城際鐵路隧道下穿粉煤灰池設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

任兆丹

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

The Key Design Technology of Intercity Railway-tunnel Passing Through Flyash Pond

REN Zhaodan

城際鐵路隧道下穿粉煤灰池設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

任兆丹

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢430063)

The Key Design Technology of Intercity Railway-tunnel Passing Through Flyash Pond

REN Zhaodan

摘要從方案可行性、工程可靠度、運營安全以及經(jīng)濟合理性等方面考慮，對隧道基坑圍護和基底處理方案進行綜合比選，對隧道運營期間穩(wěn)定性進行驗算分析。通過技術(shù)、經(jīng)濟比較分析，采用“鉆孔樁圍護+攪拌樁止水方案”能確保隧道下穿粉煤灰池的施工安全及穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞粉煤灰圍護結(jié)構(gòu)基底處理運營安全穩(wěn)定性驗算

隨著我國城際鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道修建不可避免地穿越各種自然或者人為的不良地層，這些不良地層成為隧道工程建設(shè)中的難題。粉煤灰是燃煤電廠排出的固體顆粒狀廢棄物，電廠將廢棄的粉煤灰堆放于山谷間，久而久之形成粉煤灰池。粉煤灰具有結(jié)構(gòu)松散、自穩(wěn)性差、強透水、遇水極易軟化、黏聚力基本喪失等特點，在粉煤灰地層中修建鐵路的難度較大，工程建設(shè)中大多采取繞避方案以規(guī)避建設(shè)風險。因此，國內(nèi)外鮮有針對隧道穿越粉煤灰等類似地層的設(shè)計和研究。

武漢至黃石城際鐵路是武漢城市圈城際鐵路網(wǎng)的主骨架之一，線路全長96.78 km。其線路DK77+495～+696段受站位影響，需穿越黃石電廠的粉煤灰池。原設(shè)計推薦采用路塹方案，但該方案建成后灰池無法使用，建設(shè)單位須向電廠方面支付高昂的賠償費用，因而研究采用隧道方案的可行性，以減少對灰池使用的影響，降低賠償費用。重點闡述隧道在穿越粉煤灰地層中所遇到的難題，并在此基礎(chǔ)上探討隧道穿越粉煤灰池設(shè)計中的一些關(guān)鍵性技術(shù)，為后續(xù)類似的工程設(shè)計提拱借鑒。

1工程概況

武黃城際鐵路設(shè)計速度為300 km/h，正線線間距4.8 m，其中隧道設(shè)計為單洞雙線，跨度約15 m，高度約12 m，標準斷面面積為100 m2。

線路所經(jīng)粉煤灰池位于武黃高速出口右側(cè)山間谷地，寬約800 m，沿線路長約200 m，總占地面積296畝，容積227萬m3，有記錄的存灰量為160～180萬m3，目前已堆積粉煤灰厚度12～23 m[1]。

地勘報告顯示：粉煤灰層重度12.9～14 kN/m3，黏聚力0～2 kPa，φ=12°～18°，滲透系數(shù)K=1.1×10-4cm/s，孔隙比e=0.9～1.5，飽和狀態(tài)下含水量80%～100%?，F(xiàn)狀灰池地勢低洼，地表水易于匯集，池內(nèi)粉煤灰基本處于流朔狀態(tài)，具有強透水與滲水特性，自穩(wěn)定性極差。

下部基巖主要為全—弱風化砂巖層，局部夾炭質(zhì)頁巖，全風化層厚約1 m；強風化層厚約2～4 m，多呈碎塊狀；下部為弱風化，巖體較破碎，局部地質(zhì)情況如圖1。

考慮隧道暗挖施工技術(shù)復(fù)雜，且工期長、造價高，在方案研究階段即明確提出“基坑圍護+明挖施工”的方案，但在具體設(shè)計過程中碰到許多技術(shù)性難題：

①粉煤灰處于流塑狀態(tài)，地表水易于匯集，基坑圍護方案能否確保施工安全。

②隧道基底位于粉煤灰地層，厚度較大，而高速鐵路對基底沉降要求極高，設(shè)計如何確保結(jié)構(gòu)變形和基底沉降滿足規(guī)范要求，確保在列車動荷載反復(fù)作用下的運營安全。

③運營期間粉煤灰池可能處于不斷的填挖過程，設(shè)計采取何種措施確保隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

圍繞上述關(guān)鍵性技術(shù)難題開展設(shè)計，通過多方案的比選、技術(shù)分析以及穩(wěn)定性驗算，最終確定合理的設(shè)計方案。

2基坑圍護方案的選擇

基坑位于山坳之間，表層為松散堆積的粉煤灰體，基底為全—弱風化砂巖層，地表水易于匯集，加之工程所在地地下水較為發(fā)育，故該基坑具有如下典型特點：

①基坑坑底仍處于粉煤灰層內(nèi)，如不采取坑底加固措施，則施工期間可能發(fā)生基底軟化，甚至坑底隆起。

②粉煤灰層厚度較大，自穩(wěn)能力極差，圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠嵌入深度及可靠度，以保證基坑穩(wěn)定性[2]。

基坑寬度為15.0 m，深度約15.5 m，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。根據(jù)湖北省地方《基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DB42/159—2004)，確定基坑工程重要性等級為一級，基坑支護設(shè)計中應(yīng)遵循“安全可靠、工藝可行、經(jīng)濟合理、施工便利、綠色環(huán)保”的原則[3]。

2.1　基坑圍護方案

隧址區(qū)位于城郊地區(qū)，周邊無建(構(gòu))筑物及地下設(shè)施，場地條件較為寬闊，因而可在多種圍護方案之間進行最優(yōu)化比選[4]。

根據(jù)擬開挖基坑特點，結(jié)合類似工程經(jīng)驗，基坑圍護初選三種方案：鉆孔灌注樁方案、地下連續(xù)墻方案、攪拌樁加固后放坡開挖方案。

(1)鉆孔灌注樁方案：采用C35防水鋼筋混凝土樁身，樁徑1.2 m，中心間距1.4 m。鉆孔樁外側(cè)采用雙排φ0.85 m攪拌樁加固，攪拌樁加固深度為基底強風化層頂面。

(2)地下連續(xù)墻方案：墻身采用C35防水鋼筋混凝土，墻厚0.8 m。

(3)攪拌樁加固后放坡開挖方案：線路中線兩側(cè)20 m范圍內(nèi)采用φ0.85 m攪拌樁加固，攪拌樁樁布置間距為0.65 m×0.65 m，加固深度為基底全風化層底面，臨時邊坡坡率為1∶1，分三級放坡。

鉆孔灌注樁和地下連續(xù)墻嵌入基底弱風化砂巖層內(nèi)不少于1 m，圍護結(jié)構(gòu)深度約28 m；兩種方案均設(shè)置內(nèi)支撐：第一道支撐采用C30鋼筋混凝土撐(b×b=1.2 m×0.8 m)以提高圍護結(jié)構(gòu)整體性，支撐縱向6 m/道；第二道及第三道支撐均采用φ609 mm鋼管撐(壁厚16 mm)，縱向3 m/道。

2.2　基坑圍護方案比選

設(shè)計對上述三種方案，分別從基坑穩(wěn)定性、可靠性、施工難易、臨時占地及工程造價等方面進行技術(shù)、經(jīng)濟的綜合比選[5-6]，比選結(jié)果如表1所示。

通過對比分析：鉆孔灌注樁圍護方案具有占地少、施工便易、占地少、造價低，故推薦采用該方案，如圖2示意。

3基底加固方案研究

城際鐵路具有運行時速高、客運量大的特點，列車高速行駛中形成的反復(fù)動荷載對隧道基底的影響較大。

隧道DK77+510～+690段結(jié)構(gòu)基底位于粉煤灰地層中，深度約為8.1 m；粉煤灰自身承載力較低，穩(wěn)定性極差，在列車長期動荷載作用下，粉煤灰基底將會出現(xiàn)軟化、液化現(xiàn)象，誘使隧道基底出現(xiàn)沉降、變形，嚴重時將會導致隧道底板出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞并出現(xiàn)翻漿冒泥等病害[7-8]。隧道設(shè)計采用帶底板(仰拱)的鋼筋混凝土襯砌，隧道建成后難以對基底進行二次加固，設(shè)計中必須確保隧道基底具有可靠的穩(wěn)定性指標[9]，以確保城際鐵路運營安全。

在充分分析粉煤灰物力、化學特性的基礎(chǔ)上，擬定三種基底加固處理方案：攪拌樁方案、基底換填方案和鉆孔樁方案(如表2所示)。

(1)攪拌樁方案：基坑開挖前，基底采用φ0.85 m三軸攪拌樁加固處理，攪拌樁間距0.65 m×0.65 m，隧道仰拱以上1 m至地表不進行加固，設(shè)計為空樁(水泥摻量5%)，隧道仰拱以上1 m至全風化層底面進行加固，水泥摻量20%。

(2)基底換填方案：基坑開挖后，分段清除基底以下范圍內(nèi)的粉煤灰及全風化砂巖層，并采用C20素混凝土回填密實。

(3)鉆孔樁方案：隧道基底采用φ1.2 m鉆孔樁樁基礎(chǔ)，橫向3根/排，縱向間距6 m，樁底嵌入弱風化基巖不小于1 m。為保證鉆孔樁成孔質(zhì)量，為防止隧道基底粉煤灰液化流失，基坑開挖前，仍采用三軸攪拌樁對基底粉煤灰進行硬化處理。

通過對比分析，鉆孔樁加固方案具有加固效果好、施工便易的優(yōu)點，且能夠保證運營安全。故研究推薦基底鉆孔樁加固方案，同時采用三軸攪拌樁對基底粉煤灰進行硬化處理。

4隧道整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)黃石電廠方面要求，粉煤灰池在一段時間內(nèi)仍會繼續(xù)使用，處于不斷的挖取與回填交替過程，隧道運營存在一定的安全隱患。若隧道兩側(cè)粉煤灰填挖高差過大，則可能使隧道整體傾覆或滑移，設(shè)計重點分析了最不利條件下結(jié)構(gòu)整體抗滑移和抗傾覆性能，并對運營安全提出保證措施。

4.1　穩(wěn)定性驗算

假定基坑一側(cè)大面積挖取，另一側(cè)則滿填粉煤灰與水，根據(jù)結(jié)構(gòu)體系受力特點，其潛在傾覆轉(zhuǎn)動點可能位于粉煤灰層底面的轉(zhuǎn)動點A處或圍護樁底面的轉(zhuǎn)動點B處；結(jié)構(gòu)體系最不利剪切滑移面位于圍護樁底面C處(如圖3)。

由于該結(jié)構(gòu)體系整體性較好，可視為重力式擋墻結(jié)構(gòu)，參照《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10025—2006)，對結(jié)構(gòu)進行抗傾覆和水平滑移的驗算，計算結(jié)果如表3所示。

由表3結(jié)果可見，抗傾覆不利點位于B處，對應(yīng)

安全系數(shù)Ke為2.70，滿足規(guī)范最小安全系數(shù)1.60的要求；結(jié)構(gòu)體系沿潛在剪切破壞面C的抗滑移安全系數(shù)Khd為1.62，滿足最小安全系數(shù)1.30的要求[10]，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性較好。

4.2　安全輔助措施

通過上述分析可知，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，但鐵路運營期間，粉煤灰池可能存在亂挖亂掘，為保證鐵路運營永久安全，擬采取如下措施：

①DK77+510～+690段圍護樁外側(cè)10 m范圍采用φ0.85 m三軸攪拌樁加固，樁底加固至全風化層底面。

②圍護樁外側(cè)10 m位置設(shè)置防護柵欄進行封閉。

③隧道中線兩側(cè)各30 m范圍內(nèi)劃為鐵路永久征地，設(shè)置警示標示，隧道中線兩側(cè)30 m范圍內(nèi)嚴禁取棄粉煤灰作業(yè)。

④運營期間地表設(shè)置遠程視頻防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。

安全防護加固措施如圖4所示。

5結(jié)論

對城際鐵路隧道穿越粉煤灰池的基坑方案進行對比研究，主要得出如下結(jié)論：

(1)通過對基坑穩(wěn)定性，可靠性，施工難易，臨時占地及工程造價等方面進行技術(shù)、經(jīng)濟的綜合比選，基坑圍護推薦采用“鉆孔樁圍護+攪拌樁止水方案”。

(2)城際鐵路對結(jié)構(gòu)基底承載能力要求高，類似工程隧底若存在軟土或膨脹土等，須采取有效措施保證隧底長期穩(wěn)定性，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻變形或沉降。

(3)城際鐵路運營安全關(guān)系重大，設(shè)計安全保證措施應(yīng)適當加強，特別是在不良地質(zhì)中修建隧道工程時，應(yīng)加強隧道運營安全保證措施，加強遠程視頻防災(zāi)監(jiān)控和應(yīng)急處置。

(4)城際鐵路明挖隧道圍護結(jié)構(gòu)在保證隧道施工安全的前提下，可兼做運營安全保證措施。

參考文獻

[1]中鐵四院.武漢至黃石城際鐵路穿越灰池段變更設(shè)計[R].武漢：中鐵四院，2005

[2]朱志華，劉濤，單紅仙.土巖結(jié)合條件下深基坑支護方式研究[J].巖土力學，2011(S1):619-623

[3]DB42/159—2004基坑工程技術(shù)規(guī)程[S]

[4]周小華.蘇州軌道交通1號線深基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計的思考[J].水利與建筑工程學報，2010(4):166-168,208

[5]楊龍才，周順華.南京某地鐵深基坑圍護結(jié)構(gòu)方案的比選研究[J].地下空間與工程學報，2006(3):453-458

[6]龔曉南.關(guān)于基坑工程的幾點思考[J].土木工程學報，2005(9):99-102,108

[7]丁祖德，彭立敏，施成華，等.鐵路隧道基底狀況對底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響[J].中南大學學報：自然科學版，2013(7)：2942-2949

[8]施成華，彭立敏，王偉.鐵路隧道基底破壞力學形態(tài)的試驗研究[J].實驗力學，2005(1):57-64

[9]田田，陳衛(wèi)忠，于建新，等.臨海淺埋富水明挖隧道底板合理支護參數(shù)研究[J].巖土力學，2013(S2)：368-374，392

[10]TB10025—2006鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

中圖分類號：U452

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)05-0030-04

作者簡介：任兆丹(1981—)，2004年7月畢業(yè)于長安大學巖土與隧道工程專業(yè)，工程師。

收稿日期：2015-08-11