舒東利,楊建民,楊 波

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

近年來,我國鐵路建設快速推進,隨著行車速度的提升,隧道受空氣動力學效應影響,為了獲得更好的舒適度,隧道斷面面積會相應增大。鐵路雙線隧道跨度大,斷面積一般大于90 m2。

以新建成都至昆明鐵路(以下簡稱“新建成昆鐵路”)和西安至成都高鐵(以下簡稱“西成高鐵”)為例：新建成昆鐵路速度160 km/h,雙線隧道洞口開挖跨度達13 m,開挖面積達122.5 m2；西成高鐵速度250 km/h,雙線隧道洞口開挖跨度達14.5 m,開挖面積達145 m2。西南山區(qū)隧道洞口地質條件一般較差,圍巖較破碎,由于選線限制,洞口也會遇到滑坡、巖堆體等不良地質。這些隧道洞口開挖易滑塌,暗挖進洞十分困難,設計難度較大。

目前,國內學者針對隧道洞口穩(wěn)定性設計與施工進行了一定研究。劉莉[1]分析了馬嘴隧道洞口淺埋段穩(wěn)定性,并采用間距5 m抗滑樁加固洞口；韓華軒、馬志富[2]采用護拱加耳墻的方式較好地解決了高陡偏壓隧道洞口的進洞問題；何信[3]采用數(shù)值模擬手段分析抗滑樁隧道穩(wěn)定性的影響,并提出了最佳抗滑樁間距。蔣楚生等[4]對樁間土拱效應進行試驗分析,并提出了考慮土拱效應的邊坡土壓力計算方法。李懷鑒[5]基于滬昆高鐵上店隧道,對偏壓隧道洞口加樁設計進行了研究；袁森林[6]基于湘潭昭山大道虎形山隧道,對偏壓隧道口耳墻式護拱支護結構進行了研究和優(yōu)化改進；張敏[7]結合渝懷鐵路大板溪隧道洞口特殊地段的處理,對復雜地形、地質情況下大跨度洞口段設計進行了總結；石先火等[8]結合云南麻昭高速公路趙家屋巖堆體隧道工程實例,提出了巖堆體隧道洞口淺埋段開挖進尺的計算公式。楊長京[9]總結了長琿高速公路老爺嶺隧道快速進洞的施工技術；李豐果[10]基于高陽寨隧道、賽里木湖隧道等山體偏壓隧道,提出了不宜卸載、先施作深埋側導洞等施工技術；林三國[11]結合贛龍鐵路馬蹄經(jīng)隧道因滑坡體垮塌工程,提出了相應的滑坡綜合整治方案。白國權、劉建中等[12-15]對偏壓隧道進洞施工方法進行了研究探討。

采用錨索加固洞口隧道內輪廓范圍內開挖困難,僅采用錨固樁加固其樁間距已不能達到加固大斷面隧道的要求。軟弱地層隧道洞口開挖極易塌方,采用傳統(tǒng)的施工方法已不能滿足大斷面隧道洞口修建要求,針對大跨度鐵路隧道洞口加固設計的研究較為缺乏。結合新建成昆鐵路及西成高鐵大跨度雙線隧道洞口設計與施工,對軟弱地層大斷面隧道洞口進洞方法展開研究分析。

2 軟弱地層隧道洞口穩(wěn)定性分析

以新建成昆鐵路前家山隧道進口為例對仰坡穩(wěn)定性進行分析。該隧道進口采用擋墻式洞門,臨時邊仰坡采用噴錨支護,噴射C25混凝土厚12 cm,φ22砂漿錨桿長4 m,按間距1 m×1 m梅花形布置,前家山隧道進口設計見圖1。基于極限平衡法的瑞典法對前家山隧道進口仰坡穩(wěn)定性進行計算分析。

圖1 前家山隧道進口設計(單位：cm)

瑞典條分法的計算原理為：首先假定出可能的圓弧形的滑裂面,然后將滑坡劃分為一塊一塊的條狀土條,并且將土條重力沿滑坡滑動面法線方向進行分解,由此計算出邊仰坡的安全系數(shù),見圖2。

圖2 瑞典條分法計算圖示

如果不考慮側面上的作用力,則土條上的作用力有土條自重及土條底面反力。

(1)土條自重

Wi=γibihi

(1)

式中,γi為土的重度；bi,hi分別為土條寬度和平均高度。把Wi引至分條滑動面上,分解為通過滑弧圓心的法向力Ni和與滑弧相切的剪切力Ti。θi表示該土條底面中點的法線與豎直線的交角,其余符號意義詳見圖2。

(2)土條底面法向反力

(2)

(3)

式中，F(xiàn)s為安全系數(shù)；li為土條底面長度；ci、φi分別為土條底面的黏聚力和內摩擦角。

(3)力矩平衡

把整個土體內各土條對滑動面圓心取力矩平衡,則有

(4)

由此可以得到安全系數(shù)的計算公式為

(5)

基于瑞典條分法分析了前家山隧道開挖上臺階和開挖至路基面仰坡的穩(wěn)定性,仰坡滑動破裂情況見圖3,其中開挖上臺階時仰坡安全系數(shù)為0.643,開挖至路基面時仰坡的安全系數(shù)為0.563,安全系數(shù)均小于1,仰坡不能夠自穩(wěn),易滑動破壞。

圖3 前家山隧道進口仰坡穩(wěn)定性計算結果(單位：cm)

西成高鐵和新建成昆鐵路多個隧道在洞口開挖時均出現(xiàn)了不同程度的滑塌。

前家山隧道進口施作導向墻后仰坡出現(xiàn)多條長度8～13 m,寬3～5 cm裂縫,進口土層發(fā)生滑移,導向墻開裂,見圖4。

楊家灣隧道進口在施工大管棚時,洞頂以上位置出現(xiàn)多條裂縫,最大裂縫寬度達25 cm,且裂縫一直在發(fā)展,存在極大滑塌風險；隧道洞身右側65 m處山坡上灌溉水池裂縫發(fā)展為一條貫通的裂縫(裂縫寬約5 cm)將水池切斷,水池周圍地表出現(xiàn)多條新裂縫,最大縫寬5 cm,并持續(xù)發(fā)展到25 cm,楊家灣隧道進口洞頂裂縫詳見圖5。

圖4 前家山隧道進口仰坡及導向墻裂縫

石梯子隧道進口在完成截水天溝施工并開始洞口清表刷仰坡的過程中,遇連續(xù)降雨,現(xiàn)場施工作業(yè)中斷,降雨過后在隧道進口上方洞身方向地表發(fā)現(xiàn)4條裂縫,洞身地表坡體出現(xiàn)大范圍蠕動滑移及地表隆起。施作大管棚時,裂縫繼續(xù)發(fā)展,洞頂上方土體滑移,導向墻變形,見圖6。

圖5 楊家灣隧道進口洞頂裂縫

圖6 石梯子隧道進口滑塌施工現(xiàn)場

基于隧道洞口穩(wěn)定性分析,隧道仰坡滑塌必然存在潛在滑動面,滑坡治理或洞口加固設計應以滑動面為核心,應從反壓洞口滑坡體和切斷滑動面的角度提出加固設計方案,基于該設計理念提出了軟弱地層隧道洞口加固設計的3種方法,分別為玻璃纖維鉆孔樁加固方法、樁基托梁護拱加固方法和縱橫梁加固方法。3種方法的適用條件、經(jīng)濟性及優(yōu)缺點見表1。

表1 3種隧道洞口加固設計方法對比

注：深層滑動滑坡體厚度25～50 m,中層滑動滑坡體厚度10～25 m,淺層滑動滑坡體厚度10 m以下。

3 玻璃纖維鉆孔樁加固方法

3.1 設計理念

玻璃纖維鉆孔樁加固設計方法的核心是在隧道明洞與暗洞的分界斷面設置1排玻璃纖維樁,于隧道兩側設置錨固樁,保證軟弱地層的穩(wěn)定性。開挖后明洞段及明洞回填及時施作,對軟弱地層形成反壓,增加仰坡的穩(wěn)定性。待明洞段施作完成后方可截斷玻璃纖維樁,暗挖進洞,玻璃纖維樁洞口加固設計方法橫縱斷面見圖7和圖8。

圖7 玻璃纖維樁洞口加固縱斷面

圖8 玻璃纖維樁洞口加固橫斷面

3.2 隧道洞口施工方法

采用玻璃纖維鉆孔樁加固方法時洞口段施工工序很重要,如果處理不當,可能同樣會造成洞口滑塌,該方法洞口段施工工序如下所述。

(1)施作錨固樁。在滑坡體范圍由上到下依次施工錨固樁,錨固樁施工完畢后可結合地層巖性增設輔助加固措施,如地表旋噴樁、鋼花管注漿等。然后施工隧道明暗分界處洞身范圍內的鉆孔樁,鉆孔樁配筋采用玻璃纖維。

(2)施作導向墻及大管棚。在完成隧道所有錨固樁、玻璃纖維樁和輔助加固措施之后,開挖隧道上半斷面,施作洞口導向墻、大管棚、小導管。

(3)施作明洞及洞門結構。進洞措施施工完成后,及時施作洞門及洞口明洞,待混凝土結構達到設計強度之后,及時施作明洞段回填土石。洞門、明洞及回填土石形成整體結構,對正面邊坡形成反壓,抑制仰坡下滑趨勢。

(4)截樁進洞。待明洞、洞門部分完工后,纖維錨固樁的臨時加固作用就已經(jīng)結束,已經(jīng)完成了坡腳加固受力體系的轉換,此時即可采用破碎錘等非爆破設備鑿除纖維錨固樁,暗挖進洞。

3.3 工程應用實例

西成高鐵設計為時速250 km的高速鐵路,石梯子隧道位于廣元—劍門關區(qū)間,設計為雙線隧道,隧道跨度14.32 m,高13.28 m,全長1 050 m,隧道進口采用帽檐斜切式洞門加斜切延伸段。洞口地表上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積層(Q4dl+el)粉質黏土、上更新統(tǒng)(Q3al+pl)粉質黏土、卵石土,下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組上段(J2s2)泥巖夾砂巖。洞口地表水主要為溝水和坡面暫時性流水,地下水為第四系土層孔隙水及基巖裂隙水。

石梯子隧道進口滑坡體位于洞口線路范圍200 m左右,工程滑坡段原為土質斜坡,洞口邊仰坡開挖后,切割坡腳,導致斜坡失穩(wěn),坡體前緣隆起,局部出現(xiàn)剪切裂縫,坡體上距洞口55 m處出現(xiàn)張裂縫,并產(chǎn)生明顯的錯壁,錯壁高約40 cm,滑坡體長約220 m,寬約160 m,厚5～10 m,體積約為26.4萬m3。堆積物以粉質黏土為主,局部為卵礫石。

石梯子隧道于隧道進口布設4排錨固樁,第一排錨固樁設置于隧道明暗分界處,洞身范圍內采用玻璃纖維鉆孔樁,其余采用人工挖孔樁,現(xiàn)場玻璃纖維樁布置見圖9。其余3排錨固樁縱向間隔布置于滑坡體范圍內。按上述施工方法順序施工,順利完成隧道進洞施工。

圖9 錨固樁、玻璃纖維樁及導向墻施作

玻璃纖維鉆孔樁加固方法應用于石梯子隧道,減少了邊仰坡刷坡,減少了對周邊環(huán)境的破壞,保證了洞口滑坡體的穩(wěn)定性,并確保了隧道洞口的施工安全,較好地解決了隧道洞口進洞的難題。

4 樁基托梁護拱加固方法

4.1 設計理念

樁基托梁護拱加固設計方法的核心是于隧道洞口段設置樁基托梁及護拱。樁基下穿潛在滑動面,抵抗軟弱地層的滑動。托梁上設護拱,待護拱和護拱兩側及頂部回填施作完成后可進行隧道開挖,護拱結構對正面仰坡形成反壓,保持正面的穩(wěn)定性。樁基托梁護拱加固法縱、橫斷面設計見圖10和圖11。

圖10 樁基托梁護拱縱斷面

圖11 樁基托梁護拱橫斷面(單位： cm)

4.2 隧道洞口施工方法

采用樁基托梁加護拱方法洞口段施工工序同樣重要,如果處理不當,也不能起到良好的防護效果。為確保洞口施工期間安全,施工時應避開雨季。該方法洞口段施工工序如下所述。

(1)施作洞口段地表排水系統(tǒng),并夯填處理地表裂縫及水池,減少雨水下滲弱化土層對山體穩(wěn)定性的影響。

(2)施作洞口段輔助加固措施,如地表鋼花管注漿加固淺層土質圍巖,旋噴樁、大管棚、防護工程等,加固洞口段圍巖使其具有一定的穩(wěn)定性及承載能力。

(3)明洞段樁基及托梁開挖及澆筑,灌注樁基至設計高程,待樁基達到設計強度后施作托梁,然后施作護拱,樁基、托梁、護拱鋼筋相互接茬,保證結構具有整體性,保證整體結構在縱向及橫向具有一定的剛度。

(4)護拱襯砌達到設計強度后,回填C20混凝土及土石至實際回填線,對正面仰坡形成反壓,防止仰坡滑塌。

(5)護拱內明洞開挖,并及時施作明洞襯砌、洞門及洞口相關附屬設施,洞口明洞及洞門形成鋼筋混凝土結構對正面仰坡形成反壓。

(6)施作明暗分界處導向墻、大管棚等,暗挖進洞。

4.3 工程應用實例

新建成都至昆明鐵路設計為時速160 km的客貨共線鐵路,楊家灣隧道位于峨眉—米易區(qū)間,設計為雙線隧道,跨度12.52 m,高11.29 m,全長3 230 m,隧道進口采用臺階式洞門。

洞口上覆土層為第四系全新統(tǒng)滑坡堆積層(Q4del)粉質黏土、坡殘積層(Q4dl+el)粉質黏土及坡崩積層(Q4dl+col)粉質黏土、粉土、角礫土、碎石土及塊石土,下伏基巖主要為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖(P2β)。地表水主要為溝水,地下水主要為第四系孔隙水潛水和基巖裂隙水,主要受大氣降水補給。

洞口開挖造成巖堆體上部邊坡產(chǎn)生多條弧形裂隙,并有下滑的趨勢,形成工程滑坡。該滑坡主軸與線路相交于距洞口30 m附近,與線路夾角約為53°,主軸方向約為N9°E,主軸長約120 m,前緣寬約50 m,后緣寬約30 m。該滑坡屬工程活動引起的中層堆積體滑坡,滑體物質成分較簡單,以粉質黏土為主,局部地段為碎石土、塊石土,厚度為2～15 m。滑坡面積約4 800 m2,滑坡體積約5.0×104m3,屬中型、中深層牽引式滑坡。地表出現(xiàn)多條弧形張拉裂隙,裂隙長5～30 m,裂隙寬2～25 cm,下錯2～20 cm。滑坡兩側邊界明顯,地貌形態(tài)呈一圈椅狀長條地形。

楊家灣隧道進口先施作3排錨固樁,治理工程滑坡。再按上述樁基托換加護拱施工方法,于隧道洞口段施作樁基托梁護拱結構,保證隧道邊仰坡穩(wěn)定,現(xiàn)場樁基托梁護拱施工見圖12,保證了隧道洞口施工安全,避免了滑坡體坍塌。

圖12 施工現(xiàn)場樁基托梁加護拱結構

5 縱橫梁加固方法

5.1 設計理念

縱橫梁加固方法的核心是于隧道洞口樁基頂部布置縱橫梁,能夠有效抵抗地層滑移。樁基下穿潛在滑動面,抵抗軟弱地層的滑動?？v橫梁形成框架結構正面抵擋仰坡,防止仰坡滑塌。隧道洞口縱橫梁加固設計方法的縱、橫斷面設計見圖13和圖14。

圖13 縱橫梁加固法縱斷面

圖14 縱橫梁加固法橫斷面

5.2 隧道洞口施工方法

采用縱橫梁加固法施工洞口段,施工工序也極為重要,如果施工工序不合理,也起不到有效的加固效果。該方法洞口段施工工序如下所述。

(1)施作洞口段地表排水系統(tǒng),并夯填處理地表裂縫,減少雨水下滲弱化土層對山體穩(wěn)定性的影響。

(2)施作明洞段兩側樁基及底縱梁,灌注樁基至設計高程,待樁基達到設計強度后施作底縱梁。樁基下穿潛在滑動面,抵抗地層滑移,樁基和底縱梁形成整體結構擋護邊坡,防止邊坡滑塌。

(3)待樁基和底縱梁達到設計強度之后,開挖并施作明暗分界處大管棚導向墻,為暗挖進洞做好準備。

(4)大管棚導向墻施作完成之后,澆筑頂縱梁及橫梁?？v橫梁頂住大管棚導向墻,限制導向墻的擠出位移,同時對正面仰坡形成反壓,防止仰坡滑移、傾覆。

(5)待洞口段加固結構達到設計強度后,暗挖進洞。

5.3 工程應用實例

新建成都至昆明鐵路楊家灣隧道出口采用擋墻式洞門。隧道出口段基礎位于穩(wěn)定性較差的第四系中、上更新統(tǒng)粉質黏土(弱～中等膨脹土)之中,厚10～20 m,呈硬塑狀,下伏地層為第三系上統(tǒng)昔格達組砂巖夾泥巖、頁巖全風化層及二疊系上統(tǒng)輝長巖全風化層。

雨季當?shù)赝唤当┯?雨量較大,雨水滲入土層,土體被水軟化,導致洞口開挖時局部發(fā)生坍塌。洞口段位于穩(wěn)定性較差的中、上更新統(tǒng)粉質黏土中,該土屬弱～中等膨脹土,具遇水膨脹、軟化、崩解,失水急劇收縮、開裂、硬結等特點,并能產(chǎn)生往復脹縮變形。

楊家灣隧道出口與隧道兩側分別布置10根錨固樁,按上述縱橫梁加固施工方法,靠近明暗分界處采用縱橫梁框架結構,現(xiàn)場縱橫梁施工見圖15,對邊仰坡滑塌形成了良好的擋護,有效地控制了隧道洞口的局部坍塌。

圖15 縱橫梁加固法施工現(xiàn)場

6 結論與建議

依托新建成昆鐵路及西成高鐵軟弱地層大斷面隧道工程,通過對軟弱地層隧道洞口加固設計方法的探討分析,得出以下結論。

(1)通過對軟弱地層隧道洞口仰坡穩(wěn)定性分析,得出隧道上半斷面開挖以及開挖至路基面時,仰坡安全系數(shù)均小于1,如果不采取相應加固措施,洞口極易發(fā)生滑塌。

(2)根據(jù)隧道開挖及滑動面特性,提出了玻璃纖維鉆孔樁加固、樁基托梁護拱加固、縱橫梁加固3種隧道洞口進洞施工方法,保證隧道范圍內的正常開挖,并形成對正面仰坡的反壓,控制滑動面下滑,已成功應用于西成高鐵石梯子隧道和新建成昆鐵路楊家灣隧道,洞口段加固效果顯著,工程得以順利實施。

(3)玻璃纖維鉆孔樁加固方法施工工期短,工程投資相對較高,質量控制難度大,加固效果最好,適用于大斷面隧道洞口淺、中、深層滑坡處理。

(4)樁基托梁護拱加固方法施工工期相對較長,工程投資較高,加固效果好,適用于大斷面隧道洞口淺、中層滑坡處理。

(5)縱橫梁加固方法,施工工期最短,工程投資最小,加固效果較好,特別適用于大斷面隧道洞口淺層滑坡處理。