寒區(qū)隧道中心水溝的受力與施工關(guān)鍵技術(shù)研究

車寶華 周小涵

(1.中鐵二十三局集團(tuán)第二工程有限公司，內(nèi)蒙古 齊齊哈爾 161000;2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031;3.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050)

寒區(qū)鐵路隧道受到寒冷氣候的影響，容易發(fā)生周期性的凍融循環(huán)，加載卸載作用將對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)尤其是洞口結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，極易造成隧道襯砌掛冰、道床積冰、底鼓等病害，嚴(yán)重危及行車安全［1］。水是隧道發(fā)生凍害的基本條件，中心深埋水溝在東北寒區(qū)隧道的建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，其主要作用是及時(shí)排出隧道結(jié)構(gòu)周邊積水，從根本上避免凍害。都強(qiáng)［2］結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工，系統(tǒng)總結(jié)了隧道深埋水溝施工工序及施工控制技術(shù)，并指出加快深埋水溝施工速度，減少對(duì)隧道拱墻初期支護(hù)的影響，是確保施工安全的重點(diǎn)。楊昌賢等［3］指出，選用適于低溫且柔韌性、抗壓性能好的防水板材料，隧道全長(zhǎng)或者洞口段一定范圍內(nèi)設(shè)置處于凍結(jié)線以外的中心深埋水溝和環(huán)向盲溝有利于寒區(qū)隧道的防凍。王先義等［4］對(duì)防寒泄水洞的施工特點(diǎn)以及和主洞的相互影響進(jìn)行了計(jì)算和分析，得到了最佳施工進(jìn)尺。本文選擇隧道工程中較為棘手的淺埋偏壓?jiǎn)栴}，應(yīng)用有限元方法計(jì)算了淺埋偏壓隧道中心深埋水溝的受力特性，分析了中心深埋水溝的開(kāi)挖對(duì)隧道整體變形的影響。結(jié)合東北寒區(qū)鐵路隧道實(shí)際施工情況，對(duì)中心深埋水溝施工過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)。

1 中心深埋水溝計(jì)算模型

1.1 工程概況

以某寒區(qū)鐵路隧道為例，計(jì)算斷面處于淺埋偏壓段，由于淺埋偏壓段隧道代表了較大的施工難度，所以本算例有代表性。隧道洞身多位于英安斑巖、安山巖中風(fēng)化帶，覆土部分多位于硬塑粉質(zhì)粘土等地層，地下水主要為基巖裂隙水，賦存于風(fēng)化層中，受大氣降水補(bǔ)給，也存在部分淺埋段地層水量較大。根據(jù)歷史氣候數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)歷年年平均氣溫為3.4 ℃，歷年最冷月平均氣溫為－18.1 ℃，按對(duì)鐵路工程影響的氣候分區(qū)，屬嚴(yán)寒地區(qū)。主風(fēng)向?yàn)闁|西向，最大積雪深度47 cm，土壤最大凍結(jié)深度241 cm，歷年平均年降水量558 mm。中心深埋水溝位于隧道軌面線以下4 m。

按照隧道施工步驟，分隧道洞身開(kāi)挖、施作初襯、中心深埋水溝開(kāi)挖和施作二襯等幾個(gè)步驟，應(yīng)用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行分步計(jì)算，總結(jié)其受力規(guī)律，材料參數(shù)表如表1 所示。隧道模型中，采用實(shí)際地面線，隧道底部范圍采用4 倍洞身高度，計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

表1 隧道結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

1.2 結(jié)果分析

對(duì)隧道洞室開(kāi)挖—初支—中心深埋水溝開(kāi)挖—回填支護(hù)全過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。取變形最大的階段，即中心深埋水溝開(kāi)挖后的變形與其開(kāi)挖之前的變形進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算結(jié)果云圖如圖2 和圖3 所示。

圖1 隧道計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

圖2 隧道中心深埋水溝開(kāi)挖前后水平變形云圖

圖3 隧道中心深埋水溝開(kāi)挖前后豎向變形云圖

分析計(jì)算結(jié)果可知，中心深埋水溝的開(kāi)挖對(duì)淺埋偏壓隧道整體的變形有較大影響。其中，最大水平位移由開(kāi)挖前的1.61 ×10－3m 變?yōu)?.06 ×10－3m，增大28%;最大豎向位移由開(kāi)挖前的6.13 ×10－4m 變?yōu)?.02 ×10－3m，增大66%，影響顯著。雖然在本例計(jì)算中，由于中心深埋水溝的開(kāi)挖導(dǎo)致的變形量仍然在規(guī)范容許范圍內(nèi)，但由于其施工的難度和施工時(shí)間的不可控性，施工單位在具體施作中心深埋水溝的過(guò)程中仍需要提高警惕。

2 施工關(guān)鍵技術(shù)

中心深埋水溝需置于最大凍結(jié)線以下，在較差地層施工時(shí)，初期支護(hù)仰拱無(wú)法及時(shí)封閉，易導(dǎo)致初期支護(hù)變形過(guò)大甚至開(kāi)裂;在較好地層施工時(shí)，需采用爆破手段，容易引起初期支護(hù)拱墻失穩(wěn)［5］。同時(shí)，中心深埋水溝的開(kāi)挖確實(shí)有使隧道結(jié)構(gòu)變形過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)。所以，總結(jié)東北寒區(qū)鐵路隧道施工技術(shù)，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，在新建鐵路建設(shè)中:長(zhǎng)度小于2 km 的隧道，隧道通長(zhǎng)中心水溝采用中心深埋水溝;長(zhǎng)度大于2 km 的隧道，當(dāng)隧道為人字坡時(shí)，進(jìn)出口1 000 m 范圍段采用中心深埋水溝，當(dāng)隧道為單面坡時(shí)，距低洞口1 000 m 范圍段采用中心深埋水溝，其余段采用一般中心排水溝。其中的關(guān)鍵技術(shù)有:1)深埋水溝排水位須位于凍結(jié)線以下，深埋水溝坡度與對(duì)應(yīng)位置線路坡度一致。中心深埋水溝壁厚應(yīng)加大，且在其管壁上預(yù)留泄水孔，水溝外要用土工布包裹。排水橫溝采用配筋圓管，壁厚也應(yīng)加大。2)中心深埋水溝通過(guò)排水橫溝與環(huán)、縱向盲管連接，橫溝坡度不小于3%。3)排水橫溝與隧道結(jié)構(gòu)底板或仰拱之間采用C20 混凝土回填。4)施工中，保證中心深埋水溝、排水橫溝的回填不破壞保溫，且保證其滲水性，防止石屑、泥沙滲入水溝引起水溝淤積。5)排水管接頭采用鋼絲網(wǎng)水泥砂漿抹帶接口?；靥钏槭?，應(yīng)回填密實(shí)，優(yōu)先選用卵石回填。6)開(kāi)挖過(guò)程中嚴(yán)格分步開(kāi)挖，并嚴(yán)格控制施工時(shí)間，不能使初支長(zhǎng)時(shí)間處于懸空狀態(tài)，而使變形增大。7)在堅(jiān)硬巖石段，施工中對(duì)爆破嚴(yán)格控制，避免造成中心深埋水溝擴(kuò)挖。

3 結(jié)語(yǔ)

1)由本文有限元計(jì)算結(jié)果可知，中心深埋水溝的開(kāi)挖對(duì)淺埋偏壓隧道整體的變形有較大影響。其中，最大水平位移增大28%，最大豎向位移增大66%，影響顯著。2)為了保證中心深埋水溝施工的安全性，應(yīng)注意以下幾點(diǎn):保證中心水溝的深度、坡度和長(zhǎng)度，保證其回填的保溫性和滲水性;施工中防止石屑、泥沙滲入水溝引起水溝淤積;開(kāi)挖過(guò)程中嚴(yán)格分步開(kāi)挖，并嚴(yán)格控制施工時(shí)間，不能使初支長(zhǎng)時(shí)間處于懸空狀態(tài)，而使變形增大;堅(jiān)硬巖石段，對(duì)爆破嚴(yán)格控制，避免造成中心深埋水溝擴(kuò)挖。

［1］夏 勇，馬志富.嚴(yán)寒地區(qū)隧道防排水改進(jìn)措施探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(S1):27-29.

［2］都 強(qiáng).嚴(yán)寒地區(qū)隧道深埋水溝施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2014(10):59-61.

［3］楊昌賢，夏 勇.淺談嚴(yán)寒地區(qū)隧道防排水設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2012(1):60-62.

［4］王先義，徐小濤.對(duì)寒區(qū)隧道防寒泄水洞的一些探討［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2013(6):127-130.

［5］朱國(guó)偉.寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)鐵路隧道防排水設(shè)計(jì)探討［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2013(1):49-53.