單線重載鐵路隧道復合式襯砌結構優化研究

梅 竹

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

0 引言

中國鐵路隧道自從采用新奧法施工以來，復合式襯砌結構已成為隧道永久性建筑物的主體。復合式襯砌是由初期支護、防水層和模筑混凝土組成的一種復合式結構型式。

WANG等[1]分析了重載鐵路道面壓力隨時間分布情況，并進一步研究了隧道仰拱在循環荷載作用下的破壞規律。DU等[2]采用超靜定反應法(the hyperstatic reaction method, HRM)分析了U型隧道襯砌結構在分層巖土環境下的性能變化。LI等[3]分析了27 t軸重的鐵路隧道襯砌內力在不同圍巖條件下的動力響應及力學特性。LIU等[4]研究了30 t軸重和圍巖壓力的耦合作用以及基礎結構的疲勞特性。ZHANG等[5]對重載鐵路隧道的激勵荷載時程曲線進行研究，并分析了空隙大小對襯砌抗疲勞壽命的影響。肖明清等[6-7]提出了高速鐵路雙線隧道初期支護方案及襯砌設計參數。羅章波[8]提出了時速200 km/h雙層集裝箱鐵路的復合式襯砌優化參數。陳建勛等[9]應用工程類比法對榆樹溝隧道二次襯砌厚度進行優化設計，并給出二次襯砌厚度優化建議。楊昌賢[10]以結構強度和配筋率為約束條件，對二次襯砌的厚度和配筋進行優化。馮冀蒙等[11]利用室內試驗，得到隧道承載力的變化規律，供隧道結構的全壽命設計對比參考。周建等[12]通過分析處理實測數據得到不同隧道斷面壓力隨跨度和深度的變化情況，并結合經驗公式探究其可靠程度。王長輝[13]研究了混凝土強度與二次襯砌耐久性之間的關系以及二次襯砌厚度對結構安全的影響。孫明社等[14]提出了“先計算初期支護壓力、襯砌后方壓力，再計算結構分擔壓力比”的復合式襯砌分析新思路。彭躍等[15]利用數值分析軟件建立了地層-結構的二維計算模型，分析了不同空洞大小對襯砌結構受力的影響，并計算了相應的安全系數。

以上研究均是針對普通鐵路或高速鐵路隧道，現行的TB 10625—2017《重載鐵路設計規范》規定應對復合式襯砌設計的初期支護及二次襯砌的設計參數進行工程類比和理論分析確定。歐美等國興建了大量的重載鐵路隧道，但其設計理念與設計參數與中國有較大差別，且其具體的設計資料很難取得。中國已經開通數條重載鐵路，隧道設計在參考普通鐵路隧道的基礎上進行優化，但運營的重載鐵路隧道存在多種病害，已有的設計參數存在較大的優化空間。中國重載鐵路隧道多是結合工程類比和設計規范進行隧道支護設計，而本文在原有設計基礎上，新增不同的支護方案并進行實際的工程應用與監控量測，對原設計和新設計進行監測結果、數值計算分析與對比，再根據分析結果進一步給出支護參數的優化方案，其可靠程度更高。

本文依托蒙華鐵路單線隧道工程，在國內外隧道復合式襯砌結構相關研究成果的基礎上，結合蒙華鐵路工程的實際需要，采用現場測試與數值模擬相結合的方式開展復合式襯砌研究，評價初期支護安全性，確定蒙華鐵路隧道Ⅳ級圍巖條件下支護及襯砌設計參數，確定可優化隧道及其優化方案，以期為相似工程提供參考。針對Ⅴ級圍巖或自穩能力更差的巖土體，可以在Ⅳ級圍巖支護參數的基礎上，通過適當加密格柵鋼架或者加大襯砌厚度的方式來確保支護的安全可靠； 對于圍巖條件較好的情況，也可通過調整格柵鋼架間距和襯砌厚度的方式進行支護設計。

1 工程概況

1.1 工程建設條件

新建蒙華重載鐵路是國家重要的運煤通道，隧道占比28.2%，隧道穿越的主要地層有黃土、花崗巖、灰巖及砂層等，遇到的不良地質主要有富水斷層、高地應力及巖溶，線路軟弱圍巖段占比30%。大圍山隧道作為蒙華單線重載鐵路的試驗隧道之一，穿越地層情況復雜、施工難度大、施工風險高，具有較強的代表性。

為研究Ⅳ級圍巖條件下，單線隧道復合式襯砌結構中初期支護與二次襯砌的受力情況，選取大圍山隧道進行試驗研究，試驗隧道概況見表1，原設計襯砌斷面如圖1所示。

表1 試驗隧道概況

圖1 原設計(DIVA工況)襯砌斷面圖(單位： cm)

1.2 支護參數設計

在原設計DIVA工況基礎上，新增DIVC工況,將兩者作比較。DIVC工況采用35 cm厚的仰拱，同時加密了格柵鋼架。試驗工況支護參數見表2。

表2 試驗工況支護參數

2 數值模擬與現場監測

2.1 數值模擬

為探討監測位移的發展過程和開挖支護的對應關系，把握支護的變形受力特征，選取大圍山隧道進行施工過程數值模擬，分析比較監測結果和數值模擬計算的支護應力(內力)的差異程度。

大圍山隧道為深埋隧道(平均埋深約210 m，地應力水平約483 MPa)，采用臺階法開挖。采用FLAC2D有限元軟件進行建模分析，數值模型如圖2所示。根據距離開挖斷面遠近由密到疏進行網格劃分，再在模型底面施加豎向約束，兩側施加水平約束。施工過程模擬主要分為上臺階開挖、上臺階支護、下臺階開挖、下臺階支護、仰拱開挖、仰拱支護6個步驟。利用地應力釋放的概念模擬隧道開挖支護過程，即按每步開挖釋放未開挖時60%的地應力，支護時釋放40%的地應力，逐步開挖支護。具體如下：第1步上臺階開挖(釋放初始地應力的60%)；第2步上臺階支護(釋放初始地應力的40%)；第3步下臺階開挖(釋放第2步地應力的60%)；第4步下臺階支護(釋放第2步地應力的40%)；第5步仰拱開挖(釋放第4步地應力的60%)；第6步仰拱支護(釋放第4步地應力的40%)。

圖2 有限元計算模型(單位： m)

圍巖的物理力學參數結合現場試驗、相關地勘報告，采用RMR分類法確定。支護的彈性模量根據噴射混凝土和格柵鋼筋的彈性模量，按照等效抗彎剛度的方法計算得到。Ⅳ級圍巖及支護的物理力學參數見表3。

表3 Ⅳ級圍巖及支護物理力學參數

2.2 監測方案設計

隧道拱頂沉降和內空收斂是圍巖應力狀態變化最直接的反映，其位移測點布置如圖3(a)所示。噴射混凝土應力的監測先采用埋入式混凝土應變計進行噴射混凝土應變的監測，進而計算得到相應的應力，每個監測斷面布設10個測位，每個測位布置內外2個測點，如圖3(b)所示。格柵鋼架的內力采用鋼筋應力計(或表面應變計、頻率計)監測，測點布置如圖3(c)所示。

(a) 位移測點

3 結果分析

3.1 拱頂沉降和內空收斂分析

結合現場監測與數值計算結果，繪制相應的拱頂沉降和內空收斂隨時間(施工工序)的變化曲線，如圖4所示。

分析圖4可以看出拱頂沉降和內空收斂的大小以及變化趨勢，其數值模擬和現場監測結果基本一致。根據實測結果，拱頂位移和內空收斂隨時間的增加逐漸增大，增大速率減小，逐漸趨于平穩； 拱頂出現上升現象，位移值為-5～5 mm； 內空收斂各試驗工況差異較大，位移值為20～25 mm。根據數值模擬，拱頂沉降在上臺階開挖支護完成時約為3.3 mm，之后有較小的反彈上升，最后的收斂值為2.5 mm； 內空收斂在上臺階開挖支護完成時約為6 mm，之后漸漸增大，特別是在下臺階開挖和支護過程中累積收斂變形達到15.4 mm，最后的收斂值為22.8 mm。

(a) DIVA工況下隨時間變化圖

造成拱頂位移上升的原因有很多，與現場監測方法以及水平應力的釋放有關。由于本研究中的隧道埋深較大，可能存在的構造應力等因素導致水平壓力較大，當水平應力釋放時導致拱頂上升。監測數據中也表現較為明顯，水平收斂較大。數值分析中未考慮構造應力等的影響，因此可能導致模擬結果小于實測結果，但分析可知，實測結果和數值結果的內空變形均處于收斂狀態。

3.2 應力分析

利用有限元軟件進行計算，初期支護閉合后，2種工況下噴射混凝土的應力如圖5所示。通過數值模擬，得到初期支護施作完成后拱頂及兩側拱腰和仰拱位置處的計算應力；根據現場監測測點應變結果，結合初期支護和噴射混凝土彈性模量的關系換算得到噴射混凝土承擔的實際應力。不同工況噴射混凝土應力結果如圖6所示。

分析圖5和圖6可知，噴射混凝土應力主要表現為承擔壓應力，應力值為-11～0 MPa，均未達到噴射混凝土極限抗壓強度18.5 MPa，各工況噴射混凝土均處于安全范圍；不同設計工況噴射混凝土應力總體表現為“拱部大，側墻次之，仰拱較小”的分布特征，格柵鋼架加密(DIVC工況)較未加密(DIVA工況)，拱部應力有所降低，約為1 MPa，說明加密格柵鋼架提高了噴射混凝土的安全性。

(a) DIVA工況

(a) DIVA工況

3.3 內力分析

結合現場監測數據和數值模擬結果，對噴射混凝土和格柵鋼架在拱頂(1#)及兩側拱腰(2#、3#)和仰拱(10#)位置處的軸力和彎矩進行分析，其內力(軸力和彎矩)的現場監測和數值模擬結果對比情況，如圖7和圖8所示。

分析圖7和圖8內力結果可知，不同工況下，噴射混凝土和格柵鋼架軸力現場監測和數值模擬結果存在一定差異，其原因可能在于大圍山隧道地質為黑云斜長變粒巖、角巖，局部夾千枚巖，數值模擬對地層條件進行了適當的簡化，而實際地質情況較為復雜，存在局部圍巖強度偏低的可能性，同時在進行測點布置時亦可能出現一定的偏差，進而導致結果的差異較大。噴射混凝土和格柵鋼架主要承擔壓力，噴射混凝土壓力值為-1 600～0 kN，格柵鋼架壓力值為-800～0 kN；不同設計工況下噴射混凝土和格柵鋼架的軸力總體均表現為“拱部大，側墻次之，仰拱較小”的分布特征，左右基本對稱分布；格柵鋼架加密(DIVC工況)較未加密(DIVA工況)，噴射混凝土拱部軸力有所減小，側墻處軸力變化較小。噴射混凝土和格柵鋼架總體彎矩較小且均存在內外側受彎差異，噴射混凝土彎矩為-20～10 kN·m，格柵鋼架彎矩為-5～5 kN·m，最大值多出現在拱頂或拱腰處；格柵鋼架加密(DIVC工況)后，相應測點噴射混凝土彎矩值有所降低。

(a) DIVA工況下噴射混凝土軸力圖

(a) DIVA工況下噴射混凝土彎矩圖

分析表明，噴射混凝土和格柵鋼架內力主要以軸力(壓力)為主，相應彎矩值都較小；格柵鋼架加密(DIVC工況)后，噴射混凝土軸力有所降低，格柵鋼架軸力有所提高，說明格柵鋼架加密降低了噴射混凝土荷載承擔比例，提高了其安全性。通過襯砌最小抗彎安全系數的計算，發現兩工況的計算結果較大，說明其安全儲備足夠大，具體結果如表4所示。

表4 試驗工況安全系數計算表

綜合以上分析，得到蒙華鐵路單線隧道復合式襯砌結構的優化參數，最新優化參數沒有在實際中進行監測，但蒙華鐵路已投入運營多年，隧道運營狀態良好。具體建議的Ⅳ級圍巖下單線隧道復合式襯砌結構優化參數如表5所示。

表5 單線隧道復合式襯砌結構優化參數表(建議)

4 結論與討論

根據以上現場監測和數值模擬結果的比較分析，可得到以下結論：

1)通過數值模擬和現場監控量測的方式，驗證了采用噴射混凝土+格柵鋼架的初期支護體系在2種不同設計方案下的安全性，并通過兩者之間的對比分析，進一步給出蒙華鐵路單線隧道復合式襯砌結構優化參數的建議值，即C25噴混凝土取為18 cm，格柵間距取1.2 m,拱墻厚度取30 cm混凝土，仰拱厚度取為35 cm鋼筋混凝土。

2)初期支護的內力以軸力(壓力)為主，相應彎矩值較小，由噴射混凝土+鋼架的結合體共同承擔，加密格柵鋼架降低了噴射混凝土荷載承擔比例，提高了其安全性。

3)Ⅳ級圍巖單線重載鐵路隧道臺階法施工時，位移收斂值多數是內空收斂大于拱頂沉降，增強初期支護強度對減小拱頂沉降的效果沒有對約束內空收斂的效果大。

4)最新優化參數在后續的隧道支護中采用，本文僅對Ⅳ級圍巖條件下的支護參數進行設計優化，其他級別圍巖條件下的支護參數優化有待進一步研究。