馬兆飛

(浩吉鐵路股份有限公司 北京 100073)

在鐵路隧道修建過(guò)程中，其襯砌類型對(duì)于隧道施工進(jìn)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?gòu)?fù)合式襯砌；②單層式襯砌。復(fù)合式襯砌作為目前隧道襯砌結(jié)構(gòu)的主流[1]，可以結(jié)合初期支護(hù)施作及時(shí)但剛度小易變形的特點(diǎn)，通過(guò)二次襯砌進(jìn)一步保護(hù)和加固圍巖，且襯砌后表面光滑平整，可以防止外層風(fēng)化并增強(qiáng)安全感。單層式襯砌相對(duì)于復(fù)合式襯砌，具有工序更加簡(jiǎn)化、施工更加快速、經(jīng)濟(jì)性更好等多方面的優(yōu)點(diǎn)。研究表明[2]，在同等程度荷載條件下，單層襯砌產(chǎn)生的內(nèi)力小于復(fù)合式襯砌，所以可適當(dāng)減薄襯砌厚度，同時(shí)也減少了開(kāi)挖量和襯砌圬工量，節(jié)約了工程投資。同時(shí)，單層襯砌一次性施工完成，避免了二次襯砌施工對(duì)其他工序的干擾，有利于縮短工期，從而進(jìn)一步降低工程造價(jià)[3]。

挪威為最早使用單層襯砌的國(guó)家，1978年以來(lái)，挪威在有節(jié)理易超挖的巖層內(nèi)，采用噴射鋼纖維混凝土作為永久加固和最終支護(hù)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(hù)。瑞典的斯德哥爾摩地鐵中大量使用單層襯砌技術(shù)。瑞士修建的費(fèi)爾艾那隧道，97%的支護(hù)都采用單層襯砌技術(shù)[4]。在國(guó)內(nèi)，20世紀(jì)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(shù)十米，但受制于當(dāng)時(shí)施工技術(shù)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(jiǎn)化、施工快速、經(jīng)濟(jì)性好等多方面的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外也有應(yīng)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(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，且鐵路隧道穿越的地質(zhì)情況復(fù)雜多變，我國(guó)鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)類型選擇中，多采用適用性更強(qiáng)的復(fù)合式襯砌。

近年來(lái)，隨著我國(guó)噴射混凝土技術(shù)、材料水平的不斷提高，尤其是大型濕噴機(jī)械手設(shè)備的應(yīng)用，使噴射混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和施工穩(wěn)定性有了顯著提高。選取地質(zhì)情況適宜的隧道段落對(duì)單層襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究不僅有很高的理論價(jià)值，而且在工程實(shí)踐中也可創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

本文以浩吉鐵路建設(shè)為依托，結(jié)合浩吉鐵路全線隧道施工采用濕噴機(jī)械手的特點(diǎn)，選取地質(zhì)條件較好的硬巖隧道段落，進(jìn)行隧道單層永久襯砌結(jié)構(gòu)探索研究。

1 工程概況

浩吉鐵路是中國(guó)“十二五”規(guī)劃綱要中的重大交通基礎(chǔ)設(shè)施，北起浩勒?qǐng)?bào)吉南站，途經(jīng)內(nèi)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(zhǎng)1 814.5 km，設(shè)計(jì)速度120 km/h，為國(guó)鐵I級(jí)貨運(yùn)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(zhǎng)468 km，占線路總長(zhǎng)的25.8%。全線10 km以上隧道10座，最長(zhǎng)隧道為長(zhǎng)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(kāi)展單層永久襯砌現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。張坊隧道位于湖南省瀏陽(yáng)市境內(nèi)，隧道全長(zhǎng)5 755 m，最大埋深292.5 m。穿越地層主要為板巖、花崗閃長(zhǎng)巖和花崗巖。其中本次選取的試驗(yàn)段為DK1643+526-DK1643+696，地質(zhì)為花崗閃長(zhǎng)巖，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，巖體完整～較完整，巖質(zhì)較硬。地下水主要為基巖裂隙水，弱發(fā)育。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)

本次單層永久襯砌結(jié)構(gòu)試驗(yàn)綜合考慮結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(jié)晶涂料，并預(yù)留一定結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)空間。具體支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 單層襯砌試驗(yàn)段支護(hù)參數(shù)對(duì)比表

2.2 試驗(yàn)觀測(cè)斷面、項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

為盡可能完整地獲得圍巖開(kāi)挖后圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)形態(tài)的變化、變形情況，需要在試驗(yàn)段落選取有代表性的地段設(shè)置典型觀測(cè)斷面，通過(guò)獲取典型斷面測(cè)點(diǎn)沉降、收斂等位移數(shù)據(jù)和圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)數(shù)據(jù)等方式綜合判斷隧道結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。本次觀測(cè)選取DK1643+608、DK1643+613、DK1644+618共3個(gè)斷面作為觀測(cè)斷面，觀測(cè)項(xiàng)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(yīng)力和錨桿應(yīng)力。

在本次試驗(yàn)項(xiàng)目中，因II級(jí)圍巖采用全斷面開(kāi)挖，位移測(cè)線布置成三角形，位移量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖1a)；壓力盒、鋼筋應(yīng)力計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)選擇埋設(shè)在應(yīng)力變化較大的拱頂、拱腰、邊墻及仰拱處，壓力測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖見(jiàn)圖1b)；鋼筋及噴混凝土內(nèi)力測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖見(jiàn)圖1c)；系統(tǒng)錨桿內(nèi)力測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖見(jiàn)圖1d)。試驗(yàn)段每個(gè)試驗(yàn)斷面設(shè)置3根測(cè)力錨桿用來(lái)監(jiān)測(cè)錨桿受力；設(shè)置5個(gè)測(cè)位混凝土應(yīng)變計(jì)、設(shè)置5個(gè)測(cè)位壓力盒來(lái)監(jiān)測(cè)圍巖壓力。

圖1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意(單位：cm)

各量測(cè)項(xiàng)目觀測(cè)頻率為：

①在隧道開(kāi)挖支護(hù)后的半個(gè)月內(nèi)，測(cè)讀1～2次/d。

②半個(gè)月后到1個(gè)月內(nèi)，測(cè)讀1次/2 d。

③1個(gè)月后到3個(gè)月，測(cè)讀1～2次/周。

④3個(gè)月以后，測(cè)讀l～3次/月。

若遇突發(fā)情況及數(shù)據(jù)突變則增加觀測(cè)頻率，增加數(shù)量根據(jù)其變化的大小來(lái)確定。

考慮結(jié)構(gòu)耐久性方面要求，后續(xù)將對(duì)試驗(yàn)段落進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

2.3 試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果

1) 隧道位移。隧道拱頂下沉和周邊收斂值在隧道開(kāi)挖后急劇變化但很快趨于穩(wěn)定，變形時(shí)態(tài)曲線多在1個(gè)月內(nèi)趨于收斂，最終位移值較小，說(shuō)明圍巖開(kāi)挖后迅速進(jìn)行應(yīng)力重分布并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后達(dá)到平衡狀態(tài)。變形時(shí)態(tài)曲線圖見(jiàn)圖2。

圖2 變形時(shí)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(jiàn)圖3。

圖3 壓力分布圖(單位：kPa)

3) 噴射混凝土受力。襯砌內(nèi)外側(cè)噴射混凝土皆為受壓且應(yīng)力值較小，最大受壓應(yīng)力為9.34 MPa，遠(yuǎn)小于C35噴射混凝土極限抗壓強(qiáng)度，說(shuō)明試驗(yàn)段單層襯砌具有一定安全富余量。

噴射混凝土應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖4。

圖4 噴射混凝土應(yīng)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(jiàn)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(yīng)力和錨桿軸力情況可知，試驗(yàn)段圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)整體受力較小、結(jié)構(gòu)安全且仍有一定安全富余量，現(xiàn)有支護(hù)方案可充分保證隧道安全性。

3 圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析

3.1 分析方法

自1975年，Zienkiewicz等首次提出了抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)概念以來(lái)，由此確定的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)得到了廣泛認(rèn)同，亦為隧道圍巖較常用的穩(wěn)定性分析方法。江權(quán)等[5]采用強(qiáng)度折減法探討了地下洞室群整體安全系數(shù)計(jì)算方法;尹瑩等[6]用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)海底隧道進(jìn)行穩(wěn)定性分析。在計(jì)算隧道穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)，首先按將圍巖強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ值同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)w得到一組新的c′、φ′值，然后作為新的材料參數(shù)輸入，再進(jìn)行試算;當(dāng)計(jì)算不收斂時(shí)，對(duì)應(yīng)的w稱為最小穩(wěn)定安全系數(shù)。折減后的圍巖強(qiáng)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(nèi)摩擦角和內(nèi)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(shí)間增量之比)也隨之變化，當(dāng)圍巖達(dá)到臨滑狀態(tài)時(shí)，此時(shí)圍巖安全系數(shù)降低到1.0，位移速率會(huì)突然急劇增加，并很快導(dǎo)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(shì)將存在比較密切的關(guān)系，人們通常利用實(shí)測(cè)位移來(lái)判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性。一般當(dāng)安全系數(shù)大于1.0時(shí)便可以認(rèn)為圍巖是穩(wěn)定的，但是綜合考慮實(shí)際存在的各種不利因素，本次計(jì)算以1.3為圍巖穩(wěn)定性的臨界點(diǎn)。

3.2 計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

計(jì)算參數(shù)選取地勘資料地層參數(shù)并參考隧道規(guī)范中圍巖分級(jí)的地層參數(shù)，各項(xiàng)參數(shù)取值如下：γ=26 kN/m3，E=27.5 GPa，μ=0.23，φ=55°，c=1.8 MPa 。計(jì)算模型圖見(jiàn)圖6。

圖6 單線隧道II級(jí)圍巖模型圖

按照黏聚力及內(nèi)摩擦角同時(shí)按比例折減進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，以最大位移的突變點(diǎn)作為安全系數(shù)的取值，計(jì)算得到隧道安全系數(shù)為9.9，說(shuō)明在裸洞工況下隧道可以達(dá)到自身穩(wěn)定。

拱頂位移隨折減系數(shù)變化曲線圖見(jiàn)圖7，極限狀態(tài)位移圖見(jiàn)圖8。

圖7 拱頂位移隨折減系數(shù)變化曲線

圖8 極限狀態(tài)位移云圖(單位：m)

4 結(jié)論

1) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值分析可以判斷，II級(jí)圍巖均具有良好的自承能力，隧道開(kāi)挖后基本均可依靠圍巖自身達(dá)到穩(wěn)定，支護(hù)的作用基本僅在于輔助圍巖自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和達(dá)到耐久性、運(yùn)營(yíng)要求，可以得出II級(jí)圍巖自承能力強(qiáng)，單層襯砌安全系數(shù)高、能夠滿足隧道施工與短期運(yùn)營(yíng)安全性要求的結(jié)論。襯砌結(jié)構(gòu)耐久性及隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全結(jié)合后續(xù)試驗(yàn)段落長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)情況進(jìn)一步研究。

2) 襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)普遍處于小偏心受壓狀態(tài)，這在數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段測(cè)試中均得以體現(xiàn)，在小偏心受壓狀態(tài)下，支護(hù)以斜截面剪切破壞形式為主，為后續(xù)隧道設(shè)計(jì)提供參考。

3) 考慮我國(guó)鐵路隧道穿越的地質(zhì)情況復(fù)雜多變，在隧道實(shí)際施工過(guò)程中往往存在圍巖破碎、偏壓、富水等多種因素，會(huì)對(duì)單層永久襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，建議優(yōu)先選擇無(wú)水或少水的I、II級(jí)圍巖和部分地質(zhì)條件較好、巖性完整的III級(jí)圍巖隧道或段落開(kāi)展單層永久襯砌結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用。