巖溶富水區(qū)鐵路隧道加厚底板結(jié)構(gòu)施工力學(xué)行為研究

高 偉， 趙前進(jìn), 劉永勝

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 中國鐵路昆明局集團(tuán)滇南鐵路建設(shè)指揮部, 云南 玉溪 653100; 3. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州 511455)

0 引言

近年來，黔桂、廣昆、滬昆及貴開等鐵路隧道運(yùn)營期間均發(fā)生了邊墻開裂、仰拱隆起和無砟道床變形等水害事件，引起了鐵路設(shè)計(jì)、施工、建設(shè)和運(yùn)營各方的高度重視。經(jīng)調(diào)查，既有線路水害主要分為以下2類： 1)襯砌結(jié)構(gòu)變形開裂。其表現(xiàn)主要是在雨季和極端暴雨氣候條件下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)受巖溶水作用產(chǎn)生的變形、開裂和破壞。2)仰拱填充上浮變形。其表現(xiàn)主要是隧底結(jié)構(gòu)的分層施工帶來的施工縫在水壓作用下的變形和擴(kuò)張。在巖溶富水區(qū)隧道水害方面，文獻(xiàn)[1-8]對水害形成及其整治等進(jìn)行了研究。在隧底結(jié)構(gòu)受力性能方面，文獻(xiàn)[9-14]對不同類型隧道仰拱的合理形式、受力性能及破壞機(jī)制等進(jìn)行了研究。但以上研究均局限于傳統(tǒng)的仰拱襯砌結(jié)構(gòu)范疇。實(shí)踐表明，巖溶富水區(qū)因其大量富水和高水壓特殊條件，對隧道底部結(jié)構(gòu)和排水系統(tǒng)有更高的要求，傳統(tǒng)的隧道設(shè)計(jì)方案大多不能滿足要求，需要提出一種新的、更具針對性的襯砌結(jié)構(gòu)和排水系統(tǒng)。

目前設(shè)計(jì)的隧道大部分為有仰拱襯砌，其排水系統(tǒng)以“隧道體內(nèi)排水”為主要模式，即隧道結(jié)構(gòu)周邊的水通過初期支護(hù)滲透經(jīng)由排水盲管引排進(jìn)入隧道結(jié)構(gòu)本體之內(nèi)的中心水溝，最終排出洞外。這種隧道體內(nèi)排水系統(tǒng)主要的缺陷在于： 1)隧道仰拱以下的積水無法有效引排，仰拱承受部分水壓。2)連續(xù)降雨或暴雨天氣，傳統(tǒng)的排水體系難以及時(shí)引排驟增的地下水，導(dǎo)致水壓升高并引起底仰拱或仰拱填充的破壞。3)洞內(nèi)側(cè)溝或中心溝的過水?dāng)嗝孀杂啥炔淮?，過水能力受限。

巖溶富水區(qū)隧道的設(shè)計(jì)，對于地下水的處置需謹(jǐn)慎。受制于地勘精度的制約，地下水的賦存情況無法明確，設(shè)置有效的防排水體系尤其是隧底排水體系成為巖溶隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。隧道傳統(tǒng)的防排水系統(tǒng)無法完全規(guī)避上述隧底水害。為降低巖溶地區(qū)或地下水發(fā)育地段隧道運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)，中鐵二院提出加厚底板+隧底大水溝的“結(jié)構(gòu)體外排水系統(tǒng)”這一適合灰?guī)r地區(qū)地質(zhì)特性各級圍巖的新型襯砌結(jié)構(gòu)，可以較好地解決巖溶富水區(qū)隧底水害問題。但是，隧底結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的仰拱結(jié)構(gòu)改為加厚底板結(jié)構(gòu)以后，將帶來施工工法、工藝及施工安全步距要求等變化，隧底開挖方法、底板施作時(shí)機(jī)及取消仰拱鋼架后洞室變形控制等都需要進(jìn)行詳細(xì)的配套研究。針對上述問題，本文利用大型商業(yè)有限元軟件，對中心大水溝的開挖工況進(jìn)行分析計(jì)算，研究巖溶富水區(qū)鐵路隧道加厚底板結(jié)構(gòu)施工力學(xué)行為。

1 工程概況

以新建鐵路貴陽段客運(yùn)專線為工程背景，其中隧道主要穿越灰?guī)r地層，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育、地表洼地漏斗發(fā)育，地層中含水量大。隧道Ⅳ級圍巖和Ⅴ級圍巖的隧底結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的仰拱結(jié)構(gòu)改為加厚底板結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)體外排水系統(tǒng)，隧道外的滲水不再進(jìn)入隧道內(nèi)部，而是由設(shè)置在隧道底板以下的大斷面中心排水溝集中排出。大斷面水溝能及時(shí)引排巖溶富水區(qū)地下水，防止結(jié)構(gòu)承受過大的靜水壓力。同時(shí)，加厚的底板結(jié)構(gòu)取消了仰拱回填，消除了仰拱分層施工帶來的水患風(fēng)險(xiǎn)。中心水溝成倒梯型結(jié)構(gòu)，水溝深1.3 m，底寬1.62 m，上部寬2.92 m。Ⅴa型襯砌結(jié)構(gòu)斷面圖見圖1。中心排水溝結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 Ⅴa型襯砌結(jié)構(gòu)斷面圖(單位： cm)Fig. 1 Cross-section of Ⅴa lining structure (unit: cm)

Ⅴ級圍巖和Ⅳ級圍巖取消仰拱，加上中心排水溝的開挖，會(huì)進(jìn)一步增大墻腳的水平收斂變形量。針對不同的圍巖級別，底板型襯砌中心水溝與掌子面的距離以及每循環(huán)施工長度，需謹(jǐn)慎考慮。為此，特對Ⅴ級圍巖和Ⅳ級圍巖在不同中心水溝每循環(huán)開挖長度及其與掌子面的間距進(jìn)行模擬分析。

圖2 中心水溝斷面形式圖(單位： cm)Fig. 2 Cross-section of center ditch (unit: cm)

2 計(jì)算模型的建立

利用大型商業(yè)有限元分析軟件，采用地層結(jié)構(gòu)法建立三維模型，模擬Ⅳa型襯砌段和Ⅴa型襯砌段隧道中心水溝，分析距掌子面不同距離以及不同的管溝開挖長度對隧道圍巖變形的影響。掌子面開挖需要預(yù)留施工臺(tái)架和鏟車的空間，但預(yù)留空間過長，會(huì)導(dǎo)致掌子面至中心水溝之間的底板無法及時(shí)封閉，導(dǎo)致圍巖不穩(wěn)定。綜合掌子面施工所需空間和底板封閉長度要求等因素，Ⅳa型襯砌段和Ⅴa型襯砌段中心水溝開挖面至掌子面的距離為15 m。

2.1 建模方案

1)將圍巖在自重作用下進(jìn)行地應(yīng)力平衡； 2)隧道采用三臺(tái)階開挖，在水溝開挖初始階段，已做好距離掌子面15 m的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場情況，針對Ⅳa型襯砌段，隧道中心水溝每次向前開挖5 m；針對Ⅴa型襯砌段，工況1條件下隧道中心水溝每次向前開挖3 m，工況2條件下隧道中心水溝每次向前開挖4 m，工況3條件下隧道中心水溝每次向前開挖5 m。Ⅳa型襯砌段施工工況如表1所示。Ⅴa型襯砌段施工工況如表2所示。

表1 Ⅳa型襯砌段施工工況Table 1 Construction conditions of Ⅳa lining

2.2 圍巖參數(shù)

隧道所處圍巖為Ⅳ級和Ⅴ級，其物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表2 Ⅴa型襯砌段施工工況Table 2 Construction conditions of Ⅴa lining

表3 圍巖參數(shù)Table 3 Parameters of surrounding rocks

2.3 支護(hù)參數(shù)

Ⅳa型復(fù)合式襯砌適用于Ⅳ級硬質(zhì)巖深埋地段。Ⅴa型復(fù)合式襯砌適用于Ⅳ級硬質(zhì)巖深埋地段。Ⅳa型襯砌段初期支護(hù)參數(shù)如表4所示。Ⅴa型襯砌段初期支護(hù)參數(shù)如表5所示。

表4 Ⅳa型襯砌段初期支護(hù)參數(shù)Table 4 Primary support parameters of Ⅳa lining section

表5 Ⅴa型襯砌段初期支護(hù)參數(shù)Table 5 Primary support parameters of Ⅴa lining section

隧道結(jié)構(gòu)材料及力學(xué)性能如表6所示。

表6 隧道結(jié)構(gòu)材料及力學(xué)性能Table 6 Materials and mechanical properties of tunnel structure

2.4 幾何模型及邊界條件

采用有限元數(shù)值分析軟件建立三維動(dòng)態(tài)模型，隧道圍巖采用三維實(shí)體單元，對隧道開挖過程進(jìn)行仿真模擬。根據(jù)有限元理論并結(jié)合工程實(shí)際，分析模型圍巖邊界取 2 倍洞徑寬，模型埋深為拱頂以上35 m，底部取2 倍洞徑；施加模型左右邊界水平向約束，底部邊界施加豎向和水平向約束，頂部為自由邊界條件。圍巖模型類型選擇摩爾-庫侖，其他結(jié)構(gòu)材料特性均采用各向同性彈性類型[15]。模型中圍巖、初期支護(hù)及管溝采用實(shí)體單元，錨桿和鋼拱架采用桿單元。模型中不考慮襯砌背后水壓力和構(gòu)造應(yīng)力。

襯砌結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。襯砌結(jié)構(gòu)幾何模型如圖4所示。

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Sketch of lining structure

圖4 襯砌結(jié)構(gòu)幾何模型圖Fig. 4 Geometric model of lining structure

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力結(jié)果及分析

經(jīng)過計(jì)算，得到隧道圍巖及初期支護(hù)最大應(yīng)力，如表7所示。

表7隧道圍巖及初期支護(hù)最大應(yīng)力

Table 7 Maximum stresses of surrounding rock and primary support MPa

由表6和表7分析可知：

1)Ⅳa型襯砌及Ⅴa型襯砌地段各工況中，初期支護(hù)的拉應(yīng)力較大，尤其是Ⅴ級圍巖地段初期支護(hù)的拉應(yīng)力超過了C25噴射混凝土的極限抗拉強(qiáng)度(1.4 MPa)?？紤]到初期支護(hù)噴射混凝土的拉應(yīng)力主要由鋼拱架承擔(dān)，故認(rèn)為Ⅴa型襯砌段初期支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足抗拉要求，但有混凝土存在拉裂風(fēng)險(xiǎn)。

2)Ⅴa型襯砌段初期支護(hù)壓應(yīng)力較大，接近C25噴射混凝土的軸心極限抗壓強(qiáng)度(17.2 MPa)。由于壓應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在隧道拱墻部位，故施工過程中拱墻部位初期支護(hù)混凝土壓壞的風(fēng)險(xiǎn)很大。

3)圍巖的應(yīng)力較小，沒有超過其極限(抗拉和抗壓)強(qiáng)度。

4)中心水溝每循環(huán)開挖長度對圍巖和初期支護(hù)的應(yīng)力影響較小。

3.2 變形結(jié)果及分析

經(jīng)過計(jì)算，水平和豎向變形量如圖5所示。

圖5 水平和豎向變形量Fig. 5 Horizontal and vertical deformations

按照承載能力對隧道設(shè)計(jì)時(shí)，復(fù)合式襯砌初期支護(hù)的允許洞周相對收斂值應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)條件分析確定，缺乏資料時(shí)可按照表8選用。

表8 洞周相對收斂允許值[16]Table 8 Allowances of relative convergence of tunnel surrounding[16]

注： 表中數(shù)據(jù)為洞周收斂值與隧道跨度比值的百分?jǐn)?shù)。

硬質(zhì)圍巖隧道取表8中較小值，軟質(zhì)圍巖隧道取表8中較大值。拱頂下沉允許值一般可參照表8數(shù)值的0.5～1.0倍采用。Ⅳa型襯砌段開挖寬度為14.7 m，Ⅴa型襯砌段開挖寬度為14.87 m。結(jié)合位移的物理力學(xué)參數(shù)，Ⅳ級圍巖允許洞周水平相對收斂值取0.35%，Ⅴ級圍巖允許洞周水平相對收斂值取0.60%，拱頂下沉允許值參照表8數(shù)值的0.8倍取值。由表8可得： Ⅳa型襯砌段水平相對收斂位移累計(jì)允許值為51.45 mm，拱頂下沉允許值為41.16 mm；Ⅴa型襯砌段水平相對收斂位移累計(jì)允許值為89.22 mm，拱頂下沉允許值為71.376 mm。

由圖5分析可知： Ⅳa型襯砌段中心水溝每循環(huán)掘進(jìn)5 m工況以及Ⅴa型襯砌段工況1—3共計(jì)4種工況，洞周水平收斂值及拱頂下沉值均小于允許值。Ⅴa型襯砌段工況1模型變形計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 中心水溝開挖5 m工況圍巖水平變形(單位： m)

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

圖7 中心水溝開挖3 m工況圍巖豎向變形(單位： m)

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

由圖6和圖7分析可知：

1)拱腳以上設(shè)置初期支護(hù)但底板不封閉時(shí)，中心水溝距離掌子面下臺(tái)階15 m，Ⅳa型襯砌段(中心水溝每循環(huán)掘進(jìn)5 m)、Ⅴa型襯砌段(中心水溝每循環(huán)掘進(jìn)3 m、4 m或5 m)，隧道內(nèi)輪廓水平收斂及拱頂沉降均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

2)Ⅴa型襯砌段每循環(huán)開挖進(jìn)尺為3 m、4 m或5 m 3種工況時(shí)，隧道內(nèi)輪廓水平收斂值、拱頂沉降值相差不大。由此可見，中心水溝每循環(huán)開挖長度對變形影響較小。

3.3 基底隆起分析

Ⅳa型襯砌段和Ⅴa型襯砌段基底隆起最大值如圖8和圖9所示。Ⅳa型襯砌段基底隆起如圖10所示。Ⅴa型襯砌段工況1基底隆起如圖11所示。

圖8 Ⅳa型襯砌段基底隆起最大值Fig. 8 Maximum basement uplift in Ⅳa Lining

圖9 Ⅴa型襯砌段3種工況基底隆起最大值Fig. 9 Maximum basement uplift in Ⅴa Lining

圖10 Ⅳa型襯砌段基底隆起(單位： m)Fig. 10 Basement uplift in Ⅳa lining section (unit: m)

圖11 Ⅴa型襯砌段工況1基底隆起(單位： m)

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

由圖8—11分析可知：

1)Ⅳa型襯砌段的基底隆起量為49.6 mm，工況1、工況2、工況3條件下Ⅴa型襯砌段模型的基底隆起量分別為93.1、94.8、95.9 mm，均大于2種襯砌類型各自的拱頂下沉變形量，這是由于隧道初期支護(hù)緊隨掌子面，而隧底中心水溝滯后于掌子面15 m距離，導(dǎo)致隧道底板封閉時(shí)間相應(yīng)滯后，造成隧底變形過大。

2)Ⅴa型襯砌段3種工況(即中心水溝每循環(huán)掘進(jìn)3、4、5 m)，其基底隆起量變化很小，在15 m處為3.9 mm。由此可見，中心水溝每循環(huán)開挖長度對拱底隆起量影響較小。

3.4 隧道圍巖塑性區(qū)分析

經(jīng)計(jì)算，隧道圍巖塑性區(qū)厚度情況如圖12所示。

圖12 4種工況塑性區(qū)厚度對比

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

由圖12分析可知：

1)Ⅳa型襯砌段中，隧道拱肩和底板處塑性區(qū)厚度較小，而在隧道拱腳處出現(xiàn)突變，高度達(dá)到9.45 m；拱頂、拱腰部位處的圍巖塑性區(qū)厚度相對較小，只有1.3 m左右，最不利部位出現(xiàn)在拱腳處。由此可見，隧道初期支護(hù)提供的支撐力對圍巖的穩(wěn)定作用非常明顯。

2)Ⅴa型襯砌段3種工況下，塑性區(qū)范圍的形狀大致相同。隨著管溝每次開挖長度的增大，塑性區(qū)厚度也相應(yīng)變大，但增幅不明顯。3種工況最不利部位均出現(xiàn)在隧道拱肩和拱腳處，在這兩處塑性區(qū)厚度出現(xiàn)突變增大現(xiàn)象；拱頂、拱腰和底板處塑性區(qū)厚度相對較小。

4 結(jié)論與建議

1)不采取底板預(yù)加固措施工況下，Ⅴa型襯砌段隧道開挖，初期支護(hù)是安全的，但初期支護(hù)混凝土接近正常使用極限狀態(tài)(抗壓強(qiáng)度)，初期支護(hù)有受壓破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

2)Ⅳa型襯砌和Ⅴa型襯砌段開挖，底板未封閉長度和暴露時(shí)間是決定施工過程圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，而中心水溝每循環(huán)開挖長度影響較小。建議中心水溝與掌子面下臺(tái)階的距離最大取15 m，且2種圍巖中心水溝每循環(huán)開挖長度可取5 m。

3)Ⅳa型襯砌段和Ⅴa型襯砌段，圍巖開挖至底板封閉期間，最不利部位均在隧道拱腳及拱腰處，且拱底隆起量過大是影響圍巖穩(wěn)定的最不利因素，Ⅴa型襯砌段拱底隆起尤為嚴(yán)重。建議采用臨時(shí)支撐約束拱腳水平變形或?qū)λ淼椎鼗M(jìn)行錨索+注漿加固。

4)Ⅴa型襯砌中取消仰拱結(jié)構(gòu)，對于施工過程中隧底穩(wěn)定性是較大考驗(yàn)。隧道開挖后盡快施作中心水溝襯砌和加厚底板結(jié)構(gòu)是縮短隧底暴露時(shí)間的關(guān)鍵，但由于縮短了封底工作面與開挖面之間的距離，掌子面的施工空間更加狹小，大型施工設(shè)備的協(xié)調(diào)、中心水溝的爆破開挖、清底以及襯砌的澆筑與底板結(jié)構(gòu)的施工順序的合理安排，以及與仰拱棧橋的選型、底板與中心水溝蓋板的連接方式都需要深入研究，這些都是決定該新型襯砌能否實(shí)施的關(guān)鍵因素。

本文探討了適應(yīng)灰?guī)r地區(qū)地質(zhì)特性的“加厚底板+隧底大水溝”的特殊結(jié)構(gòu)在國內(nèi)高速鐵路隧道中應(yīng)用的可行性。如果取消隧道仰拱、采用加厚底板的襯砌結(jié)構(gòu)，對于施工中圍巖穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)安全將是一個(gè)較大的考驗(yàn)。建議相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工措施根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，本文的計(jì)算結(jié)果也需在現(xiàn)場應(yīng)用中進(jìn)行修正。

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