鐵路硬巖隧道單層永久襯砌結構研究

馬兆飛

(浩吉鐵路股份有限公司 北京 100073)

在鐵路隧道修建過程中，其襯砌類型對于隧道施工進度和工程投資具有重要影響，常用的隧道襯砌類型一般有2種：①復合式襯砌；②單層式襯砌。復合式襯砌作為目前隧道襯砌結構的主流[1]，可以結合初期支護施作及時但剛度小易變形的特點，通過二次襯砌進一步保護和加固圍巖，且襯砌后表面光滑平整，可以防止外層風化并增強安全感。單層式襯砌相對于復合式襯砌，具有工序更加簡化、施工更加快速、經濟性更好等多方面的優(yōu)點。研究表明[2]，在同等程度荷載條件下，單層襯砌產生的內力小于復合式襯砌，所以可適當減薄襯砌厚度，同時也減少了開挖量和襯砌圬工量，節(jié)約了工程投資。同時，單層襯砌一次性施工完成，避免了二次襯砌施工對其他工序的干擾，有利于縮短工期，從而進一步降低工程造價[3]。

挪威為最早使用單層襯砌的國家，1978年以來，挪威在有節(jié)理易超挖的巖層內，采用噴射鋼纖維混凝土作為永久加固和最終支護的手段，約460 km的干線公路隧道中共有160 km(其中部分是海底隧道)采用噴射混凝土或噴射鋼纖維噴混凝土，作為永久支護。瑞典的斯德哥爾摩地鐵中大量使用單層襯砌技術。瑞士修建的費爾艾那隧道，97%的支護都采用單層襯砌技術[4]。在國內，20世紀60年代在成昆鐵路圍巖較好的短隧道中，成功地采用了噴射混凝土加錨桿作為永久襯砌。70年代在下坑隧道試做了單層襯砌數十米，但受制于當時施工技術水平和材料水平，發(fā)生了裂縫和漏水情況。

綜上所述，雖然單層式襯砌具有工序簡化、施工快速、經濟性好等多方面的優(yōu)點，在國內外也有應用案例，但由于前期噴射混凝土材料及施工工藝水平難以保證結構施工質量，且鐵路隧道穿越的地質情況復雜多變，我國鐵路隧道襯砌結構類型選擇中，多采用適用性更強的復合式襯砌。

近年來，隨著我國噴射混凝土技術、材料水平的不斷提高，尤其是大型濕噴機械手設備的應用，使噴射混凝土結構強度和施工穩(wěn)定性有了顯著提高。選取地質情況適宜的隧道段落對單層襯砌結構進行深入研究不僅有很高的理論價值，而且在工程實踐中也可創(chuàng)造巨大的經濟效益。

本文以浩吉鐵路建設為依托，結合浩吉鐵路全線隧道施工采用濕噴機械手的特點，選取地質條件較好的硬巖隧道段落，進行隧道單層永久襯砌結構探索研究。

1 工程概況

浩吉鐵路是中國“十二五”規(guī)劃綱要中的重大交通基礎設施，北起浩勒報吉南站，途經內蒙、陜西、山西、河南、湖北、湖南、江西，南至京九鐵路吉安站，共跨越7省區(qū)17市，全長1 814.5 km，設計速度120 km/h，為國鐵I級貨運鐵路，規(guī)劃年輸送能力2億t以上。

浩吉鐵路沿線隧道共有228座，總長468 km，占線路總長的25.8%。全線10 km以上隧道10座，最長隧道為長22.7 km的崤山隧道。隧道斷面形式主要為單線及雙線形式，單線隧道斷面凈空面積為31.38 m2，雙線隧道斷面凈空面積為63.98 m2。線路穿越地層種類多，從太古界到新生代均有出露。

本文選取浩吉鐵路岳吉段張坊隧道(單線)開展單層永久襯砌現(xiàn)場試驗研究。張坊隧道位于湖南省瀏陽市境內，隧道全長5 755 m，最大埋深292.5 m。穿越地層主要為板巖、花崗閃長巖和花崗巖。其中本次選取的試驗段為DK1643+526-DK1643+696，地質為花崗閃長巖，弱風化，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，巖體完整～較完整，巖質較硬。地下水主要為基巖裂隙水，弱發(fā)育。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗段結構支護參數

本次單層永久襯砌結構試驗綜合考慮結構耐久性及防水性能，噴射混凝土采用添加纖維、硅粉的C35混凝土，試塊強度滿足3 h不低于1 MPa、10 h不低于5 MPa、24 h不低于15 MPa，噴混凝土表面噴涂水泥基抗?jié)B結晶涂料，并預留一定結構補強空間。具體支護參數見表1。

表1 單層襯砌試驗段支護參數對比表

2.2 試驗觀測斷面、項目及測點布置

為盡可能完整地獲得圍巖開挖后圍巖和支護結構力學形態(tài)的變化、變形情況，需要在試驗段落選取有代表性的地段設置典型觀測斷面，通過獲取典型斷面測點沉降、收斂等位移數據和圍巖與支護結構的力學數據等方式綜合判斷隧道結構的安全性和穩(wěn)定性。本次觀測選取DK1643+608、DK1643+613、DK1644+618共3個斷面作為觀測斷面，觀測項目包括隧道位移(拱頂下沉及周邊收斂)、 圍巖壓力、噴射混凝土應力和錨桿應力。

在本次試驗項目中，因II級圍巖采用全斷面開挖，位移測線布置成三角形，位移量測測點布置圖見圖1a)；壓力盒、鋼筋應力計、混凝土應變計選擇埋設在應力變化較大的拱頂、拱腰、邊墻及仰拱處，壓力測點布設示意圖見圖1b)；鋼筋及噴混凝土內力測點布設圖見圖1c)；系統(tǒng)錨桿內力測點布設圖見圖1d)。試驗段每個試驗斷面設置3根測力錨桿用來監(jiān)測錨桿受力；設置5個測位混凝土應變計、設置5個測位壓力盒來監(jiān)測圍巖壓力。

圖1 測點布設示意(單位：cm)

各量測項目觀測頻率為：

①在隧道開挖支護后的半個月內，測讀1～2次/d。

②半個月后到1個月內，測讀1次/2 d。

③1個月后到3個月，測讀1～2次/周。

④3個月以后，測讀l～3次/月。

若遇突發(fā)情況及數據突變則增加觀測頻率，增加數量根據其變化的大小來確定。

考慮結構耐久性方面要求，后續(xù)將對試驗段落進行長期監(jiān)測。

2.3 試驗觀測結果

1) 隧道位移。隧道拱頂下沉和周邊收斂值在隧道開挖后急劇變化但很快趨于穩(wěn)定，變形時態(tài)曲線多在1個月內趨于收斂，最終位移值較小，說明圍巖開挖后迅速進行應力重分布并經過一段時間后達到平衡狀態(tài)。變形時態(tài)曲線圖見圖2。

圖2 變形時態(tài)圖

2) 圍巖壓力。圍巖壓力普遍較小，最大處為DK1643+608拱頂0.118 MPa，其余均小于0.1 MPa，圍巖壓力分布圖見圖3。

圖3 壓力分布圖(單位：kPa)

3) 噴射混凝土受力。襯砌內外側噴射混凝土皆為受壓且應力值較小，最大受壓應力為9.34 MPa，遠小于C35噴射混凝土極限抗壓強度，說明試驗段單層襯砌具有一定安全富余量。

噴射混凝土應力分布圖見圖4。

圖4 噴射混凝土應力分布圖(單位：MPa)

4) 錨桿軸力。錨桿軸力普遍較小，最大軸力為DK1643+608斷面的55.6 kN，錨桿軸力分布圖見圖5。

圖5 錨桿軸力分布圖(單位：kN)

綜合上述隧道變形、圍巖壓力、噴射混凝土應力和錨桿軸力情況可知，試驗段圍巖和襯砌結構整體受力較小、結構安全且仍有一定安全富余量，現(xiàn)有支護方案可充分保證隧道安全性。

3 圍巖穩(wěn)定性數值分析

3.1 分析方法

自1975年，Zienkiewicz等首次提出了抗剪強度折減系數概念以來，由此確定的強度儲備安全系數得到了廣泛認同，亦為隧道圍巖較常用的穩(wěn)定性分析方法。江權等[5]采用強度折減法探討了地下洞室群整體安全系數計算方法;尹瑩等[6]用有限元強度折減法對海底隧道進行穩(wěn)定性分析。在計算隧道穩(wěn)定安全系數時，首先按將圍巖強度參數黏聚力c和內摩擦角φ值同時除以一個折減系數w得到一組新的c′、φ′值，然后作為新的材料參數輸入，再進行試算;當計算不收斂時，對應的w稱為最小穩(wěn)定安全系數。折減后的圍巖強度可以表示如下。

式中：c、c′分別為黏聚力和黏聚力修正值；φ、φ′分別為內摩擦角和內摩擦角修正值。

由變形破壞規(guī)律可知，隨著圍巖的各種環(huán)境因素變化，圍巖的穩(wěn)定性也隨之變化，位移速率(位移增量與時間增量之比)也隨之變化，當圍巖達到臨滑狀態(tài)時，此時圍巖安全系數降低到1.0，位移速率會突然急劇增加，并很快導致圍巖失穩(wěn)破壞，由此可以得出圍巖的穩(wěn)定性與位移速率變化趨勢將存在比較密切的關系，人們通常利用實測位移來判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性。一般當安全系數大于1.0時便可以認為圍巖是穩(wěn)定的，但是綜合考慮實際存在的各種不利因素，本次計算以1.3為圍巖穩(wěn)定性的臨界點。

3.2 計算參數及結果

計算參數選取地勘資料地層參數并參考隧道規(guī)范中圍巖分級的地層參數，各項參數取值如下：γ=26 kN/m3，E=27.5 GPa，μ=0.23，φ=55°，c=1.8 MPa 。計算模型圖見圖6。

圖6 單線隧道II級圍巖模型圖

按照黏聚力及內摩擦角同時按比例折減進行安全系數計算，以最大位移的突變點作為安全系數的取值，計算得到隧道安全系數為9.9，說明在裸洞工況下隧道可以達到自身穩(wěn)定。

拱頂位移隨折減系數變化曲線圖見圖7，極限狀態(tài)位移圖見圖8。

圖7 拱頂位移隨折減系數變化曲線

圖8 極限狀態(tài)位移云圖(單位：m)

4 結論

1) 通過現(xiàn)場試驗和數值分析可以判斷，II級圍巖均具有良好的自承能力，隧道開挖后基本均可依靠圍巖自身達到穩(wěn)定，支護的作用基本僅在于輔助圍巖自身的結構穩(wěn)定性和達到耐久性、運營要求，可以得出II級圍巖自承能力強，單層襯砌安全系數高、能夠滿足隧道施工與短期運營安全性要求的結論。襯砌結構耐久性及隧道長期運營安全結合后續(xù)試驗段落長期監(jiān)測情況進一步研究。

2) 襯砌支護結構普遍處于小偏心受壓狀態(tài)，這在數值分析和現(xiàn)場試驗段測試中均得以體現(xiàn)，在小偏心受壓狀態(tài)下，支護以斜截面剪切破壞形式為主，為后續(xù)隧道設計提供參考。

3) 考慮我國鐵路隧道穿越的地質情況復雜多變，在隧道實際施工過程中往往存在圍巖破碎、偏壓、富水等多種因素，會對單層永久襯砌結構產生不利影響，建議優(yōu)先選擇無水或少水的I、II級圍巖和部分地質條件較好、巖性完整的III級圍巖隧道或段落開展單層永久襯砌結構的現(xiàn)場試驗和應用。