CN101598028A - 高速铁路超大断面富水黄土隧道衬砌构造 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速铁路超大断面富水黄土隧道衬砌构造，旨在有效地控制隧道结构工后沉降并保持长期稳定。它包括外衬(10)和内衬(20)，外衬(10)由封闭黄土围岩的拱顶段(11)、拱墙段(12)和仰拱段(13)构成，所述拱顶段(11)的拱脚部(11a)横向加宽，其内埋设有周向延伸的拱顶钢架(11b)，拱顶钢架(11b)由锁脚锚杆(11c)锚固在黄土围岩上。本发明的有益效果是，解决了在富水黄土地质条件下大断面黄土隧道施工的技术难题，能有效地控制隧道结构工后沉降并保持长期稳定，模拟高速列车运行的现场激振试验表明，高速列车运行20年后隧道内仰拱填充面累计沉降不大于0.5mm。

Description

高速铁路超大断面富水黄土隧道衬砌构造

技术领域

本发明涉及高速铁路，特别涉及高速铁路超大断面富水黄土隧道的衬砌构造。

背景技术

近些年来我国在黄土地区修建了大量公路、铁路隧道，其中一些黄土隧道土体含水量较大，如宝兰二线新松树湾隧道，黄延高速公路道南隧道等，为黄土隧道的修建技积累了一些经验。但这些已经建成的黄土隧道由于运营期间线路及路面对结构下沉要求不高，采用普通的喷锚网和钢架组成的初期支护体系，重点在于保证施工过程的安全，不太重视隧道修建好后运营阶段的结构下沉问题。而实际上以往公路、铁路黄土隧道运营期间均有不同的结构下沉问题，而这种情况在高速铁路隧道中是必须避免的。

郑州至西安铁路客运专线，线路全长458.8km，是我国在黄土地区新建的运营速度为350km/h的第一条铁路客运专线。全线隧道共计38座，总长约77km，其中黄土隧道总长50km。该客运专线隧道内铺设无砟轨道，要求隧道内线路有高度的平顺性，工后沉降要求不大于15mm，不同结构物间的差异沉降不应大于5mm，沉降控制标准高，必须采用有效的衬砌结构，避免因为运营期间基底受扰动后产生较大的工后沉降。

富水黄土属于典型的黏质粉土。在天然条件下处于硬塑/坚硬状态，承载力较高，压缩变形较小，工程性质良好。但在开挖后，随着黄土围岩孔隙水的逐渐渗出，围岩的松弛、软化现象非常明显，强度大大衰减。特别是在隧道开挖施工机械反复碾压下，基底黄土泥化、软化非常严重，甚至成流塑状态。这种状态会引起初期支护过大的沉降，给隧道的施工和安全带来不利影响，难以满足高速铁路对线下结构工后沉降、变形和长期稳定性的严格要求。在高速列车动荷载长期作用下，富水黄土隧道基底是否软化、泥化以及对隧底长期稳定产生的后果是困扰郑西客专建设的关键问题之一。

发明内容

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高速铁路超大断面富水黄土隧道衬砌构造，衬砌构造能有效地控制隧道结构工后沉降并保持长期稳定，从而满足高速铁路的运营要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高速铁路黄土隧道衬砌构造，包括外衬和内衬，衬由封闭黄土围岩的拱顶段、拱墙段和仰拱段构成，其特征是：所述拱顶段的拱脚部横向加宽，其内埋设有周向延伸的拱顶钢架，拱顶钢架由锁脚锚杆锚固在黄土围岩上。

所述仰拱段下设置有混凝土保护层。

本发明的有益效果是，解决了在富水黄土地质条件下大断面黄土隧道施工的技术难题，能有效地控制隧道结构工后沉降并保持长期稳定，模拟高速列车运行的现场激振试验表明，高速列车运行20年后隧道内仰拱填充面累计沉降不大于0.5mm，远远小于高速铁路安全运营对隧道结构工后沉降的要求(≤15mm)。

附图说明

本说明书包括如下五幅附图：

图1是本发明高速铁路超大断面富水黄土隧道衬砌构造的断面结构示意图；

图2是图1中A局部的放大示意图；

图3是图1中B局部的放大示意图；

图4是张茅隧道DK224+540断面实测沉降曲线图；

图5是激振试验仰拱填充面累计沉降——激振次数关系曲线图。

图中示出构件、部位名称及所对应的标记：外衬10、拱顶段11、拱脚部11a、拱顶钢架11b、锁脚锚杆11c、拱墙段12、拱墙钢架12a、仰拱段13、仰拱钢架13a、混凝土保护层14、内衬20。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1，本发明高速铁路超大断面富水黄土隧道衬砌构造，包括外衬10和内衬20，外衬10由封闭黄土围岩的拱顶段11、拱墙段12和仰拱段13构成。参照图2，所述拱顶段11的拱脚部11a横向加宽，其内埋设有周向延伸的拱顶钢架11b，拱顶钢架11b由锁脚锚杆11c锚固在黄土围岩上。即在隧道上台阶开挖后，两侧拱脚分别向外扩挖一定宽度，架设型钢钢架14，并用锁脚锚杆13锚固后立即喷射混凝土封闭黄土围岩形成拱顶段11。由于加宽的拱脚部11a增大了拱脚受力面积，拱顶钢架11b、锁脚锚杆11c的设置提高了脚承的承载力，因此能有效地控制拱部初期支护下沉。

参照图2，为有效地控制黄土围岩的变形和增强初期支护的稳定性，所述拱顶段11为其内加设钢筋网的喷射混凝土层。参照图1和图2，所述拱墙段12内埋设有周向延伸的拱墙钢架12a，仰拱段13内埋设有周向延伸的仰拱钢架13a，拱顶钢架11b与拱墙钢架12a、拱墙钢架12a与仰拱钢架13a对接，形成环绕黄土围岩周壁的全环钢架。

参照图3，所述仰拱段13下设置有混凝土保护层14，即开挖至隧底时，应及时喷射混凝土形成混凝土保护层14对隧底进行封底处理，尽量减小在仰拱施作时基础反复碾压造成的基底软化、泥化和破坏。混凝土保护层14的厚度为15～20cm。为确保大断面黄土隧道衬砌构造的永久稳定性，所述内衬20采用整体式钢筋混凝土衬砌。

以下以郑州至西安铁路客运专线张茅隧道为例对本发明作进一步的说明：

张茅隧道位于郑西客专渑池至灵宝段，隧道全长8483m，为郑西客专最长的隧道。隧道出口段3190m(最大埋深100m)位于地下水位以下的第四系中更新统黏质黄土中，为V级围岩。地下水水头高出拱顶最大约20m，黏质黄土垂直节理发育，含丰富的孔隙水，天然含水量23％。该隧道地形为黄土台塬地貌，黄土冲沟发育，地形切割冲刷严重，地势陡峻，黄土塬上地形平坦开阔，地面高程640～740m，相对高差约100m。隧道主要位于<3-2>黏质黄土(Q₂)地层中。黏质黄土Q₂具有如下特点：褐黄、棕黄、棕红色、深棕红色，硬塑～坚硬，垂直节理发育；夹数层0.05～1.0m钙质结核层(姜石层)；夹数层古土壤层(据区域地质资料最多为九层)，厚度数十厘米至数米，古土壤层成份为黏土，具弱～中等膨胀性；黏质黄土部分亦具弱膨胀性；夹砂层、圆砾土及卵石土透镜体，属III级硬土。

张茅隧道富水黄土段结构设计：锚网喷及型钢钢架组成初期支护，钢筋混凝土二次衬砌。张茅隧道富水黄土段支护参数如表1所示。

表1张茅隧道富水黄土段支护参数表

注：拱墙初期支护喷射混凝土掺加合成纤维，掺量为1.2kg/m³；二次衬砌均为钢筋混凝土，主筋采用每延米5根Φ22钢筋。

张茅隧道衬砌构造和以往的富水黄土隧道衬砌构造的主要不同点有：(1)拱顶段11增设大拱脚，隧道上台阶开挖后，两侧拱脚部11a分别向外扩挖0.8m，架设拱顶钢架11b后立即喷砼封闭，从而达到增大拱脚受力面积、控制拱部初期支护下沉的目的；(2)锁脚锚杆11c，大断面黄土隧道由于拱(墙)脚承载力低，初期支护易产生较大下沉，设置锁脚锚杆11c是控制初期支护下沉的主要手段。张茅隧道分3个台阶开挖，共设置6处、每处6根Φ42锁脚锚杆，即每榀钢架设36根锁脚锚杆；(3)隧道底部增设混凝土保护层14：施工中及时开挖至隧底、并及时喷射15～20cm混凝土形成混凝土保护层14对隧底进行封闭处理，以保护隧底，尽量减小在仰拱施作时基础反复碾压造成的基底软化、泥化和破坏；(4)为了有效控制施工过程中的下沉，还需保证喷射混凝土封闭开挖面，如若不能及时封闭开挖面(包括掌子面弧形导坑部分)，随着地下水的很快渗出，容易产生坍塌。仰拱及时闭合，初期支护仰拱闭合距掌子面控制在25m左右。

隧道基底沉降试验和分析：

1.铺设无砟轨道前的沉降

张茅隧道分别在明暗交接处、衬砌变化处、变形缝处以及进出口位置布设35组观测断面，测点位于水沟盖板顶以上30cm处的拱墙上。从沉降观测的时间分析，前期6周至8周沉降量较大，后期基本稳定，最大总下沉量4.4mm，最小下沉量1.8mm。DK224+540断面实测沉降曲线如图4所示，该曲线表明衬砌构造下沉已经稳定，满足铺设无砟轨道的条件。

2.铺设无砟轨道后的沉降

在高速列车动荷载作用下，隧道结构的长期稳定性是工程成败的关键核心问题，因此，必须对动荷载作用下隧道基底的性状进行研究，这就要借助于模拟高速列车振动效应的激振试验。试验采用了西南交通大学为郑西客运专线隧道基底激振试验专门研制的DTS-1型动力试验系统。激振试验过程中隧道仰拱填充面累计沉降——激振次数之间的变化曲线如图5所示。

由图5可见，仰拱填充面累计沉降——激振次数之间的变化曲线大致分为三阶段：

(1)初始稳定阶段，即当累计激振次数≤100万次时，仰拱填充面激振累计沉降(塑性沉降)基本保持常值，为S_累计≤0.15mm；

(2)沉降发展阶段，即当100万次＜累计激振次数≤180万次时，仰拱填充面激振累计沉降s累计快速增加至0.46mm；

(3)稳定阶段，即当180万次＜累计激振次数≤230万次时，仰拱填充面激振累计沉降大致保持不变，趋于稳定，为S_累计≤0.5mm。

可见，张茅隧道仰拱填充面累计沉降——激振次数曲线呈现出激振沉降稳定型特性(即非激振发散型性质)，即激振沉降随激振次数增加逐渐趋于稳定。在230万次激振后仰拱填充面激振累计沉降S_累计≤0.5mm，以运营期间每天100对车次计，230万次相当于20年的运营时间，也就是说，高速列车运行20年后隧道内仰拱填充面累计沉降不大于0.5mm，这远远小于高速铁路安全运营对隧道结构工后沉降的要求(≤15mm)。

Claims (5)

1.高速铁路超大断面富水黄土隧道衬砌构造，包括外衬(10)和内衬(20)，外衬(10)由封闭黄土围岩的拱顶段(11)、拱墙段(12)和仰拱段(13)构成，其特征是：所述拱顶段(11)的拱脚部(11a)横向加宽，其内埋设有周向延伸的拱顶钢架(11b)，拱顶钢架(11b)由锁脚锚杆(11c)锚固在黄土围岩上。

2.如权利要求1所述高速铁路超大断面富水黄土隧道衬砌构造，其特征是：所述仰拱段(13)下设置有混凝土保护层(14)。

3.如权利要求2所述高速铁路超大断面富水黄土隧道衬砌构造，其特征是：所述拱墙段(12)内埋设有周向延伸的拱墙钢架(12a)，仰拱段(13)内埋设有周向延伸的仰拱钢架(13a)，拱顶钢架(11b)与拱墙钢架(12a)、拱墙钢架(12a)与仰拱钢架(13a)对接形成全环钢架。

4.如权利要求3所述高速铁路超大断面富水黄土隧道衬砌构造，其特征是：所述拱顶段(11)为其内加设钢筋网的喷射混凝土层。

5.如权利要求1、2或3所述高速铁路超大断面富水黄土隧道衬砌构造，其特征是：所述内衬(20)为整体式钢筋混凝土衬砌。

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