作者簡(jiǎn)介：趙玉龍（1982—），高級(jí)工程師，主要從事隧道及地下工程勘察設(shè)計(jì)與研究工作。

摘要：礦山法隧道襯砌多為封閉的環(huán)形承載結(jié)構(gòu)，考慮仰拱與填充混凝土不同的承載作用，多年來(lái)隧道設(shè)計(jì)理論及施工工藝方面均要求仰拱與填充混凝土分開澆筑。但是，仰拱與填充混凝土分開澆筑存在工藝復(fù)雜，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度的問(wèn)題。為了解仰拱與填充混凝土分開澆筑與一體澆筑時(shí)隧道的受力差異，推進(jìn)隧道下部結(jié)構(gòu)混凝土快速澆筑技術(shù)，文章通過(guò)理論分析計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段，對(duì)雙線鐵路隧道下部結(jié)構(gòu)分開澆筑與一體澆筑兩種技術(shù)進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論：基于現(xiàn)狀雙線鐵路隧道結(jié)構(gòu)及溝槽布置型式，Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖地段仰拱與填充混凝土可一體澆筑，Ⅳ級(jí)圍巖地段局部布置少量鋼筋后，也可一體澆筑；Ⅴ級(jí)圍巖地段一體澆筑需大范圍調(diào)整鋼筋設(shè)置，建議采用分開澆筑方案；雙線隧道下部結(jié)構(gòu)溝槽處是結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位，對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖荷載大的地段，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)低，如采用一體澆筑技術(shù)，應(yīng)通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)及溝槽布置型式、鋼筋布置等方法，改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)安全性；采用一體澆筑技術(shù)可大幅提高施工效率，簡(jiǎn)化工藝流程。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；仰拱；仰拱填充；一體澆筑；分開澆筑

中圖分類號(hào)：U455.4

0 引言

礦山法鐵路隧道仰拱作為隧道主體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，為反向拱形結(jié)構(gòu)，位于隧道底部與拱墻襯砌共同形成的封閉環(huán)形承載結(jié)構(gòu)中。仰拱填充位于仰拱上方，其主要作用為找平仰拱弧面、傳遞軌道及列車荷載，仰拱填充通常為低強(qiáng)度素混凝土結(jié)構(gòu)。由于兩者具有不同的功能與作用，屬于不同的受力體系，根據(jù)隧道行業(yè)的規(guī)定^[1-4]、設(shè)計(jì)理論及施工工藝，均要求仰拱與填充混凝土分開澆筑。二者分開澆筑時(shí)仰拱頂部需設(shè)置弧形模板以保證仰拱結(jié)構(gòu)輪廓符合設(shè)計(jì)要求，其施工工藝復(fù)雜，且仰拱混凝土需終凝后方可澆筑仰拱填充混凝土，嚴(yán)重影響隧道施工效率。將仰拱與填充混凝土一體澆筑，可簡(jiǎn)化施工流程、加快施工進(jìn)度，但可能改變隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。當(dāng)仰拱填充承受較大拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)引起填充混凝土開裂、隧底結(jié)構(gòu)破壞等問(wèn)題。

通過(guò)調(diào)研現(xiàn)有部分研究成果，目前行業(yè)內(nèi)對(duì)隧道下部結(jié)構(gòu)方面的研究主要集中在隧道仰拱與填充層動(dòng)力響應(yīng)^[5-6]、隧底結(jié)構(gòu)病害機(jī)理及整治技術(shù)^[7-9]、仰拱與填充一體澆筑時(shí)隧道受力影響分析^[10]、特殊巖土地層隧道受力及地基處理^[11]、裝配式仰拱方案研究^[12]、仰拱與填充分開澆筑方案施工裝備及快速施工技術(shù)^[13-15]等方面。對(duì)于仰拱與填充混凝土一體化澆筑方面的研究多限于理論計(jì)算分析，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證的成果少有報(bào)道。為推進(jìn)隧道下部結(jié)構(gòu)混凝土快速澆筑技術(shù)，驗(yàn)證仰拱與填充混凝土分開澆筑與一體澆筑時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力的影響，本文通過(guò)理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)兩種方法對(duì)鐵路隧道仰拱與填充混凝土一體澆筑技術(shù)進(jìn)行研究，并對(duì)不同圍巖條件下仰拱與填充澆筑方案提出合理化建議。

1 理論計(jì)算分析

1.1 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)選取

采用目前國(guó)內(nèi)常用的礦山法單洞雙線高速鐵路隧道復(fù)合式襯砌斷面。根據(jù)圍巖級(jí)別不同，對(duì)Ⅲ級(jí)圍巖深埋、Ⅳ級(jí)圍巖深埋、Ⅴ級(jí)圍巖深埋三種地質(zhì)條件下的隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。各襯砌結(jié)構(gòu)型式均為曲墻帶仰拱的復(fù)合式襯砌，仰拱填充兩側(cè)設(shè)置側(cè)溝與電纜槽，填充中部設(shè)置中心排水溝。襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，襯砌結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

1.2 圍巖參數(shù)及荷載

依據(jù)相關(guān)規(guī)范^[1]選取圍巖及二次襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)，并根據(jù)深埋隧道圍巖荷載計(jì)算方法，計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)所受圍巖壓力。

（1）圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表2。

（2）荷載計(jì)算。

荷載計(jì)算考慮隧道深埋工況，隧道所受垂直均布荷載計(jì)算如下：

q=γh（1）

h=0.45×2^s-1ω（2）

式中：S——圍巖級(jí)別；

ω——寬度影響系數(shù)，ω=1+i（B-5）；

B——坑道寬度（m），本次計(jì)算隧道寬度B=14.2 m；

i——B每增減1 m時(shí)的圍巖增減率，當(dāng)Blt;5 m時(shí)取i=0.2，當(dāng)B＞5 m時(shí)取i=0.1。

隧道所受水平荷載按垂直荷載的15%～40%選取。

（3）隧道結(jié)構(gòu)所受圍巖壓力見表3。

1.3 二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

利用SAP84結(jié)構(gòu)分析軟件，采用“荷載-結(jié)構(gòu)”二維平面應(yīng)變模型來(lái)計(jì)算二次襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)。二次襯砌結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，圍巖與二次襯砌的相互作用采用彈簧單元模擬，按破損階段法進(jìn)行檢算。當(dāng)襯砌仰拱與填充混凝土分開澆筑時(shí)，填充層作為荷載作用于仰拱結(jié)構(gòu)上；當(dāng)襯砌仰拱與填充混凝土一體澆筑時(shí)，二者作為整體結(jié)構(gòu)參與受力分析。

針對(duì)Ⅲ級(jí)圍巖深埋、Ⅳ級(jí)圍巖深埋、Ⅴ級(jí)圍巖深埋三種襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力均進(jìn)行了計(jì)算分析，限于篇幅，本文僅展示Ⅳa型襯砌仰拱與填充分開澆筑與一體澆筑兩種工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，如圖2及下頁(yè)圖3所示。

通過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)受力分析，可得出以下結(jié)論：

（1）仰拱與填充分開澆筑與一體澆筑對(duì)比，隧道拱部及邊墻區(qū)域結(jié)構(gòu)軸力和彎矩變化均較小，仰拱結(jié)構(gòu)軸力變化也較小，仰拱結(jié)構(gòu)彎矩變化大。計(jì)算結(jié)果顯示，一體澆筑仰拱彎矩是分開澆筑仰拱彎矩的7.4～8.9倍。仰拱結(jié)構(gòu)受力情況見表4。

（2）通過(guò)對(duì)各襯砌仰拱與填充一體澆筑工況下結(jié)構(gòu)安全系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，Ⅲa型襯砌仰拱結(jié)構(gòu)是安全的；Ⅳa型襯砌中心水溝附近安全系數(shù)不滿足要求，需配置鋼筋，其余部位是安全的；Ⅴa型襯砌仰拱彎矩過(guò)大，仰拱安全系數(shù)不滿足要求，需調(diào)整受力鋼筋設(shè)置。仰拱與填充一體澆筑結(jié)構(gòu)安全系數(shù)見下頁(yè)表5。

1.4 隧底結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)

根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)論，在不改變隧道水溝及電纜槽等的布設(shè)型式的條件下，仰拱與填充一體澆筑時(shí)，Ⅲa型襯砌仰拱不需配置鋼筋；Ⅳa型襯砌中心水溝附近配置?22@200 mm鋼筋，Ⅳa型襯砌仰拱配筋如圖4所示；Ⅴa型襯砌仰拱填充頂面配置?20@200 mm鋼筋，中心水溝附近配置?28@100 mm鋼筋，Ⅴa型襯砌仰拱配筋如圖5所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析

2.1 試驗(yàn)段工程概況

仰拱與填充一體澆筑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)段選擇在湘西地區(qū)某在建單洞雙線高速鐵路隧道內(nèi)（該隧道已于2022年底通車運(yùn)營(yíng)）。試驗(yàn)段隧道圍巖均為泥質(zhì)粉砂巖，局部夾泥巖、粉砂巖，弱風(fēng)化，泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層-中厚層狀構(gòu)造，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，較破碎，該隧道埋深約104～170 m，屬深埋Ⅳ級(jí)圍巖地段。

2.2 測(cè)試方案

根據(jù)理論分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際情況，試驗(yàn)段共選取6模隧道仰拱結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)72 m，澆筑方案為3模分開澆筑及一體澆筑，每模仰拱設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。對(duì)仰拱與圍巖接觸壓力及二次襯砌內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)比分開澆筑與一體澆筑結(jié)構(gòu)受力情況，監(jiān)測(cè)周期為仰拱混凝土達(dá)到強(qiáng)度后不少于3個(gè)月。仰拱與填充一體澆筑方案將仰拱填充混凝土強(qiáng)度等級(jí)調(diào)整為與仰拱結(jié)構(gòu)一致，中心水溝一次澆筑成型。測(cè)試斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)段仰拱與填充混凝土分開澆筑、一體澆筑兩個(gè)方案共計(jì)18個(gè)監(jiān)測(cè)斷面、54個(gè)仰拱與圍巖接觸壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)、108個(gè)仰拱及填充混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)、27個(gè)鋼筋受力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，持續(xù)3個(gè)月監(jiān)測(cè)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)比分析仰拱底圍巖壓力，分開澆筑時(shí)其值在-1.87～-126.71 kPa；一體澆筑時(shí)其值在-0.64～-77.72 kPa?？紤]測(cè)量誤差、圍巖差異及施工影響，仰拱與填充混凝土一體澆筑對(duì)仰拱底的圍巖壓力分布影響小。

（2）對(duì)比分析仰拱及填充混凝土應(yīng)變，去除明顯異常斷面數(shù)據(jù)，分開澆筑時(shí)仰拱混凝土應(yīng)變值在-2.99-201.61με；一體澆筑時(shí)仰拱混凝土應(yīng)變值在-0.5～-218.9με；分開澆筑時(shí)填充混凝土應(yīng)變值在-12.95～-149.3με；一體澆筑時(shí)填充混凝土應(yīng)變值在-30.16～-166.73με?？紤]測(cè)量誤差、圍巖差異及施工影響，一體澆筑對(duì)仰拱及填充混凝土的應(yīng)變影響小。

（3）分析一體澆筑時(shí)鋼筋受力，中心溝下方布設(shè)的鋼筋是受力的，最大值為13.41 kN，其值在各斷面的左側(cè)、中線和右側(cè)位置不同，但總體來(lái)看各部位鋼筋受力的量值變化幅度較小，未出現(xiàn)明顯較大受力部位。

隧道中線處仰拱與填充分開澆筑與一體澆筑最終圍巖壓力對(duì)比曲線、最終仰拱混凝土應(yīng)變對(duì)比曲線、最終仰拱填充混凝土應(yīng)變曲線如圖7～9所示，仰拱與填充混凝土一體澆筑最終鋼筋內(nèi)力曲線如圖10所示。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）基于現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)通用的雙線鐵路隧道結(jié)構(gòu)及溝槽布置型式，Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖地段仰拱與填充混凝土可一體澆筑；Ⅳ級(jí)圍巖地段局部布置少量鋼筋后，也可一體澆筑；Ⅴ級(jí)圍巖地段通過(guò)計(jì)算分析，采用仰拱與填充混凝土分開澆筑與一體澆筑影響較大，需大范圍調(diào)整鋼筋設(shè)置才能滿足結(jié)構(gòu)安全要求，建議采用分開澆筑方案。一體澆筑時(shí)需將填充混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高至與仰拱混凝土一致，并注意控制大體積混凝土施工溫度裂縫，排水系統(tǒng)需通暢。

（2）雙線隧道下部結(jié)構(gòu)中心溝、側(cè)溝及電纜槽處是結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位。在地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖荷載大的地段，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)低，如采用一體澆筑技術(shù)，應(yīng)通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)及溝槽布置型式、鋼筋布置等方法，改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，提高結(jié)構(gòu)安全性。

（3）采用仰拱與填充混凝土一體澆筑技術(shù)可大幅提高施工效率，簡(jiǎn)化工藝流程，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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