鐵路隧道抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

陳耀華

（中鐵二十二局集團(tuán)第四工程有限公司，河北高碑店　074000）

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鐵路隧道抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

陳耀華

（中鐵二十二局集團(tuán)第四工程有限公司，河北高碑店074000）

摘要以石板山高水壓隧道為依托，采用歷時(shí)8個(gè)月現(xiàn)場試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究隧道襯砌背后外水壓力變化規(guī)律，進(jìn)而探討如何對(duì)二次襯砌厚度予以優(yōu)化?，F(xiàn)場實(shí)測的石板山隧道富水段掌子面最大動(dòng)水壓值為0. 56 MPa，預(yù)估靜水壓值可能達(dá)到1 MPa，施工結(jié)束后該襯砌背后最大水壓只有0. 02 MPa，表明隧道開挖引起的高水壓問題主要出現(xiàn)在開挖期間。原設(shè)計(jì)1 MPa抗水壓襯砌（80 cm厚度）顯得過于保守，優(yōu)化為0. 3 MPa抗水壓襯砌（50 cm厚度）更為合理，其安全系數(shù)可滿足規(guī)范要求。這一設(shè)計(jì)參數(shù)的合理優(yōu)化將使施工難度、施工成本大幅降低，并有效加快施工進(jìn)度。

關(guān)鍵詞富水地層；鐵路隧道；抗水壓襯砌；現(xiàn)場試驗(yàn)；穩(wěn)定性

隨著我國綜合國力提升和隧道設(shè)計(jì)、施工技術(shù)不斷進(jìn)步，一大批現(xiàn)代化國家級(jí)重點(diǎn)交通基礎(chǔ)設(shè)施開始興建，深埋長大山嶺鐵路隧道隨之大量涌現(xiàn)，必然會(huì)遇到地下水豐富地層，帶來一系列水壓力問題［1］。如果外水壓力過大，以及襯砌厚度不當(dāng)，二次襯砌難免發(fā)生開裂破壞現(xiàn)象，給列車運(yùn)營帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)［2］。對(duì)此，國內(nèi)外科研工作者開展了相關(guān)的科學(xué)研究工作，取得了一定的研究成果。

劉福勝等［3］推導(dǎo)了地下水滲流分布解析公式，分析了影響圍巖滲流場和滲流量的主要因素。郭智剛等［4］以金溫鐵路湯村隧道穿越富水?dāng)鄬訋橐劳泄こ?，總結(jié)了富水隧道施工超前預(yù)注漿技術(shù)、長管棚預(yù)支護(hù)要點(diǎn)。HERNQVIST等［5］依據(jù)掌子面鉆孔，測試其涌水量，在此基礎(chǔ)上，提出是否應(yīng)該注漿加固的判斷標(biāo)準(zhǔn)。HUANG等［6］以現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)得到的節(jié)理產(chǎn)狀為基礎(chǔ)，建立了非連續(xù)-水力耦合模型，研究節(jié)理?xiàng)l件下滲流場的分布特征，以及襯砌外水壓力。譚忠盛等［7］采用模型試驗(yàn)，研究了無紡布對(duì)襯砌背后水壓力以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力的改善效果。李術(shù)才等［8］研制了一種流-固耦合相似模型材料，并應(yīng)用于青島膠州灣海底隧道富水段的滲流模型試驗(yàn)。劉立鵬等［9］推導(dǎo)了復(fù)合式支護(hù)體系與襯砌外水壓力關(guān)系解析公式，提出不同類型襯砌外水壓力折減系數(shù)的取值方法。

目前大多數(shù)學(xué)者的研究是針對(duì)富水隧道圍巖滲流場、襯砌外水壓力等影響因素；而針對(duì)實(shí)際工程中襯砌水壓變化，以及襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化并不多。因此，本文以石板山隧道為依托，采用現(xiàn)場試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究鐵路隧道抗水壓襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，具有顯著的工程實(shí)踐價(jià)值。

1　工程概況

石板山隧道位于石家莊市井陘縣小作鎮(zhèn)小寨村，為雙洞單線鐵路隧道，全長7 505 m，在修建過程中遇到的最大問題是富水地層。DK579 + 700—DK588 + 145段為Ⅲ級(jí)圍巖深埋地段，洞室開挖以后，現(xiàn)場實(shí)測掌子面最大動(dòng)水壓值為0. 56 MPa，預(yù)估靜水壓值將達(dá)到1 MPa。原設(shè)計(jì)方案在隧道富水區(qū)段設(shè)置1 MPa抗水壓襯砌，厚度為80 cm，采用帷幕注漿作業(yè)，注漿圈厚度為5 m。

分別在DYK585 + 426，DK585 + 419處設(shè)置2個(gè)監(jiān)測斷面，對(duì)原設(shè)計(jì)1 MPa抗水壓襯砌（80 cm厚度）斷面進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，測試水壓力變化過程與襯砌結(jié)構(gòu)受力特性。每個(gè)斷面布置3個(gè)水壓力測點(diǎn)，5個(gè)混凝土應(yīng)變測點(diǎn)。元件布置如圖1所示。

圖1　抗水壓隧道襯砌外水壓力及內(nèi)力測試

2　現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

2. 1二次襯砌背后水壓力

水壓力計(jì)于2014年2月17日埋設(shè)，2月18日開始測試，襯砌外水壓力時(shí)程曲線見圖2。

圖2　襯砌背后水壓力時(shí)程曲線

由圖2（a）可知，DYK585 + 426斷面初期支護(hù)與二次襯砌之間最大水壓值發(fā)生在右拱腳處，達(dá)到0. 018 MPa。從圖2（b）看出，DK585 + 419斷面最大水壓值發(fā)生在右拱腳，達(dá)到0. 024 MPa。水壓隨著時(shí)間的推移逐漸增大，但變化的絕對(duì)值較小。

由于石板山隧道富水區(qū)段均按帷幕注漿堵水，且按“全排”設(shè)計(jì)，所以實(shí)際測得的最大水壓相當(dāng)于設(shè)計(jì)水壓的2％，采用1 MPa抗水壓襯砌顯得過于保守，且不合理。

2. 2二次襯砌內(nèi)力

將監(jiān)測到的襯砌混凝土應(yīng)變，按照材料力學(xué)原理，換算為5個(gè)監(jiān)測位置的軸力和彎矩，結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2005），采用破損階段法計(jì)算安全系數(shù)（如圖3所示），以評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)安全性。

襯砌安全系數(shù)在開始監(jiān)測的1個(gè)月左右變化較大，之后結(jié)構(gòu)受力基本穩(wěn)定。從圖3（a）看出：DYK585 + 426斷面襯砌安全系數(shù)最小值發(fā)生在右拱腳處，其值為17. 01，遠(yuǎn)高于規(guī)范［10］要求。從圖3（b）看出：DK585 + 419斷面安全系數(shù)最小值發(fā)生在右拱腰處，為17. 7，個(gè)別部位高達(dá)70。

圖3　富水隧道襯砌安全系數(shù)變化曲線

通過對(duì)DYK585 + 426斷面和DK585 + 419斷面長達(dá)8個(gè)多月的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過注漿處理以及設(shè)置防排水體系，實(shí)際監(jiān)測到的襯砌背后水壓很小，遠(yuǎn)低于1 MPa的設(shè)計(jì)值。原設(shè)計(jì)方案并沒有考慮到注漿堵水圈、隧道排水對(duì)襯砌外水荷載的折減作用，而是簡單將開挖過程中測得的水壓值，作為抗水壓襯砌斷面的水荷載設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致80 cm厚度抗水壓襯砌斷面過于保守，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。

3　襯砌厚度優(yōu)化

3. 1有限元模型

采用以下2種方案進(jìn)行數(shù)值模擬：①不考慮外水荷載的作用，僅考慮圍巖壓力；②當(dāng)盲管排水不暢時(shí)，考慮外水荷載（0. 3 MPa水壓）和圍巖壓力共同作用。采用ANSYS有限元程序進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性。

參考試驗(yàn)段的工程圍巖特性，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范［10］，選用圍巖和支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度優(yōu)化后為50 cm。

表1　圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

單線深埋隧道圍巖壓力按松散壓力考慮［10］，結(jié)合表1圍巖參數(shù)，得到垂直均布?jí)毫?6. 43 kPa；側(cè)壓力系數(shù)取0. 15［10］，因此，水平均布?jí)毫?. 47 kPa。

3. 2計(jì)算結(jié)果

1）二次襯砌結(jié)構(gòu)軸力

有、無水壓條件下，二次襯砌結(jié)構(gòu)軸力如圖4所示。從圖4（a）看出：不考慮水壓時(shí)，圍巖壓力引起的襯砌結(jié)構(gòu)拱頂軸力最小值為96. 7 kN，拱腳處最大值為382. 3 kN。從圖4（b）看出：考慮水壓-土壓共同作用時(shí)，襯砌軸力沿襯砌分布較為均勻，拱頂軸力最小達(dá)到1 570 kN，拱腳依然是軸力最大處，為1 830 kN。

2）襯砌結(jié)構(gòu)彎矩

有、無水壓條件下，二次襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布如圖4所示。從圖4（c）看出：不考慮水壓時(shí)，圍巖壓力引起的拱腳處彎矩（67. 1 kN·m）最大，拱頂仰拱次之，拱腰處較小。從圖4（d）看出：考慮水壓-圍巖壓力共同作用時(shí)，拱腳處彎矩依然是最大的，達(dá)到663. 1 kN·m，幾乎是不計(jì)水壓時(shí)的10倍，拱腰中部很大，達(dá)到526. 0 kN·m。

圖4　二次襯砌結(jié)構(gòu)軸力和彎矩

3）結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

不計(jì)水壓時(shí)，二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力和安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2　無水壓時(shí)圍巖壓力引起結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

由表2可知，典型檢算部位的安全系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，最小安全系數(shù)在拱腳處，達(dá)到38. 61。

當(dāng)盲管排水不暢時(shí)，考慮0. 3 MPa水壓，50 cm二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力和安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3　0. 3 MPa水壓與圍巖壓力共同作用時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

由表3可知，在考慮0. 3 MPa的水壓作用下，相比于不計(jì)水壓，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)顯著降低，即拱腳處安全系數(shù)只有5. 39。因此，富水區(qū)山嶺隧道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮外水壓力作用。

4　現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)比

將現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測內(nèi)力換算得到的原設(shè)計(jì)（80 cm厚）安全系數(shù)與優(yōu)化后（50 cm厚）數(shù)值模擬得出的安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

表4　現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬得出的安全系數(shù)對(duì)比

現(xiàn)場監(jiān)測到襯砌背后的水壓為0. 02 MPa左右，接近于不計(jì)水壓狀態(tài)。從理論上講，如果帷幕注漿效果好，或者是排水系統(tǒng)比較發(fā)達(dá)，可以按照普通無水壓襯砌斷面處理。但考慮到施工工藝以及未來耐久性影響，結(jié)合注漿以及排水體系對(duì)水壓的折減作用，將原1 MPa的抗水壓設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)斷面（襯砌厚度80 cm）改為0. 3 MPa抗水壓襯砌（厚度50 cm）較為合理，從表4可以看出安全系數(shù)均可滿足規(guī)范要求。

5　結(jié)論

1）現(xiàn)場實(shí)測石板山隧道掌子面最大動(dòng)水壓值為0. 56 MPa，預(yù)估靜水壓值可能達(dá)到1 MPa。經(jīng)過防排水措施，施工結(jié)束后該斷面襯砌背后最大水壓只有0. 02 MP左右，表明隧道開挖引起的高水壓問題主要出現(xiàn)在開挖期間。

2）通過8個(gè)多月的現(xiàn)場監(jiān)測，原設(shè)計(jì)1 MPa抗水壓襯砌（80 cm厚度）最小安全系數(shù)值達(dá)到17，部分達(dá)到60至70，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)規(guī)范要求。原設(shè)計(jì)方案并沒有考慮到注漿堵水圈、隧道排水對(duì)襯砌外水荷載折減作用，而簡單將開挖過程中測得的水壓值作為襯砌設(shè)計(jì)水荷載，顯然不合理，應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。

3）將原1 MPa的抗水壓設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)斷面（襯砌厚度80 cm）優(yōu)化為0. 3 MPa抗水壓襯砌（厚度50 cm）較為合理，再兼顧盲管排水不暢條件，其安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。這一設(shè)計(jì)參數(shù)的合理優(yōu)化，將使施工難度、施工成本大幅降低，并加快施工進(jìn)度。

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（責(zé)任審編趙其文）

Study on Stability of Anti-hydraulic Pressure Lining of Railway Tunnel

CHEN Yaohua
（The 4th Engineering Co.，Ltd.，China Railway 22th Bureau Group，Gaobeidian Hebei 074000，China）

AbstractBy taking Shibanshan tunnel with high hydraulic pressure for instance，the variation law of hydraulic pressure behind tunnel lining was studied and the optimization for secondary lining thickness was discussed by combining the 8-month field tests with the finite element numerical simulation. T he maximum hydrodynamic pressure of water-bearing section tunnel face in Shibanshan tunnel is 0. 56 M Pa by field measurement and the hydrostatic pressure may be estimated to reach 1 M Pa，and the maximum hydraulic pressure behind tunnel lining is 0. 02 M Pa after the construction，which indicates that the high hydraulic pressure problem caused by tunnel excavation occurs mainly during excavation. T he original 1 M Pa anti-hydraulic pressure（lining thickness is 80 cm）is too conservative and should be changed to 0. 3 M Pa anti-hydraulic pressure（lining thickness is 50 cm）. T he safety factor can meet the requirements of the specification，which means the reasonable optimization of the design parameters will make the construction difficulty and cost be significantly reduced and speed up the construction progress effectively.

Key wordsW ater-bearing stratum；Railway tunnel；Anti-hydraulic pressure lining；Field test；Stability

中圖分類號(hào)U451+. 4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 22

文章編號(hào)：1003-1995（2016）05-0100-04

收稿日期：2015-11-25；修回日期：2016-02-26

作者簡介：陳耀華（1974—），男，高級(jí)工程師。