大斷面砂質黃土隧道二次襯砌受力特征

許泓康 王旭 屈宏錄 喬世剛 嚴松宏 汪精河

1.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070；2.中蘭鐵路客運專線有限公司，甘肅白銀 730900

砂質黃土主要分布于我國甘肅、內蒙古和陜北的高原地區。與粉（黏）質黃土相比，砂質黃土的粗顆粒含量更高，節理和大孔隙更發育，具有疏松多孔、低黏聚力、強濕陷性的工程地質特征［1-2］。在隧道開挖擾動下圍巖變形大，支護結構承受荷載大，穩定性難以控制，嚴重時易引發隧道掌子面塌方、二次襯砌開裂等事故。

借鑒新奧法理念，黃土隧道采用復合式襯砌結構［3-4］。黃土隧道初期支護和二次襯砌的受力特征是研究熱點。來弘鵬等［5］通過現場試驗研究了黃土公路隧道初期支護與二次襯砌的內力分布特點。楊建民、王明年等［6-8］以鄭西客運專線為依托，提出了大斷面黃土隧道深淺埋劃分標準及圍巖壓力計算方法，比較了不同圍巖壓力計算方法在實際工程中的適用性。李鵬飛等［9］以蘭渝鐵路胡麻嶺隧道為工程背景，采用數值模擬和現場監測的方法，研究了襯砌結構接觸壓力隨時間的發展規律及沿洞周的分布情況。賴金星等［10］研究了淺埋黃土隧道錨噴支護+初期支護+二次襯砌構成的三層支護體系的力學特性，認為初期支護承受了大部分圍巖壓力，二次襯砌主要作為結構安全儲備。羅彥斌等［11］以神府（神木—府谷）高速公路墩梁隧道為依托，采用理論分析與數值模擬相結合的方式，提出了基于隧道二次襯砌安全臨界狀態的最佳施作時機分析方法。

黃土隧道初期支護、二次襯砌受力機理復雜，既有文獻對二次襯砌承載能力和受力特征研究較少。本文依托中蘭（中衛—蘭州）客運專線最長的盤峴山隧道，對初期支護與二次襯砌的接觸壓力、二次襯砌混凝土應變和鋼筋應力長期現場監測數據進行分析，并結合數值模擬結果研究砂質黃土隧道二次襯砌的受力特征，為黃土隧道設計提供理論參考。

1 工程概況

盤峴山隧道位于蘭州新區中川鎮，起訖里程為DK236+376—DK239+205，全長2 829 m，最大埋深111.83 m，為雙線鐵路隧道［12］。

隧道穿越地層主要為第四系全更新統沖洪積砂質黃土、上更新統風積砂質黃土、沖洪積砂質黃土、細砂和粗圓礫土。隧道全段均為Ⅴ級圍巖，其中DK236+633—DK236+750段砂質黃土含水率低，顆粒間黏結性差，呈散體狀。開挖過程中常伴隨溜塌、漏砂、涌砂等地質災害，現場采取“三臺階+臨時仰拱+臨時豎撐”的開挖方法。

隧道開挖寬度14.52 m，開挖高度12.38 m，開挖面積153.12 m2；初期支護厚度30 cm，采用C25噴射混凝土，I22a型鋼拱架（間距0.5 m/榀），?42的鎖腳錨管；二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，拱墻以上厚度55 cm，仰拱厚度65 cm，隧道底部回填C20混凝土。隧道襯砌斷面見圖1。

圖1 隧道襯砌斷面（單位：mm）

2 基于實測數據的二次襯砌受力分析

2.1 測試方案

隧道進口段監測斷面里程DK236+702，埋深54 m。測試方案見表1。二次襯砌壓力盒安裝時需要與初期支護結構盡量保持密貼且不發生錯動，以保證測試數據的準確性與真實性。各監測點儀器導線需緊貼隧道洞身表面并順延至拱腳，這樣可有效防止導線在施工過程中出現斷裂。

表1 測試方案

監測斷面上共布置12個測點（圖2），邊墻以上7個，仰拱5個。

圖2 測點布置

2.2 二次襯砌結構荷載特征分析

由于接觸壓力變化時間比監測總時間短且后期數值變化不大，為了直觀展示其變化規律，選擇前50 d的數值進行分析。拱墻初期支護與二次襯砌接觸壓力隨時間變化曲線見圖3。

圖3 拱墻接觸壓力隨時間變化曲線

由圖3可知：接觸壓力隨時間變化大致可分為施工擾動階段、變化階段和穩定階段。呈現出先迅速增至最大值，隨后迅速減小，數日后再緩慢增大并趨于穩定的規律。前5 d接觸壓力波動劇烈，各測點壓力峰值均出現在二次襯砌施作后的第一天，28 d后進入穩定階段。該變化規律的原因為：①混凝土硬化。現澆混凝土初期剛度較小，隨著時間的增長，剛度越來越大，使得澆筑形成的二次襯砌與初期支護之間的接觸壓力不斷變大。當混凝土剛度逐漸穩定后，二次襯砌的應力狀態不再發生明顯變化，接觸壓力逐漸趨于穩定。②二次襯砌與模板臺車接觸。模板臺車在澆筑完成后與二次襯砌結構呈擠密狀態，此時接觸壓力較大，在第二天達到峰值。混凝土具有一定強度后拆模，失去內側約束，初期支護與二次襯砌的接觸壓力不斷減小并于第5 d基本上回落至最小值。

仰拱初期支護與二次襯砌接觸壓力隨時間變化曲線見圖4。可知：仰拱整體受力較大，底部左右兩側均出現較大峰值應力。仰拱測點2、測點4壓力最大值分別為421.71、462.98 kPa。由于仰拱二次襯砌施工早于拱墻，后續還受隧道底部混凝土回填與施工車輛擾動影響，致使仰拱處76 d后接觸壓力才趨于穩定。

圖4 仰拱初期支護與二次襯砌接觸壓力隨時間變化曲線

接觸壓力分布見圖5。由圖4和圖5可知：①壓力最大值出現在施工擾動段，邊墻以上接觸壓力剛開始沿洞周近似均勻分布，拱頂接觸壓力較大，穩定后變小，左右拱腰處接觸壓力大；仰拱整體接觸壓力大于邊墻以上。②邊墻以上接觸壓力呈雙耳狀分布，仰拱處呈啞鈴形分布。

圖5 接觸壓力分布（單位：kPa）

2.3 二次襯砌結構內力特征分析

由于二次襯砌鋼筋與混凝土的內外側受力大小與變化規律基本上一致，故選取內側測點的數據進行分析。拱墻、仰拱內側鋼筋軸力隨時間變化曲線見圖6。

圖6 鋼筋軸力隨時間變化曲線

由圖6（a）可知：內側鋼筋在測試期間均受壓，各測點變化規律基本一致，呈現出壓力先迅速增大，而后逐漸減小，最后趨于平穩的規律。測試前10 d二次襯砌模板臺車進行灌漿、振搗作業，鋼筋受到較大擾動，因此軸力變化速率較快。

由圖6（b）可知：前10 d急劇波動，測點2—測點4在第8天從受拉轉為受壓，第10天后各測點均受壓，60 d后軸力趨于穩定。測點5因導線距離焊接點過近，未及時進行降溫和隔熱處理，導線被燒斷，該測點無數據記錄。總體上，仰拱內側鋼筋軸力波動程度大于拱墻，達到穩定的時間更長。

鋼筋軸力分布見圖7。其中：受拉為正，受壓為負。可知：最大值與穩定值沿洞周分布規律相似，其最大值均出現在左右拱腰處。仰拱底部測點短時間受拉，軸力穩定后均受壓。

圖7 鋼筋軸力分布（單位：kN）

圖8 混凝土應力隨時間變化曲線

拱墻、仰拱內側混凝土應力隨時間變化曲線見圖8。其中：受拉為正，受壓為負。由圖8（a）可知：施作二次襯砌的前5 d，混凝土壓應力波動較劇烈，10 d后除拱頂測點壓應力減小外，其他測點壓應力緩慢增長，65 d后基本穩定。由圖8（b）可知：在前20 d混凝土應力波動劇烈且持續時間較長，30 d后混凝土應力變化較平緩，79 d后趨于穩定。仰拱各階段出現時間與拱墻差異顯著，且應力波動更為劇烈。該變化規律的原因是：①混凝土硬化。1～5 d仰拱主要受澆筑C35混凝土后的自重以及從上部結構傳遞來的荷載影響，同時水化熱會使混凝土體積增大產生膨脹力，擠壓二次襯砌。②施工車輛動荷載影響。前方掌子面開挖，運渣車、水泥罐車運輸作業頻繁，對監測有一定影響，當混凝土硬化達到設計強度后，施工擾動影響不再顯著。

混凝土應力分布見圖9。其中：受拉為正，受壓為負。可知：洞周各部位均承受壓應力，且不超過C35混凝土抗壓強度；整體上拱墻壓應力大于仰拱。

圖9 混凝土應力分布（單位：MPa）

3 二次襯砌結構受力數值計算

3.1 計算模型與參數

采用荷載結構法對隧道二次襯砌結構受力進行計算。根據Q/CR 9511—2014《鐵路黃土隧道技術規范》，對于新黃土（Q3、Q4）隧道，深淺埋分界可取1.8（H+B）～2.1（H+B）。盤峴山隧道開挖高度H=12.38 m，開挖寬度B=14.52 m，可得深淺埋分界深度為48.42～56.49 m。監測斷面埋深54 m，判定為深埋黃土隧道。依據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》，垂直壓力q計算公式為

式中：s為圍巖等級；γ為圍巖重度；ω為寬度影響系數；B為坑道寬度；i為B每增加或者減少1 m時圍巖壓力增減率；B＜5 m時i=0.2，B＞5 m時i=0.1。

水平壓力p為

式中：λ為地層側壓力系數。

根據隧道設 計 資 料，s=5，γ=18 kN/m3，B=14.52 m，λ=0.5。由于B=14.52 m＞5 m，i=0.1。由式（2）可得ω=1.95。由式（1）可得q=252.72 kPa。由式（3）可得p=126.36 kPa。p和q即為理論荷載水平、垂直分量。

選擇初期支護與二次襯砌接觸壓力的穩定值作為實測荷載。根據現場監測值，將局部法向接觸壓力分解到水平和豎直方向，并假設相鄰測點之間接觸壓力呈線性分布，可得實測荷載分布。理論荷載與實測荷載分布對比見圖10。可知：與理論荷載相比，實測豎向荷載兩頭大中間小，實測水平荷載沿深度方向大致呈梯形分布。

圖10 理論荷載與實測荷載分布對比（單位：kN）

采用MIDAS GTS軟件對二次襯砌受力進行分析。計算采用荷載結構模型，二次襯砌采用梁單元模擬，地基彈性反力采用徑向曲面彈簧模擬，并設置為不受拉。計算參數見表2。

表2 計算參數

不同荷載下安全系數根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》計算得出。對于矩形混凝土截面，若截面偏心距e0≤0.2h（h為截面厚度），由抗壓強度控制承載力；若e0＞0.2h，由抗拉強度控制承載力。安全系數K的計算公式為

式中：φ為構件縱向彎曲系數，取1；α為軸向力偏心影響系數；Ra為混凝土抗壓強度；b為截面寬度；N為軸向力；R1為混凝土抗拉強度。

3.2 二次襯砌受力特征分析

理論荷載和實測荷載作用下二次襯砌內力見圖11。其中：受拉為正，受壓為負。

圖11 兩種荷載作用下二次襯砌內力對比

由圖11可知：①兩種荷載作用下彎矩最大值出現的位置不同。理論荷載作用下最大正彎矩出現在拱頂，其值約216 kN·m，最大負彎矩出現在拱肩，其值約-201 kN·m。實測荷載作用下最大正、負彎矩分別出現在仰拱左、右側，其值約243、-206 kN·m。②兩種荷載作用下二次襯砌軸力均為壓力，分布規律相同，即最小值出現在拱頂，最大值出現在仰拱。理論荷載和實測荷載作用下二次襯砌軸力最大值分別約為-2 602、-1 216 kN，且實測荷載作用下軸力沿洞周分布的不均勻性比理論荷載作用下要大。

兩種荷載作用下二次襯砌的安全系數對比見圖12。可知：實測荷載作用下安全系數最小值為3.4，位于仰拱與邊墻交界處；理論荷載作用下安全系數最小值為2.5，位于拱頂和左右拱肩。兩者相差較大。實測荷載作用下安全系數總體上大于理論荷載作用下，說明采用理論荷載進行二次襯砌安全性驗算偏于保守。對于本工程，兩種荷載作用下襯砌結構安全性均滿足規范要求。

圖12 兩種荷載作用下二次襯砌安全系數對比

4 結論

本文以中蘭客運專線最長的盤峴山隧道為依托，根據現場監測結果并結合數值分析得到以下結論：

1）初期支護與二次襯砌接觸壓力、鋼筋軸力和混凝土應力隨時間變化大致可分為施工擾動階段、變化階段和穩定階段，最大值均出現在施工擾動階段，仰拱曲線波動幅度比拱墻大，達到穩定的時間更長。

2）接觸壓力穩定后，左右拱腰處壓力大，邊墻以上呈雙耳狀分布，仰拱處呈啞鈴形分布。砂質黃土地層中仰拱受力較大，設計與施工階段應重視仰拱二次襯砌結構的穩定與安全。

3）理論荷載與實測荷載作用下，二次襯砌彎矩和軸力的分布規律不同。實測荷載作用下安全系數最小值出現在仰拱與邊墻交界處；理論荷載作用下安全系數最小值出現在拱頂和左右拱肩。基于松散壓力的理論荷載不能準確描述二次襯砌結構的實際受力特征。