軟質(zhì)巖高邊坡路基改隧道方案研究

羅勝利,甘目飛

(1.中鐵二院昆明勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,昆明 650200； 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

1 工程概況

云桂鐵路位于云南、廣西境內(nèi)，自昆明南新客站向東經(jīng)玉溪、紅河、文山、百色至南寧站，全長709.518 km；設(shè)計速度為200 km/h，預(yù)留250 km/h提速條件(開行雙層集裝箱)[1]。白臘寨車站位于云南省文山州廣南縣南屏鎮(zhèn)白臘寨村。車站設(shè)到發(fā)線4條(含正線)，有效長880 m。站房設(shè)于線路右側(cè)。

DK394+160～DK394+360段原設(shè)計采用路基方案，該方案為自坡腳至塹頂均采用刷坡方式，刷坡坡率均為 1∶1.25，每級邊坡高度均為10 m，兩級邊坡之間設(shè)置寬平臺，其中第三級、第六級邊坡頂平臺寬度為15 m，其余平臺寬度均為3 m，該方案最大邊坡高度為101.7 m。斷面見圖1。

由于路基方案邊坡太高，國內(nèi)鐵路建設(shè)未有相關(guān)工程案例，工程風(fēng)險和施工難度均較大，經(jīng)多次組織專家進(jìn)行現(xiàn)場勘察并分析研討后決定研究隧道方案。

2 工程地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

圖1 白臘寨車站路基斷面(單位：m)

測區(qū)屬低中山剝蝕與溶蝕地貌，斜坡位于西洋河右岸，地形起伏大，坡腳高程約740 m，坡頂高程約1 075 m，相對高差約335 m，自然橫坡30°～50°；坡體溝谷發(fā)育，沿線路方向地形波狀起伏，沖溝基本沿垂直線路朝北方向發(fā)育。山坡坡面上分布喬木和灌木林，植被覆蓋率高。

2.2 地層巖性

斜坡地表上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積層(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土；下伏基巖為三疊系下統(tǒng)羅樓組(T1l)砂巖夾泥巖、砂巖夾泥巖擠壓破碎帶及斷層角礫(Fbr)[2]。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震動峰值加速度

測區(qū)處于南嶺巨型復(fù)雜緯向構(gòu)造帶的西段與滇越巨型旋扭構(gòu)造體系(或稱文山巨型旋扭構(gòu)造體系)的復(fù)合部位。主要斷裂構(gòu)造為區(qū)域性逆斷層董堡—那桑圩斷層及其伴生擠壓破碎帶、甘蔗園1號斷層。斜坡處于董堡—那桑圩斷層與甘蔗園1號斷層之間。巖體受構(gòu)造影響嚴(yán)重，小型褶皺發(fā)育，節(jié)理發(fā)育～極發(fā)育，巖體破碎。見圖2。

圖2 斜坡所處構(gòu)造帶位置衛(wèi)星圖

測區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

2.4 斜坡穩(wěn)定性評價

該斜坡巖層整體傾向山體內(nèi)側(cè)，屬切層坡，傾向坡外貫通性較好節(jié)理傾角大于斜坡自然橫坡坡度，該斜坡天然整體穩(wěn)定性較好，但本工點范圍內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，巖體破碎，風(fēng)化層厚度較大，開挖后邊坡自穩(wěn)性較差，應(yīng)加強支擋防護(hù)工程。

3 隧道方案

隧道位于白臘寨車站內(nèi)，為四線隧道，線間距均為5.0 m，隧道內(nèi)輪廓根據(jù)本線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、接觸網(wǎng)、信號和站場專業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定[3]。結(jié)合現(xiàn)場地形地質(zhì)條件，隧道方案有明洞方案、暗洞方案?，F(xiàn)分別介紹如下。

3.1 明洞方案

明挖方案系全隧采用明挖法分層開挖，在開挖前先施作地表防排水系統(tǒng)，由上至下分層依次施作第二、四級平臺處錨固樁及坡腳預(yù)加固樁，且達(dá)到設(shè)計強度后方可進(jìn)行下一級邊坡。開挖過程中及時施作錨索(桿)框架梁灌草護(hù)坡及深層泄水孔[4]。本方案最大邊坡開挖高度63.7 m。

3.1.1 斷面形式

明洞結(jié)構(gòu)形式為單壓與偏壓明洞相結(jié)合。圖3、圖4為其典型斷面。

明洞頂回填土石厚4 m，按1∶10坡率進(jìn)行設(shè)計，允許堆積坡度按1∶5進(jìn)行設(shè)計，運營期間應(yīng)加強對明洞頂堆積物的檢查，當(dāng)堆積物超過設(shè)計厚度時應(yīng)及時清除。

3.1.2 結(jié)構(gòu)荷載計算

本次四線明洞結(jié)構(gòu)計算模型采用荷載-結(jié)構(gòu)模型[5]，采用大型通用有限元軟件Ansys進(jìn)行計算，按破損階段法進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，襯砌結(jié)構(gòu)采用二維梁單元Beam3模擬，地層連桿采用受壓桿單元Link10模擬。

圖3 白臘寨車站偏壓明洞典型斷面(單位：cm)

圖4 白臘寨車站單壓明洞典型斷面(單位：cm)

(1)計算荷載

考慮永久荷載及圍巖約束襯砌的彈性抗力。其中永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、回填土石(含規(guī)定的塌方儲備)垂直壓力及側(cè)向壓力、墻背及仰拱底部彈性反力、墻背主動土壓力、0.25倍邊坡最大水平推力(由于明洞路基面至抗滑樁樁頂15 m高范圍安全系數(shù)按1.05計算，路基面15 m高以上范圍安全系數(shù)按1.3計算，則明洞左側(cè)拱圈及邊墻水平荷載考慮0.25倍邊坡最大水平力)等。

(2)計算參數(shù)

外邊墻采用C30混凝土，內(nèi)邊墻、拱部及仰拱采用C35鋼筋混凝土。

圍巖及襯砌物理力學(xué)指標(biāo)按《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003—2005)[6]表3.2.8、5.1.9、5.2.3取值。

(3)計算結(jié)果及分析

①偏壓明洞

a.單元模型

按拱墻、仰拱整體受力且局部(邊墻和仰拱)考慮彈性抗力作用的模型計算。如圖5所示。

圖5 偏壓明洞計算模型單元編號

圖6 單壓明洞計算模型單元編號

b.配筋情況

根據(jù)計算結(jié)果，拱頂及仰拱厚度采用110 cm，邊墻最小厚度采用150 cm，主筋拱墻采用每延米10根φ25 mm鋼筋，仰拱采用每延米5根φ25 mm鋼筋，邊墻角增設(shè)5根φ25 mm鋼筋。

②單壓明洞

a.單元模型

拱圈、內(nèi)邊墻和仰拱按固定在外邊墻上且局部(內(nèi)邊墻和仰拱)考慮彈性抗力作用的模型計算。如圖6所示。

b.結(jié)構(gòu)及配筋情況

根據(jù)計算結(jié)果，明洞拱頂及仰拱厚度采用110 cm，邊墻最小厚度采用150 cm，耳墻坡率采用1∶0.25，主筋拱墻采用每延米10根φ25 mm鋼筋，仰拱采用每延米5根φ25 mm鋼筋，靠山側(cè)內(nèi)邊墻角增設(shè)5根φ25 mm鋼筋。

c.明洞整體穩(wěn)定性驗算(圖7)

圖8 DK394+190明暗分界斷面(單位：cm)

圖7 明洞整體穩(wěn)定性檢算圖示(單位：cm)

經(jīng)檢算，四線Ⅳ式明洞傾覆穩(wěn)定性及滑動穩(wěn)定性均滿足要求(規(guī)范規(guī)定傾覆穩(wěn)定性≥1.6，滑動穩(wěn)定性≥1.3)，見表1。

3.2 暗洞方案

暗挖方案系隧道進(jìn)、出口洞口段采用明挖法分層

表1 明洞整體穩(wěn)定性系數(shù)

開挖，當(dāng)洞頂埋深達(dá)到10～12 m且位于W3地層時采用暗挖法開挖。明挖段按明挖方案開挖防護(hù)，最大邊坡開挖高度59.6 m。暗挖段采用復(fù)合雙側(cè)壁導(dǎo)坑法[7]開挖，φ159 mm雙層大管棚超前支護(hù)，拱部采用HW300型鋼鋼架，邊墻采用I25型鋼鋼架加強支護(hù)，鋼架間距均為0.5 m。

由于暗洞段跨度太大，線路左側(cè)為擠壓破碎帶，巖層產(chǎn)狀紊亂，節(jié)理極為發(fā)育，巖體多呈碎塊狀，且存在地形偏壓，為減小暗洞開挖引起拱部及隧道左側(cè)土體變形對隧道結(jié)構(gòu)的影響，確保施工開挖及運營的安全，在隧道開挖前，于線路左側(cè)距暗洞襯砌邊緣外1.0 m位置設(shè)一排預(yù)加固樁。

暗洞段施工工序為:洞口及洞身段預(yù)加固措施及防護(hù)→超前大管棚→暗洞開挖。典型斷面如圖8所示。

明洞段襯砌尺寸及配筋同明洞方案，暗洞段參照六沾線烏蒙山二號隧道[8](鐵路工程目前唯一修建成功的四線隧道)四線襯砌參數(shù)設(shè)置：Ⅴ級四線復(fù)合式襯砌：拱部及仰拱厚度采用110 cm，邊墻最小厚度采用180 cm，邊墻最大厚度376 cm；主筋拱部50°范圍采用每延米20根φ28 mm雙層鋼筋，其余地段采用每延米15根φ28 mm雙層鋼筋，仰拱采用每延米4根φ28 mm鋼筋。

3.3 優(yōu)缺點比較

白臘寨車站隧道采用明挖方案及暗挖方案均具備工程實施條件，以下從工程措施、施工風(fēng)險及環(huán)境保護(hù)等方面對明挖方案及暗挖方案優(yōu)劣性進(jìn)行比較。

3.3.1 暗挖方案

(1)由于考慮該隧道屬砂巖夾泥巖為主的淺埋軟質(zhì)巖隧道，巖體破碎，地表覆蓋的第四系全新統(tǒng)殘積層粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化層較厚，土質(zhì)松散，地形偏壓，線路左側(cè)為寬約30 m的擠壓破碎帶，且隧道拱頂以上最大埋深不足20 m，故成拱能力極差[9]。

(2)隧道開挖最大寬度達(dá)29.5 m，對于如此大跨度的暗洞隧道，雖有六沾線烏蒙山二號隧道的先例，但白臘寨車站隧道整段全處于地形偏壓、埋深淺地段(扣除土層與全風(fēng)化層，最大覆蓋厚度為5～15 m)，尚屬首例，隧道設(shè)計及施工均尚處于摸索階段。

(3)隧道受地表降雨及地下水影響十分敏感，因此需要選擇在旱季施工,并要求加強施工管理，通過監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報等輔助手段，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋、超前地質(zhì)預(yù)報成果及時對支護(hù)措施、預(yù)留變形量等施工參數(shù)[10]進(jìn)行調(diào)整，以實現(xiàn)工程順利實施。施工工法復(fù)雜，施工風(fēng)險因素多，對施工管理、風(fēng)險控制要求高，且要求工序銜接、轉(zhuǎn)換平穩(wěn)緊密。因此，要求施工隊伍有極高的施工技術(shù)水平和管理水平。

(4)由于暗洞開挖的影響，隧道明暗分界處轉(zhuǎn)角及仰坡的高邊坡防護(hù)不能同左側(cè)邊坡一樣設(shè)置3排抗滑樁及錨索框架梁防護(hù)，因此轉(zhuǎn)角及仰坡防護(hù)的穩(wěn)定性存在極高的安全風(fēng)險。

3.3.2 明挖方案

采用明挖法施工該隧道可以規(guī)避淺埋軟質(zhì)巖隧道施工期間的軟巖變形[11]、塌方等風(fēng)險，但其施工存在高、陡臨時邊坡塌方、失穩(wěn)等安全風(fēng)險，施工開挖時需要逐級放坡，逐級支護(hù)，并需在高邊坡側(cè)設(shè)置預(yù)加固樁，并對邊坡進(jìn)行防護(hù)。另外軟質(zhì)巖邊坡受地表降雨的影響也十分明顯，因此需要選擇在旱季施工，同時需要施工期間加強對坡面的監(jiān)控量測[12]，加強對臨時開挖坡面及現(xiàn)場排水系統(tǒng)的維護(hù)，并加強施工現(xiàn)場管理，及時施作坡面防護(hù)工程等。同時，采用明挖方案需要增加棄砟量約11萬m3，明挖方案的臨時用地及對自然地形條件的破壞也相對較大，但施工風(fēng)險相對可控。

3.3.3 投資比較

對白臘寨隧道采用暗挖方案施工及明挖方案施工的工程投資情況進(jìn)行了比較，其中暗挖方案工程投資總額為15153萬元，明挖方案工程投資總額為12152萬元，四線暗洞方案比四線明洞方案投資增加3 001萬元。

4 結(jié)論

通過上述比較分析可知，路基方案的邊坡極高(101.7 m)，長期運營的養(yǎng)護(hù)維修工作量大，而明洞方案隆低了邊坡高度(63.7 m)，施工風(fēng)險也有所降低，更有利于運營后的養(yǎng)護(hù)維修工作及運營安全；而暗挖法施工雖然通過加強超前支護(hù)及加強支護(hù)，并在合理采用施工方法的基礎(chǔ)上，但仍舊存在較高的隧道變形、坍方等安全風(fēng)險。因此，從鐵路運營安全及施工安全方面考慮，在軟質(zhì)巖極高邊坡條件下采用明挖方案較暗挖方案及路基方案有較多優(yōu)勢，因此推薦采用明洞方案。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 J971—2009 高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2010．

[2] 《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊 [M]. 4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007．

[3] 鐵道第二勘察設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊·隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1999．

[4] 鐵道第二勘察設(shè)計院.TB10025-2006 鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2006．

[5] 關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計要點集[M].北京：人民交通出版社，2003．

[6] 鐵道第二勘察設(shè)計院.TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[7] 卿偉宸，朱勇.特大跨度淺埋隧道施工工法[C]∥復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路(公路)工程勘察設(shè)計案例集錦.北京：人民交通出版社，2012．

[8] 中鐵二院土建一院.六沾線烏蒙山二號隧道施工圖資料[Z].成都：中鐵二院土建一院，2007．

[9] 關(guān)寶樹.軟弱圍巖隧道施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2011．

[10] 關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京：人民交通出版社，2011．

[11] 羅洪戈，譚澤意.宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力軟巖大變形段施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2010(8)：131-133．

[12] 邱志勇.高邊坡變形監(jiān)控量測技術(shù)[J].山西建筑，2011(4)：37-11.