鄧一三，李剛，張建偉，溫書億

(1.中鐵科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610031；2.青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東 青島 266100)

20 世紀(jì)70 年代，單層襯砌作為一種新的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展起來，其最初主要是以單層噴射混凝土為支護(hù)襯砌，后來逐漸發(fā)展出2層或多層噴混凝土疊合的襯砌結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)學(xué)者對單層襯砌的承載機(jī)理、材料性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了較為廣泛的研究。陳立保等[1]提出了基于挪威法的單層襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并針對單層襯砌的隧道防排水和建筑材料進(jìn)行了研究；龔彥峰等[2]鑒于挪威法直接應(yīng)用于國內(nèi)單層襯砌設(shè)計(jì)存在諸多困難，提出了以屈服接近度和圍巖松動圈支護(hù)理論為基礎(chǔ)的單層襯砌設(shè)計(jì)原則和方法；蘇卿[3]通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了將纖維混凝土應(yīng)用于單層襯砌對材料強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)韌性的影響；杜國平等[4]通過現(xiàn)場試驗(yàn)，對單層在實(shí)際應(yīng)用中的力學(xué)性能進(jìn)行了測定。上述研究成果已在公路隧道、鐵路隧道、水工輸水隧洞、地下儲庫等工程中試用，如摩天嶺隧道、秦嶺隧道、齊溪電站引水洞和汕頭液化氣儲庫等，但由于噴射混凝土自防水性能較差，上述國內(nèi)工程中，單層襯砌的應(yīng)用僅限于圍巖完整且?guī)r面干燥無水的區(qū)段。近年來，隨著噴涂防水材料在施工工藝和質(zhì)量性能等方面的顯著提高，防水型單層襯砌被逐漸應(yīng)用于地鐵等防水性能要求較高的隧道工程，如北歐的斯德哥爾摩地鐵、赫爾辛基地鐵和奧斯陸地鐵等[5-8]。防水型單層襯砌由具有雙面黏結(jié)性能的噴涂防水夾層和多層噴射混凝土組合而成，各層間能夠充分傳遞剪力，從結(jié)構(gòu)受力上，可將其看作帶夾層的疊合結(jié)構(gòu)來分析其力學(xué)特性。針對多層噴混凝土疊合的單層襯砌，李林毅等[9]通過數(shù)值仿真，對各結(jié)構(gòu)層之間的接觸效應(yīng)進(jìn)行了模擬；周平等[10]通過試驗(yàn)，研究了考慮層間效應(yīng)的多層襯砌受力特征。既往研究表明，多層噴射混凝土的各層之間具有徑向抗滑移性，組成疊合襯砌后，可形成整體承載結(jié)構(gòu)，但防水型單層襯砌在噴射混凝土之間還夾有一層噴涂防水層，其材料力學(xué)性能與噴射混凝土差異很大，導(dǎo)致疊合面力學(xué)行為較為復(fù)雜，是研究防水型單層襯砌面臨的主要問題。

1 防水型單層襯砌疊合面分析

既往研究表明，對于接觸面平直的疊合結(jié)構(gòu)而言，其疊合面破壞基本符合線性的摩爾-庫侖準(zhǔn)則，但對于接觸面粗糙起伏的疊合結(jié)構(gòu)，其疊合面破壞包絡(luò)線與摩爾-庫侖準(zhǔn)則并不完全符合[11-13]。

防水型單層襯砌由噴射混凝土和噴涂防水夾層組成，其實(shí)際接觸面是粗糙起伏的，以實(shí)際接觸面為對象進(jìn)行力學(xué)性能分析較為困難，因此，在對防水型單層襯砌進(jìn)行分析時(shí)，提出了界面層的假定。

界面層包含了噴涂防水層和與其直接接觸的部分噴射混凝土。由噴射混凝土和噴涂防水材料組成的不規(guī)則接觸面，使得相鄰介質(zhì)不再保持為連續(xù)變形的整體，其剪切破壞也并不一定是發(fā)生在材料的接觸面上，而更可能發(fā)生在接觸面周圍的介質(zhì)層中，從而在接觸面附近形成一個(gè)剪切錯(cuò)動層。由于在這個(gè)錯(cuò)動層內(nèi)的應(yīng)力和變形明顯不同于周邊的噴射混凝土，故在防水型單層襯砌的疊合結(jié)構(gòu)模型中，將噴涂防水材料和交界面處的噴射混凝土定義為單一材料組成的界面層，并假定其與周邊噴射混凝土的接觸面平直，如圖1。

圖1 界面層組成示意圖Fig.1 Diagram of interfacial layer

對疊合襯砌而言，界面層是否發(fā)生錯(cuò)動，將引起結(jié)構(gòu)承載機(jī)理的變化，圖2(a)和2(b)分別展示了無錯(cuò)動和有錯(cuò)動疊合襯砌的承載機(jī)理。當(dāng)界面層的應(yīng)力位于摩爾-庫侖強(qiáng)度包絡(luò)線之內(nèi)時(shí)，疊合襯砌可視為無錯(cuò)動疊合結(jié)構(gòu)。故界面層力學(xué)性能是影響防水型單層襯砌力學(xué)性能的重要因素，需通過界面層力學(xué)性能試驗(yàn)得到其破壞時(shí)的極限應(yīng)力，繪制強(qiáng)度包絡(luò)線，并將此包絡(luò)線作為疊合襯砌結(jié)構(gòu)有無錯(cuò)動的判據(jù)。

圖2 疊合襯砌承載機(jī)理Fig.2 Bearing mechanism of composite lining

2 防水型單層襯砌界面層力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 界面層剪壓試驗(yàn)

鑒于噴射混凝土和噴涂防水材料的接觸面是密貼起伏的隧道開挖面，界面層與地層荷載作用方向呈現(xiàn)不同傾角，故通過界面傾角在40°至70°之間的噴射混凝土芯樣的剪壓試驗(yàn)來測定界面層的極限應(yīng)力。試件采用C35噴射纖維混凝土和挪曼爾特公司的Tamseal800 噴涂防水材料制作，噴涂防水材料參數(shù)見表1。通過大板試塊制作出20個(gè)直徑為50 mm，長度為100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，如圖3，采用壓力機(jī)以0.1 MPa/min 的速度對試件進(jìn)行連續(xù)加載直至破壞，代表性試件的試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 噴涂防水材料參數(shù)Table 1 Parameters of spraying waterproof material

表2 代表性試件的剪壓試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of shear compression tests on representative specimens

圖3 剪壓試驗(yàn)試件Fig.3 Specimen for shear compression test

將界面層破壞時(shí)的荷載分解至界面切向和法向，得到界面層的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力，通過在應(yīng)力空間對界面層剪應(yīng)力和壓應(yīng)力做線性回歸擬合，得到界面層的摩爾-庫侖剪壓強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖4。

圖4 界面層剪壓試驗(yàn)強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.4 Ultimate strength envelope of shear compression test

2.2 界面層單軸拉伸試驗(yàn)

根據(jù)摩爾強(qiáng)度理論，可通過界面層單軸拉伸試驗(yàn)得到其破壞時(shí)的極限應(yīng)力圓，進(jìn)而繪制拉應(yīng)力象限的強(qiáng)度包絡(luò)線。試驗(yàn)試件為通過大板試塊制作的10 個(gè)直徑50 mm 的圓柱體芯樣，芯樣材料與剪壓試驗(yàn)相同，其中纖維混凝土分2 次噴射形成，中間涂刷4 mm厚的挪曼爾特公司的Tamseal800噴涂防水層。

通過拉力機(jī)進(jìn)行軸拉試驗(yàn)，試驗(yàn)加載速率為0.1 MPa/min，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果極差小于其平均值的30%時(shí)，結(jié)果數(shù)據(jù)有效，代表性試件的試驗(yàn)結(jié)果見表3，通過有效數(shù)據(jù)的平均值σ=-1.026 MPa可得到軸拉極限應(yīng)力圓，進(jìn)而完善強(qiáng)度包絡(luò)線，如圖5。

圖5 界面層軸拉及剪壓試驗(yàn)強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.5 Ultimate strength envelope of shear compression test and tensile test

表3 代表性試件的軸拉試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of axial tension tests on representative specimens

3 噴射混凝土抗裂性能試驗(yàn)

疊合襯砌結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，不僅與界面層極限強(qiáng)度有關(guān)，亦與界面層兩側(cè)的噴射混凝土抗裂性能相關(guān)，故還需對噴射混凝土的抗裂性能進(jìn)行試驗(yàn)測定。

噴射混凝土抗裂性能試驗(yàn)采用與界面層試驗(yàn)相同的C35噴射纖維混凝土材料。由于單軸拉伸試件的截面較小，局部纖維的方向性因素對強(qiáng)度實(shí)測值影響較大，故采用彎曲梁試驗(yàn)來測定材料的抗裂強(qiáng)度，試驗(yàn)設(shè)備為日本島津AG-IS-250 kN 試驗(yàn)機(jī)，如圖6。

圖6 彎曲梁試驗(yàn)裝置Fig.6 Bending beam test device

試驗(yàn)采用C35 噴射纖維混凝土制作的4 塊150 mm×150 mm×550 mm 混凝土試件，采用的結(jié)構(gòu)纖維為挪曼爾特公司的聚烯烴纖維，纖維參數(shù)見表4。

表4 試驗(yàn)纖維參數(shù)Table 4 Fiber parameters of the test

對試件進(jìn)行連續(xù)、均勻加載，繪制荷載-裂縫撓度曲線(圖7)，并將曲線得到的比例極限fLOP作為材料的初裂時(shí)的抗裂強(qiáng)度(表5)，fLOP與試驗(yàn)參數(shù)關(guān)系為：

圖7 代表性試件的荷載-撓度曲線Fig.7 Load deflection curves of specimens

式中：b和h分別為試件截面的寬度和高度；L為試件跨距；Fcra為fLOP所對應(yīng)的試驗(yàn)荷載。

根據(jù)表5，噴射纖維混凝土初裂時(shí)的抗裂強(qiáng)度可取為fLOP=2.2 MPa。

表5 噴射纖維混凝土試驗(yàn)抗裂強(qiáng)度Table 5 Flexural strength of sprayed fiber reinforced concrete

4 試驗(yàn)結(jié)果在青島地鐵工程的應(yīng)用與分析

4.1 試驗(yàn)段防水型單層襯砌的設(shè)計(jì)參數(shù)

青島為海濱丘陵城市，下伏巖層以風(fēng)化程度低、強(qiáng)度高、完整性好為主要特點(diǎn)，是防水型單層襯砌隧道應(yīng)用的理想場區(qū)，故選取青島地鐵4號線昌樂路站配線區(qū)間作為研究防水型單層襯砌應(yīng)用的試驗(yàn)段。

試驗(yàn)段隧道位于青島市市北區(qū)，全長220 m，采用鉆爆法施工，截面為拱頂直墻，開挖寬度9.6 m，埋深30～39 m，洞身主要穿微風(fēng)化花崗巖，場區(qū)地下水以基巖裂隙水為主。隧道支護(hù)參數(shù)根據(jù)挪威法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其支護(hù)結(jié)構(gòu)由系統(tǒng)錨桿和17 cm 厚的防水型單層襯砌組成，襯砌參數(shù)見表6。襯砌采用的C35 噴射纖維混凝土和Tamseal800噴涂防水材料，與試驗(yàn)試件相同。

表6 試驗(yàn)段防水型單層襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)Table 6 Design parameters of waterproof single layer lining

4.2 試驗(yàn)段防水型單層襯砌的數(shù)值分析

通過數(shù)值仿真，將隧道在開挖-支護(hù)過程中防水型單層襯砌的應(yīng)力與試驗(yàn)所得的極限強(qiáng)度進(jìn)行比對，從而對該疊合襯砌結(jié)構(gòu)的承載安全性進(jìn)行定量判斷。

數(shù)值仿真采用MIDAS GTS 軟件建立地層結(jié)構(gòu)的三維模型，如圖8，模型長、寬、高分別為50，60 和60 m。根據(jù)地質(zhì)資料，選取代表性地層，從上至下為素填土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖，地層參數(shù)見表7。模型中土層采用摩爾庫倫本構(gòu)，巖層采用D-P本構(gòu)。模型的前后左右邊界設(shè)置水平向約束，下邊界設(shè)置豎向約束，上邊界設(shè)置為應(yīng)力邊界。

表7 地層物理力學(xué)參數(shù)Table 7 Physico-mechanical parameters of formation

圖8 數(shù)值分析模型Fig.8 Numerical calculation model

有限元模型中，隧道采用臺階法開挖，模擬的施工步序?yàn)椋洪_挖上臺階→噴射上臺階第1層襯砌→開挖下臺階→噴射下臺階第1層襯砌→施做噴涂防水層→噴射第2層襯砌。

由圖9(a)，9(b)，9(c)可確定疊合襯砌界面層處的剪應(yīng)力和正應(yīng)力，其控制值見表8。又由圖10可見，數(shù)值分析所得的界面層剪應(yīng)力和正應(yīng)力均位于試驗(yàn)所得的界面層強(qiáng)度包絡(luò)線以內(nèi)，表明2層襯砌之間無錯(cuò)動，可視防水型單層襯砌為整體承載結(jié)構(gòu)。

圖10 界面層數(shù)值分析結(jié)果驗(yàn)算Fig.10 Numerical analysis results of interfacial layer

表8 數(shù)值模擬所得界面層處的應(yīng)力控制值Table 8 Stress control value at interfacial layer

圖9 防水型單層襯砌應(yīng)力云圖Fig.9 Stress nephogram of waterproof single-layer lining

由圖9(d)和9(e)可得，第1 和2 層噴射纖維混凝土襯砌最大拉應(yīng)力分別為0.246 MPa和0.141 MPa，均小于試驗(yàn)所得的噴射纖維混凝土抗裂強(qiáng)度fLOP=2.2 MPa，表明噴射纖維混凝土無開裂。

4.3 試驗(yàn)段現(xiàn)場試驗(yàn)與分析

昌樂路站配線區(qū)間施工期間，為檢測防水型單層襯砌界面層實(shí)際性能，對試驗(yàn)段隧道襯砌進(jìn)行了現(xiàn)場取芯和檢測，檢測試件通過在現(xiàn)場直接鉆芯制取，在隧道拱腰和側(cè)墻共鉆芯6處，試件實(shí)測直徑45 mm。通過對芯樣和孔壁觀測，界面層位置過度平滑，噴涂防水層無受剪開裂跡象，兩側(cè)噴射混凝土層之間無明顯錯(cuò)動，如圖11。

圖11 試驗(yàn)段現(xiàn)場取芯檢測Fig.11 Field coring test of test section

對鉆取芯樣進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)方法與2.2 節(jié)相同，且當(dāng)破壞面為噴涂防水材料所處的界面位置時(shí)試驗(yàn)結(jié)果有效，如圖12。試驗(yàn)結(jié)果顯示，所用試件的抗拉應(yīng)力超過1.026 MPa。

圖12 現(xiàn)場軸拉試驗(yàn)檢測Fig.12 Axial tension test on site

5 結(jié)論及建議

1) 將防水型單層襯砌的噴涂防水層和接觸面處的噴射混凝土共同定義為單一材料組成的界面層，通過對界面層的剪壓試驗(yàn)和單軸拉伸試驗(yàn)測定界面層的極限強(qiáng)度包絡(luò)線，該方法可避免因襯砌各疊合層間接觸面力學(xué)行為的不確定性而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)分析困難，為探究防水型單層襯砌的疊合面力學(xué)性能提供了新思路。

2) 防水型單層襯砌的界面層是否發(fā)生錯(cuò)動，將引起結(jié)構(gòu)承載機(jī)理的變化，故對界面層徑向抗錯(cuò)動性能的測定，是對防水型單層襯砌力學(xué)性能進(jìn)行定量分析的前提。采用剪壓試驗(yàn)和單軸拉伸試驗(yàn)測定的界面層極限強(qiáng)度包絡(luò)線能夠清晰判定疊合面在不同應(yīng)力條件下是否發(fā)生錯(cuò)動，為防水型單層襯砌的結(jié)構(gòu)分析提供了明確的應(yīng)力控制指標(biāo)。

3) 青島地鐵試驗(yàn)段的數(shù)值分析表明：當(dāng)界面層的正應(yīng)力和剪應(yīng)力組合均位于試驗(yàn)所得的強(qiáng)度包絡(luò)線以內(nèi)時(shí)，可將防水型單層襯砌的各疊合層視為整體承載結(jié)構(gòu)，其后，方可通過襯砌最大拉應(yīng)力與噴射纖維混凝土抗裂強(qiáng)度的對比，進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力分析。

4) 青島地鐵試驗(yàn)段的現(xiàn)場檢測表明：施做的防水型單層襯砌可以達(dá)到試驗(yàn)所模擬的力學(xué)性能，本研究所得的技術(shù)路線滿足防水型單層襯砌在地鐵隧道工程應(yīng)用的需要。

后續(xù)，針對防水型單層襯砌的疊合結(jié)構(gòu)特性，還有以下方面可做進(jìn)一步的研究：

1) 考慮界面層的塑性承載力，對界面層應(yīng)力超過極限強(qiáng)度包絡(luò)線，但各疊合層之間尚未完全喪失抗滑移性能時(shí)的力學(xué)性能進(jìn)行研究，進(jìn)一步挖掘防水型單層襯砌產(chǎn)生層間錯(cuò)動后的承載能力。

2) 在測定界面層摩擦角和黏聚力的基礎(chǔ)上，對其彈性模量、剪切模量、剪切延伸率等材料參數(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步探究防水型單層襯砌考慮層間效應(yīng)的襯砌受力特征。