曲線

實時測量2個試件Ⅰ型結構部分荷載與位移如表2所示。

表2 拱頂加載-橫向約束下結構極限荷載與位移值

格柵鋼架混凝土全環力學試驗研究成果表明，在拱頂加載-橫向約束狀態下，格柵鋼架混凝土全環結構在極限狀態下承載值為937.68 kN，換算圍巖壓力值為651.17 kPa，相當于可承擔32.56 m高度的黃土自重，最大變形量均值為92.85 mm，在考慮鋼筋混凝土結構強度安全系數為2.4的情況下，換算成黃土自重高度為13.56 m。格柵鋼架混凝土全環結構表現出較高的承載能力兼顧較大的變形協調能力。

3 黃土隧道支護結構參數及施工工法

3.1 支護結構參數

全線黃土隧道支護類型主要包含Ⅳ土、Ⅴa土、Ⅴb土3種類型，其中Ⅳ土支護類型主要用于深埋黏質老黃土、砂質老黃土地段，Ⅴa土、Ⅴb土主要用于淺埋、偏壓等黏質新黃土、砂質新黃土及富水飽和黃土地段。黃土隧道初期支護結構參數包含拱部120°范圍超前小導管、全環格柵鋼架、鎖腳錨管、雙層鋼筋網片、φ22 mm縱向鋼架連接筋(環向間距1 m，單排交錯布置)及C25噴射混凝土。Ⅴb土支護結構如圖7所示。

圖7 Vb土支護結構圖(單位：m)

3.2 施工工法

全線黃土隧道采用微三臺階法開挖，臺階長度一般為5 m，上臺階根據掌子面自穩能力視情況預留核心土，預留核心土處左右同步開挖，下臺階帶仰拱一次開挖成型。一次開挖進尺為1～2榀鋼架間距，強調初期支護格柵鋼架緊跟掌子面，初期支護仰拱及時封閉成環緊跟下臺階；初期支護仰拱封閉成環距掌子面距離一般為1～1.5倍洞跨(特殊地段按不大于2倍洞跨控制)。現場微三臺階法開挖如圖8所示。

圖8 微三臺階法開挖

4 黃土隧道初期支護結構現場力學測試

為確保全線黃土隧道初期支護采用格柵鋼架的可行性，在鄭莊隧道Ⅳ級圍巖地段和郭旗隧道Ⅴ級圍巖地段開展了現場力學測試，對初期支護變形收斂、圍巖壓力、噴射混凝土應力、格柵鋼架應力等進行測試分析。

4.1 Ⅳ級圍巖支護結構類型

鄭莊隧道Ⅳ級圍巖試驗段長30 m，埋深80～112 m，每隔10 m布設1個監測斷面，共計3個，監測斷面全環設置8個監測點。掌子面圍巖主要為黏質老黃土、砂質老黃土，掌子面揭露呈黃色，節理裂隙較發育，開挖局部掉塊，有少量地下水。全環采用H150型格柵鋼架，間距0.6 m，網噴C25噴射混凝土，厚度為22 cm。

4.1.1 拱頂下沉及水平收斂

拱頂下沉及水平收斂曲線如圖9所示。由圖可知，監測斷面拱頂下沉值為80 mm，水平收斂值為32 mm。初期支護全斷面封閉成環后，拱頂沉降及水平收斂速率快速下降并趨于穩定，后期拱頂下沉值僅增加20 mm，水平收斂值基本無增加，歷時約1個月變形趨于穩定。

(a)拱頂下沉

4.1.2 圍巖壓力

選取一試驗斷面進行圍巖與初期支護間壓力測試，部分有效測點壓力數據如圖10所示。由圖可知，隧道拱腰至邊墻部位圍巖壓力較大，最大值位于左側邊墻上部，為352.6 kPa，約占初期支護極限承載圍巖壓力值的54.2%。隧道拱頂部位可能因壓力盒與圍巖間接觸不緊密，導致實測壓力值偏小。

圖10 圍巖壓力(單位：kPa)

4.1.3 格柵鋼架應力

監測斷面格柵鋼架應力包絡圖如圖11所示。由圖可知，全環格柵鋼架承受壓應力，內外側鋼架應力值相差不大，最大壓應力值為36.74 MPa，位于右邊墻。格柵鋼架應力值遠小于HRB400鋼筋屈服強度(400 MPa)，強度利用率不到10%。

(a)內側

4.1.4 噴射混凝土應力

監測斷面噴射混凝土應力包絡圖如圖12所示。由圖可知，全環噴射混凝土承受壓應力，內側壓應力稍大于外側壓應力;隧道拱部及邊墻壓應力值較大，最大壓應力值為28.8 MPa，位于邊墻左側。除個別監測點外，其余部位噴射混凝土壓應力值均在C25噴射混凝土彎曲抗壓極限強度24.2 MPa之內，初期支護噴射混凝土總體強度滿足安全需求。

(a)內側

4.2 Ⅴ級圍巖支護結構類型

姚店隧道Ⅴ級圍巖試驗段長30 m，埋深92～94 m，每隔10 m布設1個監測斷面，共計3個，監測斷面全環設置8個監測點。掌子面圍巖主要為黏質新黃土、砂質新黃土，局部黏質老黃土、砂質新黃土，掌子面揭露呈黃色，節理裂隙較發育，開挖面自穩較困難，開挖局部掉塊，有少量地下水，上臺階開挖預留核心土。全環采用H180型格柵鋼架，間距為0.75 m，網噴C25噴射混凝土，厚度為25 cm。

4.2.1 拱頂下沉及水平收斂

拱頂下沉及水平收斂曲線如圖13所示。由圖可知，監測斷面拱頂下沉值為110 mm，水平收斂值為42 mm。中下臺階開挖階段，初期支護拱頂下沉變化速率較快，下臺階開挖基本完成時，拱頂下沉值達到100 mm，水平收斂值呈震蕩性變化；初期支護全斷面封閉成環后，拱頂沉降及水平收斂速率快速下降并趨于穩定；歷時約1個月變形趨于穩定。

(a)拱頂下沉

4.2.2 圍巖壓力

選取一試驗斷面進行圍巖與初期支護間壓力測試，測得圍巖壓力如圖14所示。受圍巖巖性、節理裂隙等因素影響，圍巖左側部分壓力值明顯大于右側；隧道拱部、墻腳及仰拱中心存在較大的圍巖壓力，最大值位于拱腰處，為298.5 kPa，約占初期支護極限承載圍壓值的45.9%。

圖14 圍巖壓力(單位：kPa)

4.2.3 格柵鋼架應力

監測斷面格柵鋼架應力包絡圖如圖15所示。由圖可知，全環格柵鋼架承受壓應力，總體上內側鋼架應力值大于外側，隧道拱部及邊墻承受較大的壓應力；格柵鋼架最大壓應力值為242.4 MPa，位于右側拱腰。除少數部位格柵鋼架強度利用率達到60%外，多數部位格柵鋼架強度利用率為20%～46%。

(a)內側

4.2.4 噴射混凝土應力

監測斷面噴射混凝土應力包絡圖如圖16所示。由圖可知，全環噴射混凝土承受壓應力，內側壓應力稍大于外側壓應力；隧道拱腰及邊墻壓應力值較大，最大壓應力值為47.34 MPa，位于左側拱腰。總體上噴射混凝土壓應力均值為7.42～26.87 MPa，除個別監測點外，其余部位噴射混凝土壓應力值均在C25噴射混凝土彎曲抗壓極限強度24.2 MPa之內，初期支護噴射混凝土總體強度滿足安全需求。

(a)內側

5 黃土隧道初期支護變形收斂數據統計分析

為進一步探究黃土隧道初期支護采用格柵鋼架的可靠性，對全線黃土隧道約15 000個測試斷面的初期支護變形收斂數據進行統計分析。統計數據均持續監測1個月以上并趨于穩定，同時刪除了部分變形異常點數據。

5.1 Ⅳ級圍巖

5.1.1 變形總量

Ⅳ級圍巖初期支護變形最大值分布情況如圖17所示。全線黃土隧道Ⅳ級圍巖初期支護拱頂下沉最大值為77.5 mm，水平收斂最大值為47.8 mm；95%以上監測斷面拱頂下沉值小于45 mm，水平收斂值小于35 mm；拱頂下沉和水平收斂隨埋深分布離散性較大，無顯著規律。拱頂下沉及水平收斂值均小于開挖預留變形量控制值(80～120 mm)。

圖17 Ⅳ級圍巖初期支護變形最大值分布情況

5.1.2 變形速率

Ⅳ級圍巖初期支護變形速率分布情況如圖18所示。全線黃土隧道Ⅳ級圍巖初期支護變形速率分布主要集中在5 mm/d以內;淺埋隧道初期支護變形速率均未超過5 mm/d；深埋隧道初期支護約13%的監測斷面拱頂變形速率超過5 mm/d，最大變形速率為10 mm/d。

圖18 Ⅳ級圍巖初期支護變形速率分布情況

5.2 Ⅴ級圍巖

5.2.1 變形總量

Ⅴ級圍巖初期支護變形最大值分布情況如圖19所示。全線黃土隧道Ⅴ級圍巖初期支護拱頂下沉最大值為145 mm，水平收斂最大值為45 mm;90%以上監測斷面拱頂下沉值在50 mm以內。淺埋隧道相比深埋隧道拱頂下沉量要大，但達到80～120 mm的僅占2%。拱頂下沉及水平收斂值均在開挖預留變形量控制值之內(120～150 mm)。

圖19 Ⅴ級圍巖初期支護變形最大值分布情況

5.2.2 變形速率

Ⅴ級圍巖初期支護變形速率分布情況如圖20所示。全線黃土隧道Ⅴ級圍巖初期支護變形速率分布主要集中在5 mm/d以內。淺埋隧道拱頂變形速率在5～10 mm/d的占比約7%，10～15 mm/d的占比約6%，個別斷面變形速率達到30 mm/d；深埋隧道拱頂變形及水平收斂變形速率基本在5 mm/d以內。

圖20 Ⅴ級圍巖初期支護變形速率分布情況

6 結論與建議

本文基于浩吉鐵路黃土隧道初期支護格柵鋼架模型試驗、現場力學測試及初期支護變形收斂數據統計分析，得出如下結論：

1)8字結格柵鋼架混凝土結構表現出較高的承載能力兼顧較大的變形協調能力。在承載能力極限狀態下，H180型格柵鋼架可承載相當于32.56 m的黃土自重，考慮安全系數為2.4情況下可承載13.56 m的黃土自重。

2)現場試驗段的力學測試表明，無論圍巖為老黃土還是新黃土，格柵鋼架均可應用于Ⅳ、Ⅴ級圍巖，初期支護變形收斂值、格柵鋼架應力、噴射混凝土應力均在允許范圍內。

3)基于大數據的初期支護變形收斂統計數據可知，黃土隧道初期支護采用格柵鋼架型式，Ⅳ級圍巖95%以上監測斷面拱頂下沉值小于45 mm，水平收斂值小于35 mm；Ⅴ級圍巖90%以上監測斷面拱頂下沉值小于50 mm。拱頂下沉及水平收斂值均在開挖預留變形量控制值之內。

鑒于本線為重載鐵路隧道，黃土隧道斷面呈馬蹄形，隧道跨度和高度相差不大，斷面受力相對較好。為進一步推廣格柵鋼架應用范圍，建議在黃土隧道各類圍巖條件下的高鐵大斷面開展應用研究。