防水型單層襯砌的疊合面力學性能試驗研究

鄧一三，李剛，張建偉，溫書億

(1.中鐵科學研究院有限公司，四川 成都 610031；2.青島地鐵集團有限公司，山東 青島 266100)

20 世紀70 年代，單層襯砌作為一種新的隧道支護結構逐漸發展起來，其最初主要是以單層噴射混凝土為支護襯砌，后來逐漸發展出2層或多層噴混凝土疊合的襯砌結構。目前，國內學者對單層襯砌的承載機理、材料性能和結構設計等進行了較為廣泛的研究。陳立保等[1]提出了基于挪威法的單層襯砌結構設計方法，并針對單層襯砌的隧道防排水和建筑材料進行了研究；龔彥峰等[2]鑒于挪威法直接應用于國內單層襯砌設計存在諸多困難，提出了以屈服接近度和圍巖松動圈支護理論為基礎的單層襯砌設計原則和方法；蘇卿[3]通過室內試驗，研究了將纖維混凝土應用于單層襯砌對材料強度和結構韌性的影響；杜國平等[4]通過現場試驗，對單層在實際應用中的力學性能進行了測定。上述研究成果已在公路隧道、鐵路隧道、水工輸水隧洞、地下儲庫等工程中試用，如摩天嶺隧道、秦嶺隧道、齊溪電站引水洞和汕頭液化氣儲庫等，但由于噴射混凝土自防水性能較差，上述國內工程中，單層襯砌的應用僅限于圍巖完整且巖面干燥無水的區段。近年來，隨著噴涂防水材料在施工工藝和質量性能等方面的顯著提高，防水型單層襯砌被逐漸應用于地鐵等防水性能要求較高的隧道工程，如北歐的斯德哥爾摩地鐵、赫爾辛基地鐵和奧斯陸地鐵等[5-8]。防水型單層襯砌由具有雙面黏結性能的噴涂防水夾層和多層噴射混凝土組合而成，各層間能夠充分傳遞剪力，從結構受力上，可將其看作帶夾層的疊合結構來分析其力學特性。針對多層噴混凝土疊合的單層襯砌，李林毅等[9]通過數值仿真，對各結構層之間的接觸效應進行了模擬；周平等[10]通過試驗，研究了考慮層間效應的多層襯砌受力特征。既往研究表明，多層噴射混凝土的各層之間具有徑向抗滑移性，組成疊合襯砌后，可形成整體承載結構，但防水型單層襯砌在噴射混凝土之間還夾有一層噴涂防水層，其材料力學性能與噴射混凝土差異很大，導致疊合面力學行為較為復雜，是研究防水型單層襯砌面臨的主要問題。

1 防水型單層襯砌疊合面分析

既往研究表明，對于接觸面平直的疊合結構而言，其疊合面破壞基本符合線性的摩爾-庫侖準則，但對于接觸面粗糙起伏的疊合結構，其疊合面破壞包絡線與摩爾-庫侖準則并不完全符合[11-13]。

防水型單層襯砌由噴射混凝土和噴涂防水夾層組成，其實際接觸面是粗糙起伏的，以實際接觸面為對象進行力學性能分析較為困難，因此，在對防水型單層襯砌進行分析時，提出了界面層的假定。

界面層包含了噴涂防水層和與其直接接觸的部分噴射混凝土。由噴射混凝土和噴涂防水材料組成的不規則接觸面，使得相鄰介質不再保持為連續變形的整體，其剪切破壞也并不一定是發生在材料的接觸面上，而更可能發生在接觸面周圍的介質層中，從而在接觸面附近形成一個剪切錯動層。由于在這個錯動層內的應力和變形明顯不同于周邊的噴射混凝土，故在防水型單層襯砌的疊合結構模型中，將噴涂防水材料和交界面處的噴射混凝土定義為單一材料組成的界面層，并假定其與周邊噴射混凝土的接觸面平直，如圖1。

圖1 界面層組成示意圖Fig.1 Diagram of interfacial layer

對疊合襯砌而言，界面層是否發生錯動，將引起結構承載機理的變化，圖2(a)和2(b)分別展示了無錯動和有錯動疊合襯砌的承載機理。當界面層的應力位于摩爾-庫侖強度包絡線之內時，疊合襯砌可視為無錯動疊合結構。故界面層力學性能是影響防水型單層襯砌力學性能的重要因素，需通過界面層力學性能試驗得到其破壞時的極限應力，繪制強度包絡線，并將此包絡線作為疊合襯砌結構有無錯動的判據。

圖2 疊合襯砌承載機理Fig.2 Bearing mechanism of composite lining

2 防水型單層襯砌界面層力學性能試驗

2.1 界面層剪壓試驗

鑒于噴射混凝土和噴涂防水材料的接觸面是密貼起伏的隧道開挖面，界面層與地層荷載作用方向呈現不同傾角，故通過界面傾角在40°至70°之間的噴射混凝土芯樣的剪壓試驗來測定界面層的極限應力。試件采用C35噴射纖維混凝土和挪曼爾特公司的Tamseal800 噴涂防水材料制作，噴涂防水材料參數見表1。通過大板試塊制作出20個直徑為50 mm，長度為100 mm 的標準圓柱體試件，如圖3，采用壓力機以0.1 MPa/min 的速度對試件進行連續加載直至破壞，代表性試件的試驗結果見表2。

表1 噴涂防水材料參數Table 1 Parameters of spraying waterproof material

表2 代表性試件的剪壓試驗結果Table 2 Results of shear compression tests on representative specimens

圖3 剪壓試驗試件Fig.3 Specimen for shear compression test

將界面層破壞時的荷載分解至界面切向和法向，得到界面層的剪應力和壓應力，通過在應力空間對界面層剪應力和壓應力做線性回歸擬合，得到界面層的摩爾-庫侖剪壓強度包絡線，如圖4。

圖4 界面層剪壓試驗強度包絡線Fig.4 Ultimate strength envelope of shear compression test

2.2 界面層單軸拉伸試驗

根據摩爾強度理論，可通過界面層單軸拉伸試驗得到其破壞時的極限應力圓，進而繪制拉應力象限的強度包絡線。試驗試件為通過大板試塊制作的10 個直徑50 mm 的圓柱體芯樣，芯樣材料與剪壓試驗相同，其中纖維混凝土分2 次噴射形成，中間涂刷4 mm厚的挪曼爾特公司的Tamseal800噴涂防水層。

通過拉力機進行軸拉試驗，試驗加載速率為0.1 MPa/min，當試驗結果極差小于其平均值的30%時，結果數據有效，代表性試件的試驗結果見表3，通過有效數據的平均值σ=-1.026 MPa可得到軸拉極限應力圓，進而完善強度包絡線，如圖5。

圖5 界面層軸拉及剪壓試驗強度包絡線Fig.5 Ultimate strength envelope of shear compression test and tensile test

表3 代表性試件的軸拉試驗結果Table 3 Results of axial tension tests on representative specimens

3 噴射混凝土抗裂性能試驗

疊合襯砌結構的極限強度，不僅與界面層極限強度有關，亦與界面層兩側的噴射混凝土抗裂性能相關，故還需對噴射混凝土的抗裂性能進行試驗測定。

噴射混凝土抗裂性能試驗采用與界面層試驗相同的C35噴射纖維混凝土材料。由于單軸拉伸試件的截面較小，局部纖維的方向性因素對強度實測值影響較大，故采用彎曲梁試驗來測定材料的抗裂強度，試驗設備為日本島津AG-IS-250 kN 試驗機，如圖6。

圖6 彎曲梁試驗裝置Fig.6 Bending beam test device

試驗采用C35 噴射纖維混凝土制作的4 塊150 mm×150 mm×550 mm 混凝土試件，采用的結構纖維為挪曼爾特公司的聚烯烴纖維，纖維參數見表4。

表4 試驗纖維參數Table 4 Fiber parameters of the test

對試件進行連續、均勻加載，繪制荷載-裂縫撓度曲線(圖7)，并將曲線得到的比例極限fLOP作為材料的初裂時的抗裂強度(表5)，fLOP與試驗參數關系為：

圖7 代表性試件的荷載-撓度曲線Fig.7 Load deflection curves of specimens

式中：b和h分別為試件截面的寬度和高度；L為試件跨距；Fcra為fLOP所對應的試驗荷載。

根據表5，噴射纖維混凝土初裂時的抗裂強度可取為fLOP=2.2 MPa。

表5 噴射纖維混凝土試驗抗裂強度Table 5 Flexural strength of sprayed fiber reinforced concrete

4 試驗結果在青島地鐵工程的應用與分析

4.1 試驗段防水型單層襯砌的設計參數

青島為海濱丘陵城市，下伏巖層以風化程度低、強度高、完整性好為主要特點，是防水型單層襯砌隧道應用的理想場區，故選取青島地鐵4號線昌樂路站配線區間作為研究防水型單層襯砌應用的試驗段。

試驗段隧道位于青島市市北區，全長220 m，采用鉆爆法施工，截面為拱頂直墻，開挖寬度9.6 m，埋深30～39 m，洞身主要穿微風化花崗巖，場區地下水以基巖裂隙水為主。隧道支護參數根據挪威法進行設計，其支護結構由系統錨桿和17 cm 厚的防水型單層襯砌組成，襯砌參數見表6。襯砌采用的C35 噴射纖維混凝土和Tamseal800噴涂防水材料，與試驗試件相同。

表6 試驗段防水型單層襯砌設計參數Table 6 Design parameters of waterproof single layer lining

4.2 試驗段防水型單層襯砌的數值分析

通過數值仿真，將隧道在開挖-支護過程中防水型單層襯砌的應力與試驗所得的極限強度進行比對，從而對該疊合襯砌結構的承載安全性進行定量判斷。

數值仿真采用MIDAS GTS 軟件建立地層結構的三維模型，如圖8，模型長、寬、高分別為50，60 和60 m。根據地質資料，選取代表性地層，從上至下為素填土、強風化花崗巖和微風化花崗巖，地層參數見表7。模型中土層采用摩爾庫倫本構，巖層采用D-P本構。模型的前后左右邊界設置水平向約束，下邊界設置豎向約束，上邊界設置為應力邊界。

表7 地層物理力學參數Table 7 Physico-mechanical parameters of formation

圖8 數值分析模型Fig.8 Numerical calculation model

有限元模型中，隧道采用臺階法開挖，模擬的施工步序為：開挖上臺階→噴射上臺階第1層襯砌→開挖下臺階→噴射下臺階第1層襯砌→施做噴涂防水層→噴射第2層襯砌。

由圖9(a)，9(b)，9(c)可確定疊合襯砌界面層處的剪應力和正應力，其控制值見表8。又由圖10可見，數值分析所得的界面層剪應力和正應力均位于試驗所得的界面層強度包絡線以內，表明2層襯砌之間無錯動，可視防水型單層襯砌為整體承載結構。

圖10 界面層數值分析結果驗算Fig.10 Numerical analysis results of interfacial layer

表8 數值模擬所得界面層處的應力控制值Table 8 Stress control value at interfacial layer

圖9 防水型單層襯砌應力云圖Fig.9 Stress nephogram of waterproof single-layer lining

由圖9(d)和9(e)可得，第1 和2 層噴射纖維混凝土襯砌最大拉應力分別為0.246 MPa和0.141 MPa，均小于試驗所得的噴射纖維混凝土抗裂強度fLOP=2.2 MPa，表明噴射纖維混凝土無開裂。

4.3 試驗段現場試驗與分析

昌樂路站配線區間施工期間，為檢測防水型單層襯砌界面層實際性能，對試驗段隧道襯砌進行了現場取芯和檢測，檢測試件通過在現場直接鉆芯制取，在隧道拱腰和側墻共鉆芯6處，試件實測直徑45 mm。通過對芯樣和孔壁觀測，界面層位置過度平滑，噴涂防水層無受剪開裂跡象，兩側噴射混凝土層之間無明顯錯動，如圖11。

圖11 試驗段現場取芯檢測Fig.11 Field coring test of test section

對鉆取芯樣進行單軸拉伸試驗，試驗方法與2.2 節相同，且當破壞面為噴涂防水材料所處的界面位置時試驗結果有效，如圖12。試驗結果顯示，所用試件的抗拉應力超過1.026 MPa。

圖12 現場軸拉試驗檢測Fig.12 Axial tension test on site

5 結論及建議

1) 將防水型單層襯砌的噴涂防水層和接觸面處的噴射混凝土共同定義為單一材料組成的界面層，通過對界面層的剪壓試驗和單軸拉伸試驗測定界面層的極限強度包絡線，該方法可避免因襯砌各疊合層間接觸面力學行為的不確定性而導致的結構分析困難，為探究防水型單層襯砌的疊合面力學性能提供了新思路。

2) 防水型單層襯砌的界面層是否發生錯動，將引起結構承載機理的變化，故對界面層徑向抗錯動性能的測定，是對防水型單層襯砌力學性能進行定量分析的前提。采用剪壓試驗和單軸拉伸試驗測定的界面層極限強度包絡線能夠清晰判定疊合面在不同應力條件下是否發生錯動，為防水型單層襯砌的結構分析提供了明確的應力控制指標。

3) 青島地鐵試驗段的數值分析表明：當界面層的正應力和剪應力組合均位于試驗所得的強度包絡線以內時，可將防水型單層襯砌的各疊合層視為整體承載結構，其后，方可通過襯砌最大拉應力與噴射纖維混凝土抗裂強度的對比，進行襯砌結構的容許應力分析。

4) 青島地鐵試驗段的現場檢測表明：施做的防水型單層襯砌可以達到試驗所模擬的力學性能，本研究所得的技術路線滿足防水型單層襯砌在地鐵隧道工程應用的需要。

后續，針對防水型單層襯砌的疊合結構特性，還有以下方面可做進一步的研究：

1) 考慮界面層的塑性承載力，對界面層應力超過極限強度包絡線，但各疊合層之間尚未完全喪失抗滑移性能時的力學性能進行研究，進一步挖掘防水型單層襯砌產生層間錯動后的承載能力。

2) 在測定界面層摩擦角和黏聚力的基礎上，對其彈性模量、剪切模量、剪切延伸率等材料參數進行研究，進一步探究防水型單層襯砌考慮層間效應的襯砌受力特征。