浩吉铁路黄土隧道初期支护格栅钢架应用研究

皮 圣

(川藏铁路有限公司，四川 成都 610043)

0 引言

在黄土地区修建双线或大跨度隧道，经过近几十年的发展(尤其是郑西高铁的修建)，设计施工技术取得了较大的进步，形成了系统的黄土隧道修建成套技术[1-5]。针对现有支护结构型式，相关学者在锚杆设置、钢架形式、应用范围等方面开展了一系列研究。锚杆设置方面：唐培连[6]通过现场实测发现拱顶锚杆支护效果不明显，建议取消拱部锚杆；杨建民[7]根据对浅埋大断面黄土隧道现场实测，陈建勋等[8]采用数值分析，建议取消拱部系统锚杆，加强锁脚锚杆设置；孟德鑫等[9]对大断面黄土隧道采用离心试验，得出系统锚杆对控制隧道变形效果不明显，建议取消系统锚杆。钢架选型方面：谭忠盛等[10]开展型钢和格栅2种钢架现场试验，研究认为采用格栅钢架的围岩压力、支护结构应力较型钢钢架小，Ⅳ级黏质老黄土隧道采用格栅钢架更具优越性；李健等[11]基于现场对比试验和支护与围岩特征曲线相互作用研究，表明郑西大断面黄土隧道Ⅳ级黏质老黄土隧道采用格栅钢架的经济性和施工速率更佳，Ⅴ级砂质新黄土宜采用型钢钢架；马凯蒙[12]通过现场试验与数值模拟相结合的方法建立混凝土强度增长曲线，认为混凝土早期强度控制较好且结构对沉降控制要求不大时可选用格栅钢架支护。以上研究成果及现有规范[13-14]推荐大跨度(12～14 m)黄土隧道Ⅳ级围岩采用格栅钢架，Ⅴ级围岩基本不采用格栅钢架。

结合既有研究成果，综合考虑格栅钢架相比型钢钢架质量轻、安装快、用钢量少、能与喷射混凝土良好结合、应力小且分布均匀、适应变形能力强等优点[15]，研究将格栅钢架推广应用到黄土双线Ⅴ级围岩地段，洛吉铁路全线初期支护混凝土采用喷射速度大于15 m/h的湿喷机械手作业，能确保喷射混凝土的早期强度。为此，对全线黄土隧道初期支护钢架类型和型号进行统一设计，开展模型比例为1∶1的全环格栅钢架混凝土结构力学性能试验和现场力学指标测试。

1 黄土隧道概况

新建蒙西至华中地区铁路煤运通道(即“蒙华铁路”，开通运营后更名为浩吉铁路，以下简称“浩吉铁路”)北起内蒙古自治区浩勒报吉南站，途径陕西、山西、河南、湖北、湖南，止于江西省吉安站，正线全长1 813.544 km。全线共有隧道229座，长468.5 km，其中74座隧道分布有黄土段落，共计176.4 km，主要分布在陕西、山西地段。

双线黄土隧道开挖面积为101.44～170.87 m2，开挖跨度为11.16～15.40 m。洞身穿越黄土类型主要有砂质新黄土(浅黄色，稍密—中密，土质均匀，砂感较强，具湿陷性)、砂质老黄土(棕褐色，中密—密实，土质均匀)、黏质新黄土(黄褐色，软塑—硬塑，具湿陷性)、黏质老黄土(棕褐色，硬塑—坚硬，垂直节理发育，含蒙脱石，具弱膨胀性)。

1.1 黄土物理力学特性

全线隧道黄土的物理力学性质具有如下特点：

1)孔隙率大、密度小、透水性好。孔隙率为45%～55%(孔隙比为0.8～1.1)，干密度为1.3～1.5 g/cm3。

2)含水率较高。含水率为10%～29%，饱和度为85%～90%，因含水率不同呈现硬塑—流塑状态。

3)抗水性差。以粉粒和亲水弱的矿物为主，具有大孔结构，天然含水率小，具有黏粒的强结合水联结和盐分的胶结联结，在干燥时可以承担一定荷载而变形不大；但受水浸湿后，土粒联结显著减弱，引起土结构破坏产生湿陷变形。特别是对于干燥的黄土，遇水极易崩解。

4)黄土湿陷性差异大。湿陷性系数为0.015～0.126，从不具湿陷性到强湿陷性。

5)塑性较小。液限为23%～33%，塑限为15%～20%。

6)黏聚力和内摩擦角差异大。自然状态下黏聚力为0.03～0.06 MPa，内摩擦角为15°～25°；受水浸湿后，黄土的压缩性随着含水率的增加而急剧增大，抗剪强度随之显著降低。

1.2 黄土不良地质特点

黄土地区冲沟发育，洞口段常见陷穴、浅层溜塌体，浅埋、浅埋偏压，主要分布新黄土，呈松散结构，局部易发生坍塌；部分浅埋黄土区段，洞身位于地下水位以下，黄土呈流塑—软塑状，开挖成型难；土石界面区段，黄土竖向节理发育，基岩裂隙发育，伴随裂隙水，黄土开挖易局部掉块，下部岩体需采用控制爆破施工；埋深90 m以上老黄土地段，含水率较高(局部达到18%以上)，开挖后持续变形时间长，支护结构形变压力大。

2 初期支护钢架形式及全环力学试验

2.1 初期支护钢架形式

浩吉铁路隧道建设明确初期支护作为主要承载结构，与围岩共同作用承担施工期的全部荷载，不受二次衬砌步距限制。初期支护变形基本稳定后，二次衬砌施工根据施组安排确定。

考虑全线隧道Ⅳ～Ⅴ级围岩初期支护钢架均有采用格栅钢架和型钢钢架2种类型，钢架型号和参数类型较多，不利于采用工厂化集中生产加工。综合格栅钢架和型钢钢架的力学性能特点，在征集全铁路系统格栅钢架设计图的基础上，编制了浩吉铁路8字结格栅钢架通用设计图。根据隧道断面形式、围岩条件，全线黄土隧道格栅钢架规格主要包含H150、H180、H230(H表示格栅钢架高度)，格栅钢架按40 mm(外侧)、30 mm(内侧)厚度设置混凝土保护层。黄土隧道格栅钢架规格类型见表1。

表1 黄土隧道格栅钢架规格类型

以H180型格栅钢架为例，其结构设计如图1所示。

(a)空间布置

2.2 格栅钢架全环力学试验

考虑全线黄土地段地质条件复杂，格栅钢架应用范围广，为充分掌握格栅钢架力学特性，对现场应用较多的H180型格栅钢架，开展模型比例为1∶1的全环格栅钢架混凝土结构力学性能试验。

2.2.1 格栅钢架喷混凝土试件

试件截面尺寸b×h=270 mm×800 mm，格栅钢架位于试件中间位置。试件制作流程为：格栅钢架拼接与架立—沿格栅钢架弧度架设内外木模—采用隧道实际工程所用C25喷射混凝土一次性浇筑成型—拆模以及对试验构件进行定期养护，直到混凝土达到设计强度。

2.2.2 试验加载系统

全环试验采用卧式静力加载系统，从试验结构纵向和环向方向施加均布荷载，加载系统分为4部分。试验由钢筋混凝土反力墙提供反力，钢绞线束锚固在反力墙与千斤顶之间以对构件施加千斤顶提供的加载力，钢板焊接组成的加载梁与工字钢焊接组成的弧形分配梁位于千斤顶和试验试件之间，将千斤顶和钢绞线束提供的点荷载转变为均布荷载作用在试验结构上。加载系统如图2—5所示。

图2 全环加载示意图

图3 局部加载示意图

图4 分配梁与加载梁示意图(单位：mm)

图5 现场试件

2.2.3 试验测试结果

试验采用拱顶加载-横向约束，通过拱顶5个Ⅰ型弧形梁处10个千斤顶对试验构件施加径向向内的等大荷载，同时限制拱腰及边墙位置上Ⅱ、Ⅲ型弧形梁及仰拱Ⅳ型弧形梁处沿径向向外的位移，对加载处的试验构件位移与变形进行实时量测。

试验共制作2个试件，进行了破坏性试验，拱顶加载-横向约束位移下结构极限荷载-位移曲线如图6所示(“中Ⅰ”表示处于示意图中间位置的Ⅰ型弧形梁所对应的结构部分，“左Ⅰ-1”表示处于示意图左侧距离中间最近处的结构部分，以此类推)。

图6 拱顶加载-横向约束下结构极限荷载-位移曲线

实时测量2个试件Ⅰ型结构部分荷载与位移如表2所示。

表2 拱顶加载-横向约束下结构极限荷载与位移值

格栅钢架混凝土全环力学试验研究成果表明，在拱顶加载-横向约束状态下，格栅钢架混凝土全环结构在极限状态下承载值为937.68 kN，换算围岩压力值为651.17 kPa，相当于可承担32.56 m高度的黄土自重，最大变形量均值为92.85 mm，在考虑钢筋混凝土结构强度安全系数为2.4的情况下，换算成黄土自重高度为13.56 m。格栅钢架混凝土全环结构表现出较高的承载能力兼顾较大的变形协调能力。

3 黄土隧道支护结构参数及施工工法

3.1 支护结构参数

全线黄土隧道支护类型主要包含Ⅳ土、Ⅴa土、Ⅴb土3种类型，其中Ⅳ土支护类型主要用于深埋黏质老黄土、砂质老黄土地段，Ⅴa土、Ⅴb土主要用于浅埋、偏压等黏质新黄土、砂质新黄土及富水饱和黄土地段。黄土隧道初期支护结构参数包含拱部120°范围超前小导管、全环格栅钢架、锁脚锚管、双层钢筋网片、φ22 mm纵向钢架连接筋(环向间距1 m，单排交错布置)及C25喷射混凝土。Ⅴb土支护结构如图7所示。

图7 Vb土支护结构图(单位：m)

3.2 施工工法

全线黄土隧道采用微三台阶法开挖，台阶长度一般为5 m，上台阶根据掌子面自稳能力视情况预留核心土，预留核心土处左右同步开挖，下台阶带仰拱一次开挖成型。一次开挖进尺为1～2榀钢架间距，强调初期支护格栅钢架紧跟掌子面，初期支护仰拱及时封闭成环紧跟下台阶；初期支护仰拱封闭成环距掌子面距离一般为1～1.5倍洞跨(特殊地段按不大于2倍洞跨控制)。现场微三台阶法开挖如图8所示。

图8 微三台阶法开挖

4 黄土隧道初期支护结构现场力学测试

为确保全线黄土隧道初期支护采用格栅钢架的可行性，在郑庄隧道Ⅳ级围岩地段和郭旗隧道Ⅴ级围岩地段开展了现场力学测试，对初期支护变形收敛、围岩压力、喷射混凝土应力、格栅钢架应力等进行测试分析。

4.1 Ⅳ级围岩支护结构类型

郑庄隧道Ⅳ级围岩试验段长30 m，埋深80～112 m，每隔10 m布设1个监测断面，共计3个，监测断面全环设置8个监测点。掌子面围岩主要为黏质老黄土、砂质老黄土，掌子面揭露呈黄色，节理裂隙较发育，开挖局部掉块，有少量地下水。全环采用H150型格栅钢架，间距0.6 m，网喷C25喷射混凝土，厚度为22 cm。

4.1.1 拱顶下沉及水平收敛

拱顶下沉及水平收敛曲线如图9所示。由图可知，监测断面拱顶下沉值为80 mm，水平收敛值为32 mm。初期支护全断面封闭成环后，拱顶沉降及水平收敛速率快速下降并趋于稳定，后期拱顶下沉值仅增加20 mm，水平收敛值基本无增加，历时约1个月变形趋于稳定。

(a)拱顶下沉

4.1.2 围岩压力

选取一试验断面进行围岩与初期支护间压力测试，部分有效测点压力数据如图10所示。由图可知，隧道拱腰至边墙部位围岩压力较大，最大值位于左侧边墙上部，为352.6 kPa，约占初期支护极限承载围岩压力值的54.2%。隧道拱顶部位可能因压力盒与围岩间接触不紧密，导致实测压力值偏小。

图10 围岩压力(单位：kPa)

4.1.3 格栅钢架应力

监测断面格栅钢架应力包络图如图11所示。由图可知，全环格栅钢架承受压应力，内外侧钢架应力值相差不大，最大压应力值为36.74 MPa，位于右边墙。格栅钢架应力值远小于HRB400钢筋屈服强度(400 MPa)，强度利用率不到10%。

(a)内侧

4.1.4 喷射混凝土应力

监测断面喷射混凝土应力包络图如图12所示。由图可知，全环喷射混凝土承受压应力，内侧压应力稍大于外侧压应力;隧道拱部及边墙压应力值较大，最大压应力值为28.8 MPa，位于边墙左侧。除个别监测点外，其余部位喷射混凝土压应力值均在C25喷射混凝土弯曲抗压极限强度24.2 MPa之内，初期支护喷射混凝土总体强度满足安全需求。

(a)内侧

4.2 Ⅴ级围岩支护结构类型

姚店隧道Ⅴ级围岩试验段长30 m，埋深92～94 m，每隔10 m布设1个监测断面，共计3个，监测断面全环设置8个监测点。掌子面围岩主要为黏质新黄土、砂质新黄土，局部黏质老黄土、砂质新黄土，掌子面揭露呈黄色，节理裂隙较发育，开挖面自稳较困难，开挖局部掉块，有少量地下水，上台阶开挖预留核心土。全环采用H180型格栅钢架，间距为0.75 m，网喷C25喷射混凝土，厚度为25 cm。

4.2.1 拱顶下沉及水平收敛

拱顶下沉及水平收敛曲线如图13所示。由图可知，监测断面拱顶下沉值为110 mm，水平收敛值为42 mm。中下台阶开挖阶段，初期支护拱顶下沉变化速率较快，下台阶开挖基本完成时，拱顶下沉值达到100 mm，水平收敛值呈震荡性变化；初期支护全断面封闭成环后，拱顶沉降及水平收敛速率快速下降并趋于稳定；历时约1个月变形趋于稳定。

(a)拱顶下沉

4.2.2 围岩压力

选取一试验断面进行围岩与初期支护间压力测试，测得围岩压力如图14所示。受围岩岩性、节理裂隙等因素影响，围岩左侧部分压力值明显大于右侧；隧道拱部、墙脚及仰拱中心存在较大的围岩压力，最大值位于拱腰处，为298.5 kPa，约占初期支护极限承载围压值的45.9%。

图14 围岩压力(单位：kPa)

4.2.3 格栅钢架应力

监测断面格栅钢架应力包络图如图15所示。由图可知，全环格栅钢架承受压应力，总体上内侧钢架应力值大于外侧，隧道拱部及边墙承受较大的压应力；格栅钢架最大压应力值为242.4 MPa，位于右侧拱腰。除少数部位格栅钢架强度利用率达到60%外，多数部位格栅钢架强度利用率为20%～46%。

(a)内侧

4.2.4 喷射混凝土应力

监测断面喷射混凝土应力包络图如图16所示。由图可知，全环喷射混凝土承受压应力，内侧压应力稍大于外侧压应力；隧道拱腰及边墙压应力值较大，最大压应力值为47.34 MPa，位于左侧拱腰。总体上喷射混凝土压应力均值为7.42～26.87 MPa，除个别监测点外，其余部位喷射混凝土压应力值均在C25喷射混凝土弯曲抗压极限强度24.2 MPa之内，初期支护喷射混凝土总体强度满足安全需求。

(a)内侧

5 黄土隧道初期支护变形收敛数据统计分析

为进一步探究黄土隧道初期支护采用格栅钢架的可靠性，对全线黄土隧道约15 000个测试断面的初期支护变形收敛数据进行统计分析。统计数据均持续监测1个月以上并趋于稳定，同时删除了部分变形异常点数据。

5.1 Ⅳ级围岩

5.1.1 变形总量

Ⅳ级围岩初期支护变形最大值分布情况如图17所示。全线黄土隧道Ⅳ级围岩初期支护拱顶下沉最大值为77.5 mm，水平收敛最大值为47.8 mm；95%以上监测断面拱顶下沉值小于45 mm，水平收敛值小于35 mm；拱顶下沉和水平收敛随埋深分布离散性较大，无显著规律。拱顶下沉及水平收敛值均小于开挖预留变形量控制值(80～120 mm)。

图17 Ⅳ级围岩初期支护变形最大值分布情况

5.1.2 变形速率

Ⅳ级围岩初期支护变形速率分布情况如图18所示。全线黄土隧道Ⅳ级围岩初期支护变形速率分布主要集中在5 mm/d以内;浅埋隧道初期支护变形速率均未超过5 mm/d；深埋隧道初期支护约13%的监测断面拱顶变形速率超过5 mm/d，最大变形速率为10 mm/d。

图18 Ⅳ级围岩初期支护变形速率分布情况

5.2 Ⅴ级围岩

5.2.1 变形总量

Ⅴ级围岩初期支护变形最大值分布情况如图19所示。全线黄土隧道Ⅴ级围岩初期支护拱顶下沉最大值为145 mm，水平收敛最大值为45 mm;90%以上监测断面拱顶下沉值在50 mm以内。浅埋隧道相比深埋隧道拱顶下沉量要大，但达到80～120 mm的仅占2%。拱顶下沉及水平收敛值均在开挖预留变形量控制值之内(120～150 mm)。

图19 Ⅴ级围岩初期支护变形最大值分布情况

5.2.2 变形速率

Ⅴ级围岩初期支护变形速率分布情况如图20所示。全线黄土隧道Ⅴ级围岩初期支护变形速率分布主要集中在5 mm/d以内。浅埋隧道拱顶变形速率在5～10 mm/d的占比约7%，10～15 mm/d的占比约6%，个别断面变形速率达到30 mm/d；深埋隧道拱顶变形及水平收敛变形速率基本在5 mm/d以内。

图20 Ⅴ级围岩初期支护变形速率分布情况

6 结论与建议

本文基于浩吉铁路黄土隧道初期支护格栅钢架模型试验、现场力学测试及初期支护变形收敛数据统计分析，得出如下结论：

1)8字结格栅钢架混凝土结构表现出较高的承载能力兼顾较大的变形协调能力。在承载能力极限状态下，H180型格栅钢架可承载相当于32.56 m的黄土自重，考虑安全系数为2.4情况下可承载13.56 m的黄土自重。

2)现场试验段的力学测试表明，无论围岩为老黄土还是新黄土，格栅钢架均可应用于Ⅳ、Ⅴ级围岩，初期支护变形收敛值、格栅钢架应力、喷射混凝土应力均在允许范围内。

3)基于大数据的初期支护变形收敛统计数据可知，黄土隧道初期支护采用格栅钢架型式，Ⅳ级围岩95%以上监测断面拱顶下沉值小于45 mm，水平收敛值小于35 mm；Ⅴ级围岩90%以上监测断面拱顶下沉值小于50 mm。拱顶下沉及水平收敛值均在开挖预留变形量控制值之内。

鉴于本线为重载铁路隧道，黄土隧道断面呈马蹄形，隧道跨度和高度相差不大，断面受力相对较好。为进一步推广格栅钢架应用范围，建议在黄土隧道各类围岩条件下的高铁大断面开展应用研究。