隧道复合式衬砌受力分析及施工优化论述

李麦一

摘要：近年来，以客运专线为重点的全国铁路网建设已经全面展开并得到了蓬勃发展，铁路隧道建设数量和总长度均位居世界第一。隧道建设规模的日益扩大与隧道建设理论不完善的矛盾日益突出，以经验设计方法为主导的隧道设计理论将迎來巨大的挑战。本文重点关注隧道二次衬砌支护结构，通过理论分析、工程试验和数值计算相结合的技术手段对二次衬砌结构力学特性展开深入研究，对二次衬砌结构设计方案的优化提供借鉴。

（1）通过理论计算机ANSYS数值模拟得到，在V级围岩结构中，衬砌在拱顶及拱腰位置大偏心受压，安全系数最低，最容易产生破坏。

（2）通过在大尖山隧道现场进行的二次衬砌背后受力监控量测，深入分析了二次衬砌背后受力的时空分布特点，指出在二次衬砌拆模时，此时初支、二次衬砌间的接触压力达到峰值，二次衬砌处于最不利受力状态；通常在二次衬砌拆模后一周左右的时间，二次衬砌受力达到稳定；指出由于拱顶混凝土填充不密实，二次衬砌拱顶处接触压力较小。

（3）综合数值模拟及现场实测数据结果分析，针对二衬受力薄弱环节及传统二衬施工工艺不足的问题，对二衬浇筑工艺进行了全面优化设计，对同类工程的修建具有较好的借鉴作用。

关键词：隧道；二次衬砌；数值模拟；监控量测

一、复合式衬砌受力研究

目前多数的隧道工程衬砌设计仅是针对支护结构中的二次衬砌，采用荷载结构模式，让衬砌承受来自围岩的主动与被动荷载，按照现行规范中已制定的深埋按照塌方高度计算、浅埋按照临界高度来计算的荷载计算方法，验算衬砌强度，优选合理的衬砌厚度或配筋率。随着新奥法的引入和岩体力学的发展，地层结构法开始被应用，隧道围岩不再被单纯地看作荷载，也被看成是隧道支护系统的组成部分，将隧道围岩、荷载与支护结构视为三位一体的系统。

传统的矿山法也采用与喷锚构筑法类似的喷锚支护体系，只是把喷锚支护当作了取代传统支架作为确保施工安全的一种临时支护措施，而模筑混凝土衬砌的厚度依然如故，这不能不说是一种巨大的浪费，基于喷锚构筑法的二次衬砌作为保障安全储备的必要手段，比之传统意义上的模筑衬砌厚度应有所减薄，保证隧道安全的情况下在造价上也会有所降低。

1.主要研究内容

（1）隧道围岩压力分布

根据隧道结构特征，对照地质条件，查阅文献资料，对隧道围岩受力情况进行分析。

（2）衬砌结构受力分析

根据衬砌类型及设计参数，采用ANSYS数值模拟软件对隧道初支及衬砌受力进行分析。

（3）实测数据分析及优化设计

结合隧道工程实例，进行初支及二次衬砌应力监测试验，并整理分析试验数据，了解现场实际围岩及衬砌受力情况。

（4）二衬浇筑优化设计

结合数值模拟及现场实测结果，针对二衬薄弱环节及传统施工工艺的问题，对二衬台车及设备进行更新和改进，优化二衬浇筑工艺。

2.隧道围岩压力及其计算方法

2.1隧道围岩压力

围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形、破坏的作用力，它包括由地应力即原岩应力引起围岩应力、因围岩变形受阻力，而作用在支护上的总作用力；围岩压力也即地压；围岩压力所引起的围岩及支护的流动和破坏、变形等称之为地压显现或围岩压力显现；围岩压力不仅涵盖围岩有无支护情况，也涵盖普通的传统的支护和锚喷、灌装等现代支护；狭义上讲，围岩压力指作用在衬砌结构上，由围岩产生的压力。根据围岩变形破坏机理，围岩压力可分为四类：即松动围岩压力、形变围岩压力、膨胀围岩压力、冲击围岩压力。通常把由岩体变形所产生的挤压力叫做形变压力；而把岩块坠落、滑移、滑塌等所产生的重力叫做松散压力。影响围岩压力的因素有岩土的重力、岩体的结构、地下水的分布、隧道洞室形状和尺寸及初始地应力。

3.二次衬砌受力现场监测及衬砌优化设计

监控量测是新奥法隧道修建技术的重要环节，可以有效帮助我们了解掌子面开挖后围岩的动态变化过程，为判断施工过程中隧道围岩的稳定性和支护结构的安全性提供重要的科学依据。围岩的变化情况和支护结构的工作状态是监控量测的对象，通过分析处理采集到的监测数据，对围岩的各项指标进行反馈和预测，保证隧道围岩及支护结构的稳定。同时通过对围岩和支护的应力应变量测，合理修改支护参数，保证隧道施工安全。

本章通过对新建兰渝项目隧道现场进行了初支二衬接触压力监控量测，以期对二次衬砌的受力特点作进一步的探讨。

4.隧道二次衬砌受力现场监测

4.1.1工程概况

桐子林隧道位于新建铁路兰渝线广元至重庆段，为双线铁路隧道，起讫里程为DK920+980～DK923+491，全长2511m。正洞Ⅴ级围岩761m，Ⅳ级1655m，Ⅲ级95m。隧道纵坡设计为人字坡，变坡点里程为DK921+620处，进出口段纵向坡度分别为3.1‰、10‰，全隧除DK921+043～DK921+093段采用拱上明挖法施工设置明洞衬砌外，其余段均采取暗挖法施工，设置为复合式衬砌

本隧道进口端上覆第四系全新统坡洪积（Qd1+pl）、坡残积层（Qd1+el）粉质黏土、块石土；下伏基岩为侏罗系中下统自流井组（J1-2Z）泥岩夹砂岩、页岩及灰岩；侏罗系下统珍珠冲组（J1z）泥岩夹砂岩、石英砂岩；三叠系上统须家河组砂岩、长石石英砂岩、石英砂岩、页岩、炭质页岩及煤；三叠系中统雷口坡组（T2l）白云岩夹灰岩及岩溶角砾岩；三叠系下统嘉陵江组白云岩、灰岩、泥质灰岩、岩溶角砾岩；三叠系下统飞仙关组泥岩夹灰岩；断层压碎岩泥灰岩、泥岩、页岩。可溶岩分布范围广，岩溶发育且推测有两处大暗河。

4.1.2测点布置

综合考虑隧道修建施工方法、支护方案、预支护措施和辅助工法等因素。二次衬砌背后受力监测仪器采用常州金七木公司生产的型振弦式力盒，该压力盒具有高灵敏度、高精度、高稳定性的优点，可以很好地实现对岩土介质接触压力的监控量测。

二、现场检测结果分析

（1）现场采用振弦仪双膜压力盒频率接收仪进行监测数据采集，每天进行一次（根据施工速度相对过缓的实际情况，适当降低监测频率），开挖面到监测断面距离小于倍洞径时增加监测频率，直至趋于稳定。第断面由于在施工过程中施工方未对仪器加以有效保护，导致各测点均无法监测到有效数据。

监测过程历经二次衬砌绕筑完毕、混凝土强度逐渐增加到二次衬棚拆模后初支、二次衬砌应力重新分布达到稳定的各个阶段。

对于拱墙上部测点，二次衬砌背后压力存在一个先增大后减小然后缓慢增大并逐渐趋于稳定的过程。随着二次衬砌绕筑的完成，混凝土强度和刚度迅速增加，初支与二次衬砌间的接触压力也在不断增大，由于衬砌模板台车提供了一定的“支反力”，二次衬砌拆模时，结构由原来的三向应力状态转变为两向应力状态，此时初支、二次衬砌间的接触力达到峰值，二次衬砌处于最不利受力状态。随着台车“支反力”的释放，围岩、支护间应力状态不断调整，使得初期支护与二次衬砌之间的接触力减小。而后由于岩石介质本身的流变特性以及二次衬砌模筑混凝土拆模后刚度的继续增大，使得初支、二次衬砌间的接触压力缓慢增大。一般情况下，二次衬砌拆模后经过一周左右的时间，初支、二次衬砌间的接触压力达到稳定。

（2）二次衬砌所受压力基本呈现从拱顶到拱脚逐渐增大的趋势，但是也体现出较大的分布离散性，二次衬砌所受压力（接触压力）与铁路隧道设计时所采用的矩形荷载、梯形荷载以及马蹄形荷载等都有较大区别。这是因为二次衬砌所受荷载实际上是初支传递过来的形变压力，与规范上釆用松散体高度计算出来的松动压力是不同的。

（3）根据数据分析看出所测拱顶处接触力均较小，这是因为拱顶处模筑的二次衬砌混凝土通常不密实、灌注不满、不易振捣、易收缩，从而在初支和二次衬砌之间形成月牙型收缩缝，造成二次衬砌混凝土与压力盒无法紧密接触，这也使得二次衬砌拱顶位置处于不利的两向应力状态，因此应该在拱顶预留注装孔，在后期对月牙型收缩缝进行注装填充，从而保证初支、二次衬砌的密贴，使得结构受力均匀，提高二次衬砌结构的安全性。

三、二衬施工方案及优化设计

针对隧道拱顶及拱腰处安全系数低，且在传统浇筑工艺中，拱顶易造成脱空，衬砌骨料分布不均，致使衬砌出现开裂掉块，强度不均匀、衬砌厚度不足等现象，现场为加强隧道二次衬砌强度质量控制，根据二衬受力规律、现场实测数据研究出隧道衬砌成套施工技术，大大加强了隧道二衬衬砌强度，并在全线得到推广。

（1）隧道洞身复合式二次衬砌应在围岩及初期支护收敛变形趋于稳定后施工，衬砌采用全断面液压钢模衬砌台车施工，结构混凝土衬砌施工前，首先利用仰拱栈桥超前施工仰拱或底板混凝土，及时封闭成环，再施工边墙和拱部。二衬混凝土在拌合站集中拌合，混凝土运输车运送混凝土，混凝土输送泵压入模板内，全断面一次、整体灌筑，边墙采用插入式振捣器为主，附着式振捣器捣固为辅；拱部采用附着式振捣器为主，插入式振捣器为辅的振捣方式。

（2）台车浇筑窗口布置及附着式平板振动器布置原则：

①边墙工作窗口应分层布置，层高不大于1.5m，每层窗口间距为2m左右，上下两层交错布置，窗口尺寸不小于45cm×45cm，并设有相应的混凝土输送管支架或吊架；模板的横纵接缝、铰接缝、工作窗口严密，铰接轴应灵活能达到伸缩自如与开启的要求。

②附着式振动器布置说明及原则：边墙位置以插入式振捣为主，影响范围较弱的部位采用附着式振捣器辅助振捣，布置2台；第二排布置在反弧段上端，第一排窗口附近，插入式振捣从第二排窗口振捣，振捣范围较小，布置4台，加强振捣；拱腰及拱顶位置，振捣时气泡容易排出，混凝土容易振捣密实，分别布置2台和3台。

四、二衬混凝土施工技术要求及流程

衬砌混凝土施工前首先进行初支断面扫描看是否满足隧道界限要求，再检查纵、环向盲管铺设、土工布及防水板施工以及结构钢筋、综合接地钢筋、拱部注浆管安装施工符合图纸、验标及规范要求，检查衬砌施工缝端头凿毛处理及止水带、止水条安装质量满足图纸及规范要求，报监理工程师检查合格后，衬砌台车就位，并调试、配套有关设备。

二衬混凝土施工严格按照逐窗浇筑、逐窗振捣组织。边墙以插入式振动棒振捣为主，附着式振动器为辅，配合使用；拱部以全覆盖、无盲区为原则设置附着式振动器，根据附着式振动器之间振捣交叉有效面积，确定配置台数，每台设置独立电源开关。二衬混凝土施工前准备输送泵管至少两根（每侧各1根），并准备一定长度的软管以备逐窗放料。混凝土浇筑前需检测坍落度、含气量、入模温度满足规范及验标要求，泵送混凝土坍落度一般以16~20cm为宜，混凝土浇筑应连续进行。

五、二衬混凝土施工工艺

（1）混凝土施工要求

①衬砌混凝土施工应符合现行《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10424-2010）的有关规定。衬砌施工时，其隧道中线、水平、断面和净空尺寸应符合设计要求。混凝土应满足设计的强度、防水性、耐久性等要求。并做到表面圆、顺、直和光滑。

②衬砌混凝土原材料应进行检验，材料的标准、规格及要求等，应符合《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10424-2010）的有关规定。

③混凝土生产应采用自动计量的拌合站、搅拌输送车运输、输送泵泵送入模的机械化流水作业线，以保证衬砌混凝土的质量。

④除特殊断面外隧道衬砌应采用移动式模板台车，拱、墙整体浇筑。模板台车表面平整，混凝土施工前均匀涂抹脱模剂或模板漆，保证衬砌面平整光洁。

⑤衬砌台车端头模板采用定型钢端模，模板安装紧密，以防漏浆，影响混凝土质量，甚至出现骨料外露情况。混凝土施工时，允许混凝土泌水从缝隙间漏出，漏浆时及时采用无纺土工布封堵。混凝土施工时出现漏浆采取应急措施，及时对漏浆处进行封堵。

⑥灌注混凝土前应将二衬台车工作窗全部打开，先从边墙第一层浇筑窗孔开始浇筑混凝土，首先将放料软管（滑槽）插入第一层第一个窗孔进行分层布料并采用插入式振动棒振捣密实，逐个窗口放料，逐个振捣，并左右侧对称浇筑，第一层窗口采用插入振动棒振捣密实；当放料至窗口底边位置附近，拆除软管（滑槽）至第二层窗孔以同样的方法分层放料振捣，浇筑完成第二层窗口后，开启附着式振捣器振捣，开启应逐个左右对称开启，振动时间尽量采用短时间、多次数左右对称的方法，防止台车因振动时的移位或弹性变形。

⑦重复以上步骤直至将第三层布料窗口全部浇筑完成，将布料管和拱顶浇筑接头相接，浇筑拱部混凝土；拱部设置2~3个混凝土浇筑接口，由低端至高端逐个放料，混凝土高度高过附着式振捣器位置时开启振捣器进行振捣。

⑧混凝土浇筑时应利用每个工作窗口逐个浇筑、逐个振捣、左右对称分层、由低至高将混凝土灌入台车内，确保混凝土在台车内尽量少的流动且不离析。混凝土灌入台车后，边墙应采用插入式振捣棒逐窗插入振捣为主，附着式振捣器为辅振捣密实；拱部混凝土，应至少利用

五、结论

（1）通过理论计算机ANSYS数值模拟得到，在V级围岩结构中，衬砌在拱顶及拱腰位置大偏心受压，安全系数最低，最容易产生破坏。

（2）通过在桐子林隧道现场进行的二次衬砌背后受力监控量测，深入分析了二次衬砌背后受力的时空分布特点，指出在二次衬砌拆模时，此时初支、二次衬砌间的接触压力达到峰值，二次衬砌处于最不利受力状态；通常在二次衬砌拆模后一周左右的时间，二次衬砌受力达到稳定；指出由于拱顶混凝土填充不密实，二次衬砌拱顶处接触压力较小。

（3）综合数值模拟及现场实测数据结果分析，针对二衬受力薄弱环节及传统二衬施工工艺不足的问题，对二衬浇筑工艺进行了全面优化设计，对同类工程的修建具有较好的借鉴作用。

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