高速铁路高填方双层衬砌明洞施工工序

罗勇，徐湉源，于丽，王明年

（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

高速铁路高填方双层衬砌明洞施工工序

罗勇，徐湉源，于丽，王明年

（西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

重庆丰都高填方明洞首次将双层衬砌形式引入明洞设计中，结构由内外2层衬砌组成，施工过程主要由施作外衬、施作内衬、回填3部分组成，后两者的施工时机可灵活调整，使得工程有多种施工工序可选用。本文对不同施工工序下双层衬砌明洞的内力及安全性进行分析。结果表明：只有回填土高度超过拱顶后，内衬的施作时机才能对结构内力及安全性产生明显影响。对比各类施工工序的优缺点，提出了工期最短、内衬安全储备最高、回填过程中安全性最高3种方案，可供今后类似工程参考。

高填方明洞；双层衬砌；施工工序

目前高速铁路路网正迅速向西南山区延伸，当高铁线路通过山区城市时，考虑到城市用地紧张及未来发展规划等问题，于隧道洞口修建明洞后再进行回填造地的方法逐渐得到了采用［1-3］，从而使高填方明洞的数量逐渐增多。

高填方明洞需要承受极高的土压力，衬砌厚度一般较大，目前已有的工程实例表明此类明洞衬砌的厚度往往接近甚至超过2 m。此时若仍采用以往的整体式衬砌［4］，会使单层衬砌厚度过大，导致衬砌在施作后硬化过程中释放大量水化热，引发衬砌混凝土产生收缩裂缝［5］，对结构的安全性及耐久性产生极不利影响。

为使明洞衬砌在满足承载能力要求的同时又不会因为截面过厚而产生工后收缩裂缝，故将盾构隧道中采用的双层衬砌结构［6-7］引入高填方明洞的结构设计中，把原本较厚的明洞衬砌划分为外衬与内衬2层，并在二者之间添加垫层进行阻隔，降低了单层衬砌的厚度，从而减弱大体积混凝土施工时的水化热影响。

以往明洞的结构设计一般采用整体式衬砌的形式，其施工工序较为固定，在衬砌达到设计强度后回填至规划标高即可［8］；但对于高填方双层衬砌明洞，其施工工序则具有一定灵活性，其内衬的施作可以选择在回填前、回填过程中、回填后进行。

因此，本文对不同施工工序下双层衬砌明洞在回填完成后的受力状态及安全性进行分析，探讨合理施工工序，以期为今后类似工程参考。

1　工程背景

渝利铁路DK149+437—DK149+810里程段位于重庆市丰都县斜南溪沟谷地区，修筑明洞后再回填造地，并首次在明洞工程中采用了双层衬砌形式，其衬砌由1.4 m厚的外衬与0.5 m厚的内衬组成，两层衬砌之间添加防水板及土工布作为垫层。结构高14 m，最大跨度为20 m，规划回填土高度为41 m（回填土表面至明洞底部的距离）。其横断面见图1。

图1　重庆丰都高填方双层衬砌明洞横断面（单位：m）

该工程原设计为先施作外衬，待其达到设计强度并回填至规划标高后再施作内衬。在该种施工工序下，内衬仅作为安全储备，有利于明洞结构的长期安全及稳定。但实际施工中出于工期的考虑，在回填前就将外衬与内衬均施作完成，二者在回填开始时就共同承担外部荷载。

2　施工工序对结构内力及安全性的影响

2.1各类施工工序介绍

高填方双层衬砌明洞的施工工序可调是因为内衬施作时机可调，因此本节中以内衬开始施作时回填土表面至衬砌底部的距离h为标准，以h值的大小设计3种施工工序。

1）内衬先作：先施作外衬，待其达到设计强度后再施作内衬，内衬达到设计强度后再进行回填，即h= 0，见图2（a）。

2）内衬后作：先施作外衬，待其达到设计强度后开始回填，回填完成后再施作内衬，即h=41 m，见图2（b）。

3）穿插施工：先施作外衬，待其达到设计强度后开始回填，待回填进展到一定程度时再施作内衬，当内衬也达到设计强度后再完成剩余回填工作。本次研究中分别取h=14（回填土刚好达到衬砌顶面），24，34 m，见图2（c）。

图2　3种施工工序

2.2有限元数值模拟分析

2.2.1模型的建立

采用有限元软件ANSYS对各种施工工序进行分析，建立了衬砌及回填土的三维实体单元模型，外衬与内衬之间、外衬与回填土之间均添加了接触单元，可模拟物体之间的相互挤压及滑动。施工过程的模拟则采用生死单元，按照施工工序分步激活相应的单元，以达到模拟实际施工过程的目的。数值模型见图3。

在双层衬砌数值模型中取拱顶、拱肩、拱腰及边墙4个截面进行受力与安全性分析，最后以各截面的轴力、弯矩及安全系数作为分析对象［9］。内力提取点位置见图4。

图3　数值模型

图4　内力提取点位置

图5　不同施工工序下外衬轴力、弯矩、安全系数与内衬施作时机的关系

2.2.2结果与分析

1）不同施工工序下外衬的受力特征

不同施工工序下，回填工作完成后的外衬内力及安全性对比见图5。由图5（a）可知，外衬的轴力与施工工序具有较为明显的相关性。在回填土高度未达拱顶前施作内衬时，外衬的轴力基本不变，变化幅度仅为0.5%～1.3%；若在回填土高度超过拱顶后施作内衬，则外衬轴力的绝对值随h值的增大而增大，且其变化基本呈线性，说明外衬的轴力值与内衬的施作时机紧密相关。由图5（b）可知，外衬各点的弯矩均未表现出明显波动，这说明内衬施作时机对外衬弯矩无明显影响。由图5（c）可知，外衬安全系数与施工工序具有较为明显的相关性，若在回填土高度未达拱顶前施作内衬，外衬安全系数基本不变，变化幅度仅在3%左右；若在回填土高度超过拱顶后施作内衬，施作时机越晚，外衬安全系数越小，且其变化基本呈线性。

2）不同施工工序下内衬的受力特征

不同施工工序下，回填工程完成后的内衬内力及安全性对比见图6。

由图6（a）可知，内衬的轴力与施工工序具有较为明显的相关性，若在回填土高度未达拱顶前施作内衬，内衬轴力的变化幅度相对较小，在17%左右；若在回填土高度超过拱顶后施作内衬，则内衬轴力的绝对值随其施作时机的后延而减小，二者基本呈线性关系，说明内衬自身的轴力与其施作时机关系十分密切。

由图6（b）可知，内衬边墙处的弯矩与内衬自身的施作时机关系不大；其余各点的弯矩与内衬施作时机有比较明显的关系，若回填土高度未达拱顶前施作内衬，内衬弯矩的变化幅度较小，仅为0.3%～0.6%；若在回填土高度超过拱顶后施作内衬，则内衬弯矩的绝对值随着内衬施作时机的后延而减小，二者呈线性关系。这说明内衬自身的弯矩与其施作时机紧密相关。

由图6（c）可知：内衬安全系数与施工工序具有十分明显的相关性，若在回填土高度未达拱顶前施作内衬，内衬安全系数基本不变；若在回填土高度超过拱顶后施作内衬，则内衬施作时机越靠后，其自身安全系数越大，变化幅度十分明显。这说明内衬施作时机越靠后，内衬的安全储备量越大。

图6　不同施工工序下内衬内力、安全性与内衬施作时机的关系

3）综合分析

①当h＜14 m（明洞衬砌高度）时，内衬施作时机对双层衬砌结构的内力及安全性无明显影响。②当h＞14 m时，内衬施作时机对双层衬砌结构的内力及安全性具有极为明显的影响。外衬所分担的荷载比例随h值的增大呈线性增长趋势，内衬承担的荷载比例则相应减小。外衬的安全系数随着h的增大而线性减小，内衬的安全系数则迅速增加。

这表明回填土达到衬砌顶面是一个关键的分界点，只有当h值达到此分界点后，内衬施作时机才能对双层衬砌结构的内力及安全性产生明显影响。

3　推荐方案

根据以上分析，从不同的出发点进行考虑，改进原有的施工工序，推荐3种适用于高填方双层衬砌明洞的施工工序。

1）以缩短工期为出发点，推荐穿插施工工序，即在外衬修筑完毕并达到设计强度后，即可开始施作内衬，同时开始回填，但建议回填土高度暂不超过明洞顶面。在明洞纵向，若回填至明洞顶面的工作先于明洞内衬完成，可将施工人员及机械转移至已施作内衬的里程段，完成后续回填工作；若内衬先于回填工作完成，则继续完成剩余的回填工作即可。

2）以内衬的安全储备为出发点，推荐采用内衬后作的施工工序，即待回填工作全部完成后再施作内衬，此时内衬基本不分担回填荷载，可认为其仅作为安全储备，但该方案的施工工期较长。

3）以回填施工过程中的安全性为出发点，推荐采用内衬先作的施工工序，即待外衬施作完成并达到设计强度后施作内衬，待内衬达到设计强度后再进行回填工作。外衬与内衬两者在整个回填过程中都共同承担回填荷载，且对回填过程中可能出现的偏压或者冲击荷载具有较好的防护性。施工工期则介于以上两方案之间。

4　结论

高填方双层衬砌明洞施工工序具有高度的可调性，其关键因素在于内衬施作时机的选取。通过对比分析不同施工工序下明洞衬砌的内力及安全性，得出主要结论如下：

1）在回填土高度未达拱顶前任何时间点上施作内衬，双层衬砌整体的内力及安全性均无明显变化；在回填土高度超过拱顶后，内衬施作时机则对结构的内力及安全性有着明显影响，其施作时机越靠后，内衬所分担的荷载越小，安全储备量越大。

2）分别以工期最短、内衬安全储备最高、施工过程最安全为出发点，提出了3种适用于高填方双层衬砌明洞的施工工序，可为今后类似工程提供参考。

［1］崔建龙，王起才，李盛.明洞EPS板和土工格栅减载效果研究［J］.铁道建筑，2014（6）：75-77.

［2］杨雄，华科，琚国全.超大跨度超高回填荷载明洞衬砌结构选型探讨［J］.高速铁路技术，2013，4（3）：47-53.

［3］毛金龙.明洞二次高填方护拱方案设计及数值模拟计算［J］.科技信息，2012（3）：509-510.

［4］盛智平.兰新铁路防风明洞结构形式设计研究［J］.铁道建筑，2011（4）：80-82.

［5］赵常煜.大体积承台混凝土水化热温度有限元分析与控制［J］.铁道建筑，2012（9）：47-49.

［6］周济民水下盾构法隧道双层衬砌结构力学特性［D］.成都：西南交通大学，2012.

［7］吴林.盾构隧道双层衬砌计算模型与力学特性研究［D］.成都：西南交通大学，2008.

［8］黄明琦，张明聚，李云超.厦门海底隧道明洞回填前后结构安全性分析［J］.北京工业大学学报，2008，34（3）：265-270.

［9］中华人民共和国铁道部.TB 10003—2005铁路隧道设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

Construction Sequence of Bi-layer Lining of Open Cut Tunnel Under High Filling of High Speed Railway

LUO Yong，XU Tianyuan，YU Li，WANG Mingnian
（Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

T he bi-layer lining mode was introduced in the opencut tunnel design for Chongqing Fengdu high-fill open cut tunnel construction.T he structure consists of inner layer lining and outer layer lining，the construction sequences include outer layer lining construction，inner layer lining construction and backfill，and the construction timing of the latter two could be adjusted flexibly，which makes the project possess a variety of available construction sequences.T he internal force and security of open cut tunnel with bi-layer lining under different construction sequences was analyzed.T he results show that the construction timing of inner layer lining will have a significant effect on the structure internal force and the security only if the backfill height exceeds the vault.T hrough advantages and disadvantages comparison of various construction sequences，3 schemes with the shortest construction period，highest safety reserve of inner layer lining and highest safety in backfill process were presented respectively，which could provide a reference for similar projects in the future.

High-fill open cut tunnel；Bi-layer lining；Construction sequence

U455.4

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.16

1003-1995（2016）09-0062-04

（责任审编葛全红）

2016-06-10；

2016-07-05

罗勇（1985—），男，博士研究生。

王明年（1965—），男，教授，博士。