防水型单层衬砌的叠合面力学性能试验研究

邓一三，李刚，张建伟，温书亿

(1.中铁科学研究院有限公司，四川 成都 610031；2.青岛地铁集团有限公司，山东 青岛 266100)

20 世纪70 年代，单层衬砌作为一种新的隧道支护结构逐渐发展起来，其最初主要是以单层喷射混凝土为支护衬砌，后来逐渐发展出2层或多层喷混凝土叠合的衬砌结构。目前，国内学者对单层衬砌的承载机理、材料性能和结构设计等进行了较为广泛的研究。陈立保等[1]提出了基于挪威法的单层衬砌结构设计方法，并针对单层衬砌的隧道防排水和建筑材料进行了研究；龚彦峰等[2]鉴于挪威法直接应用于国内单层衬砌设计存在诸多困难，提出了以屈服接近度和围岩松动圈支护理论为基础的单层衬砌设计原则和方法；苏卿[3]通过室内试验，研究了将纤维混凝土应用于单层衬砌对材料强度和结构韧性的影响；杜国平等[4]通过现场试验，对单层在实际应用中的力学性能进行了测定。上述研究成果已在公路隧道、铁路隧道、水工输水隧洞、地下储库等工程中试用，如摩天岭隧道、秦岭隧道、齐溪电站引水洞和汕头液化气储库等，但由于喷射混凝土自防水性能较差，上述国内工程中，单层衬砌的应用仅限于围岩完整且岩面干燥无水的区段。近年来，随着喷涂防水材料在施工工艺和质量性能等方面的显著提高，防水型单层衬砌被逐渐应用于地铁等防水性能要求较高的隧道工程，如北欧的斯德哥尔摩地铁、赫尔辛基地铁和奥斯陆地铁等[5-8]。防水型单层衬砌由具有双面黏结性能的喷涂防水夹层和多层喷射混凝土组合而成，各层间能够充分传递剪力，从结构受力上，可将其看作带夹层的叠合结构来分析其力学特性。针对多层喷混凝土叠合的单层衬砌，李林毅等[9]通过数值仿真，对各结构层之间的接触效应进行了模拟；周平等[10]通过试验，研究了考虑层间效应的多层衬砌受力特征。既往研究表明，多层喷射混凝土的各层之间具有径向抗滑移性，组成叠合衬砌后，可形成整体承载结构，但防水型单层衬砌在喷射混凝土之间还夹有一层喷涂防水层，其材料力学性能与喷射混凝土差异很大，导致叠合面力学行为较为复杂，是研究防水型单层衬砌面临的主要问题。

1 防水型单层衬砌叠合面分析

既往研究表明，对于接触面平直的叠合结构而言，其叠合面破坏基本符合线性的摩尔-库仑准则，但对于接触面粗糙起伏的叠合结构，其叠合面破坏包络线与摩尔-库仑准则并不完全符合[11-13]。

防水型单层衬砌由喷射混凝土和喷涂防水夹层组成，其实际接触面是粗糙起伏的，以实际接触面为对象进行力学性能分析较为困难，因此，在对防水型单层衬砌进行分析时，提出了界面层的假定。

界面层包含了喷涂防水层和与其直接接触的部分喷射混凝土。由喷射混凝土和喷涂防水材料组成的不规则接触面，使得相邻介质不再保持为连续变形的整体，其剪切破坏也并不一定是发生在材料的接触面上，而更可能发生在接触面周围的介质层中，从而在接触面附近形成一个剪切错动层。由于在这个错动层内的应力和变形明显不同于周边的喷射混凝土，故在防水型单层衬砌的叠合结构模型中，将喷涂防水材料和交界面处的喷射混凝土定义为单一材料组成的界面层，并假定其与周边喷射混凝土的接触面平直，如图1。

图1 界面层组成示意图Fig.1 Diagram of interfacial layer

对叠合衬砌而言，界面层是否发生错动，将引起结构承载机理的变化，图2(a)和2(b)分别展示了无错动和有错动叠合衬砌的承载机理。当界面层的应力位于摩尔-库仑强度包络线之内时，叠合衬砌可视为无错动叠合结构。故界面层力学性能是影响防水型单层衬砌力学性能的重要因素，需通过界面层力学性能试验得到其破坏时的极限应力，绘制强度包络线，并将此包络线作为叠合衬砌结构有无错动的判据。

图2 叠合衬砌承载机理Fig.2 Bearing mechanism of composite lining

2 防水型单层衬砌界面层力学性能试验

2.1 界面层剪压试验

鉴于喷射混凝土和喷涂防水材料的接触面是密贴起伏的隧道开挖面，界面层与地层荷载作用方向呈现不同倾角，故通过界面倾角在40°至70°之间的喷射混凝土芯样的剪压试验来测定界面层的极限应力。试件采用C35喷射纤维混凝土和挪曼尔特公司的Tamseal800 喷涂防水材料制作，喷涂防水材料参数见表1。通过大板试块制作出20个直径为50 mm，长度为100 mm 的标准圆柱体试件，如图3，采用压力机以0.1 MPa/min 的速度对试件进行连续加载直至破坏，代表性试件的试验结果见表2。

表1 喷涂防水材料参数Table 1 Parameters of spraying waterproof material

表2 代表性试件的剪压试验结果Table 2 Results of shear compression tests on representative specimens

图3 剪压试验试件Fig.3 Specimen for shear compression test

将界面层破坏时的荷载分解至界面切向和法向，得到界面层的剪应力和压应力，通过在应力空间对界面层剪应力和压应力做线性回归拟合，得到界面层的摩尔-库仑剪压强度包络线，如图4。

图4 界面层剪压试验强度包络线Fig.4 Ultimate strength envelope of shear compression test

2.2 界面层单轴拉伸试验

根据摩尔强度理论，可通过界面层单轴拉伸试验得到其破坏时的极限应力圆，进而绘制拉应力象限的强度包络线。试验试件为通过大板试块制作的10 个直径50 mm 的圆柱体芯样，芯样材料与剪压试验相同，其中纤维混凝土分2 次喷射形成，中间涂刷4 mm厚的挪曼尔特公司的Tamseal800喷涂防水层。

通过拉力机进行轴拉试验，试验加载速率为0.1 MPa/min，当试验结果极差小于其平均值的30%时，结果数据有效，代表性试件的试验结果见表3，通过有效数据的平均值σ=-1.026 MPa可得到轴拉极限应力圆，进而完善强度包络线，如图5。

图5 界面层轴拉及剪压试验强度包络线Fig.5 Ultimate strength envelope of shear compression test and tensile test

表3 代表性试件的轴拉试验结果Table 3 Results of axial tension tests on representative specimens

3 喷射混凝土抗裂性能试验

叠合衬砌结构的极限强度，不仅与界面层极限强度有关，亦与界面层两侧的喷射混凝土抗裂性能相关，故还需对喷射混凝土的抗裂性能进行试验测定。

喷射混凝土抗裂性能试验采用与界面层试验相同的C35喷射纤维混凝土材料。由于单轴拉伸试件的截面较小，局部纤维的方向性因素对强度实测值影响较大，故采用弯曲梁试验来测定材料的抗裂强度，试验设备为日本岛津AG-IS-250 kN 试验机，如图6。

图6 弯曲梁试验装置Fig.6 Bending beam test device

试验采用C35 喷射纤维混凝土制作的4 块150 mm×150 mm×550 mm 混凝土试件，采用的结构纤维为挪曼尔特公司的聚烯烃纤维，纤维参数见表4。

表4 试验纤维参数Table 4 Fiber parameters of the test

对试件进行连续、均匀加载，绘制荷载-裂缝挠度曲线(图7)，并将曲线得到的比例极限fLOP作为材料的初裂时的抗裂强度(表5)，fLOP与试验参数关系为：

图7 代表性试件的荷载-挠度曲线Fig.7 Load deflection curves of specimens

式中：b和h分别为试件截面的宽度和高度；L为试件跨距；Fcra为fLOP所对应的试验荷载。

根据表5，喷射纤维混凝土初裂时的抗裂强度可取为fLOP=2.2 MPa。

表5 喷射纤维混凝土试验抗裂强度Table 5 Flexural strength of sprayed fiber reinforced concrete

4 试验结果在青岛地铁工程的应用与分析

4.1 试验段防水型单层衬砌的设计参数

青岛为海滨丘陵城市，下伏岩层以风化程度低、强度高、完整性好为主要特点，是防水型单层衬砌隧道应用的理想场区，故选取青岛地铁4号线昌乐路站配线区间作为研究防水型单层衬砌应用的试验段。

试验段隧道位于青岛市市北区，全长220 m，采用钻爆法施工，截面为拱顶直墙，开挖宽度9.6 m，埋深30～39 m，洞身主要穿微风化花岗岩，场区地下水以基岩裂隙水为主。隧道支护参数根据挪威法进行设计，其支护结构由系统锚杆和17 cm 厚的防水型单层衬砌组成，衬砌参数见表6。衬砌采用的C35 喷射纤维混凝土和Tamseal800喷涂防水材料，与试验试件相同。

表6 试验段防水型单层衬砌设计参数Table 6 Design parameters of waterproof single layer lining

4.2 试验段防水型单层衬砌的数值分析

通过数值仿真，将隧道在开挖-支护过程中防水型单层衬砌的应力与试验所得的极限强度进行比对，从而对该叠合衬砌结构的承载安全性进行定量判断。

数值仿真采用MIDAS GTS 软件建立地层结构的三维模型，如图8，模型长、宽、高分别为50，60 和60 m。根据地质资料，选取代表性地层，从上至下为素填土、强风化花岗岩和微风化花岗岩，地层参数见表7。模型中土层采用摩尔库伦本构，岩层采用D-P本构。模型的前后左右边界设置水平向约束，下边界设置竖向约束，上边界设置为应力边界。

表7 地层物理力学参数Table 7 Physico-mechanical parameters of formation

图8 数值分析模型Fig.8 Numerical calculation model

有限元模型中，隧道采用台阶法开挖，模拟的施工步序为：开挖上台阶→喷射上台阶第1层衬砌→开挖下台阶→喷射下台阶第1层衬砌→施做喷涂防水层→喷射第2层衬砌。

由图9(a)，9(b)，9(c)可确定叠合衬砌界面层处的剪应力和正应力，其控制值见表8。又由图10可见，数值分析所得的界面层剪应力和正应力均位于试验所得的界面层强度包络线以内，表明2层衬砌之间无错动，可视防水型单层衬砌为整体承载结构。

图10 界面层数值分析结果验算Fig.10 Numerical analysis results of interfacial layer

表8 数值模拟所得界面层处的应力控制值Table 8 Stress control value at interfacial layer

图9 防水型单层衬砌应力云图Fig.9 Stress nephogram of waterproof single-layer lining

由图9(d)和9(e)可得，第1 和2 层喷射纤维混凝土衬砌最大拉应力分别为0.246 MPa和0.141 MPa，均小于试验所得的喷射纤维混凝土抗裂强度fLOP=2.2 MPa，表明喷射纤维混凝土无开裂。

4.3 试验段现场试验与分析

昌乐路站配线区间施工期间，为检测防水型单层衬砌界面层实际性能，对试验段隧道衬砌进行了现场取芯和检测，检测试件通过在现场直接钻芯制取，在隧道拱腰和侧墙共钻芯6处，试件实测直径45 mm。通过对芯样和孔壁观测，界面层位置过度平滑，喷涂防水层无受剪开裂迹象，两侧喷射混凝土层之间无明显错动，如图11。

图11 试验段现场取芯检测Fig.11 Field coring test of test section

对钻取芯样进行单轴拉伸试验，试验方法与2.2 节相同，且当破坏面为喷涂防水材料所处的界面位置时试验结果有效，如图12。试验结果显示，所用试件的抗拉应力超过1.026 MPa。

图12 现场轴拉试验检测Fig.12 Axial tension test on site

5 结论及建议

1) 将防水型单层衬砌的喷涂防水层和接触面处的喷射混凝土共同定义为单一材料组成的界面层，通过对界面层的剪压试验和单轴拉伸试验测定界面层的极限强度包络线，该方法可避免因衬砌各叠合层间接触面力学行为的不确定性而导致的结构分析困难，为探究防水型单层衬砌的叠合面力学性能提供了新思路。

2) 防水型单层衬砌的界面层是否发生错动，将引起结构承载机理的变化，故对界面层径向抗错动性能的测定，是对防水型单层衬砌力学性能进行定量分析的前提。采用剪压试验和单轴拉伸试验测定的界面层极限强度包络线能够清晰判定叠合面在不同应力条件下是否发生错动，为防水型单层衬砌的结构分析提供了明确的应力控制指标。

3) 青岛地铁试验段的数值分析表明：当界面层的正应力和剪应力组合均位于试验所得的强度包络线以内时，可将防水型单层衬砌的各叠合层视为整体承载结构，其后，方可通过衬砌最大拉应力与喷射纤维混凝土抗裂强度的对比，进行衬砌结构的容许应力分析。

4) 青岛地铁试验段的现场检测表明：施做的防水型单层衬砌可以达到试验所模拟的力学性能，本研究所得的技术路线满足防水型单层衬砌在地铁隧道工程应用的需要。

后续，针对防水型单层衬砌的叠合结构特性，还有以下方面可做进一步的研究：

1) 考虑界面层的塑性承载力，对界面层应力超过极限强度包络线，但各叠合层之间尚未完全丧失抗滑移性能时的力学性能进行研究，进一步挖掘防水型单层衬砌产生层间错动后的承载能力。

2) 在测定界面层摩擦角和黏聚力的基础上，对其弹性模量、剪切模量、剪切延伸率等材料参数进行研究，进一步探究防水型单层衬砌考虑层间效应的衬砌受力特征。