盾構隧道雙層襯砌應用現狀與受力性能分析*

陳俊偉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

隧道工程施工方法主要包括盾構法、沉管法、礦山法，其中，礦山法造價較低，但應對突涌水風險的能力差，且對隧道圍巖擾動大，常需多種施工技術相互配合；沉管法由于設計、施工過程中存在較多問題，應用受限；隨著封閉式盾構的成功研制，盾構法可兼顧施工安全、掘進速度、復雜地層適應性和地表沉降控制要求，已成為城市和水下隧道工程主要施工方法。

目前，單層裝配式管片襯砌為盾構隧道主要結構形式，在侵蝕環境、極端條件、災害、碰撞等因素作用下，襯砌結構長期安全性受到影響。加之施工荷載常造成結構開裂、破損，簡單修復無法保證結構強度，增加了隧道運營階段安全風險。針對上述問題，可采用由盾構隧道管片與二次襯砌構成的雙層襯砌增加安全系數。已有學者對雙層襯砌類型、受力等展開了研究，在數值模擬分析方面，張厚美等根據雙層襯砌結合面處理方式，建立層間壓縮、剪壓、局部抗彎模型；姚超凡等提出了改進的梁-彈簧-層間壓桿彈簧組合模型；晏啟祥等對比分析了層間梁、層間彈簧、層間壓桿等多種雙層襯砌計算模型；梁敏飛等采用層間壓桿彈簧組合模型模擬雙層襯砌結合面剛度不連續的特點，建立了考慮盾構隧道環、縱向接縫的三維殼-彈簧模型。在模型試驗與現場實測方面，何川等以獅子洋隧道為背景，采用模型試驗與數值模擬相結合的手段，基于縱向等效剛度模型對軟硬交界地層單、雙層襯砌隧道縱向受力與變形進行了研究；于清洋通過開展模型試驗，對盾構隧道雙層襯砌荷載分配狀態進行了研究；王士民等采用接觸摩擦單元模擬了雙層襯砌結合面，建立了復合式與疊合式雙層襯砌三維實體非連續接觸模型，并通過對比試驗驗證了計算模型的合理性。

相比單層管片襯砌，封閉式二次襯砌在結構補強、耐久性提升等方面具有明顯優勢，在隧道工程中得到越來越廣泛的應用，但封閉式二次襯砌在施工過程中存在以下問題：①為滿足隧道安全施工與運營要求，需保證隧道實際使用空間。因此，按環狀布置二次襯砌時，隨著襯砌總厚度的增加，斷面直徑需相應增大。②二次襯砌施工往往較滯后，管片襯砌需在一定時間內承擔由斷面增大導致的額外荷載，使其受力不利，且需調整管片襯砌厚度與配筋，以適應施工荷載的變化。此外，隨著隧道直徑的增大，盾構直徑需增大，增加了施工成本與工期。③施工質量不易控制，二次襯砌一般在管片襯砌拼裝完成后現場澆筑而成，隧道拱部澆筑密實度往往達不到要求，從而對結構整體受力產生影響。上述問題為雙層襯砌施工帶來了困難，鑒于此，本文在文獻調研的基礎上，結合工程實例，對雙層襯砌應用現狀與受力性能進行分析，并對比單層管片襯砌、非封閉式二次襯砌、封閉式二次襯砌受力情況，以期為不同類型襯砌結構的進一步研究提供參考。

1 雙層襯砌應用

日本率先在高速鐵路、城市干道、城市地鐵及水工隧道工程中應用雙層襯砌。由于水工隧道反復受內部水壓作用，雙層襯砌得到廣泛應用(見表1)，且多為全段鋪設。

表1 采用雙層襯砌的日本水工隧道

隨著技術的進步和交通需求的變化，目前，雙層襯砌主要在水工隧道和大直徑盾構隧道工程中應用，國內外部分大直徑盾構隧道工程及雙層襯砌施作情況如表2所示。由表2可知，全段施作的封閉式二次襯砌應用最多；對于局部地段存在軟弱、不均勻地層的隧道，基于降低成本的角度，僅在局部區段施作雙層襯砌；對于部分含強透水層的隧道，由于對隧道縱向剛度和整體性的要求較低，基于降低成本、縮短工期的角度，施作非封閉式二次襯砌，以提高防水性；考慮水工隧道特殊的工程性質，須全段施作封閉式二次襯砌，以提高防水性；鐵路/地鐵、公路和公軌合建隧道襯砌形式選擇較靈活，可根據地質條件進行合理選擇。

表2 國內外部分大直徑盾構隧道工程概況

1)東京灣海底公路隧道

東京灣海底公路隧道是在水下60m深度處開挖的總長>10km隧道，隧道外徑14.14m，襯砌內徑11.9m，內層鋼筋混凝土襯砌厚35cm，外層襯砌為鋼筋混凝土預制管片，長4m，寬1.5m，厚65cm，內、外襯砌間設置防水薄膜，斷面形式如圖1所示。

圖1 東京灣海底公路隧道斷面形式

2)臺山核電越海盾構隧道

臺山核電越海盾構隧道是我國建設的第1條越海盾構隧道，其所處地質條件特殊，施工環境復雜，存在較多安全風險。該隧道采用封閉式二次襯砌，其中，盾構管片厚0.4m，作為隧道主體結構，二次襯砌厚0.3m，斷面形式如圖2所示。

圖2 臺山核電越海盾構隧道斷面形式

3)廣深港客運專線獅子洋隧道

廣深港客運專線獅子洋隧道主體結構采用單層裝配式鋼筋混凝土平板型襯砌，混凝土強度等級為C50，隧道外徑10.8m，內徑9.8m，管片厚0.5m，平均幅寬2m，采用“7+1”分塊方式的通用雙面楔形環，封頂塊圓心角16.36°，2塊鄰接塊和5塊標準塊圓心角均為49.09°，環與環之間采用錯縫拼裝方式。每環管片內縱向螺栓為22個，按16.36°等角度布置。獅子洋隧道進、出洞口段為淺埋段，穿越淤泥質土、細砂、含砂黏土及礫砂等軟弱地層和軟硬不均地層，易出現蛇形拼裝誤差，如果發生列車脫軌撞擊或火災時，可能造成隧道整體垮塌。結合東京灣海底公路隧道建設經驗，進、出口洞口段均采用雙層襯砌施工，即在管片襯砌內側澆筑混凝土二次襯砌(見圖3)，其余巖層段仍采用單層裝配式鋼筋混凝土平板型襯砌。

圖3 獅子洋隧道進、出口洞口段斷面形式

4)武漢地鐵8號線越江隧道

武漢地鐵8號線越江隧道工程是國內直徑最大的單洞雙線地鐵盾構越江隧道工程，也是國內首條全線設置二次襯砌的地鐵盾構隧道工程，隧道外徑12.1m，內徑10.5m，管片厚0.5m，環寬2m，采用C50混凝土澆筑，每環襯砌為“5+2+1”分塊形式，斷面形式如圖4所示。隧道下部設置口字形預制箱涵，箱涵兩側現澆素混凝土回填，箱涵以上設置鋼筋混凝土二次襯砌，厚0.3m，采用C40混凝土澆筑。洞內設有中隔墻、疏散平臺、排煙道等現澆構造物。

圖4 武漢地鐵8號線越江隧道斷面形式

5)武漢長江隧道

非封閉式二次襯砌兼具單層管片襯砌與封閉式二次襯砌的優點，已在多座越江隧道(武漢長江隧道、武漢三陽路隧道等)及大直徑水下盾構隧道(濟南濟濼路穿黃隧道)中得到應用。以武漢長江隧道為例，對非封閉式二次襯砌進行介紹。武漢長江隧道全長3.6km，設置雙線4車道，盾構隧道段由2孔圓形隧道組成，每孔隧道外徑11.0m，內徑10.0m，斷面形式如圖5所示。該隧道采用管片襯砌+非封閉式二次襯砌的施工方案，提高了結構防水性能與穩定性，且當河床沖淤變化時，結構橫向變形小，利于內部敷貼設施穩定。

圖5 武漢長江隧道斷面形式

2 雙層襯砌受力性能分析

為對不同類型雙層襯砌受力性能進行對比分析，從而進一步研究各類襯砌適用工況，采用有限元分析軟件ANSYS計算不同工況下單層管片襯砌、非封閉式二次襯砌、封閉式二次襯砌受力與位移。

2.1 模型建立

以國內某大直徑水下盾構隧道為例，該隧道管片內徑12.8m，外徑14m，厚0.6m，幅寬2.0m。部分區段采用雙層襯砌，二次襯砌厚0.3m。基于梁-彈簧模型，建立三環管片錯縫拼裝模型。管片混凝土強度等級為C60，內部結構混凝土強度等級為C40，采用可承受拉壓、彎曲作用的彈性梁單元Beam3模擬管片和內部結構。考慮管片接頭對結構剛度的削弱作用，采用三維鉸接連接單元進行模擬，該單元具有6個自由度，可分別實現接頭平動、剪切和彎曲效應。采用Link10單元模擬地層與結構的相互作用，并設置單向抗壓特性，通過彈簧單元Combin14實現對結構的切向約束作用。管片、內部結構彈性模量分別取為39，36.5GPa，泊松比均取為0.2，密度均取為2 500kg/m3。隧道模型如圖6所示，所受荷載如圖7所示，選取實際工程中危險斷面對應的荷載工況進行模擬，如表3所示。

表3 荷載工況 kN

圖6 計算模型

圖7 荷載示意

2.2 結果分析

數值模擬計算結果如表4所示。由表4可知：

表4 數值模擬計算結果

①相同荷載工況下，施作二次襯砌可降低管片結構最大軸力，但降幅較小；②相同荷載工況下，對于管片結構正、負彎矩，施作封閉式二次襯砌時基本為最小，施作非封閉式二次襯砌時居中，施作單層管片襯砌時最大，表明二次襯砌可提高管片結構抗彎性能，尤其是封閉式二次襯砌；③相同荷載工況下，對于管片結構拱頂沉降量，施作封閉式二次襯砌時最小，施作非封閉式二次襯砌時居中，施作單層管片襯砌時最大，表明施作二次襯砌可提高管片結構縱向剛度，尤其是封閉式二次襯砌，從而在一定程度上降低拱頂沉降量；④相同荷載工況下，對于襯砌結構所受最大正、負彎矩，施作封閉式二次襯砌時較小，表明封閉式二次襯砌可提高襯砌結構抗彎性能；⑤相同荷載工況下，對于襯砌結構所受最大壓力，施作非封閉式二次襯砌時較小，表明非封閉式二次襯砌可提高襯砌結構抗壓性能。

3 結語

1)單層管片襯砌可基本滿足普通隧道使用需求，雙層襯砌主要應用于對耐久性要求較高的水工隧道及大直徑跨江越海隧道工程中。

2)施作二次襯砌可提高管片結構受力性能，主要是抗彎性能，且對縱向剛度有一定強化作用。

3)與非封閉式二次襯砌相比，封閉式二次襯砌在管片結構抗彎、變形與襯砌結構抗彎方面具有一定優勢，但在襯砌結構受壓方面具有一定劣勢。

4)當大直徑盾構隧道面臨下穿江海、軟弱地層、強透水地層等情況時，對結構耐久性、穩定性及縱向剛度的要求大幅提升，須鋪設二次襯砌。非封閉式二次襯砌兼具單層管片襯砌與封閉式二次襯砌的優點，在提高結構耐久性的基礎上，降低了成本，縮短了工期，具有更高的性價比，值得推廣。

5)隨著大直徑水下盾構隧道的不斷建設，需進一步研究不同類型襯砌結構優缺點及使用范圍。