铁路硬岩隧道单层永久衬砌结构研究

马兆飞

(浩吉铁路股份有限公司 北京 100073)

在铁路隧道修建过程中，其衬砌类型对于隧道施工进度和工程投资具有重要影响，常用的隧道衬砌类型一般有2种：①复合式衬砌；②单层式衬砌。复合式衬砌作为目前隧道衬砌结构的主流[1]，可以结合初期支护施作及时但刚度小易变形的特点，通过二次衬砌进一步保护和加固围岩，且衬砌后表面光滑平整，可以防止外层风化并增强安全感。单层式衬砌相对于复合式衬砌，具有工序更加简化、施工更加快速、经济性更好等多方面的优点。研究表明[2]，在同等程度荷载条件下，单层衬砌产生的内力小于复合式衬砌，所以可适当减薄衬砌厚度，同时也减少了开挖量和衬砌圬工量，节约了工程投资。同时，单层衬砌一次性施工完成，避免了二次衬砌施工对其他工序的干扰，有利于缩短工期，从而进一步降低工程造价[3]。

挪威为最早使用单层衬砌的国家，1978年以来，挪威在有节理易超挖的岩层内，采用喷射钢纤维混凝土作为永久加固和最终支护的手段，约460 km的干线公路隧道中共有160 km(其中部分是海底隧道)采用喷射混凝土或喷射钢纤维喷混凝土，作为永久支护。瑞典的斯德哥尔摩地铁中大量使用单层衬砌技术。瑞士修建的费尔艾那隧道，97%的支护都采用单层衬砌技术[4]。在国内，20世纪60年代在成昆铁路围岩较好的短隧道中，成功地采用了喷射混凝土加锚杆作为永久衬砌。70年代在下坑隧道试做了单层衬砌数十米，但受制于当时施工技术水平和材料水平，发生了裂缝和漏水情况。

综上所述，虽然单层式衬砌具有工序简化、施工快速、经济性好等多方面的优点，在国内外也有应用案例，但由于前期喷射混凝土材料及施工工艺水平难以保证结构施工质量，且铁路隧道穿越的地质情况复杂多变，我国铁路隧道衬砌结构类型选择中，多采用适用性更强的复合式衬砌。

近年来，随着我国喷射混凝土技术、材料水平的不断提高，尤其是大型湿喷机械手设备的应用，使喷射混凝土结构强度和施工稳定性有了显著提高。选取地质情况适宜的隧道段落对单层衬砌结构进行深入研究不仅有很高的理论价值，而且在工程实践中也可创造巨大的经济效益。

本文以浩吉铁路建设为依托，结合浩吉铁路全线隧道施工采用湿喷机械手的特点，选取地质条件较好的硬岩隧道段落，进行隧道单层永久衬砌结构探索研究。

1 工程概况

浩吉铁路是中国“十二五”规划纲要中的重大交通基础设施，北起浩勒报吉南站，途经内蒙、陕西、山西、河南、湖北、湖南、江西，南至京九铁路吉安站，共跨越7省区17市，全长1 814.5 km，设计速度120 km/h，为国铁I级货运铁路，规划年输送能力2亿t以上。

浩吉铁路沿线隧道共有228座，总长468 km，占线路总长的25.8%。全线10 km以上隧道10座，最长隧道为长22.7 km的崤山隧道。隧道断面形式主要为单线及双线形式，单线隧道断面净空面积为31.38 m2，双线隧道断面净空面积为63.98 m2。线路穿越地层种类多，从太古界到新生代均有出露。

本文选取浩吉铁路岳吉段张坊隧道(单线)开展单层永久衬砌现场试验研究。张坊隧道位于湖南省浏阳市境内，隧道全长5 755 m，最大埋深292.5 m。穿越地层主要为板岩、花岗闪长岩和花岗岩。其中本次选取的试验段为DK1643+526-DK1643+696，地质为花岗闪长岩，弱风化，节理裂隙弱发育，岩体完整～较完整，岩质较硬。地下水主要为基岩裂隙水，弱发育。

2 现场试验

2.1 试验段结构支护参数

本次单层永久衬砌结构试验综合考虑结构耐久性及防水性能，喷射混凝土采用添加纤维、硅粉的C35混凝土，试块强度满足3 h不低于1 MPa、10 h不低于5 MPa、24 h不低于15 MPa，喷混凝土表面喷涂水泥基抗渗结晶涂料，并预留一定结构补强空间。具体支护参数见表1。

表1 单层衬砌试验段支护参数对比表

2.2 试验观测断面、项目及测点布置

为尽可能完整地获得围岩开挖后围岩和支护结构力学形态的变化、变形情况，需要在试验段落选取有代表性的地段设置典型观测断面，通过获取典型断面测点沉降、收敛等位移数据和围岩与支护结构的力学数据等方式综合判断隧道结构的安全性和稳定性。本次观测选取DK1643+608、DK1643+613、DK1644+618共3个断面作为观测断面，观测项目包括隧道位移(拱顶下沉及周边收敛)、 围岩压力、喷射混凝土应力和锚杆应力。

在本次试验项目中，因II级围岩采用全断面开挖，位移测线布置成三角形，位移量测测点布置图见图1a)；压力盒、钢筋应力计、混凝土应变计选择埋设在应力变化较大的拱顶、拱腰、边墙及仰拱处，压力测点布设示意图见图1b)；钢筋及喷混凝土内力测点布设图见图1c)；系统锚杆内力测点布设图见图1d)。试验段每个试验断面设置3根测力锚杆用来监测锚杆受力；设置5个测位混凝土应变计、设置5个测位压力盒来监测围岩压力。

图1 测点布设示意(单位：cm)

各量测项目观测频率为：

①在隧道开挖支护后的半个月内，测读1～2次/d。

②半个月后到1个月内，测读1次/2 d。

③1个月后到3个月，测读1～2次/周。

④3个月以后，测读l～3次/月。

若遇突发情况及数据突变则增加观测频率，增加数量根据其变化的大小来确定。

考虑结构耐久性方面要求，后续将对试验段落进行长期监测。

2.3 试验观测结果

1) 隧道位移。隧道拱顶下沉和周边收敛值在隧道开挖后急剧变化但很快趋于稳定，变形时态曲线多在1个月内趋于收敛，最终位移值较小，说明围岩开挖后迅速进行应力重分布并经过一段时间后达到平衡状态。变形时态曲线图见图2。

图2 变形时态图

2) 围岩压力。围岩压力普遍较小，最大处为DK1643+608拱顶0.118 MPa，其余均小于0.1 MPa，围岩压力分布图见图3。

图3 压力分布图(单位：kPa)

3) 喷射混凝土受力。衬砌内外侧喷射混凝土皆为受压且应力值较小，最大受压应力为9.34 MPa，远小于C35喷射混凝土极限抗压强度，说明试验段单层衬砌具有一定安全富余量。

喷射混凝土应力分布图见图4。

图4 喷射混凝土应力分布图(单位：MPa)

4) 锚杆轴力。锚杆轴力普遍较小，最大轴力为DK1643+608断面的55.6 kN，锚杆轴力分布图见图5。

图5 锚杆轴力分布图(单位：kN)

综合上述隧道变形、围岩压力、喷射混凝土应力和锚杆轴力情况可知，试验段围岩和衬砌结构整体受力较小、结构安全且仍有一定安全富余量，现有支护方案可充分保证隧道安全性。

3 围岩稳定性数值分析

3.1 分析方法

自1975年，Zienkiewicz等首次提出了抗剪强度折减系数概念以来，由此确定的强度储备安全系数得到了广泛认同，亦为隧道围岩较常用的稳定性分析方法。江权等[5]采用强度折减法探讨了地下洞室群整体安全系数计算方法;尹莹等[6]用有限元强度折减法对海底隧道进行稳定性分析。在计算隧道稳定安全系数时，首先按将围岩强度参数黏聚力c和内摩擦角φ值同时除以一个折减系数w得到一组新的c′、φ′值，然后作为新的材料参数输入，再进行试算;当计算不收敛时，对应的w称为最小稳定安全系数。折减后的围岩强度可以表示如下。

式中：c、c′分别为黏聚力和黏聚力修正值；φ、φ′分别为内摩擦角和内摩擦角修正值。

由变形破坏规律可知，随着围岩的各种环境因素变化，围岩的稳定性也随之变化，位移速率(位移增量与时间增量之比)也随之变化，当围岩达到临滑状态时，此时围岩安全系数降低到1.0，位移速率会突然急剧增加，并很快导致围岩失稳破坏，由此可以得出围岩的稳定性与位移速率变化趋势将存在比较密切的关系，人们通常利用实测位移来判断隧道围岩的稳定性。一般当安全系数大于1.0时便可以认为围岩是稳定的，但是综合考虑实际存在的各种不利因素，本次计算以1.3为围岩稳定性的临界点。

3.2 计算参数及结果

计算参数选取地勘资料地层参数并参考隧道规范中围岩分级的地层参数，各项参数取值如下：γ=26 kN/m3，E=27.5 GPa，μ=0.23，φ=55°，c=1.8 MPa 。计算模型图见图6。

图6 单线隧道II级围岩模型图

按照黏聚力及内摩擦角同时按比例折减进行安全系数计算，以最大位移的突变点作为安全系数的取值，计算得到隧道安全系数为9.9，说明在裸洞工况下隧道可以达到自身稳定。

拱顶位移随折减系数变化曲线图见图7，极限状态位移图见图8。

图7 拱顶位移随折减系数变化曲线

图8 极限状态位移云图(单位：m)

4 结论

1) 通过现场试验和数值分析可以判断，II级围岩均具有良好的自承能力，隧道开挖后基本均可依靠围岩自身达到稳定，支护的作用基本仅在于辅助围岩自身的结构稳定性和达到耐久性、运营要求，可以得出II级围岩自承能力强，单层衬砌安全系数高、能够满足隧道施工与短期运营安全性要求的结论。衬砌结构耐久性及隧道长期运营安全结合后续试验段落长期监测情况进一步研究。

2) 衬砌支护结构普遍处于小偏心受压状态，这在数值分析和现场试验段测试中均得以体现，在小偏心受压状态下，支护以斜截面剪切破坏形式为主，为后续隧道设计提供参考。

3) 考虑我国铁路隧道穿越的地质情况复杂多变，在隧道实际施工过程中往往存在围岩破碎、偏压、富水等多种因素，会对单层永久衬砌结构产生不利影响，建议优先选择无水或少水的I、II级围岩和部分地质条件较好、岩性完整的III级围岩隧道或段落开展单层永久衬砌结构的现场试验和应用。