单层衬砌设计理念在青岛地铁的应用与研究

单层衬砌设计理念在青岛地铁的应用与研究

张廉卿

中铁隧道集团二处有限公司，河北， 065201

Application and Research of Single-layer Lining

Design Concept in Qingdao Metro

ZHANG Lian-qing

(Erchu Co. Ltd., of China Railway Tunnel Group, Hebei, 065201)

摘要：单层喷锚支护衬砌能够充分发挥、利用围岩的自承能力，是对“新奥法”与“新意法”修筑理念的进一步继承与革新，与传统复合式衬砌相比，省略防水板与二次衬砌的设置，防水模式由“全包”或“限排”转变为“全疏导”模式，具有免遭外水压力威胁、节约工程投资、缓解工期压力的显著优势，具有较好的工程、经济效益。

Abstract: The single-layer spray-anchor supporting lining can make full use of the self-supporting capacity of surrounding rock, which is an inheritance and innovation of the NATM and NITM construction concepts. Compared with the traditional composite lining, the setting of waterproof board and secondary lining is omitted, and the waterproof mode is changed from "all inclusive" or "limited discharge" to "all dredging" mode, which has the obvious advantages of avoiding the threat of external water pressure, saving project investment, alleviating construction period pressure and better engineering and economic benefits.

关键词：单层衬砌、大跨车站、工程材料、数值计算

Keywords: Single-layer lining; large-span station; engineering material; numerical calculation

中图分类号：U455.4 文献标识码：A

1引言

我国暗挖隧道修筑理念主要以“新奥法”^[1]或“新意法”为主^[2]，普遍采用复合式衬砌结构形式，即支护体系包括初期支护、防水板和二次衬砌^[3]，初期支护作为临时结构，主要承担施工期间的地层压力，二次衬砌作为永久结构，主要承担运营期间的外部荷载，结构耐久性则是由防水板和抗渗混凝土共同保障，尤其是在地质条件较好、地下水贫瘠的I、II、III级围岩中修筑隧洞时，二次衬砌仅作为安全储备存在^[4]，不仅修筑时需要投入大量的人、材、机，而且建成后的维修、保养费用也比较高，因此，在挪威、瑞典、德国等欧洲国家更倾向于采用单层衬砌设计理念来修筑隧道^[5]，更能充分发挥“新奥法”或“新意法”的修筑理念。

2单层衬砌设计理念

复合式衬砌结构由于防水板的存在，初期支护与二次衬砌并不能均匀的传递界面剪切应力，甚至当地下水进入防水板与二衬接触面空间时，二者处于完全的“零摩擦”滑动接触，衬砌结构在水土压力作用下发生变形，但其与围岩变形并不同步、协调，一定程度上与“新奥法”修筑理念相悖，而单层衬砌则是转换设计理念，通过强化初期支护结构施工工艺管控和材料自身性能，而达到取消二次衬砌的目的，同时将“全封堵”或“限量排放”防水模式转变为“全疏导”排水模式，初期支护与围岩完全密贴、变形协调，且无需承担外水头压力，围岩-支护结构应力场、渗流场均匀连续、相互耦合，属于对“新奥法”或“新意法”修筑理念的继承与革新。

3工程概况

青岛地铁1号线西镇站位于市南区费县路正下方，为13m标准岛式站台车站，开挖跨度约20m，拱顶埋深约19.8~23.6m，覆微风化岩厚度为8~21m，综合围岩等级判定为II级，地下水以基岩裂隙水为主、较贫瘠，这就给单层衬砌设计方案的成功应用提供了良好的地质水文条件，主体硐室选择“台阶法”施工，系统支护采用长短结合中空注浆锚杆+双喷层喷射混凝土联合支护，拱部预留400mm的钢筋混凝土结构补强空间，单层衬砌支护横断面如图1所示。

图1 单层衬砌支护横断面图

4工程材料

由于初期支护作为永久结构，需要满足服务年限内结构强度安全与稳定性控制。

1. 系统锚杆采用长短结合布置的形式，壁厚7mm，短锚杆长度L=4m，以主动加固、稳定浅层破碎围岩为主；长锚杆长度L=6m，布置在拱顶、拱肩等容易出现拉应力区或塑性区的位置，以积极调动深部围岩承载力为主，二者空间上呈1.5m×1.5m梅花状布置，可充分发挥不同纵深围岩的“岩承”能力。为保证锚杆百年防腐性能的要求，中空锚杆安装时必须有对中装置，严格控制杆体安装误差，确保水泥浆均匀、饱满的分布在杆体外围，水泥浆结石体强度等级不低于M30，锚杆抗拔设计值按照不小于130KN控制。

图2 锚杆现场施工效果

2. 喷射混凝土选择韧性高、耗能吸能的C35双喷层自防水合成纤维混凝土，抗渗等级为P12，首层厚度150mm，采用聚烯烃纤维混凝土，纤维长度48mm，等效直径0.7mm，抗压强度500~500MPa，杨氏模量7.0GPa；第二层厚度100mm，采用聚丙烯纤维混凝土，纤维等级Ia，圆形截面，韧性0.22N/特克斯，等效直径40µm，长度6mm，也可考虑钢纤维、纤维素纤维，要求混凝土水灰比应不大于0.45，采用自动喷射机械手湿喷工艺，喷射时喷嘴无脉冲和堵塞现象，只允许添加非腐蚀性和无碱速凝剂，首层纤维喷砼面层应一次性喷射完成，以便与围岩形成均匀的早期承载结构，第二层纤维喷砼面层兼具承载、防火、装修等作用，熔点163.6ºC，可燃温度350ºC，自然温度>400ºC，满足地铁永久衬砌结构防火性能的要求。

（a）聚烯烃纤维 （b）聚丙烯纤维

图3 合成纤维照片

3. 防水层采用TamSeal 800喷涂材料，位于双喷层中间，要求其与两侧喷层粘结强度不低于0.5MPa，确保先后施作的两层喷砼共同受力、协调变形，施工前应对首层喷砼基面进行清理、清洁，确保初支基面平整且不存在明水、水泥浆、异物凸起、灰尘污垢等异常情况，为了提高喷涂材料施工治疗及防水性能，TamSeal 800可分两次施作，第一次采用橘色的TamSeal 800，确保防水材料全面覆盖初支基面，之后是第二层是灰色的TamSeal 800，保证总防水喷涂厚度不低于2mm。

图4 TamSeal 800现场施工效果

4. 为保证单层衬砌结构在服务年限内不受外水压力威胁，需设置环、纵排导系统，通过横纵交错的排流设施将衬砌背后的明水引流至侧墙边沟；具体设计方案：环向排水材料选择0.2m宽毛细排水板带，纵向间距8~10m设置一环，排水板带与围岩、衬砌应密贴布置而不引起离层，纵向排水盲管采用DN100双壁波纹管，通长布置在侧墙底部并与边沟盖板基本平齐，其与环向排水板带交界处预留长度200±5 mm、宽2±0.5 mm切槽，以便毛细透排水带插入双壁波纹管，插入深度要求20mm以上，最后通过横向DM50泄水管将明水引流至侧墙边沟即可；局部渗水较大的地方可增设纵向毛细排水板带或将环向布置加密。

图5毛细板带现场施工效果

5工法选择

硬岩隧道采用钻爆法开挖，为降低爆破振动对围岩损伤，充分发挥单层喷锚衬砌-围岩共同承载的能力，采用拱部设置超前小导坑增设临空面，分两次扩挖至拱部设计轮廓，下部则采用中槽先行、边槽滞后的开挖方式，其中拱部超前小导坑超前开挖距离为4~6m，满足稳定岩体最小循环开挖进尺，施工步序如图5所示。

（a）开挖步序 （b）数值模型

图6施工步序图

根据数值计算结果，拱顶沉降仅有0.66mm，远小于设计控制标准20mm，硐室开挖完成后拱顶出现拉应力区，最大值为205.5kPa,远小于微风化岩抗拉强度2.3MPa，说明拱部岩体不会发生受拉屈服破坏。

（a）竖向位移 （b）主应力分布云图

图7数值计算结果

由于岩体内部存在较多节理、裂隙，不能完全等同于连续、均匀介质体，同时考虑到地铁车站行人区采用单层衬砌对结构安全要求较高，不能发生围岩掉块、结构开裂等威胁行人、运营安全等险情，衬砌结构需考虑足够的安全余量；由最大主应力分布云图可知，拱部围岩拉应力区纵深发展深度约1.7~3.2m，影响区域由正拱顶向两侧呈“碟状”趋势逐渐增大但拉应力量值却在逐渐减小，为防止运营期间围岩长时间受拉发生松弛、离散、掉块现象，在拱部全范围增设长短差异化系统中空锚杆支护，锚杆末端至少穿过围岩拉应力区2.0m，最大限度维持、发挥围岩的自承能力。

6重难点分析

单层衬砌作为国内首次应用于地铁大跨车站，重难点问题较为突出、亟待解决，主要集中在如下几个方面：

1. 钻爆法施工应严格控制爆破振速，必须采用光面爆破工艺，尽可能降低爆破振动对地层的损伤，做到控制超挖、严禁欠挖，不断优化爆破工艺及布置参数，确保隧道成型轮廓圆滑，降低开挖后围岩基面应力集中程度，最大程度维持地层围岩的原始应力状态；

2. 加强材料性能、施工质量以及工艺管控，确保先后施作的两层湿喷砼与防水喷涂材料之间具有足够的粘结强度而不发生离层，避免“组合梁”承载结构向“叠合梁”受力构件转变，确保整个生命周期内地铁结构安全、可靠、稳定；

3. 地铁车站属于行人密集区域，考虑到地下工程的隐蔽性、不确定性，需预留二衬补强空间以应对突发情况，但是如何在不造成工程风险和中断运营的前提下施作补强空间二衬结构？这个问题值得深思；

4. 国内尚无与单层衬砌有关的规范、标准指导设计与施工，亟需形成系统的、配套的标准或规范来弥补这一工程建设空白领域，工程效益、经济效益与社会效益十分显著。

参考文献

1. 何鹏. 铁路隧道的新奥法施工技术研究[J]. 长春大学学报, 2020, 30(12): 10-13.

2. 嵇晓晔, 支彦锋, 王玉富, 等. 新意法和新奥法下隧道力学行为的对比分析[J]. 现代隧道技术, 2020, 57(S1): 805-812.

3. 李茂源, 李卓霖, 李炬, 等. 双线铁路隧道复合式衬砌初期支护参数优化分析[J]. 施工技术, 2020, 49(S1): 727-730.

4. 中华人民共和国行业标准. 铁路隧道设计规范:TB1003-2016/J449-2016[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2017.

5. 马兆飞. 铁路硬岩隧道单层永久衬砌结构研究[J]. 交通科技, 2021(03): 89-93.