高速鐵路隧道洞口接長明洞方案研究與實踐

王 林

(中鐵十二局集團第二工程有限公司，太原 030032)

山區(qū)高速鐵路經(jīng)常會遇到山高谷深，隧道相連的情況，要求盡量在隧道洞口接長明洞以保證高速鐵路運營安全。我國高速鐵路隧道目前大量采用帽檐斜切式洞門，這種洞門接長明洞時往往需要考慮明洞結(jié)構(gòu)將帽檐包含在內(nèi)，因此，工程較傳統(tǒng)洞門更為復雜。鄭西高速鐵路位于黃土地區(qū)，由于黃土地區(qū)沖溝發(fā)育、自然邊坡高陡的地形地貌特征，不可避免地會出現(xiàn)較多的沿沖溝兩側(cè)隧道相連及高陡邊坡問題。從列車運營安全角度考慮，應將隧道洞口邊仰坡盡量降低，否則應盡量在隧道洞口接長明洞，當隧道洞口相距較近時，可考慮用明洞將兩個隧道連接起來。

目前，國內(nèi)相關學者對隧道洞口邊仰坡危巖落石及接長明洞設計與施工做了相關研究。趙秋林[1]根據(jù)蘭渝鐵路范家坪隧道出口危巖落石發(fā)育情況，利用相關軟件，建立危巖落石運動模型，提出接長明洞和主被動防護相結(jié)合的落石綜合防護措施；張永平[2]通過重慶樞紐既有鐵路石壁山隧道接長明洞工程實踐，提出明洞襯砌拱部采用雙層疊合梁結(jié)構(gòu)，以減輕預制襯砌重量，采用拱部吊裝工法解決了既有線接長明洞問題；董振杰[3]在石太鐵路娘子關三號隧道接長明洞施工中，提出解決好隧道接長前的四電過渡、線路臨時加固及防電拱架臺車拱圈澆筑等技術(shù)；李品福[4]介紹了在既有鐵路隧道出口接長明洞采用分段施工、拱部滑模的施工技術(shù)，克服了小半徑曲線地段施工困難的問題；王昭暉[5]以既有隴海鐵路天水至蘭州段雞兒架隧道接長明洞工程為例，提出了外墻采用樁基托梁的單壓式明洞結(jié)構(gòu)；高樹峰[6]從空氣動力學角度介紹了鄭西高速鐵路相鄰隧道洞口間用明洞連接的方案情況；王興林[7]從具體施工角度介紹了鄭西高速鐵路明洞相連工程工藝細節(jié)；昝愛琴[8]介紹了鄭西高速鐵路黃土隧道半裝配式拱形明洞接長施工技術(shù)。

以上文獻多從明洞型式和施工方法上進行簡單介紹，均未涉及帽檐斜切式洞門單跨或多跨框架棚洞與拱形明洞結(jié)構(gòu)的對比分析。因此，本文結(jié)合鄭西高速鐵路帽檐斜切式洞門接長明洞方案研究過程，從施工可行性及結(jié)構(gòu)受力角度對這次明洞工程的設計與施工進行深入研究。

1 工程概況

鄭西高速鐵路三門峽至澠池段黃土自然邊坡一般接近45°，洞口施工時由于便道引入、洞口開挖等原因常導致邊坡坡腳被挖掉，再加上大多數(shù)隧道洞口在進洞施工過程中及進洞后，往往會出現(xiàn)地表下沉開裂現(xiàn)象，造成在隧道洞口范圍多會在仰坡上方產(chǎn)生縱橫向裂縫，隨著雨水下滲則對隧道洞口造成安全隱患。同時，由于自然邊坡穩(wěn)定系數(shù)達不到規(guī)范規(guī)定K=1.25的要求。在建設過程中，結(jié)合外方咨詢意見：大部分隧道洞口邊仰坡，在自然狀態(tài)下穩(wěn)定安全系數(shù)達不到中國規(guī)范規(guī)定的K=1.25，即洞口邊仰坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應對邊仰坡進行刷方，使其安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。采用刷方方案后邊仰坡高度很高，導致洞口上方防護面積較大。

所有這些不利因素組合起來，均要求隧道洞口盡量接長明洞以保證高速鐵路運營安全。但又由于隧道出洞后基礎下方是沖溝底部，就導致了黃土隧道接長明洞比較困難。特別是前后兩座隧道分布在沖溝兩側(cè)，相聚又很近，無法避免地導致兩處相鄰隧道最后用明洞完全連接起來。典型隧道洞口之間沖溝及自然仰坡如圖1所示，鄭西高速鐵路三門峽至靈寶段洞口接長明洞情況如表1所示。

圖1 典型隧道洞口之間沖溝及自然仰坡圖

表1 鄭西高速鐵路三門峽至靈寶段洞口接長明洞一覽表

2 明洞方案研究

由于鄭西高速鐵路開通在即，現(xiàn)場時間較緊，施工和設計、咨詢單位各方一起進行方案研究。方案的制訂需要考慮方便施工，同時在保證已經(jīng)施做好的洞門帽檐不被破壞的前提下進行接長明洞。結(jié)合已經(jīng)施做好的帽檐斜切式洞門和施工條件，制定出單跨或多跨式框架棚洞結(jié)構(gòu)和拱形明洞兩種方案。根據(jù)兩隧道洞口的實際距離，分別采用接長方案或者連通方案，并對結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力及構(gòu)件配筋計算。鄭西高速鐵路三門峽至靈寶段洞口段地質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表2 鄭西高速鐵路三門峽至靈寶段隧道洞口地質(zhì)參數(shù)表

2.1 明洞結(jié)構(gòu)型式

首先需確定明洞結(jié)構(gòu)型式。由于需接長明洞的洞門為帽檐斜切式洞門，帽檐高出拱頂2 m，若采用棚洞結(jié)構(gòu)，優(yōu)點在于現(xiàn)場立?，F(xiàn)澆混凝土工作量小，接觸網(wǎng)立柱改造工作量??；缺點在于上部結(jié)構(gòu)過大，吊裝預制件重量大、對吊裝設備及工藝要求高導致施工困難，并且兩側(cè)邊墻為開放結(jié)構(gòu)，無法防止側(cè)向異物入侵。因此，從穩(wěn)定性上分析，矩形棚洞不如拱形明洞結(jié)構(gòu)，方案定為拱形明洞結(jié)構(gòu)。

針對拱形明洞結(jié)構(gòu)基礎，研究了箱型基礎和樁基礎。箱型基礎可結(jié)合沖溝框架涵統(tǒng)籌考慮過水問題，但考慮到黃土沖溝極易受雨水沖刷的特性，雖然明洞結(jié)構(gòu)荷載不大，黃土承載力滿足要求，但最終確定采用樁基礎加托梁型式。

表1所列的7座隧道9個洞口增設洞口拱形明洞防護結(jié)構(gòu)中，坳渠二號隧道出口和交口隧道進口之間僅相距11.5 m、南交口一號隧道出口和南交口二號隧道進口之間相距24 m，對這兩處相距較近的洞口采用明洞連接。富村二號進口接明洞長度14.59 m，其余隧道均為13.2 m。

2.1.1 框架棚洞結(jié)構(gòu)

框架棚洞結(jié)構(gòu)分為單跨和多跨兩種形式，單個洞口縱向長度11.5 m，兩洞口之間的多跨結(jié)構(gòu)可結(jié)合洞口段長度進行確定。其施工順序為：樁基礎—樁基托梁—立柱—吊裝施工橫梁、縱梁、擋頭墻—T梁吊裝。單跨棚洞結(jié)構(gòu)側(cè)面及正面如圖2所示、多跨棚洞結(jié)構(gòu)側(cè)面如圖3所示。

圖2 單跨棚洞結(jié)構(gòu)側(cè)面及正面圖(m)

圖3 多跨棚洞結(jié)構(gòu)側(cè)面圖(m)

2.1.2 拱形明洞結(jié)構(gòu)

采用拱形結(jié)構(gòu)，需解決其跨線內(nèi)模安裝難題，傳統(tǒng)的內(nèi)模無法在接觸網(wǎng)導線安裝好時而施工，因此研究后采用了如下施工步驟：(1)洞口樁基礎施工；(2)樁基托梁灌注混凝土；(3)吊裝H型鋼鋼架，灌注矮邊墻混凝土；(4)H型鋼鋼架上設鋼筋混凝土纖維板作為混凝土內(nèi)模；(5)綁扎拱部明洞鋼筋，灌注混凝土。拱形明洞結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 拱形明洞結(jié)構(gòu)側(cè)面及正面圖(m)

明洞拱圈厚度為45 cm，拱部采用鋼筋混凝土纖維板作為明洞拱部混凝土內(nèi)模，同時可作為明洞結(jié)構(gòu)的一部分，避免了混凝土施工前立內(nèi)模及施工完成后拆除內(nèi)模的麻煩，因此施工周期短，安全性好，除吊裝H型鋼鋼架和安裝鋼筋混凝土纖維板占用少量“天窗”時間外，其余大量工序不需要占用大量“天窗”時間，能有效地避免對高速鐵路運營的干擾。纖維混凝土板與H型鋼連接如圖5所示。

圖5 纖維混凝土板與H型鋼連接圖

2.2 框架棚洞結(jié)構(gòu)受力分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)計算

采用荷載—結(jié)構(gòu)模型，用三維梁單元模擬立柱、橫梁及縱梁，單跨框架結(jié)構(gòu)共劃分了138個單元，單跨棚洞數(shù)值模型如圖6所示，三跨框架結(jié)構(gòu)共劃分316個單元，數(shù)值模型如圖7所示。

圖6 單跨棚洞結(jié)構(gòu)數(shù)值模型圖

圖7 多跨棚洞結(jié)構(gòu)數(shù)值模型圖

將縱梁上橫向放置的T梁、上覆土荷載及雪荷載計算出合力，然后施加至框架兩側(cè)的縱梁上，荷載采用節(jié)點力的方式施加，荷載計算時只考慮單跨條件，多跨時上部荷載與單跨相同。其中上覆土重按考慮1 m的填土荷載進行計算；T梁自重單跨時，縱向可布置 10個T梁；可變荷載根據(jù)GB 50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，取100 a一遇積雪荷載；永久荷載及可變荷載分項系數(shù)分別取1.35和1.4。單跨框架荷載計算結(jié)果如表3所示，單跨框架軸力及彎矩分別如圖8、圖9所示。

表3 單跨框架荷載計算結(jié)果表

圖8 單跨框架軸力圖(N)

圖9 單跨框架彎矩圖(N·m)

2.2.2 結(jié)構(gòu)配筋

由于計算數(shù)據(jù)量較大，選擇代表性斷面進行計算(此處選擇縱梁及橫梁跨中截面)，其他截面計算過程與此相同。安全系數(shù)取為2.0，按單筋受彎構(gòu)件進行計算。根據(jù)以上的計算分析流程，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，橫梁、縱梁及托梁僅給出一側(cè)的計算結(jié)果，柱子只給出其中一根的計算結(jié)果。單跨框架結(jié)構(gòu)立柱及梁部配筋計算結(jié)果分別如表4、表5所示。

表4 單跨框架結(jié)構(gòu)立柱配筋計算結(jié)果(部分單元)表

表5 單跨框架結(jié)構(gòu)梁部配筋計算結(jié)果(部分單元)表

由表4、表5的計算結(jié)果可知，構(gòu)件采用計算配筋量時，裂縫最大寬度均滿足規(guī)范要求。

2.3 拱形明洞結(jié)構(gòu)受力分析

經(jīng)現(xiàn)場討論，決定將原設計方案調(diào)整為接長明洞方案，明洞主骨架采用HM250型鋼拼裝組合而成，型鋼尺寸根據(jù)GB/T 11263-2005《熱軋H型鋼和剖分T型鋼》選定，工字鋼固定在沿隧道縱向的矮邊墻上。型鋼施工階段的驗算主要考慮拱圈混凝土自重、型鋼自重及上覆1 m填土荷載(安全儲備)。拱形明洞襯砌軸力如圖10所示。

圖10 拱形明洞襯砌軸力圖(N)

由襯砌安全系數(shù)計算結(jié)果可知，在堆土荷載及地震力荷載共同作用下，襯砌邊墻與矮邊墻相接位置安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，因此，需要進行配筋設計。拱形明洞襯砌配筋及最大裂縫寬度如表6所示。

表6 明洞襯砌配筋計算結(jié)果(部分單元)表

由表6的計算結(jié)果可知，拱形明洞采用設計配筋量時，結(jié)構(gòu)裂縫最大寬度為0.07 mm小于規(guī)范允許值，結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度滿足規(guī)范要求，因此，設計配筋量滿足安全性要求。

2.4 樁基設計及配筋計算

黃土地層樁選用摩擦樁，根據(jù)側(cè)向摩阻力計算單樁容許承載力及TB 10002.5-2005《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》，挖孔灌注樁的容許承載力按下式進行計算：

(1)

式中：[P]——挖孔灌注樁的容許承載力(kN)；

U——樁身橫截面周長(m)，按成孔樁徑計算；

fi——各土層的極限摩阻力(kPa)，本計算根據(jù)隧道地質(zhì)資料，取<3-2>土層極限側(cè)摩阻力為60 kPa；

li——各土層的厚度(m)；

A——樁身截面面積(m2)，按設計樁徑計算；

[σ]——樁底地基土的容許承載力(kPa) ；

m0——鉆孔灌注樁樁底支承力折減系數(shù)，根據(jù)TB 100025-2005《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》中表6.2.2-6取值。

根據(jù)單樁上部結(jié)構(gòu)荷載，先初步設計樁基有效入土深度為25 m ，單跨上部結(jié)構(gòu)單樁荷載為 3 720 kN，經(jīng)計算挖孔灌注樁的容許承載力[P]為 6 402.77 kN，當樁基有效入土深度為25 m時樁基自重 1 875 kN，則單樁總荷載為 5 595 kN<6 402.77 kN，故單跨框架樁基長度25 m時可滿足承載力要求。鄭西客運專線共有7座隧道的9個洞口增設洞口拱形明洞防護結(jié)構(gòu)，設計接長明洞148 m，樁基48根，總長 1 404 m，樁截面2 m×1.5 m，最深的樁挖深36 m。

3 施工過程中遇到的問題及解決方案

由于線路已進入聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，接觸網(wǎng)導線已經(jīng)供電，明洞按既有線組織施工。采用螺栓將鋼筋混凝土纖維板固定在H型鋼下方翼緣板內(nèi)側(cè)，作為明洞拱部混凝土內(nèi)模，施工過程中主要問題在于混凝土板安裝完后的大量縫隙，現(xiàn)場采用了泡沫填充材料以及膠帶等進行填塞堵漏。作為明洞結(jié)構(gòu)的主體拱架最初采用了H350型鋼，由于H350型鋼彎曲成型困難，故改為H250型鋼，滿足了加工成型彎曲要求。同時經(jīng)過拱部厚度優(yōu)化減薄，樁長可減少3～5 m。吊裝施工過程中，由于型鋼骨架是逐榀安裝，特別需要注意的是保證型鋼骨架的縱向穩(wěn)定，施工現(xiàn)場最終通過焊接不同長度的角鋼來進行固定。

纖維混凝土板采用場外預制，現(xiàn)場通過螺栓安裝，要求螺栓帽朝上，以防止螺栓帽在長期運營過程中發(fā)生脫落。作為直接暴露在洞內(nèi)潮濕環(huán)境中的型鋼結(jié)構(gòu)，在場外彎曲成型后應做好涂裝防銹處理。鋼架吊裝安裝過程中還需增設焊接縱向角鋼，以增加結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

4 結(jié)論與展望

本文通過鄭西高速鐵路開通前在聯(lián)調(diào)階段增設明洞的工程案例進行分析，得出以下結(jié)論：

(1)目前，我國高速鐵路隧道普遍采用帽檐斜切式洞門，帽檐高度高出拱頂2 m，在接長明洞時如果要保留帽檐結(jié)構(gòu)，則明洞結(jié)構(gòu)高度要比傳統(tǒng)明洞高出2 m。采用框架棚洞和拱形明洞兩種結(jié)構(gòu)類型均可實現(xiàn)接長明洞的目的，但比較后認為拱形明洞結(jié)構(gòu)更加合理。

(2)通過吊裝H型鋼完成明洞主骨架安裝，然后將纖維鋼筋混凝土板國內(nèi)首次應用通過螺栓固定在型鋼骨架上，混凝土內(nèi)模與結(jié)構(gòu)合二為一，在主體結(jié)構(gòu)及工藝工法上較好地解決了拱形明洞結(jié)構(gòu)受力及內(nèi)模安裝難題。

(3)隧道洞口接長明洞工程在我國高速鐵路建設過程中極為普遍，尤其是聯(lián)調(diào)階段、甚至是運營階段，均會遇到大量的此類工程。這就要求盡量實現(xiàn)場外預制，現(xiàn)場吊裝安裝，以最大限度地減少對運營的干擾。建議今后還應考慮山高谷深橋隧相連的地段，在橋梁設計時統(tǒng)籌考慮在梁部設置明洞的方案。