膨脹土路塹明洞上拱預(yù)防措施

陳俊波，孔令凱

（鄭萬鐵路客運(yùn)專線河南有限責(zé)任公司 工程部，河南鄭州 450000）

0 引言

膨脹土是一種特殊黏性土，含有親水性黏土礦物質(zhì)，具有失水收縮、吸水膨脹、反復(fù)脹縮變形、浸水時(shí)地基承載力衰減、干縮時(shí)裂隙發(fā)育等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定，常使其上建筑物產(chǎn)生不均勻的豎向、水平等脹縮變形，造成建筑物不均勻沉降、不規(guī)則位移、開裂、傾斜甚至破壞等，其反復(fù)脹縮變形引起的強(qiáng)度衰減對(duì)結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定安全構(gòu)成隱患［1］。我國云南、貴州、四川、廣西、河北、河南、湖北、陜西、安徽和江蘇等地，均有膨脹土分布［2］。國內(nèi)對(duì)在膨脹土地區(qū)修建房屋建筑、橋梁、路基工程研究較多，張季如等［3］對(duì)膨脹土地區(qū)公路病害特征及防治技術(shù)進(jìn)行研究，提出相應(yīng)防治措施；田世寬等［4］對(duì)膨脹土地帶橋梁病害進(jìn)行分析研究，提出了膨脹土地基橋涵基礎(chǔ)防排水處理措施。目前我國已有許多學(xué)者對(duì)膨脹土地區(qū)隧道進(jìn)行相關(guān)研究，張永平等［5］介紹了安康膨脹土隧道的設(shè)計(jì)和施工方法；楊軍平等［6］總結(jié)了干濕交替條件下，南寧地區(qū)膨脹圍巖的漲縮演變規(guī)律和力學(xué)性態(tài)。對(duì)在膨脹土地區(qū)修建高速鐵路明洞工程也在逐步研究，張礦山等［7］對(duì)膨脹巖土深路塹改明洞施工設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，提出東北地區(qū)膨脹土明洞施工圍護(hù)樁方案等?；谝陨涎芯?，依托鄭萬高鐵孝山明洞工程，對(duì)膨脹土路塹明洞上拱預(yù)防措施進(jìn)行探討。

1 工程概況

孝山明洞位于河南省禹州市崗唐村，全長950 m。場(chǎng)地內(nèi)鉆探揭露的地層主要為第四系上更新統(tǒng)沖洪積地層，局部夾卵礫石及姜石，壓縮性中等，具有弱-中等膨脹性，局部強(qiáng)膨脹性，具有吸水顯著膨脹、軟化、崩解和失水收縮、開裂、硬結(jié)現(xiàn)象，易造成邊坡失穩(wěn)。場(chǎng)區(qū)膨脹土的蒙脫石含量為23.47%～32.72%，自由膨脹率為13%～69%，陽離子交換量CEC（NH+）為234.26～360.92 mmol/kg，設(shè)計(jì)50.00 kPa壓力下膨脹率為1.52%，膨脹力為83.67 kPa，收縮系數(shù)為0.79。場(chǎng)地土樣經(jīng)試驗(yàn)最大膨脹力達(dá)到258.00 kPa，最小膨脹力為32.50 kPa。

明洞位于半徑為11 000 m的右偏曲線上，明洞內(nèi)縱坡為下坡，坡度為-25‰，明洞內(nèi)采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。

明洞進(jìn)口采用斜切式洞門，出口采用墻式洞門，洞身采用拱形襯砌結(jié)構(gòu)，進(jìn)出口兩端頂部均設(shè)置緩沖孔。為確保明洞施工安全，在挖方段兩側(cè)采用C40鋼筋混凝土抗滑樁進(jìn)行支護(hù)，不同地段分別采用Ⅰ型樁和Ⅱ型樁；樁截面2.50 m×2.75 m，樁間土采用噴錨網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，明洞基底采用C20片石混凝土進(jìn)行換填。

孝山明洞在挖方路塹地段修建。根據(jù)沉降觀測(cè)規(guī)范要求，施工期間在每處變形縫兩側(cè)各設(shè)置1個(gè)觀測(cè)斷面，共59個(gè)；每個(gè)觀測(cè)斷面在仰拱兩側(cè)及中間附近布設(shè)沉降變形觀測(cè)點(diǎn)，共177個(gè)，累計(jì)觀測(cè)42期。沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示42個(gè)斷面存在上拱趨勢(shì)，上拱斷面數(shù)占70%，明洞最大上拱量為3 mm。此時(shí)明洞主體結(jié)構(gòu)基本完成，明洞外側(cè)防水板已完成總量的一半。

2 明洞上拱原因分析

從連續(xù)6個(gè)月的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，雨季施工期間數(shù)據(jù)異常，上拱幅度較大，最大上拱量為3 mm；雨季后，數(shù)據(jù)基本趨于穩(wěn)定。經(jīng)研究分析，明洞上拱的原因主要有4個(gè)方面。

（1）場(chǎng)地土樣試驗(yàn)結(jié)果表明場(chǎng)地最大豎向膨脹力為258.20 kPa，最小豎向膨脹力為32.50 kPa。場(chǎng)地膨脹力差異較大，強(qiáng)、中、弱并存，與原設(shè)計(jì)提供的膨脹力有一定差距。場(chǎng)地膨脹力偏大，上拱風(fēng)險(xiǎn)增加。

（2）因明洞處于挖方地段，雨季施工，路基水大量涌入基坑，坑底長期處于浸泡狀態(tài)，膨脹土吸水膨脹，造成明洞上拱。

（3）明洞開挖和混凝土澆筑后，回填壓重不及時(shí)，回填重量不足以抵消膨脹力，造成明洞上拱。

（4）由于明洞施工周期的影響，施工期間防排水設(shè)施不能完全發(fā)揮作用。

3 預(yù)防上拱措施

場(chǎng)地土樣試驗(yàn)結(jié)果顯示個(gè)別土樣豎向最大膨脹力達(dá)258.20 kPa，超出設(shè)計(jì)值。防止明洞上拱主要措施是抵消膨脹土的豎向膨脹力，充分利用路塹邊坡已完成的抗滑樁抗拔作用，使抗滑樁和明洞形成整體，可抵抗豎向膨脹力［8］。結(jié)合原設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工情況，從以下三方面初擬預(yù)防上拱措施。一是在明洞上面回填覆蓋土，進(jìn)行壓重；二是在明洞底部，通過設(shè)置鋼筋混凝土梁，使明洞與路塹邊坡抗滑樁連成一個(gè)整體，共同抵抗豎向膨脹力；三是在明洞上部，通過設(shè)置曲梁，使明洞與路塹邊坡抗滑樁連成一個(gè)整體，共同抵抗豎向膨脹力。

3.1 側(cè)墻錨固

在明洞主體結(jié)構(gòu)底部和抗滑樁之間，設(shè)置鋼筋混凝土梁，通過在抗滑樁側(cè)面植筋的方式，使主體結(jié)構(gòu)與抗滑樁基礎(chǔ)錨固到一起，與主體結(jié)構(gòu)澆筑成一體，混凝土標(biāo)號(hào)與主體結(jié)構(gòu)一致。植筋接觸面清洗干凈并鑿毛，確保接觸面處樁體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，植筋工藝符合《混凝土結(jié)構(gòu)后錨技術(shù)規(guī)程》，鋼筋混凝土梁內(nèi)設(shè)置豎向排水管，使拱墻背后水通過溝槽排除至隧道外。錨固樁與主體結(jié)構(gòu)連接見圖1。

圖1 錨固樁與主體結(jié)構(gòu)連接

3.2 曲梁錨固

與側(cè)墻錨固方案不同，曲梁錨固是在明洞上方設(shè)置曲梁，曲梁的兩側(cè)錨入抗滑樁，與明洞形成整體，抵抗膨脹上拔。曲梁沿縱向長度2 m、中心間距5 m設(shè)置，植筋要求同側(cè)墻錨固方案。曲梁與錨固樁連接見圖2，曲梁空間分布見圖3。

圖2 曲梁與錨固樁連接

圖3 曲梁空間分布

3.3 回填土

按設(shè)計(jì)回填方量進(jìn)行回填壓重，依靠回填土重量進(jìn)行反壓，以抵消膨脹土豎向膨脹力。回填材料應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，回填時(shí)兩側(cè)應(yīng)對(duì)稱均勻進(jìn)行，回填壓實(shí)度應(yīng)符合規(guī)范要求，回填施工與排水系統(tǒng)施工相結(jié)合。

4 結(jié)構(gòu)受力分析

4.1 側(cè)墻錨固方案

4.1.1 鋼筋抗剪承載力計(jì)算

側(cè)墻錨固方案關(guān)鍵在于把主體結(jié)構(gòu)與抗滑樁連接在一起，計(jì)算錨固梁的抗剪承載力是否大于膨脹土的豎向膨脹力［9］。錨固梁的抗剪承載力主要取決于錨固鋼筋的抗剪承載力，鋼筋采用HRB400型。鋼筋抗剪承載力采用較保守的美國ACI318-05公式計(jì)算：

式中：VR，S為鋼材破壞群錨受剪承載力設(shè)計(jì)值，N；?為強(qiáng)度折減系數(shù)，延性好的鋼材取0.75，延性較差的鋼材取0.65；n為參與受剪的錨栓數(shù)量；AS為錨栓截面積；fu為錨栓鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

經(jīng)過計(jì)算，單根植筋抗剪承載力設(shè)計(jì)值見表1。

表1 單根植筋抗剪承載力設(shè)計(jì)值

4.1.2 工況選擇

考慮洞身（按2 m回填的最不利工況）和洞門2種工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算。

4.1.2.1 洞身結(jié)構(gòu)承受荷載

（1）結(jié)構(gòu)自質(zhì)量：46.06×25=1 151.50 kN。

（2）左右兩側(cè)干砌片石質(zhì)量：3.75×2×20=150.00 kN。

（3）C20片石混凝土自質(zhì)量：44.79×23=1 030.17 kN。

（4）左右側(cè)鋼筋混凝土質(zhì)量：7.56×25=189.00 kN。

（5）回填土質(zhì)量：72.72×19.6=1 425.31 kN。

G=3 945.98 kN。

4.1.2.2 洞門結(jié)構(gòu)承受荷載

（1）結(jié)構(gòu)自質(zhì)量：31.27×25=781.75 kN。

（2）C20片石混凝土自質(zhì)量：37.92×23=872.16 kN。

（3）左右側(cè)鋼筋混凝土質(zhì)量：7.56×25=18.00 kN。

（4）回填土質(zhì)量：10.4×19.6=203.84 kN。

G=1875.75 kN。

經(jīng)過計(jì)算，洞門和洞身結(jié)構(gòu)在不同膨脹力下的受力狀態(tài)見表2。

表2 洞門和洞身結(jié)構(gòu)在不同膨脹力下的受力狀態(tài)

4.1.3 結(jié)果分析

不采用植筋，當(dāng)?shù)撞颗蛎浟Υ笥?40 kPa時(shí)，洞門結(jié)構(gòu)開始上拱，當(dāng)?shù)撞颗蛎浟Υ笥?30 kPa時(shí)，洞身結(jié)構(gòu)開始上拱。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)?shù)撞颗蛎浟Υ笥?60 kPa時(shí)，在洞身處布置5根、在洞門處布置20根φ25 mm的HRB400鋼筋即可滿足要求。

4.2 曲梁錨固方案

4.2.1 鋼筋抗剪承載力計(jì)算

計(jì)算公式及結(jié)果同側(cè)墻錨固方案。

4.2.2 工況選擇

采用曲梁加固方案，因洞門結(jié)構(gòu)原因，僅適用于洞身部位，洞身結(jié)構(gòu)承受荷載如下：

（1）結(jié)構(gòu)自質(zhì)量：46.06×25=1 151.50 kN。

（2）回填土質(zhì)量：68.3×19.6=1 086.23 kN。

（3）左右兩側(cè)干砌片石質(zhì)量：3.75×2×20=150.00 kN。

（4）C20片石混凝土自質(zhì)量：44.79×23=1 030.17 kN。

（5）C20混凝土回填質(zhì)量：3.96×23=91.08 kN。

（6）曲梁處每延米平均質(zhì)量：20.9×25×2/5+20.9×19.6×3/5=454.78 kN。

G=3 963.76 kN。

經(jīng)過計(jì)算，洞門和洞身結(jié)構(gòu)在不同膨脹力下的受力狀態(tài)見表3。

表3 洞身結(jié)構(gòu)在不同膨脹力下的受力狀態(tài)

4.2.3 結(jié)果分析

不采用植筋，當(dāng)?shù)撞颗蛎浟Υ笥?30 kPa時(shí)，洞身結(jié)構(gòu)開始上拱。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)膨脹力達(dá)到270 kPa時(shí)，在橫斷面方向布置5根25 mm的HRB400鋼筋植入抗滑樁，可以滿足抗剪要求。

4.3 原設(shè)計(jì)回填土方案

4.3.1 工況選擇

考慮洞身（按2 m回填的最不利工況）和洞門2種工況。

4.3.1.1 洞身結(jié)構(gòu)承受荷載

（1）結(jié)構(gòu)自質(zhì)量：46.06×25=1 151.50 kN。

（2）左右兩側(cè)干砌片石質(zhì)量：3.75×2×20=150.00 kN。

（3）C20片石混凝土自質(zhì)量：44.79×23=1 030.17 kN。

（4）C20混凝土回填質(zhì)量：3.96×23=91.08 kN。

（5）回填土質(zhì)量：76.32×19.6=1 495.87 kN。

G=3 918.62 kN。

4.3.1.2 洞門結(jié)構(gòu)承受荷載

（1）結(jié)構(gòu)自質(zhì)量：41.24×25=1 031.00 kN。

（2）C20片石混凝土自質(zhì)量：37.92×23=872.16 kN。

（3）回填土質(zhì)量：10.4×19.6=203.84 kN。

G=2 107.00 kN。

經(jīng)計(jì)算，洞門和洞身結(jié)構(gòu)在不同膨脹力下的受力狀態(tài)見表4。

表4 洞門和洞身結(jié)構(gòu)在不同膨脹力下的受力狀態(tài)

4.3.2 結(jié)果分析

當(dāng)膨脹力達(dá)到130 kPa時(shí)，洞門結(jié)構(gòu)開始上拱；當(dāng)膨脹力達(dá)到230 kPa時(shí)，洞身結(jié)構(gòu)開始上拱。

5 推薦方案

從結(jié)構(gòu)安全、對(duì)已完工程的影響等方面綜合比選，工程采用側(cè)墻錨固方案。該方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)安全和抗膨脹性：側(cè)墻錨固方案從下部錨固，錨固面積大、效果好，不僅適用于洞身結(jié)構(gòu)，也適用于洞門結(jié)構(gòu)，對(duì)明洞起到整體加固作用。

（2）對(duì)既有防排水結(jié)構(gòu)的影響：側(cè)墻錨固方案僅需要增加設(shè)置豎向排水管，對(duì)已實(shí)施的防排水機(jī)構(gòu)影響較小。

（3）施工難易程度：側(cè)墻錨固方案只需要在已完工明洞及抗滑樁上植筋，澆筑混凝土，工藝相對(duì)簡單。

6 結(jié)束語

鄭萬高鐵河南段已開通1年多，運(yùn)營后沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)表明孝山明洞處CPⅢ高程均無變化，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，側(cè)墻錨固方案防止明洞上拱效果明顯。

6.1 設(shè)計(jì)階段

（1）膨脹土路塹開挖段修建明洞工程施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全部提供膨脹土的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，在結(jié)構(gòu)物范圍內(nèi)加大場(chǎng)地膨脹土膨脹力等指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)量。

（2）充分利用膨脹土路塹開挖段兩側(cè)的支擋結(jié)構(gòu)，在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)考慮把明洞與支擋結(jié)構(gòu)連成整體，以抵抗膨脹土的豎向膨脹力。

（3）根據(jù)膨脹土遇水膨脹、失水收縮的特性，防止膨脹土地帶結(jié)構(gòu)物變形、損壞的關(guān)鍵是“防水保濕”處理［10］。在設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)防排水設(shè)施設(shè)置，包括地表排水系統(tǒng)、地下水排水系統(tǒng)、明洞邊墻外側(cè)防排水系統(tǒng)、洞外引排水系統(tǒng)、基坑臨時(shí)排水系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)本身防水系統(tǒng)，確保明洞底部膨脹土含水量不發(fā)生顯著變化。

6.2 施工階段

（1）加強(qiáng)施工過程監(jiān)測(cè)，包括路塹開挖后坡面穩(wěn)定、明洞基底穩(wěn)定、地表下沉量測(cè)等，以便及時(shí)掌握明洞基底標(biāo)高的變化、邊仰坡坡面動(dòng)態(tài)與支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)，保證基坑穩(wěn)定和施工安全。

（2）路塹開挖后做好基坑引排水設(shè)施，避免雨季施工期間基坑積水。

（3）按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行回填，確?；靥畈牧蠞M足設(shè)計(jì)要求，回填施工應(yīng)均勻?qū)ΨQ進(jìn)行，并分層夯實(shí)。做好洞頂排水設(shè)施，在洞頂鋪設(shè)隔水層，防止洞頂水下滲到明洞基底。