寶蘭客運專線石崖隧道下穿巖堆綜合設(shè)計

劉建紅

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司橋梁隧道處,西安 710043)

1 工程背景

1.1 概況

寶蘭客運專線位于甘肅、陜西省境內(nèi),正線全長400.57 km,線路主要穿越南隴山與西秦嶺北緣過渡帶中山區(qū)、天禮盆地低山丘陵區(qū)、黃土高溝壑、梁峁區(qū)。隧道工程總計273.465 8 km/74座,占線路全長的68.3%,其中特長隧道77 032.29 m/6座。

石崖隧道位于寶蘭天水市麥積區(qū)石佛鄉(xiāng)境內(nèi),線路以隧道方式穿越渭河左岸導(dǎo)流山,全長1 482 m,為雙線隧道,最大埋深約280 m,進口與王家灘渭河大橋相連。

1.2 石崖隧道線路走向選定

線路自天水南出站至三陽川之間,大型滑坡密集錯址分布,不良地質(zhì)異常發(fā)育；加之渭河在此蜿蜒曲折,既有隴海鐵路依山傍水而建；渭河隧道下穿籍河河谷且周圍滑坡等不良地質(zhì)發(fā)育,故石崖隧道線路走向選定主要受渭河隧道、機場定向臺、北山滑坡、拆遷及隴海鐵路等因素控制。線路為了繞避滑坡,選擇較好的渭河隧道方案,減少對既有隴海鐵路的影響,并滿足渭河防洪的要求,最終確定以石崖隧道進口穿越巖堆而改善天水南出站至三陽川線路的建設(shè)方案。

2 工程地質(zhì)及巖堆

隧道穿越的地層巖性為第四系全新統(tǒng)滑坡堆積黏質(zhì)黃土、碎石土,第四系上更新統(tǒng)風積黏質(zhì)黃土,上第三系泥巖、寒武系片麻巖等。

隧道進口為由人工采石引起的高陡危巖及巖堆體,其規(guī)模大,且為無序開采。人工采石引起的危巖及巖堆體以碎石土為主,夾大塊石,巖體松散,穩(wěn)定性差。巖堆主軸長約180 m,寬度約190 m,厚15～30 m,自然坡度40°～50°。

危巖大多分布在高140 m范圍內(nèi),由于構(gòu)造影響及人工采石放炮振動,巖體破碎,坡面凹凸不平,且存在危巖和落石,坡面整體穩(wěn)定性差。巖堆體與石崖隧道進口位置見圖1、圖2。

石崖隧道進口端DK782+780～DK782+870位于人工采石引起的滑塌堆積體及棄渣中,厚度為15～25 m,松散堆積,自然坡面約40°,且頂部裸露的寒武系片麻巖受構(gòu)造影響較為嚴重,巖體破碎,易掉塊坍塌,穩(wěn)定性極差。

地震動峰值加速度為0.30g，相當于地震基本烈度8度,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

圖1 石崖隧道進口巖堆

圖2 石崖隧道進口巖堆平面

3 下穿巖堆綜合設(shè)計

巖堆的治理方案應(yīng)根據(jù)巖堆類型、規(guī)模、穩(wěn)定性分析,并結(jié)合巖堆區(qū)工程地質(zhì)條件、施工條件等因素確定[1]。本工點存在巖堆體推力較大、巖石松散破碎,基礎(chǔ)位于碎石土等特點,為確保隧道洞口施工及運營安全,設(shè)計采用“錨索框架梁防護+錨索抗滑樁+接長明洞+拱蓋法”的綜合立體防護措施。在隧道右側(cè)設(shè)錨索抗滑樁,做為主體的支擋結(jié)構(gòu),以防止山體開裂或滑塌,然后再清理抗滑樁及隧道洞頂間的碎石土,并對坡面采用錨索框架梁防護；為確保施工期及后期運營安全,接長明洞并將橋臺包入隧道,明洞采用拱蓋法設(shè)計。

3.1 錨索抗滑樁

錨索抗滑樁[2-6]是一種加固、整治滑坡或坡面滑塌的有效方法,迄今為止它是在各種滑坡及邊坡治理中應(yīng)用最多的一種結(jié)構(gòu)物。

3.1.1 錨索+抗滑樁設(shè)計

石崖隧道進口右側(cè)存在大面積的巖堆體,為了避免在后期清理隧道影響范圍內(nèi)的巖堆體時引起滑坡,減小其對隧道結(jié)構(gòu)的擠壓,防止隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形,在隧道右側(cè)距離隧道中線11 m處設(shè)8根錨索抗滑樁,樁截面尺寸分別為2 m×3 m和1.5 m×2.5 m,樁間距均為6 m；隧道洞口正面共設(shè)5根抗滑樁,截面尺寸1.5 m×2.5 m,樁中心間距6 m。隧道右側(cè)抗滑樁間設(shè)混凝土擋板。樁長19～29 m?？够瑯犊v斷面見圖3。

圖3 側(cè)面抗滑樁縱斷面

錨索位于樁頂下1 m,角度下傾30°,錨索鉆孔直徑均為130 mm,錨索自由段長21 m,錨固段長8 m,錨索采用5根φ15.2 mm高強度、低松弛鋼絞線制作,鋼絞線強度等級為1 860 MPa,錨索張拉鎖定值300 kN,錨固段進入弱風化巖層不小于9 m,錨具采用OVM15-5型。

3.1.2 錨索抗滑樁計算

抗滑樁按Winkler彈性地基梁進行計算,計算方法采用懸臂樁法,按庫侖土壓力計算作用在樁上的下滑力,錨索相當于在抗滑樁上施加一個集中力,并采用“m”法計算樁的位移和內(nèi)力。

(1)基本假定

假定樁為剛性的；忽略樁與周圍巖、土間的摩擦力、黏著力；錨固段地層的側(cè)應(yīng)力成直線變化,其中:滑動面和樁底地層的側(cè)壁應(yīng)力發(fā)揮一致,并等于側(cè)壁容許應(yīng)力,滑動面以下一定深度范圍內(nèi)的側(cè)壁應(yīng)力假定相同,并設(shè)此等壓段內(nèi)的應(yīng)力之和等于受荷段荷載；滑坡推力按矩形均勻分布。

(2)計算參數(shù)

隧道進口滑動面以上為滑坡堆積體及棄砟,其計算參數(shù)為重度γ=20 kN/m3,摩擦角φ=35°,滑動面以下為強風化的片麻巖,抗滑樁嵌入弱風化的片麻巖中。

(3)抗滑樁位移及內(nèi)力計算結(jié)果

本次錨索抗滑樁計算采用理正巖土計算軟件,并按庫倫土壓力計算方法計算下滑推力,并對滑坡推力作用下的每根的樁身內(nèi)力、位移及配筋進了計算。下面列舉了幾根典型樁的計算結(jié)果(圖4，圖5)。

圖4 7號樁計算結(jié)果

圖5 3號樁計算結(jié)果

經(jīng)計算,3號抗滑樁內(nèi)力最大,最大彎矩為28 574 kN·m,配70φ28 mm的鋼筋,其余抗滑樁可滿足配筋及穩(wěn)定性的要求。

3.2 坡面錨索框架梁防護

由于巖堆清理后,坡體內(nèi)的巖土初始應(yīng)力狀態(tài)改變,坡腳處剪應(yīng)力集中,坡頂及坡面可能出現(xiàn)拉、張應(yīng)力區(qū)。坡體應(yīng)力隨時間的變化引起坡體沿優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面方向發(fā)生變形破壞,易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。為確保已經(jīng)開挖的邊、仰坡穩(wěn)定,及時封閉坡面,確保施工及運營安全,對已清除巖堆的坡面采用錨索框架梁[7]進行永久加固。

錨索與框架梁連成整體,在加固和受力上有很多優(yōu)勢。一方面由于錨索的加固深度大、范圍廣,施加預(yù)應(yīng)力后使邊坡在可能失穩(wěn)之前就受到主動加固支護,另一方面框架梁能有效地使錨索整體受力,防止坡面在可能失穩(wěn)時,導(dǎo)致單根錨索受力而使其破壞。錨索框架梁立柱及橫梁均采用C30鋼筋混凝土澆筑,截面尺寸均為0.4 m×0.5 m的矩形；格構(gòu)交叉點設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索,錨索長為20～32 m,其中錨固段8 m。

預(yù)應(yīng)力錨索鉆孔φ100 mm,錨索采用5根φ15.2 mm高強度、低松弛鋼絞線制作,鋼絞線強度等級為1 860 MPa,錨索鎖定值500 kN,超張拉至600 kN,錨索按矩形排列,其垂直及水平間距為5.0 m×5.0 m；格構(gòu)內(nèi)邊坡坡面掛機編低鍍鋅雙紐鐵絲網(wǎng),鐵絲網(wǎng)用鋼筋混凝土格梁、錨索固定,格構(gòu)內(nèi)采用噴射混凝土護坡防護,噴射混凝土厚度為10 cm,噴射混凝土護坡每隔2～3 m上、下、左、右交錯設(shè)置泄水孔,泄水孔為孔徑0.05 m的圓孔。錨索框架梁縱斷面布置見圖6。

圖6 錨索框架梁縱斷面布置

3.3 明洞防護

隧道邊、仰坡雖然采用錨索抗滑樁及錨索框架梁進行防護后,整體的邊坡得到了加固,但是由于坡面破碎,巖體節(jié)理裂隙及風化強烈,為防止在運營過程中邊、仰坡范圍內(nèi)小的危巖落石滾落,威脅運營及橋梁結(jié)構(gòu)的安全,在邊仰坡采用錨索框架梁處理后,再接長明洞,使之在縱向上形成立體防護體系,確保后期運營安全。

結(jié)合地形情況,進口接長29 m明洞,王家灘渭河大橋橋臺進洞9.6 m。明洞段基礎(chǔ)位于人工采石引起的滑塌堆積體及棄渣中,厚度為15～25 m,原巖成分為寒武系片麻巖,基礎(chǔ)較差。明洞結(jié)構(gòu)在橋梁進洞段,采用整體結(jié)構(gòu)將橋臺包入結(jié)構(gòu)中,以提高結(jié)構(gòu)的整體性。

為提高基底承載力,防止結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降,橋臺進洞段基礎(chǔ)采用φ125 cm鉆孔灌注樁,樁的中心間距3.0 m,樁長為6～9 m；其余明洞段基礎(chǔ)采用φ76 mm的鋼管樁[8],樁長為3 ～9 m,間距1.0 m×1.0 m,按梅花形布置。通過基底處理,以消除隧道變形、下沉、邊墻擠壓等隱患。

圖7 石崖隧道進口縱斷面

圖8 石崖隧道進口橫斷面(單位：cm)

為防止橋臺基坑、明洞內(nèi)邊墻開挖大面積剝離山體,其開挖采用近直立開挖[9]。施工中采用錨桿對橋臺基坑及明洞內(nèi)邊墻進行加固,錨桿采用φ22 mm的砂漿錨桿,間距1.5 m×1.5 m,梅花形布置。隧道進口橫、縱斷面如圖7、圖8所示。

3.4 拱蓋法設(shè)計(圖9)

圖9 隧道拱蓋法施工示意

明洞頂為人工采石形成的堆積體,松散、穩(wěn)定性差,如采用暗挖施工難度極大,且投資高,施工風險大,采用通常的明洞做法,明洞兩側(cè)的邊坡高,最高處約為29 m,且刷方量及開挖范圍很大,并將影響到右側(cè)抗滑樁的穩(wěn)定。為了方便清除洞頂?shù)乃槭?減小明洞邊坡的開挖高度,明洞采用拱蓋法設(shè)計,即采用“明做護拱、暗挖通過”[10]的施工方法過渡到暗挖段。

明洞施工首先采用放坡清除頂部的堆積體,并及時施做邊坡防護,確保邊仰坡穩(wěn)定,之后在兩側(cè)坡腳施工各寬1 m的鋼筋混凝土導(dǎo)向墻,導(dǎo)向墻混凝土達到規(guī)范要求的強度后施做進暗洞段的超前大管棚及超前小導(dǎo)管,隨后施做2組導(dǎo)向墻之間的護拱混凝土,待達到規(guī)范要求的強度后采用M10漿砌片石和夯填土石對其進行回填,完成明做部分后,隨后采用CRD法實施暗洞開挖。

超前支護大管棚[11]采用φ89 mm的熱軋無縫鋼管,壁厚5 mm,長30 m,環(huán)向間距60 cm,外插角6°～8°。超前小導(dǎo)管采用φ42 mm的熱軋無縫鋼管,壁厚3.5 mm,在管身設(shè)注漿孔,孔徑6～8 mm,環(huán)向間距60 cm,外插角10°。

4 結(jié)語

石崖隧道進口邊、仰坡高陡,并且受巖堆影響,施工及運營期間的風險較大。通過設(shè)置錨索抗滑樁以阻擋大面積巖堆對隧道的影響,減小對隧道結(jié)構(gòu)的擠壓,以防止結(jié)構(gòu)變形；隧道洞頂及邊墻還有小范圍的巖堆渣體,對其進行清除,并對清理后的坡面采用錨索框架梁防護;為防止危巖、落石危及后期運營安全,采用接長明洞設(shè)計,并對碎石基底采用鉆孔灌注樁及鋼管樁進行處理,以提高其承載力,防止發(fā)生不均勻沉降；為了確保洞口施工安全,明洞與暗洞之間采用拱蓋法施工進行過渡。這些措施有效地保證了巖體的穩(wěn)定性,給施工及行車創(chuàng)造了安全條件,但是由于處理難度大,工程費用高,后期運營存在風險,建議在選線時應(yīng)盡量避開巖堆等不良地質(zhì),以降低安全風險。

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