考虑环境作用的复合式衬砌结构设计方法探讨

1、考虑环境作用的复合式衬砌结构设计方法探讨肖明清1, 2,(1.西南交通大学土木工程学院,成都610031;2.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉430063 摘要:复合式衬砌是山岭隧道的主要衬砌结构类型,目前不同国家或同国家不同行业采用的设计方法不同,主要差别在于对初期支护耐久性的失效概率大小有不同的考虑。环境作用对初期支护和二次衬砌材料性能有不同的影响,特别是对于喷射混凝土,由于其厚度较薄,除考虑环境的接触性侵蚀外,渗漏溶蚀对材料性能的影响不可忽视。本文结合隧道工程的特点,提出复合式衬砌结构的设计方法应根据环境介质的侵蚀性、水压力、水量大小等因素综合确定。关键词:环境作用;复合式衬砌;设计

2、方法中图分类号:U 451 文献标识码:AResearch on the upward moving of segments of shield tunelXIAO Ming-qing1,2,SUN Wen-hao2(1. School of Civil Engineering , Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China ;2. China Railway Siyuan Survey and Design Group CO., LTD,Wuhan 430063,China Abstract: Engineering practice

3、 shows that it is an objective problem of upward moving of tunnel segments in the construction process, especially in the large-diameter shield tunnel, which is difficult to solve . The factors affecting the upward moving of shield tunnel lining by Finite Element Method(FEM, such as , the physical a

4、nd mechanical properties of stratum material , and the properties of grouting material. According to the analyses from the FEM and about the state of the lining structure in the construction process, the reasons for the upward moving of shield tunnel segments are expounded. Based on the characterist

5、ics of large-diameter shield tunnel, the policies and measures are put forward to control the upward moving of shield tunnel segments in the construction process, which can provide some reference to the design and construction of the shield tunnel .Key words: shield tunnel;segments;upward moving1 引言

6、自奥地利学者L.V.Rabcewic教授于上世纪五十年代提出新奥法以来,复合式衬砌开始成为山岭隧道的主要衬砌结构类型。然而,由于地下工程的复杂性,到目前为止世界各国采用的复合式衬砌结构设计方法各不相同,我国不同行业规范的要求也不相同16,见表1。由表1可见,不同设计方法的差别根源在于对初期支护耐久性失效概率的大小有不同的考虑。表1 不同国家和行业对复合式衬砌结构设计方法的规定国家或行业初期支护和二次衬砌的作用复合式衬砌结构的计算方法备注日本初期支护是主要承载结构,二次衬砌一般作为安全储备,在特殊场合,二次衬砌需满足力学上的要求初期支护以工程类比为主二次衬砌一般采用素混凝土,特殊场合可采用钢筋混

7、凝土德国铁路部门当不能确保初期支护的耐久性时,应由二次衬砌承担全部荷载;当可以确保初期支护的耐久性时,则可以考虑初期支护的作用。行车速度200km/h以上时,初期支护采用荷载结构模型、二维或三维地层结构模型计算;二次衬砌采用荷载结构模型计算。水压力由二次衬砌承担。只有得到监理部门的许可或经检验证明初期支护具有“高质量”,且围岩和地下水不存在侵蚀性(包括弱侵蚀以及按DIN4030没有不良的地下水流动时,才不考虑初期支护作用,且二次衬砌必须采用钢筋混凝土或预制管片衬砌。能考虑初期支护的耐久性法国初期支护的作用是保证施工期间围岩的稳定与安全,二次衬砌承担全部荷载采用地层结构模型或荷载结构模型需考虑正

8、常使用极限状态、承载能力极限状态和偶然作用极限状态中国铁路隧道设计规范初期支护是主要承载结构,二次衬砌在级围岩可作为安全储备,按构造要求设计;级围岩应按承载结构设计。初期支护和二次衬砌可采用工程类比法确定,并采用理论分析进行验算规范中对二次衬砌承担围岩压力的比例无规定,习惯作法为:、级围岩中二次衬砌分别承担规范压力荷载计算值的30%、50%、70%。中国公路隧道设计规范同铁路隧道设计规范同铁路隧道设计规范采用地层结构法计算二次衬砌时,级围岩中承担2040%的释放荷载,级围岩中承担6080%的释放荷载,且地质条件较好时取小值。中国地铁设计规范初期支护按主要承载结构设计,作用在不排水型结构上的水压

9、力由二次衬砌承担。初期支护采用工程类比法确定;应考虑长期使用过程中,外部荷载因初期支护材料性能退化和刚度下降向二次衬砌的转移。选用与结构特点相近的结构设计规范和设计方法设计注:所有规范均要求根据现场量测对支护参数进行调整。2 环境作用对隧道工程的影响分析环境作用主要影响结构的耐久性。环境作用因素包括温度、湿度及其变化、空气中的氧气、二氧化碳和空气污染物(盐雾、二氧化硫、汽车尾气等,土体与水体中的氯盐、硫酸盐、碳酸等物质。目前有关混凝土结构耐久性的研究主要针对地面结构,且以钢筋混凝土和预应力混凝土为主,所采取的措施也主要是为了减少环境作用对钢筋的锈蚀7。专门针对复合式衬砌隧道工程耐久性的研究还很

10、少,我国铁路有关规范也仅对二次衬砌的耐久性提出了具体要求8。复合式衬砌由初期支护和二次衬砌以及设置于二者之间的防水隔离层组成,环境作用对不同支护构件的影响不同。2.1 环境作用对喷射混凝土的影响喷射混凝土外表面直接与围岩和地下水接触,内表面为防水板与二次衬砌,是一个空气流动非常微弱的环境,环境作用对喷射混凝土的影响除碳化作用外,更主要的是地下水的侵蚀性以及渗流的影响。马孝轩等人对现浇混凝土在不同土壤环境中的腐蚀进行了试验研究9,主要研究结论有:土壤对混凝土的腐蚀属于化学腐蚀,对钢筋的腐蚀属于电化学腐蚀。腐蚀的类型和严重程度取决于混凝土的质量和水泥品种、土壤中腐蚀介质的种类和含量及土壤质地。中碱

11、性土壤对混凝土材料属于弱腐蚀,如选材合理、设计正确、施工科学,可以安全使用50年以上;酸性土壤对混凝土材料属于中等腐蚀,随时间的推移,混凝土强度因腐蚀而下降的速度大于混凝土因水泥水化而增长的速度,导致混凝土总的强度逐年下降。除喷射混凝土与围岩的接触性侵蚀外,隧道喷射混凝土与埋设于土中的现浇混凝土有明显的不同之处,喷射混凝土一方面受施工工艺所限,密实度相对较差;另一方面由于喷射混凝土厚度较薄,受地下水的渗流影响非常明显。李金玉等人10对压力水作用下水工混凝土的渗漏溶蚀进行了研究,研究结果表明,水对混凝土的溶出性侵蚀是一项复杂的物理化学反应过程,由于混凝土中水泥水化产物的溶出和分解最后导致混凝土损

12、失胶凝性而失去强度,当混凝土中的CaO溶出25%时,混凝土的抗压强度将下降36%,抗拉强度将下降66%。据此可以推断,即使地下水本身无侵蚀性,但由于喷射混凝土厚度较薄(一般小于30cm,当水压力较大时,渗漏溶蚀将非常严重。图1为某隧道渗漏水引起喷射混凝土溶蚀的照片。渗漏溶蚀对喷射混凝土材料性能的影响与水压力、喷射混凝土厚度、围岩节理裂隙发育程度、地下水和围岩中各种侵蚀性离子类型、含量等有关,目前还缺少研究。 图1 某隧道渗漏水引起喷射混凝土溶蚀的照片2.2 环境作用对钢架的影响隧道初期支护结构中常用的钢架有格栅钢架和型钢钢架。钢架采用喷射混凝土保护,保护层厚度一般为3040mm。受施工条件制约

13、,保护层厚度在施工现场往往难以控制,特别是型钢钢架,经常存在钢架背后局部无保护层或保护层明显不足的现象。笔者认为,对于格栅钢架,由于喷射混凝土密实度较差,如需考虑其使用期的支护作用,则应根据环境情况加大保护层厚度;对于型钢钢架,由于其难以与喷射混凝土结合紧密,钢架表面渗流速度明显高于喷射混凝土本体,地下水的腐蚀作用非常强烈,使用期不宜考虑其支护作用。图2为某隧道沿型钢钢架渗漏水的照片。 图2 某隧道沿型钢钢架渗漏水照片2.3 环境作用对锚杆的影响隧道初期支护结构中大量采用系统锚杆,而锚杆的水泥砂浆保护层厚度仅为1015mm,对于没有采取特殊防腐蚀措施的锚杆,使用期可以不考虑锚杆的支护作用。2.

14、4 环境作用对二次衬砌的影响二次衬砌外表面通过防水板与喷射混凝土隔离,在防水板的耐久性可以得到保证且隧道排水盲沟系统畅通的前提下,环境作用对隧道二次衬砌的影响主要是大气的影响,也即碳化作用和空气中污染物的侵蚀作用。在碳化作用方面,赵铁军等人研究了碳化对混凝土渗透性及孔隙率的影响11,主要结论为:碳化在引起混凝土碱度降低方面,对钢筋混凝土的耐久性是不利的;但在混凝土渗透性及孔隙率方面,碳化使混凝土的抗渗性提高。可见,在隧道工程常见的大气环境下,碳化一般不会引起素混凝土结构强度的降低。至于空气中污染物对素混凝土的侵蚀作用,主要影响二次衬砌的内表面,在采取合理的保护措施或进行正常维护的情况下,其影响

15、非常有限。3 考虑环境作用的复合式衬砌结构设计方法探讨3.1 复合式衬砌结构的设计标准交通隧道的设计使用年限一般为100年。我国工程结构可靠性设计统一标准GB50153-2008规定,结构的设计、施工和维护应使结构在规定的设计使用年限内以适当的可靠度且经济的方式满足规定的各项功能要求。当超过设计使用年限后,结构的失效概率可能较设计预期值增大。同时,该标准还规定,工程结构应按设计规定的用途使用,并应定期检查结构状况,进行必要的维护和维修12。可见,在工程的整个设计使用年限内,结构的可靠性均应达到设计的预定目标。对于采用复合式衬砌的隧道而言,由于初期支护和二次衬砌的外表面在使用期内是难以维护和维修

16、的,因此结构设计时应考虑其对结构可靠性的影响。也就是说,考虑环境作用对隧道材料性能的影响后,结构仍具有足够的强度,且变形和裂缝开展宽度满足使用要求,不会出现整体失稳。3.2 考虑环境作用的复合式衬砌结构设计方法复合式衬砌结构设计方法分类参考国内外复合式衬砌结构的设计规定,主要有以下几种设计方法:方法一:以初期支护为主要承载结构,二次衬砌作为安全储备。该方法在日本较为常用。方法二:以二次衬砌为主要承载结构,初期支护保证施工期间围岩的稳定与安全。该方法在欧洲较为常用。方法三:当地质条件较好时,初期支护为主要承载结构,二次衬砌作为安全储备;当地质条件较差时,初期支护和二次衬砌均是主要承载结构,各承担

17、一定比例的围岩压力。该方法在中国较为常用。对各种设计方法的比选对于方法一,应采取措施确保初期支护的耐久性。如前所述,即使地下水本身无侵蚀性,但由于喷射混凝土厚度较薄,当水压力较大时,渗漏溶蚀仍将非常严重。渗漏溶蚀对喷射混凝土长期性能的影响目前还缺少研究,因此现阶段采用该方法进行设计在理论上还有难度。同时,初期支护本身工艺复杂,即使采取严格的施工质量控制措施,也容易产生质量缺陷。最近日本一些有识之士提出“2020年警钟”,即“日本将从土建大国变成修缮大国13”,这也体现了依靠初期支护承载的实施难度与使用风险。因此,在水压力较高的情况下,该方法不可取。当然,如采取措施引排喷射混凝土背后的地下水,避

18、免初期支护承受水压力,该方法也是一种可行的办法,但必须注意地下水排放对水环境的影响。当水压力较小或埋深虽然较大但地层基本无水时,也可以采用该方法进行设计。对于方法二,应采取措施确保二次衬砌的耐久性。显然,该方法由于在结构耐久性方面的质量容易得到保证,且实施难度小,使用期间的监测与维护方便,是一种可靠的设计方法。当然,该方法必须确保排水盲沟系统的畅通和防水板的耐久性,避免二次衬砌背面接触有侵蚀性的地下水;当采用防水型衬砌结构时,应考虑地下水侵蚀性对混凝土的影响。对于方法三,应采取措施确保初期支护和二次衬砌的耐久性。对于地质条件较好地段,该方法认为二次衬砌仅为安全储备的依据不足。原因是,当地质条件

19、较好时,喷射混凝土厚度一般仅几厘米,当水压力较大时,渗漏溶蚀非常严重,难以确认其支护能力,除非围岩本身不需支护也是稳定的。对于地质条件较差地段,由于喷射混凝土的厚度较大,环境侵蚀性可能不足以使初期支护失去全部强度,因而该设计方法有一定的可取之处。但由于缺少系统的试验研究,计算参数的选取随意性较大。对我国复合式衬砌结构考虑环境作用的设计方法建议我国地域辽阔,地质环境复杂,如采用一种统一的设计方法,难免存在不合理性,建议根据具体的环境条件选用相应的设计方法,见表2。需说明的是,本建议表不针对利用二次衬砌承载的特殊特殊情况,如初期支护变形未稳定时即施作二次衬砌、抗水压衬砌、使用期内围岩有较大附加应力

20、等。表2 对我国复合式衬砌结构设计方法的建议设计方法编号环境作用情况初期支护和二次衬砌的作用计算方法备注方法A 水压力较小或埋深虽然较大但地层基本无水,且无侵蚀性时初期支护是主要承载结构,二次衬砌作为安全储备初期支护采用工程类比或地层结构模型计算,二次衬砌厚度按构造要求选用具体的水量、水压分界值需进一步试验研究方法B 地下水或围岩具有中等及以上侵蚀性初期支护保证施工期间围岩的稳定与安全,二次衬砌承担全部荷载初期支护采用工程类比或地层结构模型计算,二次衬砌宜采用荷载结构模型计算二次衬砌的有效强度和厚度应考虑设计使用年限内侵蚀性的影响方法C 处于弱侵蚀或无侵蚀环境,且水压力较大或水量较大初期支护和

21、二次衬砌按一定荷载比例分别承担围岩压力初期支护采用工程类比或地层结构模型计算,二次衬砌宜采用荷载结构模型计算二次衬砌承担荷载比例按下述原则确定:喷射混凝土厚度越小、或水压、水量越大、或初期支护质量越差时,二次衬砌承担荷载比例越大。4、现有铁路隧道复合式衬砌结构采用不同设计方法的对比分析以下以时速350公里双线铁路隧道深埋级围岩复合式衬砌通用参考图14为例,根据环境作用情况的不同,对采用不同设计方法所得设计参数进行对比见表3。表3 不同设计方法所得双线铁路隧道深埋级围岩复合式衬砌支护参数对比表设计方法喷射混凝土钢架锚杆二次衬砌通用参考图C25厚25cm 22格栅钢架,间距1.0m拱墙设置长3.5

22、m的锚杆(环向间距1.2m,纵向间距1.0m拱墙45cm、仰拱55cm厚的C35钢筋混凝土方法AC25厚27cm 22格栅钢架,间距1.0m拱墙设置长3.5m的锚杆(环向间距1.2m,纵向间距1.0m拱墙35cm、仰拱45cm厚的C30混凝土方法BC20厚23cm 22格栅钢架,间距1.0m拱墙设置长3.5m的锚杆(环向间距1.2m,纵向间距1.0m拱墙55cm、仰拱60cm厚的C30混凝土或拱墙50cm、仰拱55cm厚的C35钢筋混凝土方法CC25厚25cm 22格栅钢架,间距1.0m拱墙设置长3.5m的锚杆(环向间距1.2m,纵向间距1.0m拱墙45cm、仰拱55cm厚的C35钢筋混凝土注

23、:喷射混凝土内设钢筋网,不作为受力构件考虑。方法A中,钢架保护层厚度参考有关规范15取为外侧5cm、内侧4cm,以此确定喷射混凝土厚度,二次衬砌厚度按构造要求采用35cm。方法B中,按钢架保护层厚度外侧2.5cm、内侧2.5cm确定喷射混凝土厚度，二次衬砌采用荷载结构法计算确定。方法 C 中，二次衬砌承担围岩压力的比例 系数取 50，与通用参考图相同；如二次衬砌承担围岩压力的比例系数取 70，则需加大钢筋直径 或混凝土厚度。 由表 3 可见，不同设计方法所得出的喷射混凝土厚度和二次衬砌厚度差别较大，如在各种环境 条件下均采用一种设计方法，势必在工程的经济性或安全性方面带来一些问题。同时也可以看

24、出， 对于以初期支护为主要承载结构的设计方法，仅仅依靠隧道施工期间的监测结果不足以评价整个使 用年限内的安全性。 5、研究结论 、我国现有规范所确定的环境作用等级主要依据接触性侵蚀确定，由于隧道喷射混凝土厚度 较薄，当水压力较大时，由于渗漏所产生的溶蚀将非常严重，在设计中必须加以考虑。渗漏溶蚀对 喷射混凝土材料性能的影响与水压力、喷射混凝土厚度、围岩节理裂隙发育程度、地下水和围岩中 的侵蚀介质类型、含量等有关，应尽快开展此方面的试验研究。 、目前国内外复合式衬砌结构的设计方法主要有三种，由于不同环境条件对初期支护耐久性 的影响不同，设计方法应根据环境介质的侵蚀性、水压力大小、水量大小等因素综合确定。 、根据我国工程结构可靠性设计统一标准 GB50153-2008规定，在设计使用年限的全段时 间内，结构的可靠性均应达到设计的预定目标。隧道结构设计参数必须考虑使用期内难以维护和环 境作用的特点合理确定，对于以初期支护为主要承载结构的设计方法，仅仅依靠隧道施工期间的监 测结果不足以评价整个使用年限内的安全性。 本文