中铁隧道集团二处有限公司 河北三河 065201
摘要：本文依托中条山隧道工程，结合现场施工监测数据，研究分析基于不同试验设计工况条件下按初支承载进行结构设计的隧道结构受力、位移变形情况，从而对施工图设计的衬砌结构进行优化研究，现场施工采取加强初期支护，减弱二次衬砌。
关键词：铁路隧道；衬砌结构；优化研究
我国铁路隧道自从采用新奥法技术以后，复合式衬砌已成为隧道永久结构的主体。但在初期支护与二次衬砌承担围岩作用上，各国设计理念有很大差异。本文结合蒙华铁路中条山隧道，从隧道复合式衬砌支护与衬砌结构作用关系这一核心问题出发，开展支护结构为主要承载形式的复合式衬砌现场试验研究。
1.工程概况
新建蒙西至华中地区铁路运煤通道工程连接蒙陕甘宁“金三角”地区与鄂湘赣等华中地区，是“北煤南运”新的国家战略运输通道。线路北起内蒙古自治区浩勒报吉站，经内蒙古自治区、陕西省等省，止于江西省吉安站，全长1814.5km。全线隧道228座，长468km，占正线总长的25.8%，其中大于10km的隧道10座。根据中条山隧道施工状况，在V级泥质页岩和粉砂地层开展了复合式衬砌结构优化研究（见表1，“Va”表示原设计Va型衬砌；“SVa”表示现场试验优化型衬砌）。
注：二次衬砌中带*的为钢筋混凝土
2.复合式衬砌结构优化技术研究
2.1复合式衬砌结构优化原则
（1）安全性原则。在充分发挥围岩自承能力及初期支护承载作用的基础上，选取合理的支护参数，确保隧道工程的安全性，保证工程质量。（2）经济性原则。以安全性为前提条件，优化设计要达到降低经济成本的目的，避免造成不必要的浪费，确保隧道结构设计更加经济、合理。（3）结构受力合理性原则。支护的主要作用是参与围岩因开挖引起的应力重分布及变形的过程，并确保这个相互作用过程趋于稳定。
2.2复合式衬砌结构优化数据分析
基于位移反分析方法，考虑二次衬砌施作对初期支护变形的约束作用，通过对施工过程监测与数值模拟对比分析，以衬砌允许应力和抗剪强度安全系数为判定指标，确定了不同隧道断面、埋深、围岩级别条件下，二次衬砌的合理施作时机。
2.2.1施工过程监测与数值模拟对比分析
（1）位移（拱顶沉降和内空变形）。量测点分别布置在上下台阶和拱顶，测点与内力测点布置在同一位置，见图1-3。根据各试验隧道位移监测数据，对设计优化前后选取隧道拱顶和侧墙现场监控量测结果比较，见表2。由表2可知：1）拱顶下沉和内空变形的大小以及变化趋势，设计优化前后现场监测结果基本一致。2）根据设计优化前后对比，拱顶沉降在上台阶开挖支护完成时约为3.3mm，之后有较小的反弹上拱，最后的收敛值是2.5mm；内空收敛在上台阶开挖支护完成时约为6mm，之后渐渐增大。
（2）初期支护内力分析。围岩压力采用埋入式压力盒进行量测，以隧道中线分别在仰拱、上下台阶和拱顶对称布置布置测点，测点与位移测点布置在同一位置。根据各试验隧道围岩与初期支护间压力盒监测数据，计算分析隧道在相同围岩级别、支护参数优化条件下围岩与初期支护间压力变化特征。不同设计喷混凝土应力对比见表3，格栅钢架内力对比见表4。由表3、4可知：1）不同设计下，喷混凝土和格栅钢架轴力现场监测和数值模拟结果比较接近，弯矩值存在一定差异，但喷混凝土和格栅钢架内力主要以轴力（压力）为主，相应弯矩值都较小；2）初期支护内力（轴力和弯矩）主要由混凝土承担，且格栅钢架加密后，喷混凝土轴力有所降低，格栅钢架轴力有所提高，说明格栅钢架加密降低了喷混凝土荷载承担比例，提高了其安全性。
表3 喷混凝土应力对比表（单位：MPa）
表4 喷混凝土和格栅钢架内力值对比表
注：1.轴力负号表示受压，正号表示受拉；2.弯矩负号表示外侧受压，内侧受拉；正号表示外侧受拉，内侧受压。
2.2.2基于位移反分析围岩压力和支护内力研究分析
通过初期支护位移监控量测数据反算支护背后围岩压力及相应的支护应力，与现场监测数据进行比较分析，探讨支护的变形受力特征，评价其安全性。假定围岩和支护为弹性变形，且弹性模量为已知，利用位移收敛值，反算释放地应力和对应的支护应力。现场选取了优化前后的位移值和相应测点支护背后围岩压力计算结果进行对比，围岩压力值对比见表5，喷混凝土应力值对比见表6。由表5、6可知：1）隧道两种设计相应测点喷混凝土现场监测和反分析结果比较接近，说明反分析方法计算支护应力、评价支护安全性是有效；2）喷混凝土应力分布呈“拱部大，拱脚次之，侧墙小”的分布特征，最大值多发生于拱顶或拱腰位置；3）喷混凝土应力均未达到极限强度（18.5MPa），支护结构处于安全范围。
表5 围岩压力值对比表
2.2.3基于衬砌断面极限承载力的优化研究分析
（1）衬砌断面极限承载力。初期支护、防水层、二次衬砌组成的复合式衬砌的优化设计研究，首先需要明确优化前后衬砌安全系数的变化，利用有限元模拟计算二次衬砌断面产生的应力，并换算成轴力（N）和弯矩（M），将计算得到的弯矩（M）和轴力（N）与衬砌本身断面极限承载力进行比较，然后根据优化前后断面抗弯极限安全系数评价优化设计的可行性。不同衬砌断面极限承载力（M-N曲线）如图5所示。由图可知：1）优化前衬砌断面所能承受极限轴力为14017kN，优化后所能承受极限轴力为11374kN；2）在纯弯状态（轴力为0）下，优化前衬砌断面能承受最大弯矩为80kN•m，优化后能承受最大弯矩为58kN•m；3）优化前衬砌断面所能承受极限弯矩为513kN•m，优化后所能承受极限弯矩为357kN•m；4）优化之后，衬砌断面极限承载力有所下降。
注：虚线表示衬砌受压破坏（即小偏心破坏），实线表示衬砌受拉破坏（即大偏心破坏）。
（2）复合式衬砌优化前后的断面内力和极限值对比分析。优化前后不同工况在长期应力释放下计算隧道衬砌内力，将一定地应力一次性施加到复合式衬砌上，计算衬砌应力并换算出衬砌内力，然后通过衬砌断面内力和衬砌断面极限承载力（M-N曲线）进行比较。结果表明：1）优化后衬砌断面弯矩和轴力都有所减小。2）在围岩压力下，衬砌断面所受内力均在衬砌极限承载力范围内。
2.2.4优化前后造价对比分析
根据现场地质和施工情况，对中条山隧道一般地质Ⅴ级围岩进行了试验和优化，即将初期支护格栅由H150优化为H180，间距由1.0m调整为0.85m；二次衬砌仰拱厚度由45cm优化为40cm；二次衬砌拱墙厚度由40cm优化为35cm，钢筋混凝土优化为素混凝土。同时在施工过程中，当二衬取消钢筋后，减少了因为钢筋施工对防水板的损坏，并且二衬施工的进度也得到了大大提高。
2.2.5试验结论
从现场试验结果可以得出如下主要结论：1）V级围岩单线隧道台阶法施工时，初支未闭合前拱顶有上移现象，位移的收敛值多数是内空变形大于拱顶沉降。2）加强初支对减小拱顶沉降的效果没有对约束内空变形效果大。3）初支主要承受轴力作用，弯矩不大，且主要由喷混凝土承担，喷混凝土应力均小于设计强度。4）围岩和初支之间的压力总体表现为“拱部大，侧墙次之，仰拱应力小”的分布特征，格栅钢架加密较未加密拱部应力有所降低。5）初支加强，二衬减簿后，衬砌断面极限承载力虽有所降低，但其受力也会降低且弯矩降低更加明显，因此二衬的抗弯安全系数反而有所增加。6）复合式衬砌优化节约了工程造价。
3.结论与建议
3.1结论
（1）中条山隧道在一般V级围岩地段通过优化设计，选取合理的支护参数，通过加强初期支护，减弱二次衬砌，充分发挥初期支护承载作用，保证了隧道结构的设计更加经济、合理，优化方案是可行的。（2）以初期支护为主要承载结构，二次衬砌作为安全储备进行优化设计施工，由于二衬钢筋的取消，有利于保证现场二衬施工进度，且避免了因为二衬钢筋施工对防水板的损坏，确保了隧道的防水要求。
3.2建议
（1）本文虽然只是对单线隧道复合式衬砌结构优化设计进行了研究，建议对双线隧道的设计施工进行优化设计研究。（2）按初期支护为主要承载形式的结构设计施工应采取措施确保初期支护的耐久性，目前还缺少研究，需在今后施工过程中研究试验总结。
参考文献：
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[2]贾正，涂兴怀. 隧道开挖数值模拟及复合式衬砌安全性分析[J].人民珠江，2016，37（3）：38-41.
[3]肖明清等.高速铁路隧道支护参数的计算研究[J].隧道建设，2018，38（3）：406-413.
作者简介：陈鸿（1976.08-），男，汉族，四川省大竹县人，本科学历，中铁隧道集团二处有限公司高级工程师，主要研究方向：隧道及地下工程施工管理技术。
论文作者:陈鸿
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第34期
论文发表时间:2019/11/15
标签：隧道论文; 围岩论文; 弯矩论文; 断面论文; 应力论文; 拱顶论文; 混凝土论文; 《建筑模拟》2019年第34期论文;