單線重載鐵路隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

梅 竹

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063)

0 引言

中國鐵路隧道自從采用新奧法施工以來，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)已成為隧道永久性建筑物的主體。復(fù)合式襯砌是由初期支護(hù)、防水層和模筑混凝土組成的一種復(fù)合式結(jié)構(gòu)型式。

WANG等[1]分析了重載鐵路道面壓力隨時(shí)間分布情況，并進(jìn)一步研究了隧道仰拱在循環(huán)荷載作用下的破壞規(guī)律。DU等[2]采用超靜定反應(yīng)法(the hyperstatic reaction method, HRM)分析了U型隧道襯砌結(jié)構(gòu)在分層巖土環(huán)境下的性能變化。LI等[3]分析了27 t軸重的鐵路隧道襯砌內(nèi)力在不同圍巖條件下的動(dòng)力響應(yīng)及力學(xué)特性。LIU等[4]研究了30 t軸重和圍巖壓力的耦合作用以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞特性。ZHANG等[5]對(duì)重載鐵路隧道的激勵(lì)荷載時(shí)程曲線進(jìn)行研究，并分析了空隙大小對(duì)襯砌抗疲勞壽命的影響。肖明清等[6-7]提出了高速鐵路雙線隧道初期支護(hù)方案及襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)。羅章波[8]提出了時(shí)速200 km/h雙層集裝箱鐵路的復(fù)合式襯砌優(yōu)化參數(shù)。陳建勛等[9]應(yīng)用工程類比法對(duì)榆樹溝隧道二次襯砌厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并給出二次襯砌厚度優(yōu)化建議。楊昌賢[10]以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和配筋率為約束條件，對(duì)二次襯砌的厚度和配筋進(jìn)行優(yōu)化。馮冀蒙等[11]利用室內(nèi)試驗(yàn)，得到隧道承載力的變化規(guī)律，供隧道結(jié)構(gòu)的全壽命設(shè)計(jì)對(duì)比參考。周建等[12]通過分析處理實(shí)測數(shù)據(jù)得到不同隧道斷面壓力隨跨度和深度的變化情況，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式探究其可靠程度。王長輝[13]研究了混凝土強(qiáng)度與二次襯砌耐久性之間的關(guān)系以及二次襯砌厚度對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響。孫明社等[14]提出了“先計(jì)算初期支護(hù)壓力、襯砌后方壓力，再計(jì)算結(jié)構(gòu)分擔(dān)壓力比”的復(fù)合式襯砌分析新思路。彭躍等[15]利用數(shù)值分析軟件建立了地層-結(jié)構(gòu)的二維計(jì)算模型，分析了不同空洞大小對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響，并計(jì)算了相應(yīng)的安全系數(shù)。

以上研究均是針對(duì)普通鐵路或高速鐵路隧道，現(xiàn)行的TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定應(yīng)對(duì)復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)的初期支護(hù)及二次襯砌的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行工程類比和理論分析確定。歐美等國興建了大量的重載鐵路隧道，但其設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)參數(shù)與中國有較大差別，且其具體的設(shè)計(jì)資料很難取得。中國已經(jīng)開通數(shù)條重載鐵路，隧道設(shè)計(jì)在參考普通鐵路隧道的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，但運(yùn)營的重載鐵路隧道存在多種病害，已有的設(shè)計(jì)參數(shù)存在較大的優(yōu)化空間。中國重載鐵路隧道多是結(jié)合工程類比和設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行隧道支護(hù)設(shè)計(jì)，而本文在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，新增不同的支護(hù)方案并進(jìn)行實(shí)際的工程應(yīng)用與監(jiān)控量測，對(duì)原設(shè)計(jì)和新設(shè)計(jì)進(jìn)行監(jiān)測結(jié)果、數(shù)值計(jì)算分析與對(duì)比，再根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步給出支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化方案，其可靠程度更高。

本文依托蒙華鐵路單線隧道工程，在國內(nèi)外隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合蒙華鐵路工程的實(shí)際需要，采用現(xiàn)場測試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式開展復(fù)合式襯砌研究，評(píng)價(jià)初期支護(hù)安全性，確定蒙華鐵路隧道Ⅳ級(jí)圍巖條件下支護(hù)及襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)，確定可優(yōu)化隧道及其優(yōu)化方案，以期為相似工程提供參考。針對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖或自穩(wěn)能力更差的巖土體，可以在Ⅳ級(jí)圍巖支護(hù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)加密格柵鋼架或者加大襯砌厚度的方式來確保支護(hù)的安全可靠； 對(duì)于圍巖條件較好的情況，也可通過調(diào)整格柵鋼架間距和襯砌厚度的方式進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1.1 工程建設(shè)條件

新建蒙華重載鐵路是國家重要的運(yùn)煤通道，隧道占比28.2%，隧道穿越的主要地層有黃土、花崗巖、灰?guī)r及砂層等，遇到的不良地質(zhì)主要有富水?dāng)鄬印⒏叩貞?yīng)力及巖溶，線路軟弱圍巖段占比30%。大圍山隧道作為蒙華單線重載鐵路的試驗(yàn)隧道之一，穿越地層情況復(fù)雜、施工難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)高，具有較強(qiáng)的代表性。

為研究Ⅳ級(jí)圍巖條件下，單線隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)中初期支護(hù)與二次襯砌的受力情況，選取大圍山隧道進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)隧道概況見表1，原設(shè)計(jì)襯砌斷面如圖1所示。

表1 試驗(yàn)隧道概況

圖1 原設(shè)計(jì)(DIVA工況)襯砌斷面圖(單位： cm)

1.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

在原設(shè)計(jì)DIVA工況基礎(chǔ)上，新增DIVC工況,將兩者作比較。DIVC工況采用35 cm厚的仰拱，同時(shí)加密了格柵鋼架。試驗(yàn)工況支護(hù)參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)工況支護(hù)參數(shù)

2 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 數(shù)值模擬

為探討監(jiān)測位移的發(fā)展過程和開挖支護(hù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把握支護(hù)的變形受力特征，選取大圍山隧道進(jìn)行施工過程數(shù)值模擬，分析比較監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算的支護(hù)應(yīng)力(內(nèi)力)的差異程度。

大圍山隧道為深埋隧道(平均埋深約210 m，地應(yīng)力水平約483 MPa)，采用臺(tái)階法開挖。采用FLAC2D有限元軟件進(jìn)行建模分析，數(shù)值模型如圖2所示。根據(jù)距離開挖斷面遠(yuǎn)近由密到疏進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再在模型底面施加豎向約束，兩側(cè)施加水平約束。施工過程模擬主要分為上臺(tái)階開挖、上臺(tái)階支護(hù)、下臺(tái)階開挖、下臺(tái)階支護(hù)、仰拱開挖、仰拱支護(hù)6個(gè)步驟。利用地應(yīng)力釋放的概念模擬隧道開挖支護(hù)過程，即按每步開挖釋放未開挖時(shí)60%的地應(yīng)力，支護(hù)時(shí)釋放40%的地應(yīng)力，逐步開挖支護(hù)。具體如下：第1步上臺(tái)階開挖(釋放初始地應(yīng)力的60%)；第2步上臺(tái)階支護(hù)(釋放初始地應(yīng)力的40%)；第3步下臺(tái)階開挖(釋放第2步地應(yīng)力的60%)；第4步下臺(tái)階支護(hù)(釋放第2步地應(yīng)力的40%)；第5步仰拱開挖(釋放第4步地應(yīng)力的60%)；第6步仰拱支護(hù)(釋放第4步地應(yīng)力的40%)。

圖2 有限元計(jì)算模型(單位： m)

圍巖的物理力學(xué)參數(shù)結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)、相關(guān)地勘報(bào)告，采用RMR分類法確定。支護(hù)的彈性模量根據(jù)噴射混凝土和格柵鋼筋的彈性模量，按照等效抗彎剛度的方法計(jì)算得到。Ⅳ級(jí)圍巖及支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 Ⅳ級(jí)圍巖及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

2.2 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

隧道拱頂沉降和內(nèi)空收斂是圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化最直接的反映，其位移測點(diǎn)布置如圖3(a)所示。噴射混凝土應(yīng)力的監(jiān)測先采用埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)進(jìn)行噴射混凝土應(yīng)變的監(jiān)測，進(jìn)而計(jì)算得到相應(yīng)的應(yīng)力，每個(gè)監(jiān)測斷面布設(shè)10個(gè)測位，每個(gè)測位布置內(nèi)外2個(gè)測點(diǎn)，如圖3(b)所示。格柵鋼架的內(nèi)力采用鋼筋應(yīng)力計(jì)(或表面應(yīng)變計(jì)、頻率計(jì))監(jiān)測，測點(diǎn)布置如圖3(c)所示。

(a) 位移測點(diǎn)

3 結(jié)果分析

3.1 拱頂沉降和內(nèi)空收斂分析

結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值計(jì)算結(jié)果，繪制相應(yīng)的拱頂沉降和內(nèi)空收斂隨時(shí)間(施工工序)的變化曲線，如圖4所示。

分析圖4可以看出拱頂沉降和內(nèi)空收斂的大小以及變化趨勢(shì)，其數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本一致。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，拱頂位移和內(nèi)空收斂隨時(shí)間的增加逐漸增大，增大速率減小，逐漸趨于平穩(wěn)； 拱頂出現(xiàn)上升現(xiàn)象，位移值為-5～5 mm； 內(nèi)空收斂各試驗(yàn)工況差異較大，位移值為20～25 mm。根據(jù)數(shù)值模擬，拱頂沉降在上臺(tái)階開挖支護(hù)完成時(shí)約為3.3 mm，之后有較小的反彈上升，最后的收斂值為2.5 mm； 內(nèi)空收斂在上臺(tái)階開挖支護(hù)完成時(shí)約為6 mm，之后漸漸增大，特別是在下臺(tái)階開挖和支護(hù)過程中累積收斂變形達(dá)到15.4 mm，最后的收斂值為22.8 mm。

(a) DIVA工況下隨時(shí)間變化圖

造成拱頂位移上升的原因有很多，與現(xiàn)場監(jiān)測方法以及水平應(yīng)力的釋放有關(guān)。由于本研究中的隧道埋深較大，可能存在的構(gòu)造應(yīng)力等因素導(dǎo)致水平壓力較大，當(dāng)水平應(yīng)力釋放時(shí)導(dǎo)致拱頂上升。監(jiān)測數(shù)據(jù)中也表現(xiàn)較為明顯，水平收斂較大。數(shù)值分析中未考慮構(gòu)造應(yīng)力等的影響，因此可能導(dǎo)致模擬結(jié)果小于實(shí)測結(jié)果，但分析可知，實(shí)測結(jié)果和數(shù)值結(jié)果的內(nèi)空變形均處于收斂狀態(tài)。

3.2 應(yīng)力分析

利用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，初期支護(hù)閉合后，2種工況下噴射混凝土的應(yīng)力如圖5所示。通過數(shù)值模擬，得到初期支護(hù)施作完成后拱頂及兩側(cè)拱腰和仰拱位置處的計(jì)算應(yīng)力；根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測測點(diǎn)應(yīng)變結(jié)果，結(jié)合初期支護(hù)和噴射混凝土彈性模量的關(guān)系換算得到噴射混凝土承擔(dān)的實(shí)際應(yīng)力。不同工況噴射混凝土應(yīng)力結(jié)果如圖6所示。

分析圖5和圖6可知，噴射混凝土應(yīng)力主要表現(xiàn)為承擔(dān)壓應(yīng)力，應(yīng)力值為-11～0 MPa，均未達(dá)到噴射混凝土極限抗壓強(qiáng)度18.5 MPa，各工況噴射混凝土均處于安全范圍；不同設(shè)計(jì)工況噴射混凝土應(yīng)力總體表現(xiàn)為“拱部大，側(cè)墻次之，仰拱較小”的分布特征，格柵鋼架加密(DIVC工況)較未加密(DIVA工況)，拱部應(yīng)力有所降低，約為1 MPa，說明加密格柵鋼架提高了噴射混凝土的安全性。

(a) DIVA工況

(a) DIVA工況

3.3 內(nèi)力分析

結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)噴射混凝土和格柵鋼架在拱頂(1#)及兩側(cè)拱腰(2#、3#)和仰拱(10#)位置處的軸力和彎矩進(jìn)行分析，其內(nèi)力(軸力和彎矩)的現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比情況，如圖7和圖8所示。

分析圖7和圖8內(nèi)力結(jié)果可知，不同工況下，噴射混凝土和格柵鋼架軸力現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果存在一定差異，其原因可能在于大圍山隧道地質(zhì)為黑云斜長變粒巖、角巖，局部夾千枚巖，數(shù)值模擬對(duì)地層條件進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕鴮?shí)際地質(zhì)情況較為復(fù)雜，存在局部圍巖強(qiáng)度偏低的可能性，同時(shí)在進(jìn)行測點(diǎn)布置時(shí)亦可能出現(xiàn)一定的偏差，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)果的差異較大。噴射混凝土和格柵鋼架主要承擔(dān)壓力，噴射混凝土壓力值為-1 600～0 kN，格柵鋼架壓力值為-800～0 kN；不同設(shè)計(jì)工況下噴射混凝土和格柵鋼架的軸力總體均表現(xiàn)為“拱部大，側(cè)墻次之，仰拱較小”的分布特征，左右基本對(duì)稱分布；格柵鋼架加密(DIVC工況)較未加密(DIVA工況)，噴射混凝土拱部軸力有所減小，側(cè)墻處軸力變化較小。噴射混凝土和格柵鋼架總體彎矩較小且均存在內(nèi)外側(cè)受彎差異，噴射混凝土彎矩為-20～10 kN·m，格柵鋼架彎矩為-5～5 kN·m，最大值多出現(xiàn)在拱頂或拱腰處；格柵鋼架加密(DIVC工況)后，相應(yīng)測點(diǎn)噴射混凝土彎矩值有所降低。

(a) DIVA工況下噴射混凝土軸力圖

(a) DIVA工況下噴射混凝土彎矩圖

分析表明，噴射混凝土和格柵鋼架內(nèi)力主要以軸力(壓力)為主，相應(yīng)彎矩值都較小；格柵鋼架加密(DIVC工況)后，噴射混凝土軸力有所降低，格柵鋼架軸力有所提高，說明格柵鋼架加密降低了噴射混凝土荷載承擔(dān)比例，提高了其安全性。通過襯砌最小抗彎安全系數(shù)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)兩工況的計(jì)算結(jié)果較大，說明其安全儲(chǔ)備足夠大，具體結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)工況安全系數(shù)計(jì)算表

綜合以上分析，得到蒙華鐵路單線隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)，最新優(yōu)化參數(shù)沒有在實(shí)際中進(jìn)行監(jiān)測，但蒙華鐵路已投入運(yùn)營多年，隧道運(yùn)營狀態(tài)良好。具體建議的Ⅳ級(jí)圍巖下單線隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)如表5所示。

表5 單線隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)表(建議)

4 結(jié)論與討論

根據(jù)以上現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果的比較分析，可得到以下結(jié)論：

1)通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)控量測的方式，驗(yàn)證了采用噴射混凝土+格柵鋼架的初期支護(hù)體系在2種不同設(shè)計(jì)方案下的安全性，并通過兩者之間的對(duì)比分析，進(jìn)一步給出蒙華鐵路單線隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)的建議值，即C25噴混凝土取為18 cm，格柵間距取1.2 m,拱墻厚度取30 cm混凝土，仰拱厚度取為35 cm鋼筋混凝土。

2)初期支護(hù)的內(nèi)力以軸力(壓力)為主，相應(yīng)彎矩值較小，由噴射混凝土+鋼架的結(jié)合體共同承擔(dān)，加密格柵鋼架降低了噴射混凝土荷載承擔(dān)比例，提高了其安全性。

3)Ⅳ級(jí)圍巖單線重載鐵路隧道臺(tái)階法施工時(shí)，位移收斂值多數(shù)是內(nèi)空收斂大于拱頂沉降，增強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度對(duì)減小拱頂沉降的效果沒有對(duì)約束內(nèi)空收斂的效果大。

4)最新優(yōu)化參數(shù)在后續(xù)的隧道支護(hù)中采用，本文僅對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖條件下的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，其他級(jí)別圍巖條件下的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化有待進(jìn)一步研究。