超高回填明洞設(shè)計(jì)探討

曠文濤

(中鐵二院工程集團(tuán)重慶公司,重慶 400023)

超高回填明洞設(shè)計(jì)探討

曠文濤

(中鐵二院工程集團(tuán)重慶公司,重慶 400023)

由于超高回填明洞設(shè)計(jì)缺乏理論指導(dǎo)及既有工程實(shí)例作為參考，對(duì)其研究具有重要的工程實(shí)際意義。通過(guò)數(shù)值模擬及理論分析對(duì)明挖法和蓋挖法明洞工程結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)論如下：2種施工方法明洞結(jié)構(gòu)受力有著本質(zhì)的不同，明挖法豎向土壓力為靜止土壓力，蓋挖法豎向土壓力為主動(dòng)土壓力；由于受力、結(jié)構(gòu)的限制，明挖法修建超高回填明洞是不可行的；蓋挖法超高回填明洞豎向壓力大大減小，其值不受回填土高度變化影響，是修建超高回填明洞的有效方法。

超高回填；明洞；明挖法；蓋挖法；土壓力

明洞在隧道工程中應(yīng)用非常廣泛,近年來(lái),隨著環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越嚴(yán)格,“早進(jìn)晚出”更是成為隧道洞口設(shè)計(jì)原則之一。一般來(lái)說(shuō)當(dāng)遇到如下情況時(shí),需要設(shè)置明洞:

(1)隧道埋深較淺、上覆巖(土)體較薄難以采用暗挖法施工；

(2)受塌方、落石、泥石流等威脅的地段；

(3)公路、鐵路、溝渠等必須在鐵路上方通過(guò),又不宜修建隧道、立交橋、渡槽等地段；

(4)為了減少隧道工程對(duì)環(huán)境的破壞,保護(hù)環(huán)境和景觀,洞口段需要延長(zhǎng)時(shí)。

查閱相關(guān)資料［1-6],所有明洞工程回填土高度均較小,鮮有回填土高度超過(guò)20 m的明洞工程［7]。但是,隨著土地資源越來(lái)越寶貴、交通綜合樞紐的發(fā)展、無(wú)縫對(duì)接交通成為發(fā)展趨勢(shì)以及受制于規(guī)劃等因素, 50乃至上百米超高回填明洞工程將越來(lái)越多地出現(xiàn)。由于缺乏理論指導(dǎo)及既有工程實(shí)例作為參考,超高回填明洞能否順利實(shí)施,將成為工程成敗的關(guān)鍵。某隧道工程,下穿機(jī)場(chǎng)規(guī)劃用地,擬采用明洞工程,拱頂需要回填50 m高的土層。設(shè)計(jì)認(rèn)為該工程方案不可行,否定了該線路方案,造成了重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益損失。

對(duì)于超高回填明洞設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題,許多工程人員缺少清晰的概念與思路,有學(xué)者甚至認(rèn)為,明洞回填土較高的時(shí)候,明洞荷載可以按照淺埋隧道進(jìn)行計(jì)算。由此可見(jiàn),研究“超高回填明洞設(shè)計(jì)“具有重要的工程實(shí)際意義。本文本著討論的原則,對(duì)明挖、蓋挖法修建超高回填明洞分別進(jìn)行分析,希望為廣大隧道設(shè)計(jì)工作者提供一些有益的思路。

1 明挖明洞

1.1 荷載

對(duì)于明挖法修建的明洞工程,主要荷載為土壓力及結(jié)構(gòu)自重。

對(duì)于明挖隧道,回填土在結(jié)構(gòu)施作完成后施工,回填土與結(jié)構(gòu)一起沉降,應(yīng)力場(chǎng)為回填土固結(jié)形成的自重應(yīng)力場(chǎng),豎向壓力為靜止土壓力,其大小等于回填土重力,其計(jì)算見(jiàn)公式(1)；考慮到側(cè)向壓力對(duì)拱頂受力有利,邊墻及拱部側(cè)壓力保守的采用主動(dòng)土壓力,計(jì)算見(jiàn)公式(2)。

其中,hi為拱頂回填土柱高度；λ為拱頂或邊墻側(cè)壓力系數(shù),其計(jì)算參照鐵路、公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［8-9]等執(zhí)行。

1.2 計(jì)算模型

采用荷載-結(jié)構(gòu)模式,除考慮垂直土壓力和側(cè)向壓力外,還采用一定剛度的彈簧(僅受壓)模擬地層對(duì)結(jié)構(gòu)變形的約束作用。以鐵路雙線隧道為例,開(kāi)挖寬度11 m,圍巖級(jí)別為V級(jí)圍巖,結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 明挖隧道計(jì)算模型

1.3 受力分析

(1)襯砌受力隨回填土高度變化

假定明洞結(jié)構(gòu)為C30鋼筋混凝土襯砌,厚0.8 m,地層彈抗系數(shù)為200 MPa,受拉側(cè)設(shè)置10根φ32 mm的HRB400鋼筋。利用Midas/GTS分析得到,襯砌拱頂為最不利受力位置,隨著回填土高度變化,拱頂內(nèi)力及承載力安全系數(shù)、最大裂縫寬度變化情況如表1所示。

表1 襯砌拱頂受力隨回填土高度變化情況

(2)結(jié)構(gòu)受力隨襯砌厚度變化

假定回填土高度為50 m,受拉側(cè)設(shè)置10根φ32 mm的HRB400鋼筋。利用Midas/GTS分析得到,隨著襯砌厚度變化,拱頂內(nèi)力及承載安全系數(shù)、最大裂縫寬度變化情況如表2所示。

表2 襯砌拱頂受力隨結(jié)構(gòu)厚度變化情況

(3)結(jié)果分析

從表1可知:相同配筋及結(jié)構(gòu)厚度情況下,回填土高度增加,結(jié)構(gòu)內(nèi)力越大,安全系數(shù)越小,裂縫寬度越大；回填土高度超過(guò)25 m的情況下,襯砌結(jié)構(gòu)將不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

從表2可知:在相同配筋及回填土高度情況下,增加襯砌厚度,結(jié)構(gòu)剛度增大,拱頂彎矩增大,軸力減小,安全系數(shù)變化不大,最大裂縫寬度變大。

由此可見(jiàn),對(duì)于超高回填鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)明洞,增大襯砌厚度對(duì)提高結(jié)構(gòu)承載能力作用甚微,同時(shí)導(dǎo)致最大裂縫寬度增大。另一方面,考慮到施工及鋼筋間距構(gòu)造要求,通過(guò)增加配筋提高承載力空間有限。因此,明挖法修建明洞工程,必定存在某個(gè)極限回填高度,如本節(jié)計(jì)算模型的結(jié)構(gòu),拱頂極限回填高度約為25 m。超過(guò)該極限回填高度,明挖法修建明洞工程是不可行的。

2 蓋挖明洞

2.1 方案介紹

蓋挖法修建明洞工程［10-11],首先根據(jù)工程地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)要求設(shè)置鋼筋混凝土護(hù)拱及邊墻、隧底加固等工程,然后再按照拱頂回填土要求,回填至設(shè)計(jì)高程。施工時(shí),可考慮對(duì)回填土進(jìn)行改良,保證其成拱效應(yīng)。最后在護(hù)拱及注漿加固體保護(hù)下進(jìn)行隧道開(kāi)挖,澆筑襯砌。設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)圍巖穩(wěn)定性,增設(shè)初期支護(hù),設(shè)置復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),本文按不設(shè)復(fù)合式襯砌的明洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

注意事項(xiàng):

(1)拱頂回填完成后,隧道施工需在上部填土沉降穩(wěn)定后進(jìn)行,避免上部土體沉降影響施工安全,同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利；

(2回填土表面應(yīng)做好防排水措施,防止地表水滲入回填土中,影響施工及結(jié)構(gòu)安全；

(3)超高回填明洞護(hù)拱施工時(shí),護(hù)拱下部臨隧道側(cè)土體應(yīng)壓實(shí),護(hù)拱底部不能露空,避免回填土體引起護(hù)拱內(nèi)力較大導(dǎo)致護(hù)拱破壞,影響隧道施工安全；

(4)為保障施工安全,應(yīng)對(duì)施工過(guò)程中護(hù)拱受力狀況進(jìn)行分析,防止回填土施工及隧道開(kāi)挖過(guò)程中護(hù)拱強(qiáng)度不足產(chǎn)生破壞；

(5)為保證方案的可實(shí)施性,施工時(shí)應(yīng)補(bǔ)充試驗(yàn)測(cè)試,對(duì)土壓力、護(hù)拱及襯砌受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)驗(yàn)證。

2.2 荷載

蓋挖法修建明洞,圍巖壓力與暗挖隧道相似,隧道開(kāi)挖產(chǎn)生一定的變形后再施作結(jié)構(gòu),土壓力為主動(dòng)土壓力。

深埋情況下,荷載主要為塌落拱高度范圍土體引起的荷載。荷載計(jì)算公式如下

其中,h為回填土塌落拱高度；λ為側(cè)壓力系數(shù),其計(jì)算參照鐵路、公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［2-3]等執(zhí)行。

回填土高度H＜2.5h時(shí),為淺埋隧道,隧道開(kāi)挖引起土體下沉,兩側(cè)土體對(duì)拱部土體產(chǎn)生挾持作用,阻擋其下沉,故其土壓力較明洞荷載有所減小,荷載計(jì)算公式如下

其中,H為拱頂回填土高度；B為結(jié)構(gòu)寬度；λ為側(cè)壓力系數(shù)；θ為滑面摩擦角(H＜塌落拱高度時(shí),θ取零)；hi為邊墻任意位置回填土高度。其計(jì)算參照鐵路、公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范等［8-11]執(zhí)行。

2.3 計(jì)算模型

參照1.2節(jié),建立蓋挖明洞結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示。結(jié)構(gòu)主要考慮了土壓力、結(jié)構(gòu)自重及結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用。

圖2 蓋挖隧道計(jì)算模型

2.4 結(jié)構(gòu)受力分析

以鐵路雙線隧道為例,開(kāi)挖寬度11 m,利用Midas/GTS進(jìn)行分析,不同回填土高度情況下,結(jié)構(gòu)參數(shù)及受力情況如表3所示。

表3 蓋挖法明洞工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及受力情況表

分析可知:對(duì)于回填高度小于明挖極限回填高度的情況下,蓋挖法明洞圍巖壓力有所減小,較明挖法更容易滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)承載力及正常使用要求。

蓋挖法修建超高回填明洞,圍巖壓力為深埋隧道塌落拱壓力,其大小不受回填土高度變化影響。在相同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況下,具有相同的承載能力及最大裂縫寬度。

故蓋挖法是修建超高回填明洞的有效方法,大大地減小了圍巖壓力,能很好地滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)承載力及正常使用極限狀態(tài)要求。

3 相關(guān)案例

(1)案例情況

新建蘭渝鐵路某隧道明洞［12]位于線路曲線地段,明洞最大跨度14.5 m。拱頂最大回填高度15 m。明洞地層為人工填土、砂質(zhì)黃土、細(xì)圓礫土、粗圓礫土；基巖為砂巖、泥巖,位于仰拱下。地下水位位于地面以上3 m。設(shè)計(jì)斷面如圖3所示。

圖3 參考案例設(shè)計(jì)斷面及開(kāi)挖工序［12]（單位：m)

施工采取的施工順序?yàn)?開(kāi)挖至拱腳位置―旋噴樁及護(hù)拱施工―拱頂5 m填土回填―隧道開(kāi)挖,基底處理,結(jié)構(gòu)澆筑―拱頂10 m填土回填。施工采用部分回填土完成后蓋挖施工,最后回填至設(shè)計(jì)高程。本案例施工方法簡(jiǎn)稱(chēng)為“部分蓋挖法”。

(2)案例分析

工程首先施作護(hù)拱及拱部5 m填土回填,蓋挖法施工,土壓力計(jì)算時(shí),采用了淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算方法(不計(jì)兩側(cè)土體摩擦力)。較之明挖法施工,圍巖壓力有所減小。

全蓋挖的情況下,回填土高度15 m,按淺埋隧道計(jì)算圍巖壓力,不同工法修建的明洞工程,拱頂豎向土壓力如表4所示。

表4 各工法豎向土壓力比較kPa___

比較可得:明挖法修建明洞工程,結(jié)構(gòu)受力最為不利；部分蓋挖法修建明洞工程,結(jié)構(gòu)受力有所減小,蓋挖法結(jié)構(gòu)受力最優(yōu)。即相同埋深情況下,蓋挖法能有效減小結(jié)構(gòu)受力。

4 結(jié)論

超高回填明洞由于拱頂回填土高度遠(yuǎn)大于普通明洞,其設(shè)計(jì)缺乏理論指導(dǎo)及既有工程實(shí)例作為參考。本文運(yùn)用數(shù)值模擬及理論分析對(duì)明挖法和蓋挖法明洞工程受力進(jìn)行了對(duì)比分析,得到蓋挖法是修建超高回填明洞的有效方法,同時(shí)給出了超高回填明洞土壓力計(jì)算方法。主要結(jié)論如下。

(1)明挖法和蓋挖法結(jié)構(gòu)受力有著本質(zhì)的不同,明挖法豎向土壓力為靜止土壓力,其大小等于拱頂回填土重力,蓋挖法豎向土壓力為主動(dòng)土壓力,其值小于明挖法豎向土壓力。

(2)明挖法修建明洞工程,必定存在某個(gè)極限回填高度。回填高度小于極限回填高度的情況下,明洞可根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)情況、周邊環(huán)境條件等采取明挖、蓋挖等工法。超過(guò)該極限回填高度,由于受力、結(jié)構(gòu)的限制,結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足承載力及正常使用極限狀態(tài)要求。即明挖法修建超高回填明洞是不可行的。

(3)蓋挖法修建超高回填明洞,豎向土壓力為塌落拱范圍土體重力,其大小不受回填土高度變化影響,能有效解決承載力及正常使用狀態(tài)要求,故蓋挖法是修建超高回填明洞的有效方法。

本文嘗試運(yùn)用簡(jiǎn)單的巖土理論,解決復(fù)雜的工程問(wèn)題,對(duì)超高回填明洞設(shè)計(jì)做了嘗試性探討,希望能拋磚引玉。

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Design Research on OPen Cut Tunnel Having Ultra-high Backfill

KUANG Wen-tao
(Chongqing Branch,China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chongqing 400023,China)

There are shortages of theoretical guidance and existing engineering examples which can be used as reference in the design of open cut tunnel having ultra-high backfill.Therefore research on this kind of tunnel has important and practical significance.Through numerical simulation and theoretic analysis,this paper carried out comparative analysis on the structure performance of the open cut tunnel excavated respectively by cut-and-cover method and by covered top-down method.Then this paper come to the conclusions:(a)The stress states of the open cut tunnel respectively by using the two excavation methods are different in nature,because the vertical soil pressure belongs to static soil pressure when using cut-and-cover method and belongs to active soil pressure when using covered top-down method. (b)Due to the restriction of stress state and structure form,it is not feasible to construct open cut tunnel having ultra-high backfill by using cut-and-cover method.(c)The covered top-down method,with which the vertical soil pressure can be considerably reduced and cannot be influenced by the change of backfill height,is an effective way to construct open cut tunnel having ultra-high backfill.

ultra-high backfill；open cut tunnel；cut-and-cover method；covered top-down method；soil pressure

U452.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.026

1004-2954(2014)07-0112-04

2013-10-23；

2013-11-13

曠文濤(1985―),男,工程師,注冊(cè)一級(jí)建造師,2010年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁與隧道工程專(zhuān)業(yè),工學(xué)碩士,E-mail:wentao85 0424@qq.com。