高壓富水砂巖地層中鐵路隧道凍結法施工襯砌結構研究

祁衛華

中鐵第一勘察設計院集團有限公司，蘭州 710043

凍結法是利用人工制冷技術，將隧道周圍的松散地層固結成凍結體，使地層具有一定的強度和穩定性，便于隧道開挖和支護［1］。目前，凍結法施工較多應用于市政、煤礦、水利等工程，已經取得了大量研究成果。文獻［2］通過研究發現，在富水砂卵石地層中施工時凍結效果受凍結管間距及保溫層的影響顯著，鹽水與地層間對流系數減小會抵消凍結管直徑增大的影響。文獻［3］對凍結溫度場研究發現，地下水滲流對溫度場的影響具有滯后性。文獻［4］通過數值模擬分析得出，富水砂巖地層中垂直凍結117 d 后可進行隧道施工。文獻［5］對特厚沖積層中礦井施工凍結壁的變形分析得出，凍結壁的徑向位移在開挖段高內呈不均勻分布，最大徑向位移位于開挖段高的中部。

本文以固原—王洼鐵路控制性工程程兒山隧道為例，采用數值模擬方法對凍結、解凍兩種狀態下隧道襯砌結構受力、變形和安全性進行分析，探討斷層核心帶高壓富水砂巖地層中凍結法施工隧道合理襯砌結構。

1 工程概況

程兒山隧道長6 437 m，起訖里程為DK5+345—DK11+782。隧道在DK10+210 —DK10+430 段穿越F2 斷層，隧道埋深約220 m。F2 斷層核心帶寬約55 m，核心帶內原巖結構已破壞，巖性主要為高壓、富水、弱膠結第三系砂巖，上覆地層為砂質黃土。施工期間發生嚴重突泥、涌砂（涌砂量多達1萬m3），存在隧道圍巖壓力不均的問題。

針對F2斷層核心帶地質情況，通過方案比選確定采用地表垂直凍結法加固隧道圍巖。

2 數值模擬

2.1 模型建立和參數確定

隧道垂直凍結施工有限元模型見圖1。隧道跨度為7.8 m，高度為10.4 m。凍結加固后，地層凍結范圍為：x軸方向16.7 m（隧道中線兩側各8.35 m），y軸方向地表以下238.5 m，z軸線方向57.0 m。凍結體溫度在-22～-16 ℃。

圖1 垂直凍結施工有限元模型

模型底部采用固定約束，頂部為自由面，其他面采用法向位移約束。隧道穿越的砂巖力學參數見表1。其中：Ρ、E、μ、φ、c分別為密度、彈性模量、泊松比、內摩擦角和黏聚力；下角標u、f分別表示未凍結和凍結。

表1 砂巖力學參數

2.2 圍巖塑性判據

凍結范圍內砂巖采用凍結狀態的力學參數，其他位置砂巖采用未凍結狀態的力學參數。隧道開挖后，采用Mohr-Coulomb 準則中的圍巖強度發揮系數SMF對圍巖狀態進行判定。SMF＜ 1時，圍巖處于彈性狀態（SMF越小，圍巖越穩定）；SMF≥ 1時，圍巖處于塑性狀態。

SMF的計算式為

式中：σ1、σ3分別為圍巖的第一、第三主應力。

3 模擬結果與分析

3.1 圍巖凍結狀態

1）襯砌強度對隧道穩定性的影響

鋼筋混凝土二次襯砌厚為60 cm，強度等級分別取C30、C35、C40、C45、C50。

凍結狀態下不同強度等級二次襯砌結構SMF、變形和安全系數對比見表2。可知：二次襯砌強度等級由C30增至C50 時，SMF減小1.6%，變形最大值減小0.6%，安全系數最小值增大0.9%；不同強度等級二次襯砌安全系數均滿足TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》中不小于2.4 的要求。考慮到隧址區環境作用等級為H1、L2 和Y2，按照TB 10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》選用C45鋼筋混凝土。

表2 凍結狀態下不同強度等級二次襯砌結構SMF、變形和安全系數對比

2）襯砌厚度對隧道穩定性的影響

鋼筋混凝土二次襯砌強度等級為C45，厚度取40、45、50、55、60 cm。凍結狀態下不同厚度二次襯砌結構SMF、變形和安全系數對比見表3。可知：襯砌厚度由40 cm 增至60 cm 時，SMF減小7.3%，變形最大值減小4.5%，安全系數最小值增大2.4%；不同厚度二次襯砌安全系數均滿足TB 10003—2016的要求。

表3 凍結狀態下不同厚度二次襯砌結構SMF、變形和安全系數對比

由表2和表3的分析可知：SMF、變形和安全系數受襯砌厚度變化的影響比受襯砌強度等級變化的影響大，結構設計時應重點考慮襯砌厚度。

3）二次襯砌結構受力

凍結狀態下60 cm 厚C45 鋼筋混凝土二次襯砌內力分布見圖2。可知：襯砌結構最大和最小軸力分別位于兩側拱腰附近和拱頂中部，最大、最小軸力分別為7.78、0.39 MN；襯砌結構最大正彎矩和最大負彎矩分別位于兩側墻腳附近和仰拱中部，最大正彎矩為430.87 kN·m，最大負彎矩為-430.77 kN·m。二次襯砌結構各部位受力不均，結構設計時可采用變截面對襯砌結構局部加厚。

圖2 凍結狀態60 cm厚C45鋼筋混凝土襯砌內力分布

3.2 圍巖解凍狀態

1）襯砌厚度對隧道穩定性的影響

鋼筋混凝土二次襯砌強度等級為C45，厚度分別取40、45、50、55、60 cm。不同厚度二次襯砌安全系數最小值見表4。可知：厚度為40、45、50 cm時二次襯砌安全系數均小于2.4，不滿足TB 10003—2016 要求。考慮前期施工過程中發生嚴重突泥、涌砂，原始地層部分被擾動，二次襯砌應適當加厚。建議二次襯砌采用60 cm厚的C45鋼筋混凝土。

表4 不同厚度二次襯砌結構安全系數最小值

2）二次襯砌結構受力

二次襯砌拆模后，所有凍結管停止工作，凍結體會逐漸解凍恢復至原有狀態。原凍結體承受的圍巖壓力會部分轉移至隧道襯砌。

解凍狀態60 cm 厚C45 鋼筋混凝土二次襯砌內力分布見圖3。對比圖2和圖3可知：凍結體解凍后圍巖應力重分布，隧道襯砌軸力、彎矩均發生較大變化。最大、最小軸力分別為22.94、2.99 MN，最大正彎矩和最大負彎矩分別為1 162、-1 240 kN·m；與凍結狀態相比，最大軸力增大1.95 倍，最大正彎矩增大1.70 倍，但最大值與最小值的位置基本沒變。結構設計時應按圍巖解凍狀態考慮二次襯砌的受力，可采用變截面對襯砌結構局部加厚。

圖3 解凍狀態60 cm厚C45鋼筋混凝土二次襯砌內力分布

4 襯砌結構設計及施工效果

4.1 襯砌結構設計

考慮隧道開挖、支護期間結構外側凍結管需保持制冷狀態，采用雙層初期支護+隔熱保溫層+防水層+二次襯砌的復合式襯砌結構。隧道襯砌斷面見圖4。

圖4 隧道襯砌斷面（單位：cm）

1）雙層初期支護

為防止施作系統錨桿時破壞凍結管，減小凍漲力對初期支護的影響，將傳統的單層初期支護（系統錨桿+鋼筋網+噴射混凝土+鋼架）優化為雙層初期支護（鋼筋網+噴射混凝土+鋼架）。優化后不僅增加了初期支護的剛度，有效減小了初期支護的變形，而且提前了二次襯砌施作時間。雙層初期支護參數見表5。

表5 雙層初期支護參數

2）隔熱保溫層

為防止洞內溫度升高，降低凍結壁的強度，分別在圍巖與初期支護、初期支護與二次襯砌間設置厚2 cm 的聚乙烯泡沫板作為隔熱保溫層。凍結體解凍過程中支護結構承受的圍巖壓力會逐漸增大，聚乙烯泡沫板具有可壓縮性，可起到緩沖作用。

3）防水層

前期施工時斷層內水壓較大，為防止形成泄水通道，對當地水資源造成不利影響，全環設置土工布+乙烯-醋酸乙烯共聚物（Ethylene-Vinyl Acetate Copolymer，EVA）防水板作為防水層。

4）二次襯砌

二次襯砌采用厚60 cm 的C45 鋼筋混凝土結構，依據受力情況局部加厚。因二次襯砌拱腰附近軸力最大，墻角附近彎矩最大，拱腰至墻角段二次襯砌采用由60 cm 厚漸變為96 cm 厚的不等厚結構。為了改善隧道結構受力，二次襯砌邊墻矢跨比由1/16 調整為1/12。

4.2 施工和運營效果

1）施工階段

施工期間每5 m 布置一個監測斷面（共22 個）對初期支護結構進行監控量測。結果顯示：凍結狀態下邊墻累計水平收斂最大值為34.39 mm，拱頂累計沉降最大值為45.00 mm，均小于設計預留變形（100～150 mm）。初期支護封閉成環后，邊墻水平收斂速率最大值0.16 mm/d，拱頂沉降速率最大值0.11 mm/d，滿足Q/CR 9653—2017《客貨共線鐵路隧道工程施工技術規程》施作二次襯砌的條件（水平收斂速率小于0.20 mm/d，拱頂沉降速率小于0.15 mm/d）。

二次襯砌拆模后未發現裂縫。經地質雷達無損檢測，襯砌厚度滿足設計要求，襯砌背后密實、無空洞。可見，在凍結狀態下施工安全可靠，施工完成后襯砌結構穩定。

2）運營階段

隧道竣工1 年后（地層處于完全解凍狀態），對凍結加固段二次襯砌進行了地質雷達無損檢測和外觀質量檢查。無損檢測布置了5 條測線。檢測結果顯示，局部段落襯砌背后存在不密實情況，不密實段落最長1.2 m。依據Q/CR 405.2—2019《鐵路橋隧建筑物劣化評定 第2 部分：隧道》，隧道劣化等級為C（輕微），對結構功能影響較小。襯砌外觀質量檢查未發現裂縫、滲漏水情況。可見，解凍狀態下隧道襯砌結構安全可靠，滿足運營要求。

5 結論

1）凍結加固后，凍結體溫度在-22～-16 ℃，具有一定的強度，在隧道開挖后可以承受部分圍巖壓力。因此，無論是強度等級為C30—C50 的60 cm 厚鋼筋混凝土襯砌，還是厚度為40～ 60 cm的C45鋼筋混凝土襯砌，安全系數均大于2.4。

2）隧道二次襯砌施工完成后，凍結體會逐漸解凍，凍結體承受的圍巖壓力會部分轉移至隧道襯砌。解凍后隧道襯砌軸力、彎矩均發生較大變化，最大軸力增大1.95 倍，最大正彎矩增大1.70 倍；結構安全系數由3.36降至3.15。

3）雙層初期支護適用于凍結法隧道施工。凍結狀態下初期支護邊墻和拱頂變形均小于預留變形，并在初期支護封閉成環后變形趨于穩定，滿足二次襯砌施作條件。

4）二次襯砌采用厚60 cm的C45鋼筋混凝土結構，凍結體解凍后未出現裂縫、滲漏水等問題，結構安全。