高壓富水砂巖地層中鐵路隧道凍結(jié)法施工襯砌結(jié)構(gòu)研究

祁衛(wèi)華

中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，蘭州 710043

凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，將隧道周圍的松散地層固結(jié)成凍結(jié)體，使地層具有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，便于隧道開挖和支護(hù)［1］。目前，凍結(jié)法施工較多應(yīng)用于市政、煤礦、水利等工程，已經(jīng)取得了大量研究成果。文獻(xiàn)［2］通過研究發(fā)現(xiàn)，在富水砂卵石地層中施工時凍結(jié)效果受凍結(jié)管間距及保溫層的影響顯著，鹽水與地層間對流系數(shù)減小會抵消凍結(jié)管直徑增大的影響。文獻(xiàn)［3］對凍結(jié)溫度場研究發(fā)現(xiàn)，地下水滲流對溫度場的影響具有滯后性。文獻(xiàn)［4］通過數(shù)值模擬分析得出，富水砂巖地層中垂直凍結(jié)117 d 后可進(jìn)行隧道施工。文獻(xiàn)［5］對特厚沖積層中礦井施工凍結(jié)壁的變形分析得出，凍結(jié)壁的徑向位移在開挖段高內(nèi)呈不均勻分布，最大徑向位移位于開挖段高的中部。

本文以固原—王洼鐵路控制性工程程兒山隧道為例，采用數(shù)值模擬方法對凍結(jié)、解凍兩種狀態(tài)下隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力、變形和安全性進(jìn)行分析，探討斷層核心帶高壓富水砂巖地層中凍結(jié)法施工隧道合理襯砌結(jié)構(gòu)。

1 工程概況

程兒山隧道長6 437 m，起訖里程為DK5+345—DK11+782。隧道在DK10+210 —DK10+430 段穿越F2 斷層，隧道埋深約220 m。F2 斷層核心帶寬約55 m，核心帶內(nèi)原巖結(jié)構(gòu)已破壞，巖性主要為高壓、富水、弱膠結(jié)第三系砂巖，上覆地層為砂質(zhì)黃土。施工期間發(fā)生嚴(yán)重突泥、涌砂（涌砂量多達(dá)1萬m3），存在隧道圍巖壓力不均的問題。

針對F2斷層核心帶地質(zhì)情況，通過方案比選確定采用地表垂直凍結(jié)法加固隧道圍巖。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立和參數(shù)確定

隧道垂直凍結(jié)施工有限元模型見圖1。隧道跨度為7.8 m，高度為10.4 m。凍結(jié)加固后，地層凍結(jié)范圍為：x軸方向16.7 m（隧道中線兩側(cè)各8.35 m），y軸方向地表以下238.5 m，z軸線方向57.0 m。凍結(jié)體溫度在-22～-16 ℃。

圖1 垂直凍結(jié)施工有限元模型

模型底部采用固定約束，頂部為自由面，其他面采用法向位移約束。隧道穿越的砂巖力學(xué)參數(shù)見表1。其中：Ρ、E、μ、φ、c分別為密度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角和黏聚力；下角標(biāo)u、f分別表示未凍結(jié)和凍結(jié)。

表1 砂巖力學(xué)參數(shù)

2.2 圍巖塑性判據(jù)

凍結(jié)范圍內(nèi)砂巖采用凍結(jié)狀態(tài)的力學(xué)參數(shù)，其他位置砂巖采用未凍結(jié)狀態(tài)的力學(xué)參數(shù)。隧道開挖后，采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則中的圍巖強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)SMF對圍巖狀態(tài)進(jìn)行判定。SMF＜ 1時，圍巖處于彈性狀態(tài)（SMF越小，圍巖越穩(wěn)定）；SMF≥ 1時，圍巖處于塑性狀態(tài)。

SMF的計算式為

式中：σ1、σ3分別為圍巖的第一、第三主應(yīng)力。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 圍巖凍結(jié)狀態(tài)

1）襯砌強(qiáng)度對隧道穩(wěn)定性的影響

鋼筋混凝土二次襯砌厚為60 cm，強(qiáng)度等級分別取C30、C35、C40、C45、C50。

凍結(jié)狀態(tài)下不同強(qiáng)度等級二次襯砌結(jié)構(gòu)SMF、變形和安全系數(shù)對比見表2?？芍憾我r砌強(qiáng)度等級由C30增至C50 時，SMF減小1.6%，變形最大值減小0.6%，安全系數(shù)最小值增大0.9%；不同強(qiáng)度等級二次襯砌安全系數(shù)均滿足TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中不小于2.4 的要求?？紤]到隧址區(qū)環(huán)境作用等級為H1、L2 和Y2，按照TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》選用C45鋼筋混凝土。

表2 凍結(jié)狀態(tài)下不同強(qiáng)度等級二次襯砌結(jié)構(gòu)SMF、變形和安全系數(shù)對比

2）襯砌厚度對隧道穩(wěn)定性的影響

鋼筋混凝土二次襯砌強(qiáng)度等級為C45，厚度取40、45、50、55、60 cm。凍結(jié)狀態(tài)下不同厚度二次襯砌結(jié)構(gòu)SMF、變形和安全系數(shù)對比見表3?？芍阂r砌厚度由40 cm 增至60 cm 時，SMF減小7.3%，變形最大值減小4.5%，安全系數(shù)最小值增大2.4%；不同厚度二次襯砌安全系數(shù)均滿足TB 10003—2016的要求。

表3 凍結(jié)狀態(tài)下不同厚度二次襯砌結(jié)構(gòu)SMF、變形和安全系數(shù)對比

由表2和表3的分析可知：SMF、變形和安全系數(shù)受襯砌厚度變化的影響比受襯砌強(qiáng)度等級變化的影響大，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)重點考慮襯砌厚度。

3）二次襯砌結(jié)構(gòu)受力

凍結(jié)狀態(tài)下60 cm 厚C45 鋼筋混凝土二次襯砌內(nèi)力分布見圖2?？芍阂r砌結(jié)構(gòu)最大和最小軸力分別位于兩側(cè)拱腰附近和拱頂中部，最大、最小軸力分別為7.78、0.39 MN；襯砌結(jié)構(gòu)最大正彎矩和最大負(fù)彎矩分別位于兩側(cè)墻腳附近和仰拱中部，最大正彎矩為430.87 kN·m，最大負(fù)彎矩為-430.77 kN·m。二次襯砌結(jié)構(gòu)各部位受力不均，結(jié)構(gòu)設(shè)計時可采用變截面對襯砌結(jié)構(gòu)局部加厚。

圖2 凍結(jié)狀態(tài)60 cm厚C45鋼筋混凝土襯砌內(nèi)力分布

3.2 圍巖解凍狀態(tài)

1）襯砌厚度對隧道穩(wěn)定性的影響

鋼筋混凝土二次襯砌強(qiáng)度等級為C45，厚度分別取40、45、50、55、60 cm。不同厚度二次襯砌安全系數(shù)最小值見表4。可知：厚度為40、45、50 cm時二次襯砌安全系數(shù)均小于2.4，不滿足TB 10003—2016 要求?？紤]前期施工過程中發(fā)生嚴(yán)重突泥、涌砂，原始地層部分被擾動，二次襯砌應(yīng)適當(dāng)加厚。建議二次襯砌采用60 cm厚的C45鋼筋混凝土。

表4 不同厚度二次襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值

2）二次襯砌結(jié)構(gòu)受力

二次襯砌拆模后，所有凍結(jié)管停止工作，凍結(jié)體會逐漸解凍恢復(fù)至原有狀態(tài)。原凍結(jié)體承受的圍巖壓力會部分轉(zhuǎn)移至隧道襯砌。

解凍狀態(tài)60 cm 厚C45 鋼筋混凝土二次襯砌內(nèi)力分布見圖3。對比圖2和圖3可知：凍結(jié)體解凍后圍巖應(yīng)力重分布，隧道襯砌軸力、彎矩均發(fā)生較大變化。最大、最小軸力分別為22.94、2.99 MN，最大正彎矩和最大負(fù)彎矩分別為1 162、-1 240 kN·m；與凍結(jié)狀態(tài)相比，最大軸力增大1.95 倍，最大正彎矩增大1.70 倍，但最大值與最小值的位置基本沒變。結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)按圍巖解凍狀態(tài)考慮二次襯砌的受力，可采用變截面對襯砌結(jié)構(gòu)局部加厚。

圖3 解凍狀態(tài)60 cm厚C45鋼筋混凝土二次襯砌內(nèi)力分布

4 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工效果

4.1 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮隧道開挖、支護(hù)期間結(jié)構(gòu)外側(cè)凍結(jié)管需保持制冷狀態(tài)，采用雙層初期支護(hù)+隔熱保溫層+防水層+二次襯砌的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。隧道襯砌斷面見圖4。

圖4 隧道襯砌斷面（單位：cm）

1）雙層初期支護(hù)

為防止施作系統(tǒng)錨桿時破壞凍結(jié)管，減小凍漲力對初期支護(hù)的影響，將傳統(tǒng)的單層初期支護(hù)（系統(tǒng)錨桿+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土+鋼架）優(yōu)化為雙層初期支護(hù)（鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土+鋼架）。優(yōu)化后不僅增加了初期支護(hù)的剛度，有效減小了初期支護(hù)的變形，而且提前了二次襯砌施作時間。雙層初期支護(hù)參數(shù)見表5。

表5 雙層初期支護(hù)參數(shù)

2）隔熱保溫層

為防止洞內(nèi)溫度升高，降低凍結(jié)壁的強(qiáng)度，分別在圍巖與初期支護(hù)、初期支護(hù)與二次襯砌間設(shè)置厚2 cm 的聚乙烯泡沫板作為隔熱保溫層。凍結(jié)體解凍過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力會逐漸增大，聚乙烯泡沫板具有可壓縮性，可起到緩沖作用。

3）防水層

前期施工時斷層內(nèi)水壓較大，為防止形成泄水通道，對當(dāng)?shù)厮Y源造成不利影響，全環(huán)設(shè)置土工布+乙烯-醋酸乙烯共聚物（Ethylene-Vinyl Acetate Copolymer，EVA）防水板作為防水層。

4）二次襯砌

二次襯砌采用厚60 cm 的C45 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，依據(jù)受力情況局部加厚。因二次襯砌拱腰附近軸力最大，墻角附近彎矩最大，拱腰至墻角段二次襯砌采用由60 cm 厚漸變?yōu)?6 cm 厚的不等厚結(jié)構(gòu)。為了改善隧道結(jié)構(gòu)受力，二次襯砌邊墻矢跨比由1/16 調(diào)整為1/12。

4.2 施工和運營效果

1）施工階段

施工期間每5 m 布置一個監(jiān)測斷面（共22 個）對初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控量測。結(jié)果顯示：凍結(jié)狀態(tài)下邊墻累計水平收斂最大值為34.39 mm，拱頂累計沉降最大值為45.00 mm，均小于設(shè)計預(yù)留變形（100～150 mm）。初期支護(hù)封閉成環(huán)后，邊墻水平收斂速率最大值0.16 mm/d，拱頂沉降速率最大值0.11 mm/d，滿足Q/CR 9653—2017《客貨共線鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》施作二次襯砌的條件（水平收斂速率小于0.20 mm/d，拱頂沉降速率小于0.15 mm/d）。

二次襯砌拆模后未發(fā)現(xiàn)裂縫。經(jīng)地質(zhì)雷達(dá)無損檢測，襯砌厚度滿足設(shè)計要求，襯砌背后密實、無空洞。可見，在凍結(jié)狀態(tài)下施工安全可靠，施工完成后襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2）運營階段

隧道竣工1 年后（地層處于完全解凍狀態(tài)），對凍結(jié)加固段二次襯砌進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)無損檢測和外觀質(zhì)量檢查。無損檢測布置了5 條測線。檢測結(jié)果顯示，局部段落襯砌背后存在不密實情況，不密實段落最長1.2 m。依據(jù)Q/CR 405.2—2019《鐵路橋隧建筑物劣化評定 第2 部分：隧道》，隧道劣化等級為C（輕微），對結(jié)構(gòu)功能影響較小。襯砌外觀質(zhì)量檢查未發(fā)現(xiàn)裂縫、滲漏水情況?？梢?，解凍狀態(tài)下隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全可靠，滿足運營要求。

5 結(jié)論

1）凍結(jié)加固后，凍結(jié)體溫度在-22～-16 ℃，具有一定的強(qiáng)度，在隧道開挖后可以承受部分圍巖壓力。因此，無論是強(qiáng)度等級為C30—C50 的60 cm 厚鋼筋混凝土襯砌，還是厚度為40～ 60 cm的C45鋼筋混凝土襯砌，安全系數(shù)均大于2.4。

2）隧道二次襯砌施工完成后，凍結(jié)體會逐漸解凍，凍結(jié)體承受的圍巖壓力會部分轉(zhuǎn)移至隧道襯砌。解凍后隧道襯砌軸力、彎矩均發(fā)生較大變化，最大軸力增大1.95 倍，最大正彎矩增大1.70 倍；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)由3.36降至3.15。

3）雙層初期支護(hù)適用于凍結(jié)法隧道施工。凍結(jié)狀態(tài)下初期支護(hù)邊墻和拱頂變形均小于預(yù)留變形，并在初期支護(hù)封閉成環(huán)后變形趨于穩(wěn)定，滿足二次襯砌施作條件。

4）二次襯砌采用厚60 cm的C45鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，凍結(jié)體解凍后未出現(xiàn)裂縫、滲漏水等問題，結(jié)構(gòu)安全。