鐵路隧道仰拱與填充混凝土一體澆筑技術研究

作者簡介：趙玉龍（1982—），高級工程師，主要從事隧道及地下工程勘察設計與研究工作。

摘要：礦山法隧道襯砌多為封閉的環(huán)形承載結(jié)構(gòu)，考慮仰拱與填充混凝土不同的承載作用，多年來隧道設計理論及施工工藝方面均要求仰拱與填充混凝土分開澆筑。但是，仰拱與填充混凝土分開澆筑存在工藝復雜，嚴重影響施工進度的問題。為了解仰拱與填充混凝土分開澆筑與一體澆筑時隧道的受力差異，推進隧道下部結(jié)構(gòu)混凝土快速澆筑技術，文章通過理論分析計算和現(xiàn)場實測等手段，對雙線鐵路隧道下部結(jié)構(gòu)分開澆筑與一體澆筑兩種技術進行研究，得出以下主要結(jié)論：基于現(xiàn)狀雙線鐵路隧道結(jié)構(gòu)及溝槽布置型式，Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段仰拱與填充混凝土可一體澆筑，Ⅳ級圍巖地段局部布置少量鋼筋后，也可一體澆筑；Ⅴ級圍巖地段一體澆筑需大范圍調(diào)整鋼筋設置，建議采用分開澆筑方案；雙線隧道下部結(jié)構(gòu)溝槽處是結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位，對于地質(zhì)條件復雜、圍巖荷載大的地段，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)低，如采用一體澆筑技術，應通過調(diào)整結(jié)構(gòu)及溝槽布置型式、鋼筋布置等方法，改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)安全性；采用一體澆筑技術可大幅提高施工效率，簡化工藝流程。

關鍵詞：鐵路隧道；仰拱；仰拱填充；一體澆筑；分開澆筑

中圖分類號：U455.4

0 引言

礦山法鐵路隧道仰拱作為隧道主體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，為反向拱形結(jié)構(gòu)，位于隧道底部與拱墻襯砌共同形成的封閉環(huán)形承載結(jié)構(gòu)中。仰拱填充位于仰拱上方，其主要作用為找平仰拱弧面、傳遞軌道及列車荷載，仰拱填充通常為低強度素混凝土結(jié)構(gòu)。由于兩者具有不同的功能與作用，屬于不同的受力體系，根據(jù)隧道行業(yè)的規(guī)定^[1-4]、設計理論及施工工藝，均要求仰拱與填充混凝土分開澆筑。二者分開澆筑時仰拱頂部需設置弧形模板以保證仰拱結(jié)構(gòu)輪廓符合設計要求，其施工工藝復雜，且仰拱混凝土需終凝后方可澆筑仰拱填充混凝土，嚴重影響隧道施工效率。將仰拱與填充混凝土一體澆筑，可簡化施工流程、加快施工進度，但可能改變隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。當仰拱填充承受較大拉應力時，會引起填充混凝土開裂、隧底結(jié)構(gòu)破壞等問題。

通過調(diào)研現(xiàn)有部分研究成果，目前行業(yè)內(nèi)對隧道下部結(jié)構(gòu)方面的研究主要集中在隧道仰拱與填充層動力響應^[5-6]、隧底結(jié)構(gòu)病害機理及整治技術^[7-9]、仰拱與填充一體澆筑時隧道受力影響分析^[10]、特殊巖土地層隧道受力及地基處理^[11]、裝配式仰拱方案研究^[12]、仰拱與填充分開澆筑方案施工裝備及快速施工技術^[13-15]等方面。對于仰拱與填充混凝土一體化澆筑方面的研究多限于理論計算分析，現(xiàn)場試驗驗證的成果少有報道。為推進隧道下部結(jié)構(gòu)混凝土快速澆筑技術，驗證仰拱與填充混凝土分開澆筑與一體澆筑時對隧道結(jié)構(gòu)受力的影響，本文通過理論計算、現(xiàn)場實測試驗兩種方法對鐵路隧道仰拱與填充混凝土一體澆筑技術進行研究，并對不同圍巖條件下仰拱與填充澆筑方案提出合理化建議。

1 理論計算分析

1.1 隧道支護結(jié)構(gòu)選取

采用目前國內(nèi)常用的礦山法單洞雙線高速鐵路隧道復合式襯砌斷面。根據(jù)圍巖級別不同，對Ⅲ級圍巖深埋、Ⅳ級圍巖深埋、Ⅴ級圍巖深埋三種地質(zhì)條件下的隧道襯砌結(jié)構(gòu)進行分析。各襯砌結(jié)構(gòu)型式均為曲墻帶仰拱的復合式襯砌，仰拱填充兩側(cè)設置側(cè)溝與電纜槽，填充中部設置中心排水溝。襯砌設計參數(shù)見表1，襯砌結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

1.2 圍巖參數(shù)及荷載

依據(jù)相關規(guī)范^[1]選取圍巖及二次襯砌結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)，并根據(jù)深埋隧道圍巖荷載計算方法，計算隧道結(jié)構(gòu)所受圍巖壓力。

（1）圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)見表2。

（2）荷載計算。

荷載計算考慮隧道深埋工況，隧道所受垂直均布荷載計算如下：

q=γh（1）

h=0.45×2^s-1ω（2）

式中：S——圍巖級別；

ω——寬度影響系數(shù)，ω=1+i（B-5）；

B——坑道寬度（m），本次計算隧道寬度B=14.2 m；

i——B每增減1 m時的圍巖增減率，當Blt;5 m時取i=0.2，當B＞5 m時取i=0.1。

隧道所受水平荷載按垂直荷載的15%～40%選取。

（3）隧道結(jié)構(gòu)所受圍巖壓力見表3。

1.3 二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

利用SAP84結(jié)構(gòu)分析軟件，采用“荷載-結(jié)構(gòu)”二維平面應變模型來計算二次襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)。二次襯砌結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，圍巖與二次襯砌的相互作用采用彈簧單元模擬，按破損階段法進行檢算。當襯砌仰拱與填充混凝土分開澆筑時，填充層作為荷載作用于仰拱結(jié)構(gòu)上；當襯砌仰拱與填充混凝土一體澆筑時，二者作為整體結(jié)構(gòu)參與受力分析。

針對Ⅲ級圍巖深埋、Ⅳ級圍巖深埋、Ⅴ級圍巖深埋三種襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力均進行了計算分析，限于篇幅，本文僅展示Ⅳa型襯砌仰拱與填充分開澆筑與一體澆筑兩種工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，如圖2及下頁圖3所示。

通過襯砌結(jié)構(gòu)受力分析，可得出以下結(jié)論：

（1）仰拱與填充分開澆筑與一體澆筑對比，隧道拱部及邊墻區(qū)域結(jié)構(gòu)軸力和彎矩變化均較小，仰拱結(jié)構(gòu)軸力變化也較小，仰拱結(jié)構(gòu)彎矩變化大。計算結(jié)果顯示，一體澆筑仰拱彎矩是分開澆筑仰拱彎矩的7.4～8.9倍。仰拱結(jié)構(gòu)受力情況見表4。

（2）通過對各襯砌仰拱與填充一體澆筑工況下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)進行驗算，Ⅲa型襯砌仰拱結(jié)構(gòu)是安全的；Ⅳa型襯砌中心水溝附近安全系數(shù)不滿足要求，需配置鋼筋，其余部位是安全的；Ⅴa型襯砌仰拱彎矩過大，仰拱安全系數(shù)不滿足要求，需調(diào)整受力鋼筋設置。仰拱與填充一體澆筑結(jié)構(gòu)安全系數(shù)見下頁表5。

1.4 隧底結(jié)構(gòu)配筋設計

根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)論，在不改變隧道水溝及電纜槽等的布設型式的條件下，仰拱與填充一體澆筑時，Ⅲa型襯砌仰拱不需配置鋼筋；Ⅳa型襯砌中心水溝附近配置?22@200 mm鋼筋，Ⅳa型襯砌仰拱配筋如圖4所示；Ⅴa型襯砌仰拱填充頂面配置?20@200 mm鋼筋，中心水溝附近配置?28@100 mm鋼筋，Ⅴa型襯砌仰拱配筋如圖5所示。

2 現(xiàn)場測試與分析

2.1 試驗段工程概況

仰拱與填充一體澆筑現(xiàn)場測試試驗段選擇在湘西地區(qū)某在建單洞雙線高速鐵路隧道內(nèi)（該隧道已于2022年底通車運營）。試驗段隧道圍巖均為泥質(zhì)粉砂巖，局部夾泥巖、粉砂巖，弱風化，泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層-中厚層狀構(gòu)造，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，較破碎，該隧道埋深約104～170 m，屬深埋Ⅳ級圍巖地段。

2.2 測試方案

根據(jù)理論分析結(jié)果，結(jié)合實際情況，試驗段共選取6模隧道仰拱結(jié)構(gòu)，總長72 m，澆筑方案為3模分開澆筑及一體澆筑，每模仰拱設置3個監(jiān)測斷面。對仰拱與圍巖接觸壓力及二次襯砌內(nèi)力進行監(jiān)測，并對比分開澆筑與一體澆筑結(jié)構(gòu)受力情況，監(jiān)測周期為仰拱混凝土達到強度后不少于3個月。仰拱與填充一體澆筑方案將仰拱填充混凝土強度等級調(diào)整為與仰拱結(jié)構(gòu)一致，中心水溝一次澆筑成型。測試斷面測點布置如圖6所示。

2.3 測試結(jié)果分析

通過對試驗段仰拱與填充混凝土分開澆筑、一體澆筑兩個方案共計18個監(jiān)測斷面、54個仰拱與圍巖接觸壓力監(jiān)測點、108個仰拱及填充混凝土應變監(jiān)測點、27個鋼筋受力監(jiān)測點，持續(xù)3個月監(jiān)測后的數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）對比分析仰拱底圍巖壓力，分開澆筑時其值在-1.87～-126.71 kPa；一體澆筑時其值在-0.64～-77.72 kPa。考慮測量誤差、圍巖差異及施工影響，仰拱與填充混凝土一體澆筑對仰拱底的圍巖壓力分布影響小。

（2）對比分析仰拱及填充混凝土應變，去除明顯異常斷面數(shù)據(jù)，分開澆筑時仰拱混凝土應變值在-2.99-201.61με；一體澆筑時仰拱混凝土應變值在-0.5～-218.9με；分開澆筑時填充混凝土應變值在-12.95～-149.3με；一體澆筑時填充混凝土應變值在-30.16～-166.73με。考慮測量誤差、圍巖差異及施工影響，一體澆筑對仰拱及填充混凝土的應變影響小。

（3）分析一體澆筑時鋼筋受力，中心溝下方布設的鋼筋是受力的，最大值為13.41 kN，其值在各斷面的左側(cè)、中線和右側(cè)位置不同，但總體來看各部位鋼筋受力的量值變化幅度較小，未出現(xiàn)明顯較大受力部位。

隧道中線處仰拱與填充分開澆筑與一體澆筑最終圍巖壓力對比曲線、最終仰拱混凝土應變對比曲線、最終仰拱填充混凝土應變曲線如圖7～9所示，仰拱與填充混凝土一體澆筑最終鋼筋內(nèi)力曲線如圖10所示。

3 結(jié)語

（1）基于現(xiàn)狀國內(nèi)通用的雙線鐵路隧道結(jié)構(gòu)及溝槽布置型式，Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段仰拱與填充混凝土可一體澆筑；Ⅳ級圍巖地段局部布置少量鋼筋后，也可一體澆筑；Ⅴ級圍巖地段通過計算分析，采用仰拱與填充混凝土分開澆筑與一體澆筑影響較大，需大范圍調(diào)整鋼筋設置才能滿足結(jié)構(gòu)安全要求，建議采用分開澆筑方案。一體澆筑時需將填充混凝土強度等級提高至與仰拱混凝土一致，并注意控制大體積混凝土施工溫度裂縫，排水系統(tǒng)需通暢。

（2）雙線隧道下部結(jié)構(gòu)中心溝、側(cè)溝及電纜槽處是結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位。在地質(zhì)條件復雜、圍巖荷載大的地段，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)低，如采用一體澆筑技術，應通過調(diào)整結(jié)構(gòu)及溝槽布置型式、鋼筋布置等方法，改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)安全性。

（3）采用仰拱與填充混凝土一體澆筑技術可大幅提高施工效率，簡化工藝流程，具有較好的經(jīng)濟效益。

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