以初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计研究

罗章波

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

0 引言

常用的隧道衬砌类型一般有2种:一种是复合式衬砌，一种是单层式衬砌。单层式衬砌相对于复合式衬砌，具有工序简化、施工快速、经济合理等多方面的优点。取消了防水板，结构与围岩共同受力;单层衬砌自身满足防水要求;作为永久结构单层衬砌满足耐久性要求等。但单层衬砌表面不平整，不利于隧道通风和防水，更为重要的是喷混凝土施工工艺难以保证结构质量。

目前复合式衬砌是世界各国及地区高速铁路山岭隧道衬砌结构的主流。复合式衬砌可以满足初期支护施作及时、刚度小易变形的要求，且与围岩密贴，能保护和加固围岩，充分发挥围岩的自承作用。二次衬砌后，衬砌内表面光滑平整，可以防止外层风化，装饰内壁，增强安全感，是一种合理的结构形式。我国铁路隧道衬砌结构类型选择中，多采用复合式衬砌。我国《铁路隧道设计规范》规定:“喷锚衬砌和复合式衬砌的初期支护宜按工程类比法确定衬砌设计参数，施工期间应通过监控量测进行修正。”计算复合式衬砌时，初期支护应按主要承载结构计算;二次衬砌在Ⅰ～Ⅲ级围岩可作为安全储备，按构造要求设计，在Ⅳ～Ⅵ级围岩，应按承载结构设计［1］。目前铁路隧道复合式衬砌设计基本按照喷锚支护作为承载结构的一部分来考虑。而在初期支护与衬砌结构共同承受荷载中，对各自承载能力或分担荷载比例无明确规定，仍然以模筑混凝土衬砌作为主要承载结构，这种过于保守的设计原则必然会造成一些不必要的浪费，也是导致初期支护质量长期处于低水平的原因之一。

国内外针对以初期支护作为主要承载结构的设计思路进行过以下研究:

1)初期支护作为主要承载结构的复合式衬砌适用性研究。马孝轩等［2］对现浇混凝土在不同土壤环境中的腐蚀进行了试验研究，现浇混凝土的腐蚀类型和严重程度取决于混凝土的质量和水泥品种、土壤中腐蚀介质的种类和含量及土壤质地。

喷射混凝土由于使用条件及施工工艺的限制，密实度相对较差，喷射混凝土厚度较薄，受地下水的渗流影响非常明显。渗漏溶蚀对喷射混凝土材料性能的影响与水压力、喷射混凝土厚度、围岩节理裂隙发育程度、地下水和围岩中各种侵蚀性离子类型、含量等有关，目前还缺少这方面的研究。

2)初期支护的耐久性研究。采用初期支护作为主要承载结构，樊文熙等［3］采用高活性细掺料和水泥裹砂、水泥裹石工艺，喷射混凝土的耐久性大大提高，抗渗性能达到0.8 MPa，碳化系数为0.88，腐蚀系数为0.78，干缩率降低 16.6%，长期强度(360 d)达到 40.7 MPa，并对耐久性提高的原因进行了分析。

汪向红等［4］针对某海底隧道工程对C40、P10喷射混凝土的使用要求，实验研究了速凝剂、硅灰以及钢纤维对喷射混凝土工作性能、力学性能以及耐久性的影响。在喷射混凝土中加入硅灰和钢纤维能够显著改善其力学性能，增强其抗水渗透能力;掺入硅灰的喷射混凝土表现出优异的抗氯离子渗透能力。

3)初期支护结构作为主要承载形式的施工设备配套方案研究。万姜林等［5］根据米花岭隧道的工程实际，阐述了单线铁路长隧道施工机械化配套技术和3条机械化作业线的组成。米花岭隧道全长9 293 m，采用以门架式全液压三臂凿岩台车为代表的大型配套机械进行钻爆掘进作业，施工机械化配套技术全面考虑了生产性、可靠性、安全性、耐久性、维修性、经济性和适应性等要求，3条机械化作业线高效耐用、配套合理，较以往的施工技术有较大突破，在保证安全、工程质量的基础上实现了快速施工技术。

总之，国内外针对以初期支护作为主要承载结构的设计思路进行过局部研究，始终没有系统研究并用以指导设计和施工。本次研究从隧道复合式衬砌的初期支护与二次衬砌结构作用关系这一核心问题出发，通过系统地理论与应用研究，形成以初期支护作为主要承载结构的隧道复合式衬砌设计理论体系，从而充分发挥初期支护的作用，提高隧道结构质量，加快施工进度。

初期支护在施工期间和运营期间究竟发挥多大作用，承担多少荷载;通过增加二次衬砌的厚度究竟能提供多少安全储备。本次研究结合包兰线特长隧道工程，从隧道复合式衬砌的初期支护与衬砌结构作用关系这一核心问题出发，重点开展初期支护结构作为主要承载形式的复合式衬砌研究，建立以初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计体系，从而充分发挥初期支护的作用，提高隧道结构质量，加快施工进度，提升我国隧道建设水平。

1 工程概况

包兰铁路银川至兰州段线路西起宁夏自治区首府银川市银川南站，向西偏南经宁夏、甘肃至兰州东站，设计正线全长370 km。该线有20 km的隧道2座(双洞单线)，其中香山隧道长度为20 328 m，青天寺隧道长度为21 457 m。地层有第四系、第三系、白垩系、侏罗系、三叠系、石灰系、泥盆系和寒武系等。

隧道采用铁科技函〔2004〕157号《200 km/h客货共线铁路双层集装箱运输建筑限界(暂行)》中“电力牵引铁路双层集装箱运输隧道建筑限界(SJXSD)”［6］。

常规设计根据“通隧(2008)1203”通用图进行。根据铁道部鉴定中心的要求，特长隧道开展以初期支护为主要承载结构研究，以便节省投资，加快施工进度，保证隧道控制工程按期完工。

2 作为主要承载结构的初期支护荷载类型及计算方法

2.1 隧道结构设计模型

根据国际隧道协会规定，目前所采用的隧道结构设计模型分为4种:连续体或不连续体模型、作用—反作用模型(基础梁模型)、收敛—约束模型、工程类比法(经验方法)。我国学者刘建航、候学渊结合我国地下结构的实践，也做出了类似的划分，将隧道设计模型也分为4种:经验类比模型、荷载结构模型、地层结构模型、收敛限制模型。收敛限制模型是以测试为主的设计方法，但因为地层和衬砌的响应曲线目前仍无法完全确定，故而使得该方法仍只能停留在定性的描述阶段。所以，从考虑隧道衬砌和地层的相互作用出发，地下结构的理论计算方法仅有荷载结构法和地层结构法，或者称之为结构力学方法和连续介质力学方法。

事实上，荷载结构法仍然是目前进行隧道结构理论计算用得最多的一种方法，在这种模型中，认为围岩压力的来源是坍塌岩块的质量。我国铁路隧道规范推荐的计算模式主要也是荷载—结构模式。

2.2 计算模型

采用“荷载—结构”模型，作用在初期支护结构上的永久荷载有地层压力和结构自重，不计水压力、偶然荷载等其他荷载，计算采用平面杆系有限元位移法。对于无仰拱的断面，拱部的90°左右(自动试算确定)范围不设弹性链杆，周边加径向链杆，墙脚加能产生转动和竖向位移、不能产生水平位移的弹性链杆，计算模型如图1所示。对于有仰拱断面初期支护计算模型，拱部的90°左右(自动试算确定)范围不设弹性链杆，周边加径向链杆，计算模型如图2所示。

2.3 隧道初期支护强度计算方法

根据《铁路隧道设计规范》［1］，当 e0≤0.2h 时，混凝土矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度

当e0＞0.2h时，从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度

式中:Ra为混凝土极限抗压强度;Rl为混凝土极限抗拉强度;K为安全系数;N为轴向力;b为截面的宽度;h为截面的厚度;φ为构件的纵向弯曲系数，对于隧道衬砌可取φ=1.0;α为轴向力的偏心影响系数;e0为截面偏心距。

钢筋混凝土矩形截面的偏心受压构件计算公式如下:

大偏心受压构件(x≤0.55h0)时，KNe≤Rwbx(h0－x/2)+(h0－a');小偏心受压构件(x＞0.55h0)时，KNe≤0.05Ra+(h0－a')。

式中:K为安全系数;N为轴向力;b为截面的宽度;h为截面的厚度;h0为截面的有效高度，h0=h－a;e为轴向力作用点到受拉钢筋Ag合力点的距离;a，a'分别为自Ag和钢筋的重心至截面最近边缘的距离;Rw为混凝土的弯曲抗压极限强度;Ra为混凝土的抗压极限强度;Rg，为钢筋的抗拉、抗压计算强度;Ag为受拉、受压钢筋面积。

3 以初期支护为主要承载结构的隧道复合式衬砌结构参数优化

设计参数拟定的原则是初期支护承担施工阶段全部荷载，初期支护与衬砌结构共同承受永久荷载，而以模筑混凝土衬砌作为主要承载结构。

初期支护结构作为独立承载结构的作用时间相对较短，重要性程度也相对较低。根据TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》素混凝土或钢筋混凝土结构强度安全系数规定(如表1所示)，采用施工阶段强度安全系数。

表1 隧道初期支护(钢筋)混凝土结构强度安全系数Table 1 Safety coefficients of concrete structure of primary support

按照铁道部《时速200 km客货共线铁路(双层集装箱)单线隧道复合式衬砌》(通隧(2008)1203)，隧道结构参数如表2所示［8］。

时速200 km铁路(双层集装箱运输)以初期支护为主要承载结构的隧道复合式衬砌结构参数优化如表3 所示［8］。

4 优化后初期支护安全性检算

1)Ⅱ级围岩断面。Ⅱ级围岩断面初期支护结构承受100%的围岩荷载时典型截面的检算结果如表4所示。

2)Ⅲ级围岩断面。Ⅲ级围岩断面初期支护结构承受100%的围岩荷载时典型截面的检算结果如表5所示。

3)Ⅳ级围岩断面。Ⅳ级围岩断面拱墙部位每1.2 m架设φ22格栅钢架1榀，初期支护结构承受100%的围岩荷载时典型截面的检算结果如表6所示。

表2 时速200 km铁路(双层集装箱运输)单线隧道以初期支护为主要承载结构的复合式衬砌结构参数Table 2 Parameters of composite lining structure with its primary support as the load-bearing structure

表3 时速200 km铁路(双层集装箱运输)以初期支护为主要承载结构的隧道复合式衬砌结构参数(优化)Table 3 Optimized parameters of composite lining structure with its primary support as the load-bearing structure

表4 Ⅱ级围岩初期支护结构截面计算结果Table 4 Calculation results of cross-section of primary support structure in GradeⅡsurrounding rock

表5 Ⅲ级围岩初期支护结构截面计算结果Table 5 Calculation results of cross-section of primary support structure in GradeⅢsurrounding rock

表6 Ⅳ级围岩初期支护结构截面计算结果Table 6 Calculation results of cross-section of primary support structure in GradeⅣsurrounding rock

4)Ⅳ级围岩加强断面。Ⅳ级围岩加强断面拱墙部位每1.2 m架设φ22格栅钢架1榀，初期支护结构承受100%的围岩荷载时典型截面的检算结果如表7所示。

表7 Ⅳ级围岩加强断面初期支护结构截面计算结果Table 7 Calculation results of strengthened cross-section of primary support structure in GradeⅣsurrounding rock

5)Ⅴ级围岩断面。Ⅴ级围岩断面每1.0 m全环架设I20钢架1榀，初期支护结构承受100%的围岩荷载时典型截面的检算结果如表8所示。

表8 Ⅴ级围岩初期支护结构截面计算结果Table 8 Calculation results of cross-section of primary support structure in GradeⅤsurrounding rock

6)Ⅴ级围岩加强断面。Ⅴ级围岩加强断面每0.5 m架设全环H175钢架1榀，初期支护支护结构承受100%的围岩荷载时典型截面的检算结果如表9所示。Ⅴ级围岩加强断面初期支护结构受力图如图3所示。

表9 Ⅴ级围岩加强断面初期支护结构截面计算结果Table 9 Calculation results of strengthened cross-section of primary support structure in GradeⅤsurrounding rock

5 优化后初期支护与衬砌共同承受荷载时衬砌安全性检算

按照喷锚构筑法的基本原理，Ⅱ～Ⅲ级围岩初期支护为主要承载结构，二次衬砌作为安全储备，按承受围岩荷载的30%计算;Ⅳ～Ⅴ级围岩二次衬砌作为承载结构，分别按承受围岩荷载的50%和70%计算，得出相应的计算结果。

1)Ⅱ级围岩断面。Ⅱ级围岩衬砌结构断面不考虑仰拱作用，衬砌结构承受30%的围岩荷载时典型截面的检算结果如表10所示。

表10 Ⅱ级围岩断面衬砌结构截面计算结果Table 10 Calculation results of cross-section of lining structure in GradeⅡsurrounding rock

2)Ⅲ级围岩断面。Ⅲ级围岩衬砌结构断面考虑仰拱作用，衬砌结构承受30%的围岩荷载时典型截面的检算结果如表11所示。

表11 Ⅲ级围岩断面衬砌结构截面计算结果Table 11 Calculation results of cross-section of lining structure in GradeⅢsurrounding rock

3)Ⅳ级围岩断面。Ⅳ级围岩衬砌结构断面考虑仰拱作用，衬砌结构承受50%的围岩荷载时典型截面的检算结果如表12所示。

表12 Ⅳ级围岩断面衬砌结构截面计算结果Table 12 Calculation results of cross-section of lining structure in GradeⅣsurrounding rock

4)Ⅳ级围岩加强断面。衬砌结构采用钢筋混凝土结构，考虑仰拱作用，衬砌结构承受50%的围岩荷载时典型截面的检算结果如表13所示。

5)Ⅴ级围岩断面。衬砌结构采用钢筋混凝土结构，考虑仰拱作用，衬砌结构承受70%的围岩荷载时典型截面的检算结果如表14所示。

表13 Ⅳ级围岩加强断面二次衬砌截面计算结果(5根φ18)Table 13 Calculation results of strengthened cross-section of lining structure in GradeⅣsurrounding rock(5根φ18)

表14 Ⅴ级围岩断面衬砌结构截面计算结果(5根φ20)Table 14 Calculation results of cross-section of lining structure in GradeⅤsurrounding(5根φ20)

6)Ⅴ级围岩加强断面。衬砌结构采用钢筋混凝土结构，考虑仰拱作用，衬砌结构承受70%的围岩荷载时典型截面的检算结果见表15，Ⅴ级围岩加强断面衬砌结构受力如图4所示。

表15 Ⅴ级围岩加强断面衬砌结构截面计算结果(5根φ22)Table 15 Calculation results of strengthened cross-section of lining structure in GradeⅤsurrounding rock(5根φ22)

6 支护参数优化后工程量对比

以初期支护为主要承载结构的单线隧道与部颁标准图对应隧道的工程量对比结果见表16，表中数值为正代表优化后较实际量大，反之较实际量小。

表16 时速200 km/h双层集装箱初期支护及衬砌参数经济指标对比Table 16 Comparison of economical parameters of primary support and lining

由表16可以看出:由于初期支护措施的适当增强和二次衬砌厚度的减小，隧道的开挖量减少，初期支护喷射混凝土量增加，钢架的钢筋用量增加，二次衬砌混凝土量减少。

7 结论与体会

1)根据优化后初期支护安全性检算。①Ⅱ、Ⅲ级围岩初期支护结构为素混凝土结构，初期支护结构独立作用时，其控制截面的安全系数分别为2.18和2.022，出现在拱顶部位，满足安全系数2.0的强度要求。②Ⅳ级及Ⅳ级围岩加强断面初期支护结构，拱墙架设了钢筋格栅，初期支护结构独立作用时，Ⅳ级围岩控制截面的安全系数为3.989，Ⅳ级围岩加强断面控制截面的安全系数为1.905(满足安全系数1.7的强度要求)，均出现在拱顶位置。③Ⅴ级围岩断面初期支护结构考虑了仰拱的作用，全环架设了I20型钢钢架，控制截面的安全系数为2.509，出现在墙脚位置。④Ⅴ级加强断面初期支护结构考虑了仰拱的作用，全环架设了H175型钢钢架，其控制截面的安全系数为1.827(满足安全系数1.7的强度要求)，出现在墙脚位置。

2)根据初期支护与衬砌共同承受荷载时衬砌安全性检算。考虑初期支护的作用时，Ⅱ级围岩衬砌结构控制截面的安全系数为9.544，Ⅲ级围岩为7.814，Ⅳ级围岩为4.061，均出现在拱顶部位;Ⅳ级围岩加强断面安全系数为4.273，Ⅴ级围岩为3.824，Ⅴ级围岩加强断面为2.394，均出现在墙脚部位。

初期支护承担100%的施工期荷载时，各级围岩支护参数均可以满足安全性检算要求。

采用以初期支护为主要承载结构的设计理念后，二次衬砌的施作时机可以推迟，减少了施工干扰，有利于施工中各道工序的开展。结合包兰线特长隧道的机械化配套研究(根据隧道地质情况、埋深、辅助坑道设置、运输方式等进行了专题研究，本文不展开叙述)，隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩采用全断面法施工，Ⅳ级围岩采用台阶法施工，Ⅴ级围岩采用预留核心土台阶法施工，各级围岩施工综合进度指标如表17所示，相对于以往类似工程施工进度提高约20%［9］。

表17 施工综合进度指标Table 17 Construction progress index m/月

在200 km/h客货共线铁路(双层集装箱运输)开展的以初期支护为主要承载结构的复合式衬砌设计研究，目前仍停留在理论阶段，下阶段将结合包兰线隧道工程的建设，开展现场实验，验证并优化支护参数。

［1］ 铁道部建设司.TB 10003—2005铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005:68－77.

［2］ 马孝轩，冷发光，仇新刚.混凝土材料在土壤环境中腐蚀的试验研究［C］//混凝土结构耐久性设计与施工论文集.北京:中国工程院土木水利与建筑学部，2001.(MA Xiaoxuan，LENG Faguang，CHOU Xingang.Concrete materials in soil corrosion test research［C］//Concrete structure durability design and construction of Proceedings.Beijing:Division of Civil Hydraulic and Architecture Engineering，Chinese Academy of Engineering，2001.(in Chinese))

［3］ 樊文熙，张长海，郑永保.高性能喷射混凝土的耐久性研究［J］.煤炭学报，2000(4):366 － 368.(FAN Wenxi，ZHANG Changhai， ZHENG Yongbao.High performance concrete durability research［J］.Journal of China Coal Society，2000(4):366 －368.(in Chinese))

［4］ 汪向红，王立燕，段珍华，等.海底隧道C40P10喷射混凝土的试验研究［J］.混凝土与水泥制品，2007(6):18－20.(WANG Xianghong，WANG Liyan，DUAN Zhenhua，et al.C40P10 sprayed concrete in submarine tunnel test study［J］.Concrete and cement products，2007(6):18 －20.(in Chinese))

［5］ 万姜林，李桧祥，时圣文，等.单线铁路长隧道机械化配套与快速施工技术［J］.中国铁道科学，2002(3):110－116.(WAN Jianglin，LI Huixiang，SHI Shengwen，Dong Jie.Long single-track railway tunnel mechanical Set-forming and rapid construction technology［J］.China Railway Science，2002(3):110 －116.(in Chinese))

［6］ 中铁第五勘察设计院.改建铁路包兰线银川至兰州段扩能工程初步设计［R］.北京:中铁第五勘察设计院，2010.

［7］ GB 50010—2002混凝土结构设计规范［M］.北京:中国建筑资讯网，2002:41－111.

［8］ 铁道部建设司.铁建设〔2005〕140号新建时速200～250公里客运专线铁路设计暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社，2005:72－74.

［9］ 铁道部建设司.TB 10304—2009铁路隧道工程施工安全技术规程［S］.北京:中国铁道出版社，2009.