高压富水砂岩地层中铁路隧道冻结法施工衬砌结构研究

祁卫华

中铁第一勘察设计院集团有限公司，兰州 710043

冻结法是利用人工制冷技术，将隧道周围的松散地层固结成冻结体，使地层具有一定的强度和稳定性，便于隧道开挖和支护［1］。目前，冻结法施工较多应用于市政、煤矿、水利等工程，已经取得了大量研究成果。文献［2］通过研究发现，在富水砂卵石地层中施工时冻结效果受冻结管间距及保温层的影响显著，盐水与地层间对流系数减小会抵消冻结管直径增大的影响。文献［3］对冻结温度场研究发现，地下水渗流对温度场的影响具有滞后性。文献［4］通过数值模拟分析得出，富水砂岩地层中垂直冻结117 d 后可进行隧道施工。文献［5］对特厚冲积层中矿井施工冻结壁的变形分析得出，冻结壁的径向位移在开挖段高内呈不均匀分布，最大径向位移位于开挖段高的中部。

本文以固原—王洼铁路控制性工程程儿山隧道为例，采用数值模拟方法对冻结、解冻两种状态下隧道衬砌结构受力、变形和安全性进行分析，探讨断层核心带高压富水砂岩地层中冻结法施工隧道合理衬砌结构。

1 工程概况

程儿山隧道长6 437 m，起讫里程为DK5+345—DK11+782。隧道在DK10+210 —DK10+430 段穿越F2 断层，隧道埋深约220 m。F2 断层核心带宽约55 m，核心带内原岩结构已破坏，岩性主要为高压、富水、弱胶结第三系砂岩，上覆地层为砂质黄土。施工期间发生严重突泥、涌砂（涌砂量多达1万m3），存在隧道围岩压力不均的问题。

针对F2断层核心带地质情况，通过方案比选确定采用地表垂直冻结法加固隧道围岩。

2 数值模拟

2.1 模型建立和参数确定

隧道垂直冻结施工有限元模型见图1。隧道跨度为7.8 m，高度为10.4 m。冻结加固后，地层冻结范围为：x轴方向16.7 m（隧道中线两侧各8.35 m），y轴方向地表以下238.5 m，z轴线方向57.0 m。冻结体温度在-22～-16 ℃。

图1 垂直冻结施工有限元模型

模型底部采用固定约束，顶部为自由面，其他面采用法向位移约束。隧道穿越的砂岩力学参数见表1。其中：Ρ、E、μ、φ、c分别为密度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力；下角标u、f分别表示未冻结和冻结。

表1 砂岩力学参数

2.2 围岩塑性判据

冻结范围内砂岩采用冻结状态的力学参数，其他位置砂岩采用未冻结状态的力学参数。隧道开挖后，采用Mohr-Coulomb 准则中的围岩强度发挥系数SMF对围岩状态进行判定。SMF＜ 1时，围岩处于弹性状态（SMF越小，围岩越稳定）；SMF≥ 1时，围岩处于塑性状态。

SMF的计算式为

式中：σ1、σ3分别为围岩的第一、第三主应力。

3 模拟结果与分析

3.1 围岩冻结状态

1）衬砌强度对隧道稳定性的影响

钢筋混凝土二次衬砌厚为60 cm，强度等级分别取C30、C35、C40、C45、C50。

冻结状态下不同强度等级二次衬砌结构SMF、变形和安全系数对比见表2。可知：二次衬砌强度等级由C30增至C50 时，SMF减小1.6%，变形最大值减小0.6%，安全系数最小值增大0.9%；不同强度等级二次衬砌安全系数均满足TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》中不小于2.4 的要求。考虑到隧址区环境作用等级为H1、L2 和Y2，按照TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》选用C45钢筋混凝土。

表2 冻结状态下不同强度等级二次衬砌结构SMF、变形和安全系数对比

2）衬砌厚度对隧道稳定性的影响

钢筋混凝土二次衬砌强度等级为C45，厚度取40、45、50、55、60 cm。冻结状态下不同厚度二次衬砌结构SMF、变形和安全系数对比见表3。可知：衬砌厚度由40 cm 增至60 cm 时，SMF减小7.3%，变形最大值减小4.5%，安全系数最小值增大2.4%；不同厚度二次衬砌安全系数均满足TB 10003—2016的要求。

表3 冻结状态下不同厚度二次衬砌结构SMF、变形和安全系数对比

由表2和表3的分析可知：SMF、变形和安全系数受衬砌厚度变化的影响比受衬砌强度等级变化的影响大，结构设计时应重点考虑衬砌厚度。

3）二次衬砌结构受力

冻结状态下60 cm 厚C45 钢筋混凝土二次衬砌内力分布见图2。可知：衬砌结构最大和最小轴力分别位于两侧拱腰附近和拱顶中部，最大、最小轴力分别为7.78、0.39 MN；衬砌结构最大正弯矩和最大负弯矩分别位于两侧墙脚附近和仰拱中部，最大正弯矩为430.87 kN·m，最大负弯矩为-430.77 kN·m。二次衬砌结构各部位受力不均，结构设计时可采用变截面对衬砌结构局部加厚。

图2 冻结状态60 cm厚C45钢筋混凝土衬砌内力分布

3.2 围岩解冻状态

1）衬砌厚度对隧道稳定性的影响

钢筋混凝土二次衬砌强度等级为C45，厚度分别取40、45、50、55、60 cm。不同厚度二次衬砌安全系数最小值见表4。可知：厚度为40、45、50 cm时二次衬砌安全系数均小于2.4，不满足TB 10003—2016 要求。考虑前期施工过程中发生严重突泥、涌砂，原始地层部分被扰动，二次衬砌应适当加厚。建议二次衬砌采用60 cm厚的C45钢筋混凝土。

表4 不同厚度二次衬砌结构安全系数最小值

2）二次衬砌结构受力

二次衬砌拆模后，所有冻结管停止工作，冻结体会逐渐解冻恢复至原有状态。原冻结体承受的围岩压力会部分转移至隧道衬砌。

解冻状态60 cm 厚C45 钢筋混凝土二次衬砌内力分布见图3。对比图2和图3可知：冻结体解冻后围岩应力重分布，隧道衬砌轴力、弯矩均发生较大变化。最大、最小轴力分别为22.94、2.99 MN，最大正弯矩和最大负弯矩分别为1 162、-1 240 kN·m；与冻结状态相比，最大轴力增大1.95 倍，最大正弯矩增大1.70 倍，但最大值与最小值的位置基本没变。结构设计时应按围岩解冻状态考虑二次衬砌的受力，可采用变截面对衬砌结构局部加厚。

图3 解冻状态60 cm厚C45钢筋混凝土二次衬砌内力分布

4 衬砌结构设计及施工效果

4.1 衬砌结构设计

考虑隧道开挖、支护期间结构外侧冻结管需保持制冷状态，采用双层初期支护+隔热保温层+防水层+二次衬砌的复合式衬砌结构。隧道衬砌断面见图4。

图4 隧道衬砌断面（单位：cm）

1）双层初期支护

为防止施作系统锚杆时破坏冻结管，减小冻涨力对初期支护的影响，将传统的单层初期支护（系统锚杆+钢筋网+喷射混凝土+钢架）优化为双层初期支护（钢筋网+喷射混凝土+钢架）。优化后不仅增加了初期支护的刚度，有效减小了初期支护的变形，而且提前了二次衬砌施作时间。双层初期支护参数见表5。

表5 双层初期支护参数

2）隔热保温层

为防止洞内温度升高，降低冻结壁的强度，分别在围岩与初期支护、初期支护与二次衬砌间设置厚2 cm 的聚乙烯泡沫板作为隔热保温层。冻结体解冻过程中支护结构承受的围岩压力会逐渐增大，聚乙烯泡沫板具有可压缩性，可起到缓冲作用。

3）防水层

前期施工时断层内水压较大，为防止形成泄水通道，对当地水资源造成不利影响，全环设置土工布+乙烯-醋酸乙烯共聚物（Ethylene-Vinyl Acetate Copolymer，EVA）防水板作为防水层。

4）二次衬砌

二次衬砌采用厚60 cm 的C45 钢筋混凝土结构，依据受力情况局部加厚。因二次衬砌拱腰附近轴力最大，墙角附近弯矩最大，拱腰至墙角段二次衬砌采用由60 cm 厚渐变为96 cm 厚的不等厚结构。为了改善隧道结构受力，二次衬砌边墙矢跨比由1/16 调整为1/12。

4.2 施工和运营效果

1）施工阶段

施工期间每5 m 布置一个监测断面（共22 个）对初期支护结构进行监控量测。结果显示：冻结状态下边墙累计水平收敛最大值为34.39 mm，拱顶累计沉降最大值为45.00 mm，均小于设计预留变形（100～150 mm）。初期支护封闭成环后，边墙水平收敛速率最大值0.16 mm/d，拱顶沉降速率最大值0.11 mm/d，满足Q/CR 9653—2017《客货共线铁路隧道工程施工技术规程》施作二次衬砌的条件（水平收敛速率小于0.20 mm/d，拱顶沉降速率小于0.15 mm/d）。

二次衬砌拆模后未发现裂缝。经地质雷达无损检测，衬砌厚度满足设计要求，衬砌背后密实、无空洞。可见，在冻结状态下施工安全可靠，施工完成后衬砌结构稳定。

2）运营阶段

隧道竣工1 年后（地层处于完全解冻状态），对冻结加固段二次衬砌进行了地质雷达无损检测和外观质量检查。无损检测布置了5 条测线。检测结果显示，局部段落衬砌背后存在不密实情况，不密实段落最长1.2 m。依据Q/CR 405.2—2019《铁路桥隧建筑物劣化评定 第2 部分：隧道》，隧道劣化等级为C（轻微），对结构功能影响较小。衬砌外观质量检查未发现裂缝、渗漏水情况。可见，解冻状态下隧道衬砌结构安全可靠，满足运营要求。

5 结论

1）冻结加固后，冻结体温度在-22～-16 ℃，具有一定的强度，在隧道开挖后可以承受部分围岩压力。因此，无论是强度等级为C30—C50 的60 cm 厚钢筋混凝土衬砌，还是厚度为40～ 60 cm的C45钢筋混凝土衬砌，安全系数均大于2.4。

2）隧道二次衬砌施工完成后，冻结体会逐渐解冻，冻结体承受的围岩压力会部分转移至隧道衬砌。解冻后隧道衬砌轴力、弯矩均发生较大变化，最大轴力增大1.95 倍，最大正弯矩增大1.70 倍；结构安全系数由3.36降至3.15。

3）双层初期支护适用于冻结法隧道施工。冻结状态下初期支护边墙和拱顶变形均小于预留变形，并在初期支护封闭成环后变形趋于稳定，满足二次衬砌施作条件。

4）二次衬砌采用厚60 cm的C45钢筋混凝土结构，冻结体解冻后未出现裂缝、渗漏水等问题，结构安全。