单线重载铁路隧道复合式衬砌结构优化研究

梅 竹

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

0 引言

中国铁路隧道自从采用新奥法施工以来，复合式衬砌结构已成为隧道永久性建筑物的主体。复合式衬砌是由初期支护、防水层和模筑混凝土组成的一种复合式结构型式。

WANG等[1]分析了重载铁路道面压力随时间分布情况，并进一步研究了隧道仰拱在循环荷载作用下的破坏规律。DU等[2]采用超静定反应法(the hyperstatic reaction method, HRM)分析了U型隧道衬砌结构在分层岩土环境下的性能变化。LI等[3]分析了27 t轴重的铁路隧道衬砌内力在不同围岩条件下的动力响应及力学特性。LIU等[4]研究了30 t轴重和围岩压力的耦合作用以及基础结构的疲劳特性。ZHANG等[5]对重载铁路隧道的激励荷载时程曲线进行研究，并分析了空隙大小对衬砌抗疲劳寿命的影响。肖明清等[6-7]提出了高速铁路双线隧道初期支护方案及衬砌设计参数。罗章波[8]提出了时速200 km/h双层集装箱铁路的复合式衬砌优化参数。陈建勋等[9]应用工程类比法对榆树沟隧道二次衬砌厚度进行优化设计，并给出二次衬砌厚度优化建议。杨昌贤[10]以结构强度和配筋率为约束条件，对二次衬砌的厚度和配筋进行优化。冯冀蒙等[11]利用室内试验，得到隧道承载力的变化规律，供隧道结构的全寿命设计对比参考。周建等[12]通过分析处理实测数据得到不同隧道断面压力随跨度和深度的变化情况，并结合经验公式探究其可靠程度。王长辉[13]研究了混凝土强度与二次衬砌耐久性之间的关系以及二次衬砌厚度对结构安全的影响。孙明社等[14]提出了“先计算初期支护压力、衬砌后方压力，再计算结构分担压力比”的复合式衬砌分析新思路。彭跃等[15]利用数值分析软件建立了地层-结构的二维计算模型，分析了不同空洞大小对衬砌结构受力的影响，并计算了相应的安全系数。

以上研究均是针对普通铁路或高速铁路隧道，现行的TB 10625—2017《重载铁路设计规范》规定应对复合式衬砌设计的初期支护及二次衬砌的设计参数进行工程类比和理论分析确定。欧美等国兴建了大量的重载铁路隧道，但其设计理念与设计参数与中国有较大差别，且其具体的设计资料很难取得。中国已经开通数条重载铁路，隧道设计在参考普通铁路隧道的基础上进行优化，但运营的重载铁路隧道存在多种病害，已有的设计参数存在较大的优化空间。中国重载铁路隧道多是结合工程类比和设计规范进行隧道支护设计，而本文在原有设计基础上，新增不同的支护方案并进行实际的工程应用与监控量测，对原设计和新设计进行监测结果、数值计算分析与对比，再根据分析结果进一步给出支护参数的优化方案，其可靠程度更高。

本文依托蒙华铁路单线隧道工程，在国内外隧道复合式衬砌结构相关研究成果的基础上，结合蒙华铁路工程的实际需要，采用现场测试与数值模拟相结合的方式开展复合式衬砌研究，评价初期支护安全性，确定蒙华铁路隧道Ⅳ级围岩条件下支护及衬砌设计参数，确定可优化隧道及其优化方案，以期为相似工程提供参考。针对Ⅴ级围岩或自稳能力更差的岩土体，可以在Ⅳ级围岩支护参数的基础上，通过适当加密格栅钢架或者加大衬砌厚度的方式来确保支护的安全可靠； 对于围岩条件较好的情况，也可通过调整格栅钢架间距和衬砌厚度的方式进行支护设计。

1 工程概况

1.1 工程建设条件

新建蒙华重载铁路是国家重要的运煤通道，隧道占比28.2%，隧道穿越的主要地层有黄土、花岗岩、灰岩及砂层等，遇到的不良地质主要有富水断层、高地应力及岩溶，线路软弱围岩段占比30%。大围山隧道作为蒙华单线重载铁路的试验隧道之一，穿越地层情况复杂、施工难度大、施工风险高，具有较强的代表性。

为研究Ⅳ级围岩条件下，单线隧道复合式衬砌结构中初期支护与二次衬砌的受力情况，选取大围山隧道进行试验研究，试验隧道概况见表1，原设计衬砌断面如图1所示。

表1 试验隧道概况

图1 原设计(DIVA工况)衬砌断面图(单位： cm)

1.2 支护参数设计

在原设计DIVA工况基础上，新增DIVC工况,将两者作比较。DIVC工况采用35 cm厚的仰拱，同时加密了格栅钢架。试验工况支护参数见表2。

表2 试验工况支护参数

2 数值模拟与现场监测

2.1 数值模拟

为探讨监测位移的发展过程和开挖支护的对应关系，把握支护的变形受力特征，选取大围山隧道进行施工过程数值模拟，分析比较监测结果和数值模拟计算的支护应力(内力)的差异程度。

大围山隧道为深埋隧道(平均埋深约210 m，地应力水平约483 MPa)，采用台阶法开挖。采用FLAC2D有限元软件进行建模分析，数值模型如图2所示。根据距离开挖断面远近由密到疏进行网格划分，再在模型底面施加竖向约束，两侧施加水平约束。施工过程模拟主要分为上台阶开挖、上台阶支护、下台阶开挖、下台阶支护、仰拱开挖、仰拱支护6个步骤。利用地应力释放的概念模拟隧道开挖支护过程，即按每步开挖释放未开挖时60%的地应力，支护时释放40%的地应力，逐步开挖支护。具体如下：第1步上台阶开挖(释放初始地应力的60%)；第2步上台阶支护(释放初始地应力的40%)；第3步下台阶开挖(释放第2步地应力的60%)；第4步下台阶支护(释放第2步地应力的40%)；第5步仰拱开挖(释放第4步地应力的60%)；第6步仰拱支护(释放第4步地应力的40%)。

图2 有限元计算模型(单位： m)

围岩的物理力学参数结合现场试验、相关地勘报告，采用RMR分类法确定。支护的弹性模量根据喷射混凝土和格栅钢筋的弹性模量，按照等效抗弯刚度的方法计算得到。Ⅳ级围岩及支护的物理力学参数见表3。

表3 Ⅳ级围岩及支护物理力学参数

2.2 监测方案设计

隧道拱顶沉降和内空收敛是围岩应力状态变化最直接的反映，其位移测点布置如图3(a)所示。喷射混凝土应力的监测先采用埋入式混凝土应变计进行喷射混凝土应变的监测，进而计算得到相应的应力，每个监测断面布设10个测位，每个测位布置内外2个测点，如图3(b)所示。格栅钢架的内力采用钢筋应力计(或表面应变计、频率计)监测，测点布置如图3(c)所示。

(a) 位移测点

3 结果分析

3.1 拱顶沉降和内空收敛分析

结合现场监测与数值计算结果，绘制相应的拱顶沉降和内空收敛随时间(施工工序)的变化曲线，如图4所示。

分析图4可以看出拱顶沉降和内空收敛的大小以及变化趋势，其数值模拟和现场监测结果基本一致。根据实测结果，拱顶位移和内空收敛随时间的增加逐渐增大，增大速率减小，逐渐趋于平稳； 拱顶出现上升现象，位移值为-5～5 mm； 内空收敛各试验工况差异较大，位移值为20～25 mm。根据数值模拟，拱顶沉降在上台阶开挖支护完成时约为3.3 mm，之后有较小的反弹上升，最后的收敛值为2.5 mm； 内空收敛在上台阶开挖支护完成时约为6 mm，之后渐渐增大，特别是在下台阶开挖和支护过程中累积收敛变形达到15.4 mm，最后的收敛值为22.8 mm。

(a) DIVA工况下随时间变化图

造成拱顶位移上升的原因有很多，与现场监测方法以及水平应力的释放有关。由于本研究中的隧道埋深较大，可能存在的构造应力等因素导致水平压力较大，当水平应力释放时导致拱顶上升。监测数据中也表现较为明显，水平收敛较大。数值分析中未考虑构造应力等的影响，因此可能导致模拟结果小于实测结果，但分析可知，实测结果和数值结果的内空变形均处于收敛状态。

3.2 应力分析

利用有限元软件进行计算，初期支护闭合后，2种工况下喷射混凝土的应力如图5所示。通过数值模拟，得到初期支护施作完成后拱顶及两侧拱腰和仰拱位置处的计算应力；根据现场监测测点应变结果，结合初期支护和喷射混凝土弹性模量的关系换算得到喷射混凝土承担的实际应力。不同工况喷射混凝土应力结果如图6所示。

分析图5和图6可知，喷射混凝土应力主要表现为承担压应力，应力值为-11～0 MPa，均未达到喷射混凝土极限抗压强度18.5 MPa，各工况喷射混凝土均处于安全范围；不同设计工况喷射混凝土应力总体表现为“拱部大，侧墙次之，仰拱较小”的分布特征，格栅钢架加密(DIVC工况)较未加密(DIVA工况)，拱部应力有所降低，约为1 MPa，说明加密格栅钢架提高了喷射混凝土的安全性。

(a) DIVA工况

(a) DIVA工况

3.3 内力分析

结合现场监测数据和数值模拟结果，对喷射混凝土和格栅钢架在拱顶(1#)及两侧拱腰(2#、3#)和仰拱(10#)位置处的轴力和弯矩进行分析，其内力(轴力和弯矩)的现场监测和数值模拟结果对比情况，如图7和图8所示。

分析图7和图8内力结果可知，不同工况下，喷射混凝土和格栅钢架轴力现场监测和数值模拟结果存在一定差异，其原因可能在于大围山隧道地质为黑云斜长变粒岩、角岩，局部夹千枚岩，数值模拟对地层条件进行了适当的简化，而实际地质情况较为复杂，存在局部围岩强度偏低的可能性，同时在进行测点布置时亦可能出现一定的偏差，进而导致结果的差异较大。喷射混凝土和格栅钢架主要承担压力，喷射混凝土压力值为-1 600～0 kN，格栅钢架压力值为-800～0 kN；不同设计工况下喷射混凝土和格栅钢架的轴力总体均表现为“拱部大，侧墙次之，仰拱较小”的分布特征，左右基本对称分布；格栅钢架加密(DIVC工况)较未加密(DIVA工况)，喷射混凝土拱部轴力有所减小，侧墙处轴力变化较小。喷射混凝土和格栅钢架总体弯矩较小且均存在内外侧受弯差异，喷射混凝土弯矩为-20～10 kN·m，格栅钢架弯矩为-5～5 kN·m，最大值多出现在拱顶或拱腰处；格栅钢架加密(DIVC工况)后，相应测点喷射混凝土弯矩值有所降低。

(a) DIVA工况下喷射混凝土轴力图

(a) DIVA工况下喷射混凝土弯矩图

分析表明，喷射混凝土和格栅钢架内力主要以轴力(压力)为主，相应弯矩值都较小；格栅钢架加密(DIVC工况)后，喷射混凝土轴力有所降低，格栅钢架轴力有所提高，说明格栅钢架加密降低了喷射混凝土荷载承担比例，提高了其安全性。通过衬砌最小抗弯安全系数的计算，发现两工况的计算结果较大，说明其安全储备足够大，具体结果如表4所示。

表4 试验工况安全系数计算表

综合以上分析，得到蒙华铁路单线隧道复合式衬砌结构的优化参数，最新优化参数没有在实际中进行监测，但蒙华铁路已投入运营多年，隧道运营状态良好。具体建议的Ⅳ级围岩下单线隧道复合式衬砌结构优化参数如表5所示。

表5 单线隧道复合式衬砌结构优化参数表(建议)

4 结论与讨论

根据以上现场监测和数值模拟结果的比较分析，可得到以下结论：

1)通过数值模拟和现场监控量测的方式，验证了采用喷射混凝土+格栅钢架的初期支护体系在2种不同设计方案下的安全性，并通过两者之间的对比分析，进一步给出蒙华铁路单线隧道复合式衬砌结构优化参数的建议值，即C25喷混凝土取为18 cm，格栅间距取1.2 m,拱墙厚度取30 cm混凝土，仰拱厚度取为35 cm钢筋混凝土。

2)初期支护的内力以轴力(压力)为主，相应弯矩值较小，由喷射混凝土+钢架的结合体共同承担，加密格栅钢架降低了喷射混凝土荷载承担比例，提高了其安全性。

3)Ⅳ级围岩单线重载铁路隧道台阶法施工时，位移收敛值多数是内空收敛大于拱顶沉降，增强初期支护强度对减小拱顶沉降的效果没有对约束内空收敛的效果大。

4)最新优化参数在后续的隧道支护中采用，本文仅对Ⅳ级围岩条件下的支护参数进行设计优化，其他级别围岩条件下的支护参数优化有待进一步研究。