高速鐵路淺埋偏壓隧道安全進(jìn)洞方案研究

賈元霞(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 陜西 西安 710043)

0 引言

我國地勢(shì)西高東低,呈階梯狀分布,山區(qū)分布面積占全國總面積的三分之二。近年來,隨著山區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)鐵路隧道工程的占比逐漸提升,難以確保每個(gè)隧道洞口都能正交進(jìn)洞,斜交進(jìn)洞工程實(shí)例屢見不鮮。以往傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多采用深挖路塹或偏壓明洞結(jié)構(gòu),但西部艱險(xiǎn)山區(qū)河流河川狹窄、彎曲,經(jīng)過常年的流水侵蝕和風(fēng)化作用,地勢(shì)陡峻,若采用傳統(tǒng)的深挖路塹、偏壓明洞設(shè)計(jì)方案勢(shì)必引起高陡邊坡,施工風(fēng)險(xiǎn)高、生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重,不符合安全、環(huán)保設(shè)計(jì)理念。為保護(hù)環(huán)境,避免大范圍刷坡,隧道洞口兩側(cè)及拱頂盡可能以不開挖的方式進(jìn)洞施工,但受地形、地質(zhì)等條件影響,洞口存在顯著地形偏壓或一側(cè)露空的傍山地形,可采用護(hù)拱暗挖進(jìn)洞方案,此方案能有效減少對(duì)坡面的擾動(dòng),提高邊坡自穩(wěn)能力。

傍山淺埋偏壓隧道工程進(jìn)洞技術(shù)、襯砌結(jié)構(gòu)破壞模式、力學(xué)特性等已有一定的研究成果,文獻(xiàn)[1-3]結(jié)合高速公路傍山隧道工程,詳述了傍山淺埋公路隧道洞口設(shè)計(jì)方案;文獻(xiàn)[4]結(jié)合淺埋偏壓高速公路隧道,提出了采用“拱架-錨桿(管)-鋼短橫梁”聯(lián)合一體的進(jìn)洞支護(hù)技術(shù);文獻(xiàn)[5-9]針對(duì)傍山淺埋偏壓隧道工程,詳細(xì)介紹了其松動(dòng)圍巖壓力計(jì)算方法、圍巖變形特征、地層傾角對(duì)拱頂沉降的影響規(guī)律、破壞模式、地表沉降規(guī)律及其預(yù)測(cè)方法、偏壓應(yīng)力比等技術(shù);文獻(xiàn)[10-12]從控制變形及結(jié)構(gòu)受力角度研究得出采用CRD工法且先開挖淺埋側(cè)的方案易控制圍巖變形、保證結(jié)構(gòu)安全性。

高速鐵路隧道洞口設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格,應(yīng)嚴(yán)格遵循“早進(jìn)洞、晚出洞”的設(shè)計(jì)理念,而高標(biāo)準(zhǔn)鐵路由于半徑大,無法逐個(gè)確保隧道正交進(jìn)洞。本文結(jié)合工程實(shí)踐,提出了“先在出露地表預(yù)設(shè)鋼格柵混凝土護(hù)拱,隨后反壓回填土石,采用暗挖法進(jìn)洞”的護(hù)拱暗挖技術(shù)方案、施工工序以及針對(duì)性的處理措施,解決了傍山淺埋、局部露空隧道進(jìn)洞技術(shù)難題。

1 工程概述

某山區(qū)高速鐵路雙線隧道洞口基巖裸露,山坡較陡,自然坡度40°～50°,植被較發(fā)育。地層主要為志留系下統(tǒng)世頁巖,青灰色,節(jié)理發(fā)育,層間結(jié)合力較差,層狀構(gòu)造,巖體局部揉皺發(fā)育,強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化,厚約10～25 m(圖1)。

圖1 洞口地貌Fig.1 Landform of the portal section

洞口段圍巖風(fēng)化層較厚且存在順層現(xiàn)象，施工風(fēng)險(xiǎn)高，受控于引線工程及線路最小曲線半徑R-3500 m的限制,線路與地形夾角約55°,造成洞口偏壓嚴(yán)重,洞口平面及縱、橫斷面如圖2～4所示。

圖2 洞口平面圖(單位:m)Fig.2 Portal plan (Unit:m)

從圖2可以看出：洞口偏壓嚴(yán)重且偏壓段落較長，若縮短隧道長度采用深挖路塹工程(圖5),則邊、仰坡開挖范圍大,最高達(dá)39 m,嚴(yán)重破壞地表環(huán)境,同時(shí)隧道洞口邊、仰坡防護(hù)工程量大、運(yùn)營隱患高。為此，開展隧道工程提前進(jìn)洞的方案研究是很有必要的。

圖3 洞口縱斷面圖Fig.3 Longitudinal section of portal

圖4 洞口橫斷面圖Fig.4 Cross section of portal

圖5 深挖路塹Fig.5 Deep excavation

2 隧道安全進(jìn)洞方案研究

2.1 方案概述

結(jié)合洞口地形、地貌、地質(zhì)條件、外部環(huán)境、后期運(yùn)營安全等因素,共研究三大進(jìn)洞方案:放坡明挖設(shè)明洞、支擋明挖設(shè)明洞及護(hù)拱暗挖進(jìn)洞。

(1) 放坡明挖設(shè)明洞方案

此方案(圖6)邊坡以1∶0.75坡率放坡開挖,臨時(shí)邊坡開挖高度達(dá)39 m,永久邊坡高度為22 m,為保證坡面穩(wěn)定性,坡面防護(hù)采用錨桿框架梁防護(hù)。開挖及防護(hù)工程量大,生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重。

圖6 放坡明挖設(shè)明洞方案Fig.6 Scheme of slope open-cut with open cut tunnel

(2) 支擋明挖設(shè)明洞方案

此方案(圖7)中在隧道右側(cè)結(jié)構(gòu)輪廓線外設(shè)樁板墻(2 m×3 m)支持結(jié)構(gòu)來降低右側(cè)邊坡開挖高度,設(shè)計(jì)樁長23 m,開挖高度達(dá)25 m,其中樁頂邊坡開挖高度為7 m,減小了對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,但樁板結(jié)構(gòu)圬工量大,工程投資高。

圖7 支擋明挖設(shè)明洞方案Fig.7 Scheme of retaining open-cut with open cut tunnel

(3) 護(hù)拱暗挖進(jìn)洞方案

此方案(圖8)以隧道左墻腳為基準(zhǔn)點(diǎn),以1∶0.75的坡率放坡開挖隧道左側(cè)露空部分;然后設(shè)置大邊墻作為擋土墻,并以大邊墻和右側(cè)坡面作為基礎(chǔ)施作拱部鋼格柵混凝土護(hù)拱;最后在護(hù)拱頂反壓回填土石來增強(qiáng)坡體整體穩(wěn)定性;其余未挖部分暗挖通過。此方案臨時(shí)邊坡開挖高度為15 m,永久邊坡幾乎實(shí)現(xiàn)零開挖高度,有效降低了邊坡開挖高度和對(duì)環(huán)境的影響程度。

2.2 方案比選

(1) 方案比選

隧道淺埋段的建設(shè)方案主要從地質(zhì)條件、施工風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境影響以及運(yùn)營安全等多方面綜合考慮,最終推薦采用護(hù)拱暗挖進(jìn)洞方案。各方案優(yōu)缺點(diǎn)比選見表1。

(2) 方案比選結(jié)果

通過分析得出,明挖設(shè)明洞方案邊坡開挖高,開挖及防護(hù)工程量大、生態(tài)環(huán)境擾動(dòng)范圍廣、施工及運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)高;支擋明挖方案降低了邊坡開挖高度及范圍,但是支擋工程量大、投資高,經(jīng)濟(jì)效益低;護(hù)拱暗挖進(jìn)洞方案不僅降低了邊坡開挖高度,還減少了防護(hù)工程量,基本零邊坡開挖,實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)與自然環(huán)境的相互融合,保證了施工及運(yùn)營安全。綜上,推薦護(hù)拱暗挖進(jìn)洞方案。

圖8 護(hù)拱暗挖進(jìn)洞方案Fig.8 Entrance scheme of arch tunneling

表1 隧道進(jìn)口淺埋偏壓段設(shè)計(jì)方案比選表

3 護(hù)拱暗挖方案隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 10003—2016)》[13]及工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),參數(shù)列于表2。

表2 參數(shù)設(shè)計(jì)表

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)證

(1) 計(jì)算模型

采用MIDAS-GTS構(gòu)建地層-結(jié)構(gòu)模型,按上述半明半暗進(jìn)洞方案施工工序來模擬隧道施工過程,其中暗挖部分采用三臺(tái)階法,來分析二次襯砌結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力特性,考慮到圣維南原理以及隧道力學(xué)經(jīng)驗(yàn)[14],模型選取條件為:橫向邊界到隧道邊界的間距大約為3～5倍洞徑,豎向模型的下邊界距離隧道底部約為2～3倍洞徑,初期支護(hù)噴混凝土采用0.5 m厚的梁?jiǎn)卧M,二次襯砌采用0.85 m厚梁?jiǎn)卧M,模型詳見圖9。

圖9 地層-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.9 Stratum-structure calculation model

(2) 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型中,圍巖選取志留系下統(tǒng)頁巖,Ⅴ級(jí)圍巖。根據(jù)圍巖特征并參考《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 10003—2016)》[13]計(jì)算參數(shù)見表3所列。

表3 計(jì)算參數(shù)

(3) 計(jì)算結(jié)果與分析

① 結(jié)構(gòu)位移分析

二次襯砌結(jié)構(gòu)的位移及豎向變形如圖10所示。結(jié)果表明隧道開挖后,拱頂上方的土壓力使結(jié)構(gòu)有下沉趨勢(shì),基底在土體開挖過程中由于土體卸載,出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。隨著隧道開挖,襯砌拱頂沉降逐漸變大趨于穩(wěn)定2.6 mm,隧底隆起由于開挖引起的地面回彈逐漸變大至2.1 mm。

圖10 二次襯砌合位移圖Fig.10 Combined displacement diagram of secondary lining

② 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力見圖11、12。分析得到靠山側(cè)襯砌拱腳位置軸力和彎矩出現(xiàn)最大值,選取軸力和彎矩不利單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及裂縫驗(yàn)算,驗(yàn)算結(jié)果列于表4。

圖11 二次襯砌結(jié)構(gòu)軸力圖(單位:kN)Fig.11 Axial diagram of secondary lining structure (Unit:kN)

圖12 二次襯砌結(jié)構(gòu)彎矩圖(單位:kN·m)Fig.12 Bending moment diagram of secondary lining structure (Unit:kN·m)

軸力/kN彎矩/(kN·m)安全系數(shù)破壞類型最大裂縫寬度/mm-109.20-105.706.71大偏壓0.067-119.80-117.006.04大偏壓0.075-129.40-119.606.09大偏壓0.075-137.90-111.707.09大偏壓0.067-144.90-105.508.15大偏壓0.062-207.20-118.009.57大偏壓0.063

由表可見,結(jié)構(gòu)的最小安全系數(shù)均大于2,裂縫最大寬度均小于0.20 mm,均滿足規(guī)范要求。

4 護(hù)拱暗挖施工

4.1 施工工序

結(jié)合了明挖與暗挖工法特點(diǎn),以“少開挖甚至不開挖”為設(shè)計(jì)理念,具體施工工序[15-16]見圖13。步驟如下:

圖13 半明半暗進(jìn)洞方案隧道施工工序Fig.13 Tunnel construction procedure of half-buried entrance scheme

工序一:施工準(zhǔn)備,清除山坡上的碎石及酥松的土石,對(duì)開挖面以上自然山坡進(jìn)行噴錨防護(hù),分步開挖土體①,邊挖邊防護(hù),以保證坡面穩(wěn)定。

工序二:先施作明洞外側(cè)大邊墻②,在大邊墻內(nèi)預(yù)埋Φ22 mm接茬鋼筋,墻頂預(yù)留泄水孔。拱部施作C35鋼格柵混凝土護(hù)拱③,護(hù)拱在靠山側(cè)的基礎(chǔ)處設(shè)置鎖腳錨桿,保證護(hù)拱與山坡的穩(wěn)定。等護(hù)拱強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再在護(hù)拱上方回填C20混凝土④,并回填土石⑤,做好黏土隔水層。

工序三:等明挖結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再進(jìn)行暗洞部分施工。拱部120°施作超前支護(hù)并預(yù)注漿加固地層。

工序四:采用臺(tái)階法依次分步開挖洞內(nèi)土體⑥,并及時(shí)施作初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。

工序五:鋪設(shè)防排水設(shè)施,施作二次襯砌、水溝等結(jié)構(gòu)。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

施工過程中根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)來掌握圍巖、初期支護(hù)動(dòng)態(tài)信息,用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工,測(cè)點(diǎn)布置見圖14,淺埋偏壓段施工期間支護(hù)位移變形曲線見圖15?？梢钥闯?，隧道施工過程中拱頂下沉最大值達(dá)14 cm,并在支護(hù)施作6天后開始趨于穩(wěn)定,水平收斂最大值達(dá)9 cm,在支護(hù)施作7天后開始趨于穩(wěn)定.拱頂下沉、水平收斂最大值均在設(shè)計(jì)允許的預(yù)留變形量范圍之內(nèi)。

圖14 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.14 Layout of measuring points

圖15 支護(hù)位移曲線Fig.15 Displacement curve of support

5 結(jié)論

(1) 遵循“安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)”及“早進(jìn)洞、晚出洞”的原則,對(duì)洞口存在顯著地形偏壓或一側(cè)露空的傍山淺埋隧道,選擇少開挖甚至不開挖邊坡的護(hù)拱暗挖進(jìn)洞方案,可有效減少開挖對(duì)山體的擾動(dòng)。

(2) 護(hù)拱暗挖進(jìn)洞技術(shù)結(jié)合偏壓隧道的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),設(shè)置大邊墻和護(hù)拱作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系,在暗洞施工前護(hù)拱反壓回填,保證坡體穩(wěn)定后再進(jìn)行暗洞施工，降低了傍山淺埋隧道施工風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 護(hù)拱暗挖進(jìn)洞方案的應(yīng)用,有效解決了傳統(tǒng)傍山隧道明挖施工造成的運(yùn)營期間邊仰坡病害,同時(shí)保護(hù)了生態(tài)環(huán)境,降低邊坡開挖高度,減少了邊坡開挖量和防護(hù)工程量,為類似工程施工提供很好的借鑒。