渝利鐵路高填方深基礎(chǔ)明洞結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究

黎 康

(中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司， 成都 610081)

隨著高速鐵路網(wǎng)向西南山區(qū)延伸，受地形、地質(zhì)條件及曲線半徑、環(huán)保要求的影響，位于城區(qū)的隧道不斷增多，而山區(qū)城市發(fā)展受地形限制，土地稀缺問題日益嚴(yán)重，于是鐵路與城區(qū)規(guī)劃、市政結(jié)合建設(shè)的案例日漸增多，出現(xiàn)了回填土厚達(dá)30 m以上的高填明挖隧道結(jié)構(gòu)，個(gè)別案例還面臨底部懸空或深基礎(chǔ)的情況。高填方明洞填土荷載大，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工提出了更高的要求。受力更加復(fù)雜，特別是襯砌厚度增大后，襯砌混凝土澆筑時(shí)產(chǎn)生的水化熱和溫度裂縫會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，底部懸空或軟弱深基礎(chǔ)也會(huì)給高速鐵路帶來沉降、變形不易控制、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等難題[1]。本文結(jié)合渝利鐵路豐都造地橋改隧明洞工程案例，研究制定了溝谷中先建造大體積混凝土隧道壩基，再在壩基上修建明洞，最后在明洞上方超厚回填土至規(guī)劃標(biāo)高的技術(shù)方案，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。該方案具有工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用前景廣闊的特點(diǎn)，尤其對(duì)進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)復(fù)雜山區(qū)高填深基明洞技術(shù)的發(fā)展，具有很好的指導(dǎo)作用。

1 豐都橋改隧明洞工程概況

重慶至利川鐵路為“四縱四橫”中滬漢蓉大通道的重要組成部分，豐都橋改隧明洞位于重慶市豐都縣，為典型大跨單洞超厚回填土高壩基礎(chǔ)明洞襯砌結(jié)構(gòu)。渝利鐵路通過豐都縣斜南溪溝谷，原設(shè)計(jì)采用橋梁方式跨越，由于城市規(guī)劃需對(duì)溝谷進(jìn)行回填造地，鐵路被迫改為隧道形式通過。明洞結(jié)構(gòu)修建于市區(qū) 2 000余畝深溝回填造地棄渣填土體內(nèi)。豐都造地工程，上游為人造堰塘，下游連接長(zhǎng)江，沿溝回填縱向總長(zhǎng) 2 100 m，填方總量達(dá) 1 600 萬m3?；靥钤斓毓こ谭譃橐黄诨靥詈投诨靥?，隧道上方先回填出縱向 500 m長(zhǎng)，橫向80 m寬(一期回填)，再于明洞兩側(cè)沿溝形縱向回填直至填滿整個(gè)溝谷(二期回填)。明洞拱頂最大回填土厚度33 m，結(jié)構(gòu)最大凈跨20 m(含襯砌厚度)，隧道軌面以下至溝底32 m，填土總高度 62 m。為控制明洞襯砌大體積混凝土澆筑時(shí)產(chǎn)生的水化熱和溫度裂縫，采用雙層明洞襯砌型式，隧道基底采用壩型大體積混凝土基礎(chǔ)型式，解決了棄渣體內(nèi)高速鐵路沉降變形、穩(wěn)定、軌道平順性等難題[2]。

2 高填深基明洞結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析

2.1 計(jì)算原理

本工點(diǎn)結(jié)構(gòu)高度達(dá)65.4 m，設(shè)計(jì)分別采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法和數(shù)值計(jì)算法分析結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力、內(nèi)襯砌施做順序等。其中，按連續(xù)介質(zhì)設(shè)計(jì)時(shí)，地層、回填、壩、明洞外襯砌、填充采用平面應(yīng)變單元，明洞內(nèi)襯砌采用梁?jiǎn)卧瑝蔚缀退淼撞捎媒佑|單元。一期工程典型斷面如圖1所示。

圖1 一期工程典型斷面(m)

施工步驟為:(1)開挖壩基坑；(2)施作混凝土壩基礎(chǔ)；(3)漿砌片石回填左側(cè)基坑；(4)漿砌片石回填右側(cè)基坑；(5)填筑第一層土至壩的頂面；(6)施作明洞外襯砌；(7)施作明洞填充；(8)填筑第二層土；(9)填筑第三層土；(10)填筑第四層土；(11)施作明洞內(nèi)襯砌；(12)鈍化Z11、Z21、31、41土層。主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

2.2 回填工程及明洞基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性

壩基礎(chǔ)位于侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)泥巖夾砂巖的弱風(fēng)化層上，弱風(fēng)化泥巖的天然飽和單軸抗壓強(qiáng)度9.8～26.5 MPa，縱波波速在 2 707～4 302 m/s；弱風(fēng)化砂巖的天然飽和單軸抗壓強(qiáng)度13.2～44.6 MPa，縱波波速在 3 287～4 826 m/s，建筑場(chǎng)地類別屬Ⅱ類。結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定分析包括一期和二期工程。

2.2.1一期回填工程的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

施工到第10步時(shí)，壩底地層的最大主應(yīng)力為1.743 MPa，最大剪應(yīng)力為0.273 MPa，砂泥巖弱風(fēng)化泥巖的天然飽和單軸抗壓強(qiáng)度為9.8 MPa，抗剪強(qiáng)度為0.59 MPa，由此可知，壩底地層不會(huì)發(fā)生整體或局部剪切破壞，此時(shí)大壩沉降為1.5 cm，沉降等值面如圖2所示。

圖2 沉降等值面圖

當(dāng)填土到壩頂高度時(shí)，取壩底摩擦系數(shù)0.4，假定壩只承受單側(cè)土壓力，此時(shí)壩的抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc=3.32。當(dāng)填土到最大高度時(shí)(即一期回填完成后)，按瑞典條分法找出最不利邊坡滑面的安全系數(shù)為K=1.179>1.10，回填土體能保持穩(wěn)定。

假定Ⅱ期不及時(shí)回填，連續(xù)降雨引起填土c、φ值下降，致使一期回填發(fā)生局部溜坍，研究此不利工況下回填體的穩(wěn)定性。計(jì)算時(shí)，假定左側(cè)土體Z11、Z21、31、41沿最不利滑面滑走，此時(shí)壩底平均應(yīng)力1.19 MPa，水平推力532 kN，壩底抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)61.5。取隧底摩擦系數(shù)為0.65，隧底平均應(yīng)力0.49 MPa，水平推力635 kN，隧底抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)10.1，說明回填土體能保持穩(wěn)定。

由以上分析可知，一期回填發(fā)生局部溜坍時(shí)，在偏載作用下，明洞襯砌將承受532 kN水平推力。為保證工程安全可靠，設(shè)計(jì)考慮在襯砌底部設(shè)置與壩基混凝土同時(shí)澆筑的鋼筋混凝土抗剪樁，使明洞與壩基共同受力，共同抵抗填土水平推力。同時(shí)通過對(duì)一期回填穩(wěn)定性的分析，得到一期回填體的最佳坡率。

2.2.2二期回填工程的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

二期回填工程總長(zhǎng)2.1 km，總填方 1 700 萬m3，最大填高62 m，延伸至長(zhǎng)江邊。根據(jù)GB 50330-2002《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，附加荷載為公路荷載，按城市A級(jí)荷載考慮。根據(jù)地勘資料，取飽水狀態(tài)下土石界面的c、φ值對(duì)二期回填工程進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算參數(shù)如表2所示。穩(wěn)定性計(jì)算采用折線滑動(dòng)法，并考慮了長(zhǎng)江洪水位的滲流作用，經(jīng)驗(yàn)算，Kc=2.72>1.35，滿足規(guī)范穩(wěn)定要求。

表2 土石界面c、φ值

2.2.3混凝土壩基礎(chǔ)的變形和內(nèi)力

在各施工步驟中，壩體底部會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，施工到第11步時(shí)(即回填、內(nèi)襯施做完畢)拉應(yīng)力達(dá)到最大，最大值為0.31 MPa，小于C30混凝土容許拉應(yīng)力值0.55 MPa；壩體最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在壩底右側(cè)，最大值為0.73 MPa，小于C30混凝土容許剪應(yīng)力值1.10 MPa。有限元計(jì)算表明，混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力均未超過容許應(yīng)力值，混凝土結(jié)構(gòu)滿足隧道和填土承載力的要求。

由以上分析可知，壩體形狀和采用的材料滿足工程要求，但壩底兩側(cè)三角區(qū)有剪應(yīng)力集中，可將三角區(qū)優(yōu)化為直角區(qū)。該壩每延米體積為 1 478 m3，混凝土的溫控設(shè)計(jì)是保證大壩質(zhì)量的關(guān)鍵，需合理分塊，控制混凝土澆筑溫度，降低混凝土的水化熱，防止溫度裂縫的產(chǎn)生[3]。

2.2.4地基承載力有限元計(jì)算結(jié)果

施工到第10步，即Ⅰ期回填完成時(shí)，壩底地層的最大主應(yīng)力為1.743 MPa，最大剪應(yīng)力為0.27 MPa，弱風(fēng)化砂泥巖的天然飽和單軸抗壓強(qiáng)度為9.8 MPa，抗剪強(qiáng)度為0.59 MPa，如此可知，地基處于彈性受力，壩底地層不會(huì)發(fā)生整體或局部剪切破壞。填筑完畢時(shí)基底塑性區(qū)分布(局部)如圖3所示。

圖3 填筑完畢時(shí)基底塑性區(qū)分布(局部)圖

2.2.5混凝土壩基礎(chǔ)沉降計(jì)算結(jié)果

按隧道襯砌修筑完畢即鋪軌的情況計(jì)算，基底工后沉降為3.564 mm，整個(gè)回填工程填筑完畢時(shí)，基底總沉降為6.425 mm?；卓偝两递^小，混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)滿足上部隧道沉降的要求。

2.3 明洞襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

明洞外襯砌按承受100%荷載考慮，分別可按結(jié)構(gòu)力學(xué)法和數(shù)值分析法計(jì)算內(nèi)力。內(nèi)襯砌可在外襯砌和填充施工完成后施作(即內(nèi)襯砌先施作)，也可在I期填土完成后施作(即內(nèi)襯砌后施作)。內(nèi)襯砌的施作時(shí)機(jī)直接影響到工期和內(nèi)、外襯砌的內(nèi)力分擔(dān)[4]。明洞內(nèi)、外襯砌斷面如圖4所示。當(dāng)內(nèi)襯砌后施作時(shí)，外襯砌在第11步時(shí)的整體沉降為8 mm，因荷載作用引起的拱頂變形下沉為2 mm。

圖4 明洞內(nèi)、外襯斷面圖(cm)

2.3.1內(nèi)襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

當(dāng)內(nèi)襯砌在第11步施作時(shí)，襯砌承受彎矩為-0.5～1.5 kN·m，軸力為-58.2～11.5 kN，均較小，內(nèi)襯砌彎矩和軸力分別如圖5和圖6所示；考慮最不利工況，即隧道左側(cè)填方產(chǎn)生局部溜坍(第12步工況)，襯砌彎矩為-6.3～8.9 kN·m，軸力為-178.4～225.2 kN。兩者相比，最不利工況下的內(nèi)力增長(zhǎng)顯著,且存在偏壓內(nèi)襯砌彎矩和軸力分別如圖7和圖8所示。當(dāng)內(nèi)襯砌先施作時(shí)，襯砌承受彎矩為-25.2～24.5 kN·m，軸力為-1542.3～-83.3 kN，時(shí)彎矩和軸力分別如圖9和圖10所示。

圖5 第11步內(nèi)襯砌彎矩(kN·m)

圖6 第11步內(nèi)襯砌軸力(kN)

圖7 第12步內(nèi)襯砌彎矩(kN·m)

圖8 第12步內(nèi)襯砌軸力(kN)

圖9 內(nèi)襯砌先施作時(shí)彎矩(kN·m)

圖10 內(nèi)襯砌先施作時(shí)軸力(kN)

由以上分析可知，內(nèi)襯砌后施作，將基本不承受土體荷載，軸力彎矩都較小，內(nèi)襯砌可作為明洞填方產(chǎn)生局部溜坍時(shí)的安全儲(chǔ)備；內(nèi)襯砌先施作，內(nèi)、外襯砌共同承擔(dān)土體荷載，軸力、彎矩值均發(fā)生數(shù)量級(jí)的提高。從工期方面考慮，內(nèi)襯砌后施作，填土工期4個(gè)月和內(nèi)襯砌工期3個(gè)月將成為關(guān)鍵工序，若內(nèi)襯砌緊跟外襯砌施作，工期可節(jié)省7個(gè)月。

2.3.2外襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

外襯砌分別采用荷載-結(jié)構(gòu)模型(其彎矩為Ma，軸力為Fa)和連續(xù)介質(zhì)模型設(shè)計(jì)。其中，在連續(xù)介質(zhì)模型中，外襯砌采用梁?jiǎn)卧?其彎矩為Mb，軸力為Fb)和平面應(yīng)變單元(其彎矩為Mc，軸力為Fc)。三種情況下，外襯砌內(nèi)力情況大致為Ma>Mb>Mc，F(xiàn)a

圖11 荷載結(jié)構(gòu)模型彎矩Ma(t·m)

圖12 荷載結(jié)構(gòu)模型軸力Fa(t)

圖13 連續(xù)介質(zhì)模型彎矩Mb(t·m)

圖14 連續(xù)介質(zhì)模型軸力Fb(t)

3 結(jié)論

(1)通過數(shù)值計(jì)算方法分析了壩、襯砌、填土之間內(nèi)力和變形的相關(guān)性，結(jié)構(gòu)及回填的整體和局部穩(wěn)定性、內(nèi)襯施作時(shí)機(jī)對(duì)內(nèi)、外襯砌內(nèi)力的影響等，其計(jì)算結(jié)果與物理力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)模型、施工步驟、邊界條件密切相關(guān)，其數(shù)值不一定與實(shí)際一致，但仍對(duì)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。施工中應(yīng)加強(qiáng)沉降、填土內(nèi)力、襯砌內(nèi)力的監(jiān)測(cè)，修正數(shù)值計(jì)算的輸入?yún)?shù)，更好地指導(dǎo)施工。

(2)在偏載作用下，襯砌將承受532 kN水平推力，為保證工程可靠，在襯砌底部增設(shè)了直徑0.8 m的抗剪樁，間距4 m，長(zhǎng)度3～4 m。

(3)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法是假定在填土過程中，襯砌上方填土水平且存在5 m高差的情況計(jì)算襯砌內(nèi)力的；數(shù)值計(jì)算方法是按壩左側(cè)填土總高度54 m，右側(cè)填土總高度40.1 m，并考慮施工步驟(內(nèi)襯砌后作)計(jì)算襯砌內(nèi)力的。由于填土內(nèi)摩擦角、凝聚力的數(shù)值是按天然含水量選取的，當(dāng)二期填土不及時(shí)或連續(xù)降雨引起c、φ值降低時(shí)，可能發(fā)生局部溜坍，引起襯砌內(nèi)力變化。數(shù)值計(jì)算更能反映真實(shí)的施工情況，其在正常工況和最不利工況下，內(nèi)力均不是對(duì)稱的，故設(shè)計(jì)除按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法內(nèi)力和配筋外，還應(yīng)采用數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行校核。

(4)為解決高填方深基礎(chǔ)明洞結(jié)構(gòu)存在的問題，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際，開展超厚填土明洞豎向有效土壓力荷載[5-6]，超厚填土雙層明洞襯砌優(yōu)化施工工序，混凝土級(jí)配、外加劑、溫控防裂等施工技術(shù)的研究工作。