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

0 引言

我國地勢西高東低,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)高標準鐵路隧道工程的占比逐漸提升,難以確保每個隧道洞口都能正交進洞,斜交進洞工程實例屢見不鮮。以往傳統(tǒng)設(shè)計多采用深挖路塹或偏壓明洞結(jié)構(gòu),但西部艱險山區(qū)河流河川狹窄、彎曲,經(jīng)過常年的流水侵蝕和風化作用,地勢陡峻,若采用傳統(tǒng)的深挖路塹、偏壓明洞設(shè)計方案勢必引起高陡邊坡,施工風險高、生態(tài)環(huán)境破壞嚴重,不符合安全、環(huán)保設(shè)計理念。為保護環(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,可采用護拱暗挖進洞方案,此方案能有效減少對坡面的擾動,提高邊坡自穩(wěn)能力。

傍山淺埋偏壓隧道工程進洞技術(shù)、襯砌結(jié)構(gòu)破壞模式、力學特性等已有一定的研究成果,文獻[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)計方案;文獻[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)合一體的進洞支護技術(shù);文獻[5-9]針對傍山淺埋偏壓隧道工程,詳細介紹了其松動圍巖壓力計算方法、圍巖變形特征、地層傾角對拱頂沉降的影響規(guī)律、破壞模式、地表沉降規(guī)律及其預(yù)測方法、偏壓應(yīng)力比等技術(shù);文獻[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)計要求嚴格,應(yīng)嚴格遵循“早進洞、晚出洞”的設(shè)計理念,而高標準鐵路由于半徑大,無法逐個確保隧道正交進洞。本文結(jié)合工程實踐,提出了“先在出露地表預(yù)設(shè)鋼格柵混凝土護拱,隨后反壓回填土石,采用暗挖法進洞”的護拱暗挖技術(shù)方案、施工工序以及針對性的處理措施,解決了傍山淺埋、局部露空隧道進洞技術(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,強風化—弱風化,厚約10～25 m(圖1)。

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

洞口段圍巖風化層較厚且存在順層現(xiàn)象，施工風險高，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39 m,嚴重破壞地表環(huán)境,同時隧道洞口邊、仰坡防護工程量大、運營隱患高。為此，開展隧道工程提前進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、后期運營安全等因素,共研究三大進洞方案:放坡明挖設(shè)明洞、支擋明挖設(shè)明洞及護拱暗挖進洞。

(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,臨時邊坡開挖高度達39 m,永久邊坡高度為22 m,為保證坡面穩(wěn)定性,坡面防護采用錨桿框架梁防護。開挖及防護工程量大,生態(tài)環(huán)境破壞嚴重。

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)計樁長23 m,開挖高度達25 m,其中樁頂邊坡開挖高度為7 m,減小了對生態(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) 護拱暗挖進洞方案

此方案(圖8)以隧道左墻腳為基準點,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拱;最后在護拱頂反壓回填土石來增強坡體整體穩(wěn)定性;其余未挖部分暗挖通過。此方案臨時邊坡開挖高度為15 m,永久邊坡幾乎實現(xiàn)零開挖高度,有效降低了邊坡開挖高度和對環(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、施工風險、環(huán)境影響以及運營安全等多方面綜合考慮,最終推薦采用護拱暗挖進洞方案。各方案優(yōu)缺點比選見表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,開挖及防護工程量大、生態(tài)環(huán)境擾動范圍廣、施工及運營風險高;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)濟效益低;護拱暗挖進洞方案不僅降低了邊坡開挖高度,還減少了防護工程量,基本零邊坡開挖,實現(xiàn)工程建設(shè)與自然環(huán)境的相互融合,保證了施工及運營安全。綜上,推薦護拱暗挖進洞方案。

圖8 護拱暗挖進洞方案Fig.8 Entrance scheme of arch tunneling

表1 隧道進口淺埋偏壓段設(shè)計方案比選表

3 護拱暗挖方案隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

表2 參數(shù)設(shè)計表

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)安全性驗證

(1) 計算模型

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經(jīng)驗[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,初期支護噴混凝土采用0.5 m厚的梁單元模擬,二次襯砌采用0.85 m厚梁單元模擬,模型詳見圖9。

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

(2) 計算參數(shù)

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

表3 計算參數(shù)

(3) 計算結(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,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行結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及裂縫驗算,驗算結(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 護拱暗挖施工

4.1 施工工序

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

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

工序一:施工準備,清除山坡上的碎石及酥松的土石,對開挖面以上自然山坡進行噴錨防護,分步開挖土體①,邊挖邊防護,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鋼格柵混凝土護拱③,護拱在靠山側(cè)的基礎(chǔ)處設(shè)置鎖腳錨桿,保證護拱與山坡的穩(wěn)定。等護拱強度達到設(shè)計要求后再在護拱上方回填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)達到設(shè)計強度后再進行暗洞部分施工。拱部120°施作超前支護并預(yù)注漿加固地層。

工序四:采用臺階法依次分步開挖洞內(nèi)土體⑥,并及時施作初期支護結(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)場測試數(shù)據(jù)分析

施工過程中根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)來掌握圍巖、初期支護動態(tài)信息,用于指導設(shè)計與施工,測點布置見圖14,淺埋偏壓段施工期間支護位移變形曲線見圖15?？梢钥闯?，隧道施工過程中拱頂下沉最大值達14 cm,并在支護施作6天后開始趨于穩(wěn)定,水平收斂最大值達9 cm,在支護施作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)計允許的預(yù)留變形量范圍之內(nèi)。

圖14 測點布置圖Fig.14 Layout of measuring points

圖15 支護位移曲線Fig.15 Displacement curve of support

5 結(jié)論

(1) 遵循“安全、環(huán)保、經(jīng)濟”及“早進洞、晚出洞”的原則,對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拱暗挖進洞方案,可有效減少開挖對山體的擾動。

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

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