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(guó)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(lái)，黔桂、廣昆、滬昆及貴開(kāi)等鐵路隧道運(yùn)營(yíng)期間均發(fā)生了邊墻開(kāi)裂、仰拱隆起和無(wú)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(yíng)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(wú)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(guò)水?dāng)嗝孀杂啥炔淮螅^(guò)水能力受限。

巖溶富水區(qū)隧道的設(shè)計(jì)，對(duì)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(wú)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(wú)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(yíng)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(jí)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(wèn)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(lái)施工工法、工藝及施工安全步距要求等變化，隧底開(kāi)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(duì)上述問(wèn)題，本文利用大型商業(yè)有限元軟件，對(duì)中心大水溝的開(kāi)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(yáng)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(jí)圍巖和Ⅴ級(jí)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(guò)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(lái)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(jiàn)圖1。中心排水溝結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(jí)圍巖和Ⅳ級(jí)圍巖取消仰拱，加上中心排水溝的開(kāi)挖，會(huì)進(jìn)一步增大墻腳的水平收斂變形量。針對(duì)不同的圍巖級(jí)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(zhǎng)度，需謹(jǐn)慎考慮。為此，特對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖和Ⅳ級(jí)圍巖在不同中心水溝每循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)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(kāi)挖長(zhǎng)度對(duì)隧道圍巖變形的影響。掌子面開(kāi)挖需要預(yù)留施工臺(tái)架和鏟車的空間，但預(yù)留空間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致掌子面至中心水溝之間的底板無(wú)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(zhǎng)度要求等因素，Ⅳa型襯砌段和Ⅴa型襯砌段中心水溝開(kāi)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(kāi)挖，在水溝開(kāi)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(chǎng)情況，針對(duì)Ⅳa型襯砌段，隧道中心水溝每次向前開(kāi)挖5 m；針對(duì)Ⅴa型襯砌段，工況1條件下隧道中心水溝每次向前開(kāi)挖3 m，工況2條件下隧道中心水溝每次向前開(kāi)挖4 m，工況3條件下隧道中心水溝每次向前開(kāi)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(jí)和Ⅴ級(jí)，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(jí)硬質(zhì)巖深埋地段。Ⅴa型復(fù)合式襯砌適用于Ⅳ級(jí)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(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)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(kù)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(guò)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(jí)圍巖地段初期支護(hù)的拉應(yīng)力超過(guò)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(guò)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(méi)有超過(guò)其極限(抗拉和抗壓)強(qiáng)度。

4)中心水溝每循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)度對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(kāi)挖寬度為14.7 m，Ⅴa型襯砌段開(kāi)挖寬度為14.87 m。結(jié)合位移的物理力學(xué)參數(shù)，Ⅳ級(jí)圍巖允許洞周水平相對(duì)收斂值取0.35%，Ⅴ級(jí)圍巖允許洞周水平相對(duì)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(duì)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(duì)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)，中心水溝每循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)度對(duì)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(guò)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(jiàn)，中心水溝每循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)度對(duì)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(duì)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(duì)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(jiàn)，隧道初期支護(hù)提供的支撐力對(duì)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(kāi)挖長(zhǎng)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?cè)龃蟋F(xiàn)象；拱頂、拱腰和底板處塑性區(qū)厚度相對(duì)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(kāi)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(kāi)挖，底板未封閉長(zhǎng)度和暴露時(shí)間是決定施工過(guò)程圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，而中心水溝每循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)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(kāi)挖長(zhǎng)度可取5 m。

3)Ⅳa型襯砌段和Ⅴa型襯砌段，圍巖開(kāi)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(guò)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(duì)于施工過(guò)程中隧底穩(wěn)定性是較大考驗(yàn)。隧道開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guó)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(duì)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(chǎng)監(jiān)測(cè)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(chǎng)應(yīng)用中進(jìn)行修正。

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