岩溶富水区铁路隧道加厚底板结构施工力学行为研究

高 伟， 赵前进, 刘永胜

(1. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458； 2. 中国铁路昆明局集团滇南铁路建设指挥部, 云南 玉溪 653100; 3. 中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院， 广东 广州 511455)

0 引言

近年来，黔桂、广昆、沪昆及贵开等铁路隧道运营期间均发生了边墙开裂、仰拱隆起和无砟道床变形等水害事件，引起了铁路设计、施工、建设和运营各方的高度重视。经调查，既有线路水害主要分为以下2类： 1)衬砌结构变形开裂。其表现主要是在雨季和极端暴雨气候条件下，隧道衬砌结构受岩溶水作用产生的变形、开裂和破坏。2)仰拱填充上浮变形。其表现主要是隧底结构的分层施工带来的施工缝在水压作用下的变形和扩张。在岩溶富水区隧道水害方面，文献[1-8]对水害形成及其整治等进行了研究。在隧底结构受力性能方面，文献[9-14]对不同类型隧道仰拱的合理形式、受力性能及破坏机制等进行了研究。但以上研究均局限于传统的仰拱衬砌结构范畴。实践表明，岩溶富水区因其大量富水和高水压特殊条件，对隧道底部结构和排水系统有更高的要求，传统的隧道设计方案大多不能满足要求，需要提出一种新的、更具针对性的衬砌结构和排水系统。

目前设计的隧道大部分为有仰拱衬砌，其排水系统以“隧道体内排水”为主要模式，即隧道结构周边的水通过初期支护渗透经由排水盲管引排进入隧道结构本体之内的中心水沟，最终排出洞外。这种隧道体内排水系统主要的缺陷在于： 1)隧道仰拱以下的积水无法有效引排，仰拱承受部分水压。2)连续降雨或暴雨天气，传统的排水体系难以及时引排骤增的地下水，导致水压升高并引起底仰拱或仰拱填充的破坏。3)洞内侧沟或中心沟的过水断面自由度不大，过水能力受限。

岩溶富水区隧道的设计，对于地下水的处置需谨慎。受制于地勘精度的制约，地下水的赋存情况无法明确，设置有效的防排水体系尤其是隧底排水体系成为岩溶隧道设计的关键。隧道传统的防排水系统无法完全规避上述隧底水害。为降低岩溶地区或地下水发育地段隧道运营安全风险，中铁二院提出加厚底板+隧底大水沟的“结构体外排水系统”这一适合灰岩地区地质特性各级围岩的新型衬砌结构，可以较好地解决岩溶富水区隧底水害问题。但是，隧底结构由传统的仰拱结构改为加厚底板结构以后，将带来施工工法、工艺及施工安全步距要求等变化，隧底开挖方法、底板施作时机及取消仰拱钢架后洞室变形控制等都需要进行详细的配套研究。针对上述问题，本文利用大型商业有限元软件，对中心大水沟的开挖工况进行分析计算，研究岩溶富水区铁路隧道加厚底板结构施工力学行为。

1 工程概况

以新建铁路贵阳段客运专线为工程背景，其中隧道主要穿越灰岩地层，岩溶强烈发育、地表洼地漏斗发育，地层中含水量大。隧道Ⅳ级围岩和Ⅴ级围岩的隧底结构由传统的仰拱结构改为加厚底板结构，采用结构体外排水系统，隧道外的渗水不再进入隧道内部，而是由设置在隧道底板以下的大断面中心排水沟集中排出。大断面水沟能及时引排岩溶富水区地下水，防止结构承受过大的静水压力。同时，加厚的底板结构取消了仰拱回填，消除了仰拱分层施工带来的水患风险。中心水沟成倒梯型结构，水沟深1.3 m，底宽1.62 m，上部宽2.92 m。Ⅴa型衬砌结构断面图见图1。中心排水沟结构见图2。

图1 Ⅴa型衬砌结构断面图(单位： cm)Fig. 1 Cross-section of Ⅴa lining structure (unit: cm)

Ⅴ级围岩和Ⅳ级围岩取消仰拱，加上中心排水沟的开挖，会进一步增大墙脚的水平收敛变形量。针对不同的围岩级别，底板型衬砌中心水沟与掌子面的距离以及每循环施工长度，需谨慎考虑。为此，特对Ⅴ级围岩和Ⅳ级围岩在不同中心水沟每循环开挖长度及其与掌子面的间距进行模拟分析。

图2 中心水沟断面形式图(单位： cm)Fig. 2 Cross-section of center ditch (unit: cm)

2 计算模型的建立

利用大型商业有限元分析软件，采用地层结构法建立三维模型，模拟Ⅳa型衬砌段和Ⅴa型衬砌段隧道中心水沟，分析距掌子面不同距离以及不同的管沟开挖长度对隧道围岩变形的影响。掌子面开挖需要预留施工台架和铲车的空间，但预留空间过长，会导致掌子面至中心水沟之间的底板无法及时封闭，导致围岩不稳定。综合掌子面施工所需空间和底板封闭长度要求等因素，Ⅳa型衬砌段和Ⅴa型衬砌段中心水沟开挖面至掌子面的距离为15 m。

2.1 建模方案

1)将围岩在自重作用下进行地应力平衡； 2)隧道采用三台阶开挖，在水沟开挖初始阶段，已做好距离掌子面15 m的初期支护结构。根据现场情况，针对Ⅳa型衬砌段，隧道中心水沟每次向前开挖5 m；针对Ⅴa型衬砌段，工况1条件下隧道中心水沟每次向前开挖3 m，工况2条件下隧道中心水沟每次向前开挖4 m，工况3条件下隧道中心水沟每次向前开挖5 m。Ⅳa型衬砌段施工工况如表1所示。Ⅴa型衬砌段施工工况如表2所示。

表1 Ⅳa型衬砌段施工工况Table 1 Construction conditions of Ⅳa lining

2.2 围岩参数

隧道所处围岩为Ⅳ级和Ⅴ级，其物理力学参数如表3所示。

表2 Ⅴa型衬砌段施工工况Table 2 Construction conditions of Ⅴa lining

表3 围岩参数Table 3 Parameters of surrounding rocks

2.3 支护参数

Ⅳa型复合式衬砌适用于Ⅳ级硬质岩深埋地段。Ⅴa型复合式衬砌适用于Ⅳ级硬质岩深埋地段。Ⅳa型衬砌段初期支护参数如表4所示。Ⅴa型衬砌段初期支护参数如表5所示。

表4 Ⅳa型衬砌段初期支护参数Table 4 Primary support parameters of Ⅳa lining section

表5 Ⅴa型衬砌段初期支护参数Table 5 Primary support parameters of Ⅴa lining section

隧道结构材料及力学性能如表6所示。

表6 隧道结构材料及力学性能Table 6 Materials and mechanical properties of tunnel structure

2.4 几何模型及边界条件

采用有限元数值分析软件建立三维动态模型，隧道围岩采用三维实体单元，对隧道开挖过程进行仿真模拟。根据有限元理论并结合工程实际，分析模型围岩边界取 2 倍洞径宽，模型埋深为拱顶以上35 m，底部取2 倍洞径；施加模型左右边界水平向约束，底部边界施加竖向和水平向约束，顶部为自由边界条件。围岩模型类型选择摩尔-库仑，其他结构材料特性均采用各向同性弹性类型[15]。模型中围岩、初期支护及管沟采用实体单元，锚杆和钢拱架采用杆单元。模型中不考虑衬砌背后水压力和构造应力。

衬砌结构示意如图3所示。衬砌结构几何模型如图4所示。

图3 衬砌结构示意图Fig. 3 Sketch of lining structure

图4 衬砌结构几何模型图Fig. 4 Geometric model of lining structure

3 计算结果及分析

3.1 应力结果及分析

经过计算，得到隧道围岩及初期支护最大应力，如表7所示。

表7隧道围岩及初期支护最大应力

Table 7 Maximum stresses of surrounding rock and primary support MPa

由表6和表7分析可知：

1)Ⅳa型衬砌及Ⅴa型衬砌地段各工况中，初期支护的拉应力较大，尤其是Ⅴ级围岩地段初期支护的拉应力超过了C25喷射混凝土的极限抗拉强度(1.4 MPa)。考虑到初期支护喷射混凝土的拉应力主要由钢拱架承担，故认为Ⅴa型衬砌段初期支护结构满足抗拉要求，但有混凝土存在拉裂风险。

2)Ⅴa型衬砌段初期支护压应力较大，接近C25喷射混凝土的轴心极限抗压强度(17.2 MPa)。由于压应力最大值均出现在隧道拱墙部位，故施工过程中拱墙部位初期支护混凝土压坏的风险很大。

3)围岩的应力较小，没有超过其极限(抗拉和抗压)强度。

4)中心水沟每循环开挖长度对围岩和初期支护的应力影响较小。

3.2 变形结果及分析

经过计算，水平和竖向变形量如图5所示。

图5 水平和竖向变形量Fig. 5 Horizontal and vertical deformations

按照承载能力对隧道设计时，复合式衬砌初期支护的允许洞周相对收敛值应根据围岩地质条件分析确定，缺乏资料时可按照表8选用。

表8 洞周相对收敛允许值[16]Table 8 Allowances of relative convergence of tunnel surrounding[16]

注： 表中数据为洞周收敛值与隧道跨度比值的百分数。

硬质围岩隧道取表8中较小值，软质围岩隧道取表8中较大值。拱顶下沉允许值一般可参照表8数值的0.5～1.0倍采用。Ⅳa型衬砌段开挖宽度为14.7 m，Ⅴa型衬砌段开挖宽度为14.87 m。结合位移的物理力学参数，Ⅳ级围岩允许洞周水平相对收敛值取0.35%，Ⅴ级围岩允许洞周水平相对收敛值取0.60%，拱顶下沉允许值参照表8数值的0.8倍取值。由表8可得： Ⅳa型衬砌段水平相对收敛位移累计允许值为51.45 mm，拱顶下沉允许值为41.16 mm；Ⅴa型衬砌段水平相对收敛位移累计允许值为89.22 mm，拱顶下沉允许值为71.376 mm。

由图5分析可知： Ⅳa型衬砌段中心水沟每循环掘进5 m工况以及Ⅴa型衬砌段工况1—3共计4种工况，洞周水平收敛值及拱顶下沉值均小于允许值。Ⅴa型衬砌段工况1模型变形计算结果如图6和图7所示。

图6 中心水沟开挖5 m工况围岩水平变形(单位： m)

Fig. 6 Horizontal deformation of surrounding rock in condition of 5 m excavation length of center ditch (unit: m)

图7 中心水沟开挖3 m工况围岩竖向变形(单位： m)

Fig. 7 Vertical deformation of surrounding rock in condition of 3 m excavation length of center ditch (unit: m)

由图6和图7分析可知：

1)拱脚以上设置初期支护但底板不封闭时，中心水沟距离掌子面下台阶15 m，Ⅳa型衬砌段(中心水沟每循环掘进5 m)、Ⅴa型衬砌段(中心水沟每循环掘进3 m、4 m或5 m)，隧道内轮廓水平收敛及拱顶沉降均在规范允许范围内。

2)Ⅴa型衬砌段每循环开挖进尺为3 m、4 m或5 m 3种工况时，隧道内轮廓水平收敛值、拱顶沉降值相差不大。由此可见，中心水沟每循环开挖长度对变形影响较小。

3.3 基底隆起分析

Ⅳa型衬砌段和Ⅴa型衬砌段基底隆起最大值如图8和图9所示。Ⅳa型衬砌段基底隆起如图10所示。Ⅴa型衬砌段工况1基底隆起如图11所示。

图8 Ⅳa型衬砌段基底隆起最大值Fig. 8 Maximum basement uplift in Ⅳa Lining

图9 Ⅴa型衬砌段3种工况基底隆起最大值Fig. 9 Maximum basement uplift in Ⅴa Lining

图10 Ⅳa型衬砌段基底隆起(单位： m)Fig. 10 Basement uplift in Ⅳa lining section (unit: m)

图11 Ⅴa型衬砌段工况1基底隆起(单位： m)

Fig. 11 Basement uplift in Ⅴa lining section in construction condition 1 (unit: m)

由图8—11分析可知：

1)Ⅳa型衬砌段的基底隆起量为49.6 mm，工况1、工况2、工况3条件下Ⅴa型衬砌段模型的基底隆起量分别为93.1、94.8、95.9 mm，均大于2种衬砌类型各自的拱顶下沉变形量，这是由于隧道初期支护紧随掌子面，而隧底中心水沟滞后于掌子面15 m距离，导致隧道底板封闭时间相应滞后，造成隧底变形过大。

2)Ⅴa型衬砌段3种工况(即中心水沟每循环掘进3、4、5 m)，其基底隆起量变化很小，在15 m处为3.9 mm。由此可见，中心水沟每循环开挖长度对拱底隆起量影响较小。

3.4 隧道围岩塑性区分析

经计算，隧道围岩塑性区厚度情况如图12所示。

图12 4种工况塑性区厚度对比

Fig. 12 Comparison of thickness of plastic zone in 4 construction conditions

由图12分析可知：

1)Ⅳa型衬砌段中，隧道拱肩和底板处塑性区厚度较小，而在隧道拱脚处出现突变，高度达到9.45 m；拱顶、拱腰部位处的围岩塑性区厚度相对较小，只有1.3 m左右，最不利部位出现在拱脚处。由此可见，隧道初期支护提供的支撑力对围岩的稳定作用非常明显。

2)Ⅴa型衬砌段3种工况下，塑性区范围的形状大致相同。随着管沟每次开挖长度的增大，塑性区厚度也相应变大，但增幅不明显。3种工况最不利部位均出现在隧道拱肩和拱脚处，在这两处塑性区厚度出现突变增大现象；拱顶、拱腰和底板处塑性区厚度相对较小。

4 结论与建议

1)不采取底板预加固措施工况下，Ⅴa型衬砌段隧道开挖，初期支护是安全的，但初期支护混凝土接近正常使用极限状态(抗压强度)，初期支护有受压破坏的风险。

2)Ⅳa型衬砌和Ⅴa型衬砌段开挖，底板未封闭长度和暴露时间是决定施工过程围岩稳定的关键因素，而中心水沟每循环开挖长度影响较小。建议中心水沟与掌子面下台阶的距离最大取15 m，且2种围岩中心水沟每循环开挖长度可取5 m。

3)Ⅳa型衬砌段和Ⅴa型衬砌段，围岩开挖至底板封闭期间，最不利部位均在隧道拱脚及拱腰处，且拱底隆起量过大是影响围岩稳定的最不利因素，Ⅴa型衬砌段拱底隆起尤为严重。建议采用临时支撑约束拱脚水平变形或对隧底地基进行锚索+注浆加固。

4)Ⅴa型衬砌中取消仰拱结构，对于施工过程中隧底稳定性是较大考验。隧道开挖后尽快施作中心水沟衬砌和加厚底板结构是缩短隧底暴露时间的关键，但由于缩短了封底工作面与开挖面之间的距离，掌子面的施工空间更加狭小，大型施工设备的协调、中心水沟的爆破开挖、清底以及衬砌的浇筑与底板结构的施工顺序的合理安排，以及与仰拱栈桥的选型、底板与中心水沟盖板的连接方式都需要深入研究，这些都是决定该新型衬砌能否实施的关键因素。

本文探讨了适应灰岩地区地质特性的“加厚底板+隧底大水沟”的特殊结构在国内高速铁路隧道中应用的可行性。如果取消隧道仰拱、采用加厚底板的衬砌结构，对于施工中围岩稳定及结构安全将是一个较大的考验。建议相关的结构设计及施工措施根据现场监测数据进行调整，本文的计算结果也需在现场应用中进行修正。

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