大断面砂质黄土隧道二次衬砌受力特征

许泓康 王旭 屈宏录 乔世刚 严松宏 汪精河

1.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070；2.中兰铁路客运专线有限公司，甘肃白银 730900

砂质黄土主要分布于我国甘肃、内蒙古和陕北的高原地区。与粉（黏）质黄土相比，砂质黄土的粗颗粒含量更高，节理和大孔隙更发育，具有疏松多孔、低黏聚力、强湿陷性的工程地质特征［1-2］。在隧道开挖扰动下围岩变形大，支护结构承受荷载大，稳定性难以控制，严重时易引发隧道掌子面塌方、二次衬砌开裂等事故。

借鉴新奥法理念，黄土隧道采用复合式衬砌结构［3-4］。黄土隧道初期支护和二次衬砌的受力特征是研究热点。来弘鹏等［5］通过现场试验研究了黄土公路隧道初期支护与二次衬砌的内力分布特点。杨建民、王明年等［6-8］以郑西客运专线为依托，提出了大断面黄土隧道深浅埋划分标准及围岩压力计算方法，比较了不同围岩压力计算方法在实际工程中的适用性。李鹏飞等［9］以兰渝铁路胡麻岭隧道为工程背景，采用数值模拟和现场监测的方法，研究了衬砌结构接触压力随时间的发展规律及沿洞周的分布情况。赖金星等［10］研究了浅埋黄土隧道锚喷支护+初期支护+二次衬砌构成的三层支护体系的力学特性，认为初期支护承受了大部分围岩压力，二次衬砌主要作为结构安全储备。罗彦斌等［11］以神府（神木—府谷）高速公路墩梁隧道为依托，采用理论分析与数值模拟相结合的方式，提出了基于隧道二次衬砌安全临界状态的最佳施作时机分析方法。

黄土隧道初期支护、二次衬砌受力机理复杂，既有文献对二次衬砌承载能力和受力特征研究较少。本文依托中兰（中卫—兰州）客运专线最长的盘岘山隧道，对初期支护与二次衬砌的接触压力、二次衬砌混凝土应变和钢筋应力长期现场监测数据进行分析，并结合数值模拟结果研究砂质黄土隧道二次衬砌的受力特征，为黄土隧道设计提供理论参考。

1 工程概况

盘岘山隧道位于兰州新区中川镇，起讫里程为DK236+376—DK239+205，全长2 829 m，最大埋深111.83 m，为双线铁路隧道［12］。

隧道穿越地层主要为第四系全更新统冲洪积砂质黄土、上更新统风积砂质黄土、冲洪积砂质黄土、细砂和粗圆砾土。隧道全段均为Ⅴ级围岩，其中DK236+633—DK236+750段砂质黄土含水率低，颗粒间黏结性差，呈散体状。开挖过程中常伴随溜塌、漏砂、涌砂等地质灾害，现场采取“三台阶+临时仰拱+临时竖撑”的开挖方法。

隧道开挖宽度14.52 m，开挖高度12.38 m，开挖面积153.12 m2；初期支护厚度30 cm，采用C25喷射混凝土，I22a型钢拱架（间距0.5 m/榀），ϕ42的锁脚锚管；二次衬砌采用C35钢筋混凝土，拱墙以上厚度55 cm，仰拱厚度65 cm，隧道底部回填C20混凝土。隧道衬砌断面见图1。

图1 隧道衬砌断面（单位：mm）

2 基于实测数据的二次衬砌受力分析

2.1 测试方案

隧道进口段监测断面里程DK236+702，埋深54 m。测试方案见表1。二次衬砌压力盒安装时需要与初期支护结构尽量保持密贴且不发生错动，以保证测试数据的准确性与真实性。各监测点仪器导线需紧贴隧道洞身表面并顺延至拱脚，这样可有效防止导线在施工过程中出现断裂。

表1 测试方案

监测断面上共布置12个测点（图2），边墙以上7个，仰拱5个。

图2 测点布置

2.2 二次衬砌结构荷载特征分析

由于接触压力变化时间比监测总时间短且后期数值变化不大，为了直观展示其变化规律，选择前50 d的数值进行分析。拱墙初期支护与二次衬砌接触压力随时间变化曲线见图3。

图3 拱墙接触压力随时间变化曲线

由图3可知：接触压力随时间变化大致可分为施工扰动阶段、变化阶段和稳定阶段。呈现出先迅速增至最大值，随后迅速减小，数日后再缓慢增大并趋于稳定的规律。前5 d接触压力波动剧烈，各测点压力峰值均出现在二次衬砌施作后的第一天，28 d后进入稳定阶段。该变化规律的原因为：①混凝土硬化。现浇混凝土初期刚度较小，随着时间的增长，刚度越来越大，使得浇筑形成的二次衬砌与初期支护之间的接触压力不断变大。当混凝土刚度逐渐稳定后，二次衬砌的应力状态不再发生明显变化，接触压力逐渐趋于稳定。②二次衬砌与模板台车接触。模板台车在浇筑完成后与二次衬砌结构呈挤密状态，此时接触压力较大，在第二天达到峰值。混凝土具有一定强度后拆模，失去内侧约束，初期支护与二次衬砌的接触压力不断减小并于第5 d基本上回落至最小值。

仰拱初期支护与二次衬砌接触压力随时间变化曲线见图4。可知：仰拱整体受力较大，底部左右两侧均出现较大峰值应力。仰拱测点2、测点4压力最大值分别为421.71、462.98 kPa。由于仰拱二次衬砌施工早于拱墙，后续还受隧道底部混凝土回填与施工车辆扰动影响，致使仰拱处76 d后接触压力才趋于稳定。

图4 仰拱初期支护与二次衬砌接触压力随时间变化曲线

接触压力分布见图5。由图4和图5可知：①压力最大值出现在施工扰动段，边墙以上接触压力刚开始沿洞周近似均匀分布，拱顶接触压力较大，稳定后变小，左右拱腰处接触压力大；仰拱整体接触压力大于边墙以上。②边墙以上接触压力呈双耳状分布，仰拱处呈哑铃形分布。

图5 接触压力分布（单位：kPa）

2.3 二次衬砌结构内力特征分析

由于二次衬砌钢筋与混凝土的内外侧受力大小与变化规律基本上一致，故选取内侧测点的数据进行分析。拱墙、仰拱内侧钢筋轴力随时间变化曲线见图6。

图6 钢筋轴力随时间变化曲线

由图6（a）可知：内侧钢筋在测试期间均受压，各测点变化规律基本一致，呈现出压力先迅速增大，而后逐渐减小，最后趋于平稳的规律。测试前10 d二次衬砌模板台车进行灌浆、振捣作业，钢筋受到较大扰动，因此轴力变化速率较快。

由图6（b）可知：前10 d急剧波动，测点2—测点4在第8天从受拉转为受压，第10天后各测点均受压，60 d后轴力趋于稳定。测点5因导线距离焊接点过近，未及时进行降温和隔热处理，导线被烧断，该测点无数据记录。总体上，仰拱内侧钢筋轴力波动程度大于拱墙，达到稳定的时间更长。

钢筋轴力分布见图7。其中：受拉为正，受压为负。可知：最大值与稳定值沿洞周分布规律相似，其最大值均出现在左右拱腰处。仰拱底部测点短时间受拉，轴力稳定后均受压。

图7 钢筋轴力分布（单位：kN）

图8 混凝土应力随时间变化曲线

拱墙、仰拱内侧混凝土应力随时间变化曲线见图8。其中：受拉为正，受压为负。由图8（a）可知：施作二次衬砌的前5 d，混凝土压应力波动较剧烈，10 d后除拱顶测点压应力减小外，其他测点压应力缓慢增长，65 d后基本稳定。由图8（b）可知：在前20 d混凝土应力波动剧烈且持续时间较长，30 d后混凝土应力变化较平缓，79 d后趋于稳定。仰拱各阶段出现时间与拱墙差异显著，且应力波动更为剧烈。该变化规律的原因是：①混凝土硬化。1～5 d仰拱主要受浇筑C35混凝土后的自重以及从上部结构传递来的荷载影响，同时水化热会使混凝土体积增大产生膨胀力，挤压二次衬砌。②施工车辆动荷载影响。前方掌子面开挖，运渣车、水泥罐车运输作业频繁，对监测有一定影响，当混凝土硬化达到设计强度后，施工扰动影响不再显著。

混凝土应力分布见图9。其中：受拉为正，受压为负。可知：洞周各部位均承受压应力，且不超过C35混凝土抗压强度；整体上拱墙压应力大于仰拱。

图9 混凝土应力分布（单位：MPa）

3 二次衬砌结构受力数值计算

3.1 计算模型与参数

采用荷载结构法对隧道二次衬砌结构受力进行计算。根据Q/CR 9511—2014《铁路黄土隧道技术规范》，对于新黄土（Q3、Q4）隧道，深浅埋分界可取1.8（H+B）～2.1（H+B）。盘岘山隧道开挖高度H=12.38 m，开挖宽度B=14.52 m，可得深浅埋分界深度为48.42～56.49 m。监测断面埋深54 m，判定为深埋黄土隧道。依据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》，垂直压力q计算公式为

式中：s为围岩等级；γ为围岩重度；ω为宽度影响系数；B为坑道宽度；i为B每增加或者减少1 m时围岩压力增减率；B＜5 m时i=0.2，B＞5 m时i=0.1。

水平压力p为

式中：λ为地层侧压力系数。

根据隧道设 计 资 料，s=5，γ=18 kN/m3，B=14.52 m，λ=0.5。由于B=14.52 m＞5 m，i=0.1。由式（2）可得ω=1.95。由式（1）可得q=252.72 kPa。由式（3）可得p=126.36 kPa。p和q即为理论荷载水平、垂直分量。

选择初期支护与二次衬砌接触压力的稳定值作为实测荷载。根据现场监测值，将局部法向接触压力分解到水平和竖直方向，并假设相邻测点之间接触压力呈线性分布，可得实测荷载分布。理论荷载与实测荷载分布对比见图10。可知：与理论荷载相比，实测竖向荷载两头大中间小，实测水平荷载沿深度方向大致呈梯形分布。

图10 理论荷载与实测荷载分布对比（单位：kN）

采用MIDAS GTS软件对二次衬砌受力进行分析。计算采用荷载结构模型，二次衬砌采用梁单元模拟，地基弹性反力采用径向曲面弹簧模拟，并设置为不受拉。计算参数见表2。

表2 计算参数

不同荷载下安全系数根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》计算得出。对于矩形混凝土截面，若截面偏心距e0≤0.2h（h为截面厚度），由抗压强度控制承载力；若e0＞0.2h，由抗拉强度控制承载力。安全系数K的计算公式为

式中：φ为构件纵向弯曲系数，取1；α为轴向力偏心影响系数；Ra为混凝土抗压强度；b为截面宽度；N为轴向力；R1为混凝土抗拉强度。

3.2 二次衬砌受力特征分析

理论荷载和实测荷载作用下二次衬砌内力见图11。其中：受拉为正，受压为负。

图11 两种荷载作用下二次衬砌内力对比

由图11可知：①两种荷载作用下弯矩最大值出现的位置不同。理论荷载作用下最大正弯矩出现在拱顶，其值约216 kN·m，最大负弯矩出现在拱肩，其值约-201 kN·m。实测荷载作用下最大正、负弯矩分别出现在仰拱左、右侧，其值约243、-206 kN·m。②两种荷载作用下二次衬砌轴力均为压力，分布规律相同，即最小值出现在拱顶，最大值出现在仰拱。理论荷载和实测荷载作用下二次衬砌轴力最大值分别约为-2 602、-1 216 kN，且实测荷载作用下轴力沿洞周分布的不均匀性比理论荷载作用下要大。

两种荷载作用下二次衬砌的安全系数对比见图12。可知：实测荷载作用下安全系数最小值为3.4，位于仰拱与边墙交界处；理论荷载作用下安全系数最小值为2.5，位于拱顶和左右拱肩。两者相差较大。实测荷载作用下安全系数总体上大于理论荷载作用下，说明采用理论荷载进行二次衬砌安全性验算偏于保守。对于本工程，两种荷载作用下衬砌结构安全性均满足规范要求。

图12 两种荷载作用下二次衬砌安全系数对比

4 结论

本文以中兰客运专线最长的盘岘山隧道为依托，根据现场监测结果并结合数值分析得到以下结论：

1）初期支护与二次衬砌接触压力、钢筋轴力和混凝土应力随时间变化大致可分为施工扰动阶段、变化阶段和稳定阶段，最大值均出现在施工扰动阶段，仰拱曲线波动幅度比拱墙大，达到稳定的时间更长。

2）接触压力稳定后，左右拱腰处压力大，边墙以上呈双耳状分布，仰拱处呈哑铃形分布。砂质黄土地层中仰拱受力较大，设计与施工阶段应重视仰拱二次衬砌结构的稳定与安全。

3）理论荷载与实测荷载作用下，二次衬砌弯矩和轴力的分布规律不同。实测荷载作用下安全系数最小值出现在仰拱与边墙交界处；理论荷载作用下安全系数最小值出现在拱顶和左右拱肩。基于松散压力的理论荷载不能准确描述二次衬砌结构的实际受力特征。