高速鐵路高填方雙層襯砌明洞施工工序

羅勇，徐湉源，于麗，王明年

（西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，四川成都610031）

高速鐵路高填方雙層襯砌明洞施工工序

羅勇，徐湉源，于麗，王明年

（西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，四川成都610031）

重慶豐都高填方明洞首次將雙層襯砌形式引入明洞設(shè)計中，結(jié)構(gòu)由內(nèi)外2層襯砌組成，施工過程主要由施作外襯、施作內(nèi)襯、回填3部分組成，后兩者的施工時機(jī)可靈活調(diào)整，使得工程有多種施工工序可選用。本文對不同施工工序下雙層襯砌明洞的內(nèi)力及安全性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：只有回填土高度超過拱頂后，內(nèi)襯的施作時機(jī)才能對結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全性產(chǎn)生明顯影響。對比各類施工工序的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了工期最短、內(nèi)襯安全儲備最高、回填過程中安全性最高3種方案，可供今后類似工程參考。

高填方明洞；雙層襯砌；施工工序

目前高速鐵路路網(wǎng)正迅速向西南山區(qū)延伸，當(dāng)高鐵線路通過山區(qū)城市時，考慮到城市用地緊張及未來發(fā)展規(guī)劃等問題，于隧道洞口修建明洞后再進(jìn)行回填造地的方法逐漸得到了采用［1-3］，從而使高填方明洞的數(shù)量逐漸增多。

高填方明洞需要承受極高的土壓力，襯砌厚度一般較大，目前已有的工程實(shí)例表明此類明洞襯砌的厚度往往接近甚至超過2 m。此時若仍采用以往的整體式襯砌［4］，會使單層襯砌厚度過大，導(dǎo)致襯砌在施作后硬化過程中釋放大量水化熱，引發(fā)襯砌混凝土產(chǎn)生收縮裂縫［5］，對結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性產(chǎn)生極不利影響。

為使明洞襯砌在滿足承載能力要求的同時又不會因為截面過厚而產(chǎn)生工后收縮裂縫，故將盾構(gòu)隧道中采用的雙層襯砌結(jié)構(gòu)［6-7］引入高填方明洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，把原本較厚的明洞襯砌劃分為外襯與內(nèi)襯2層，并在二者之間添加墊層進(jìn)行阻隔，降低了單層襯砌的厚度，從而減弱大體積混凝土施工時的水化熱影響。

以往明洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計一般采用整體式襯砌的形式，其施工工序較為固定，在襯砌達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后回填至規(guī)劃標(biāo)高即可［8］；但對于高填方雙層襯砌明洞，其施工工序則具有一定靈活性，其內(nèi)襯的施作可以選擇在回填前、回填過程中、回填后進(jìn)行。

因此，本文對不同施工工序下雙層襯砌明洞在回填完成后的受力狀態(tài)及安全性進(jìn)行分析，探討合理施工工序，以期為今后類似工程參考。

1　工程背景

渝利鐵路DK149+437—DK149+810里程段位于重慶市豐都縣斜南溪溝谷地區(qū)，修筑明洞后再回填造地，并首次在明洞工程中采用了雙層襯砌形式，其襯砌由1.4 m厚的外襯與0.5 m厚的內(nèi)襯組成，兩層襯砌之間添加防水板及土工布作為墊層。結(jié)構(gòu)高14 m，最大跨度為20 m，規(guī)劃回填土高度為41 m（回填土表面至明洞底部的距離）。其橫斷面見圖1。

圖1　重慶豐都高填方雙層襯砌明洞橫斷面（單位：m）

該工程原設(shè)計為先施作外襯，待其達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度并回填至規(guī)劃標(biāo)高后再施作內(nèi)襯。在該種施工工序下，內(nèi)襯僅作為安全儲備，有利于明洞結(jié)構(gòu)的長期安全及穩(wěn)定。但實(shí)際施工中出于工期的考慮，在回填前就將外襯與內(nèi)襯均施作完成，二者在回填開始時就共同承擔(dān)外部荷載。

2　施工工序?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全性的影響

2.1各類施工工序介紹

高填方雙層襯砌明洞的施工工序可調(diào)是因為內(nèi)襯施作時機(jī)可調(diào)，因此本節(jié)中以內(nèi)襯開始施作時回填土表面至襯砌底部的距離h為標(biāo)準(zhǔn)，以h值的大小設(shè)計3種施工工序。

1）內(nèi)襯先作：先施作外襯，待其達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后再施作內(nèi)襯，內(nèi)襯達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后再進(jìn)行回填，即h= 0，見圖2（a）。

2）內(nèi)襯后作：先施作外襯，待其達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后開始回填，回填完成后再施作內(nèi)襯，即h=41 m，見圖2（b）。

3）穿插施工：先施作外襯，待其達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后開始回填，待回填進(jìn)展到一定程度時再施作內(nèi)襯，當(dāng)內(nèi)襯也達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后再完成剩余回填工作。本次研究中分別取h=14（回填土剛好達(dá)到襯砌頂面），24，34 m，見圖2（c）。

圖2　3種施工工序

2.2有限元數(shù)值模擬分析

2.2.1模型的建立

采用有限元軟件ANSYS對各種施工工序進(jìn)行分析，建立了襯砌及回填土的三維實(shí)體單元模型，外襯與內(nèi)襯之間、外襯與回填土之間均添加了接觸單元，可模擬物體之間的相互擠壓及滑動。施工過程的模擬則采用生死單元，按照施工工序分步激活相應(yīng)的單元，以達(dá)到模擬實(shí)際施工過程的目的。數(shù)值模型見圖3。

在雙層襯砌數(shù)值模型中取拱頂、拱肩、拱腰及邊墻4個截面進(jìn)行受力與安全性分析，最后以各截面的軸力、彎矩及安全系數(shù)作為分析對象［9］。內(nèi)力提取點(diǎn)位置見圖4。

圖3　數(shù)值模型

圖4　內(nèi)力提取點(diǎn)位置

圖5　不同施工工序下外襯軸力、彎矩、安全系數(shù)與內(nèi)襯施作時機(jī)的關(guān)系

2.2.2結(jié)果與分析

1）不同施工工序下外襯的受力特征

不同施工工序下，回填工作完成后的外襯內(nèi)力及安全性對比見圖5。由圖5（a）可知，外襯的軸力與施工工序具有較為明顯的相關(guān)性。在回填土高度未達(dá)拱頂前施作內(nèi)襯時，外襯的軸力基本不變，變化幅度僅為0.5%～1.3%；若在回填土高度超過拱頂后施作內(nèi)襯，則外襯軸力的絕對值隨h值的增大而增大，且其變化基本呈線性，說明外襯的軸力值與內(nèi)襯的施作時機(jī)緊密相關(guān)。由圖5（b）可知，外襯各點(diǎn)的彎矩均未表現(xiàn)出明顯波動，這說明內(nèi)襯施作時機(jī)對外襯彎矩?zé)o明顯影響。由圖5（c）可知，外襯安全系數(shù)與施工工序具有較為明顯的相關(guān)性，若在回填土高度未達(dá)拱頂前施作內(nèi)襯，外襯安全系數(shù)基本不變，變化幅度僅在3%左右；若在回填土高度超過拱頂后施作內(nèi)襯，施作時機(jī)越晚，外襯安全系數(shù)越小，且其變化基本呈線性。

2）不同施工工序下內(nèi)襯的受力特征

不同施工工序下，回填工程完成后的內(nèi)襯內(nèi)力及安全性對比見圖6。

由圖6（a）可知，內(nèi)襯的軸力與施工工序具有較為明顯的相關(guān)性，若在回填土高度未達(dá)拱頂前施作內(nèi)襯，內(nèi)襯軸力的變化幅度相對較小，在17%左右；若在回填土高度超過拱頂后施作內(nèi)襯，則內(nèi)襯軸力的絕對值隨其施作時機(jī)的后延而減小，二者基本呈線性關(guān)系，說明內(nèi)襯自身的軸力與其施作時機(jī)關(guān)系十分密切。

由圖6（b）可知，內(nèi)襯邊墻處的彎矩與內(nèi)襯自身的施作時機(jī)關(guān)系不大；其余各點(diǎn)的彎矩與內(nèi)襯施作時機(jī)有比較明顯的關(guān)系，若回填土高度未達(dá)拱頂前施作內(nèi)襯，內(nèi)襯彎矩的變化幅度較小，僅為0.3%～0.6%；若在回填土高度超過拱頂后施作內(nèi)襯，則內(nèi)襯彎矩的絕對值隨著內(nèi)襯施作時機(jī)的后延而減小，二者呈線性關(guān)系。這說明內(nèi)襯自身的彎矩與其施作時機(jī)緊密相關(guān)。

由圖6（c）可知：內(nèi)襯安全系數(shù)與施工工序具有十分明顯的相關(guān)性，若在回填土高度未達(dá)拱頂前施作內(nèi)襯，內(nèi)襯安全系數(shù)基本不變；若在回填土高度超過拱頂后施作內(nèi)襯，則內(nèi)襯施作時機(jī)越靠后，其自身安全系數(shù)越大，變化幅度十分明顯。這說明內(nèi)襯施作時機(jī)越靠后，內(nèi)襯的安全儲備量越大。

圖6　不同施工工序下內(nèi)襯內(nèi)力、安全性與內(nèi)襯施作時機(jī)的關(guān)系

3）綜合分析

①當(dāng)h＜14 m（明洞襯砌高度）時，內(nèi)襯施作時機(jī)對雙層襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及安全性無明顯影響。②當(dāng)h＞14 m時，內(nèi)襯施作時機(jī)對雙層襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及安全性具有極為明顯的影響。外襯所分擔(dān)的荷載比例隨h值的增大呈線性增長趨勢，內(nèi)襯承擔(dān)的荷載比例則相應(yīng)減小。外襯的安全系數(shù)隨著h的增大而線性減小，內(nèi)襯的安全系數(shù)則迅速增加。

這表明回填土達(dá)到襯砌頂面是一個關(guān)鍵的分界點(diǎn)，只有當(dāng)h值達(dá)到此分界點(diǎn)后，內(nèi)襯施作時機(jī)才能對雙層襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及安全性產(chǎn)生明顯影響。

3　推薦方案

根據(jù)以上分析，從不同的出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行考慮，改進(jìn)原有的施工工序，推薦3種適用于高填方雙層襯砌明洞的施工工序。

1）以縮短工期為出發(fā)點(diǎn)，推薦穿插施工工序，即在外襯修筑完畢并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，即可開始施作內(nèi)襯，同時開始回填，但建議回填土高度暫不超過明洞頂面。在明洞縱向，若回填至明洞頂面的工作先于明洞內(nèi)襯完成，可將施工人員及機(jī)械轉(zhuǎn)移至已施作內(nèi)襯的里程段，完成后續(xù)回填工作；若內(nèi)襯先于回填工作完成，則繼續(xù)完成剩余的回填工作即可。

2）以內(nèi)襯的安全儲備為出發(fā)點(diǎn)，推薦采用內(nèi)襯后作的施工工序，即待回填工作全部完成后再施作內(nèi)襯，此時內(nèi)襯基本不分擔(dān)回填荷載，可認(rèn)為其僅作為安全儲備，但該方案的施工工期較長。

3）以回填施工過程中的安全性為出發(fā)點(diǎn)，推薦采用內(nèi)襯先作的施工工序，即待外襯施作完成并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后施作內(nèi)襯，待內(nèi)襯達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后再進(jìn)行回填工作。外襯與內(nèi)襯兩者在整個回填過程中都共同承擔(dān)回填荷載，且對回填過程中可能出現(xiàn)的偏壓或者沖擊荷載具有較好的防護(hù)性。施工工期則介于以上兩方案之間。

4　結(jié)論

高填方雙層襯砌明洞施工工序具有高度的可調(diào)性，其關(guān)鍵因素在于內(nèi)襯施作時機(jī)的選取。通過對比分析不同施工工序下明洞襯砌的內(nèi)力及安全性，得出主要結(jié)論如下：

1）在回填土高度未達(dá)拱頂前任何時間點(diǎn)上施作內(nèi)襯，雙層襯砌整體的內(nèi)力及安全性均無明顯變化；在回填土高度超過拱頂后，內(nèi)襯施作時機(jī)則對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及安全性有著明顯影響，其施作時機(jī)越靠后，內(nèi)襯所分擔(dān)的荷載越小，安全儲備量越大。

2）分別以工期最短、內(nèi)襯安全儲備最高、施工過程最安全為出發(fā)點(diǎn)，提出了3種適用于高填方雙層襯砌明洞的施工工序，可為今后類似工程提供參考。

［1］崔建龍，王起才，李盛.明洞EPS板和土工格柵減載效果研究［J］.鐵道建筑，2014（6）：75-77.

［2］楊雄，華科，琚國全.超大跨度超高回填荷載明洞襯砌結(jié)構(gòu)選型探討［J］.高速鐵路技術(shù)，2013，4（3）：47-53.

［3］毛金龍.明洞二次高填方護(hù)拱方案設(shè)計及數(shù)值模擬計算［J］.科技信息，2012（3）：509-510.

［4］盛智平.蘭新鐵路防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)形式設(shè)計研究［J］.鐵道建筑，2011（4）：80-82.

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［6］周濟(jì)民水下盾構(gòu)法隧道雙層襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性［D］.成都：西南交通大學(xué)，2012.

［7］吳林.盾構(gòu)隧道雙層襯砌計算模型與力學(xué)特性研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2008.

［8］黃明琦，張明聚，李云超.廈門海底隧道明洞回填前后結(jié)構(gòu)安全性分析［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，34（3）：265-270.

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Construction Sequence of Bi-layer Lining of Open Cut Tunnel Under High Filling of High Speed Railway

LUO Yong，XU Tianyuan，YU Li，WANG Mingnian
（Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

T he bi-layer lining mode was introduced in the opencut tunnel design for Chongqing Fengdu high-fill open cut tunnel construction.T he structure consists of inner layer lining and outer layer lining，the construction sequences include outer layer lining construction，inner layer lining construction and backfill，and the construction timing of the latter two could be adjusted flexibly，which makes the project possess a variety of available construction sequences.T he internal force and security of open cut tunnel with bi-layer lining under different construction sequences was analyzed.T he results show that the construction timing of inner layer lining will have a significant effect on the structure internal force and the security only if the backfill height exceeds the vault.T hrough advantages and disadvantages comparison of various construction sequences，3 schemes with the shortest construction period，highest safety reserve of inner layer lining and highest safety in backfill process were presented respectively，which could provide a reference for similar projects in the future.

High-fill open cut tunnel；Bi-layer lining；Construction sequence

U455.4

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.16

1003-1995（2016）09-0062-04

（責(zé)任審編葛全紅）

2016-06-10；

2016-07-05

羅勇（1985—），男，博士研究生。

王明年（1965—），男，教授，博士。