高速铁路浅埋偏压隧道安全进洞方案研究

贾元霞(中铁第一勘察设计院集团有限公司, 陕西 西安 710043)

0 引言

我国地势西高东低,呈阶梯状分布,山区分布面积占全国总面积的三分之二。近年来,随着山区高标准铁路隧道工程的占比逐渐提升,难以确保每个隧道洞口都能正交进洞,斜交进洞工程实例屡见不鲜。以往传统设计多采用深挖路堑或偏压明洞结构,但西部艰险山区河流河川狭窄、弯曲,经过常年的流水侵蚀和风化作用,地势陡峻,若采用传统的深挖路堑、偏压明洞设计方案势必引起高陡边坡,施工风险高、生态环境破坏严重,不符合安全、环保设计理念。为保护环境,避免大范围刷坡,隧道洞口两侧及拱顶尽可能以不开挖的方式进洞施工,但受地形、地质等条件影响,洞口存在显著地形偏压或一侧露空的傍山地形,可采用护拱暗挖进洞方案,此方案能有效减少对坡面的扰动,提高边坡自稳能力。

傍山浅埋偏压隧道工程进洞技术、衬砌结构破坏模式、力学特性等已有一定的研究成果,文献[1-3]结合高速公路傍山隧道工程,详述了傍山浅埋公路隧道洞口设计方案;文献[4]结合浅埋偏压高速公路隧道,提出了采用“拱架-锚杆(管)-钢短横梁”联合一体的进洞支护技术;文献[5-9]针对傍山浅埋偏压隧道工程,详细介绍了其松动围岩压力计算方法、围岩变形特征、地层倾角对拱顶沉降的影响规律、破坏模式、地表沉降规律及其预测方法、偏压应力比等技术;文献[10-12]从控制变形及结构受力角度研究得出采用CRD工法且先开挖浅埋侧的方案易控制围岩变形、保证结构安全性。

高速铁路隧道洞口设计要求严格,应严格遵循“早进洞、晚出洞”的设计理念,而高标准铁路由于半径大,无法逐个确保隧道正交进洞。本文结合工程实践,提出了“先在出露地表预设钢格栅混凝土护拱,随后反压回填土石,采用暗挖法进洞”的护拱暗挖技术方案、施工工序以及针对性的处理措施,解决了傍山浅埋、局部露空隧道进洞技术难题。

1 工程概述

某山区高速铁路双线隧道洞口基岩裸露,山坡较陡,自然坡度40°～50°,植被较发育。地层主要为志留系下统世页岩,青灰色,节理发育,层间结合力较差,层状构造,岩体局部揉皱发育,强风化—弱风化,厚约10～25 m(图1)。

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

洞口段围岩风化层较厚且存在顺层现象，施工风险高，受控于引线工程及线路最小曲线半径R-3500 m的限制,线路与地形夹角约55°,造成洞口偏压严重,洞口平面及纵、横断面如图2～4所示。

图2 洞口平面图(单位:m)Fig.2 Portal plan (Unit:m)

从图2可以看出：洞口偏压严重且偏压段落较长，若缩短隧道长度采用深挖路堑工程(图5),则边、仰坡开挖范围大,最高达39 m,严重破坏地表环境,同时隧道洞口边、仰坡防护工程量大、运营隐患高。为此，开展隧道工程提前进洞的方案研究是很有必要的。

图3 洞口纵断面图Fig.3 Longitudinal section of portal

图4 洞口横断面图Fig.4 Cross section of portal

图5 深挖路堑Fig.5 Deep excavation

2 隧道安全进洞方案研究

2.1 方案概述

结合洞口地形、地貌、地质条件、外部环境、后期运营安全等因素,共研究三大进洞方案:放坡明挖设明洞、支挡明挖设明洞及护拱暗挖进洞。

(1) 放坡明挖设明洞方案

此方案(图6)边坡以1∶0.75坡率放坡开挖,临时边坡开挖高度达39 m,永久边坡高度为22 m,为保证坡面稳定性,坡面防护采用锚杆框架梁防护。开挖及防护工程量大,生态环境破坏严重。

图6 放坡明挖设明洞方案Fig.6 Scheme of slope open-cut with open cut tunnel

(2) 支挡明挖设明洞方案

此方案(图7)中在隧道右侧结构轮廓线外设桩板墙(2 m×3 m)支持结构来降低右侧边坡开挖高度,设计桩长23 m,开挖高度达25 m,其中桩顶边坡开挖高度为7 m,减小了对生态环境的影响,但桩板结构圬工量大,工程投资高。

图7 支挡明挖设明洞方案Fig.7 Scheme of retaining open-cut with open cut tunnel

(3) 护拱暗挖进洞方案

此方案(图8)以隧道左墙脚为基准点,以1∶0.75的坡率放坡开挖隧道左侧露空部分;然后设置大边墙作为挡土墙,并以大边墙和右侧坡面作为基础施作拱部钢格栅混凝土护拱;最后在护拱顶反压回填土石来增强坡体整体稳定性;其余未挖部分暗挖通过。此方案临时边坡开挖高度为15 m,永久边坡几乎实现零开挖高度,有效降低了边坡开挖高度和对环境的影响程度。

2.2 方案比选

(1) 方案比选

隧道浅埋段的建设方案主要从地质条件、施工风险、环境影响以及运营安全等多方面综合考虑,最终推荐采用护拱暗挖进洞方案。各方案优缺点比选见表1。

(2) 方案比选结果

通过分析得出,明挖设明洞方案边坡开挖高,开挖及防护工程量大、生态环境扰动范围广、施工及运营风险高;支挡明挖方案降低了边坡开挖高度及范围,但是支挡工程量大、投资高,经济效益低;护拱暗挖进洞方案不仅降低了边坡开挖高度,还减少了防护工程量,基本零边坡开挖,实现工程建设与自然环境的相互融合,保证了施工及运营安全。综上,推荐护拱暗挖进洞方案。

图8 护拱暗挖进洞方案Fig.8 Entrance scheme of arch tunneling

表1 隧道进口浅埋偏压段设计方案比选表

3 护拱暗挖方案隧道结构设计

3.1 结构设计

参照《铁路隧道设计规范(GB 10003—2016)》[13]及工程设计经验,参数列于表2。

表2 参数设计表

3.2 衬砌结构安全性验证

(1) 计算模型

采用MIDAS-GTS构建地层-结构模型,按上述半明半暗进洞方案施工工序来模拟隧道施工过程,其中暗挖部分采用三台阶法,来分析二次衬砌结构变形及内力特性,考虑到圣维南原理以及隧道力学经验[14],模型选取条件为:横向边界到隧道边界的间距大约为3～5倍洞径,竖向模型的下边界距离隧道底部约为2～3倍洞径,初期支护喷混凝土采用0.5 m厚的梁单元模拟,二次衬砌采用0.85 m厚梁单元模拟,模型详见图9。

图9 地层-结构计算模型Fig.9 Stratum-structure calculation model

(2) 计算参数

计算模型中,围岩选取志留系下统页岩,Ⅴ级围岩。根据围岩特征并参考《铁路隧道设计规范(GB 10003—2016)》[13]计算参数见表3所列。

表3 计算参数

(3) 计算结果与分析

① 结构位移分析

二次衬砌结构的位移及竖向变形如图10所示。结果表明隧道开挖后,拱顶上方的土压力使结构有下沉趋势,基底在土体开挖过程中由于土体卸载,出现隆起现象。随着隧道开挖,衬砌拱顶沉降逐渐变大趋于稳定2.6 mm,隧底隆起由于开挖引起的地面回弹逐渐变大至2.1 mm。

图10 二次衬砌合位移图Fig.10 Combined displacement diagram of secondary lining

② 结构内力分析

二次衬砌结构内力见图11、12。分析得到靠山侧衬砌拱脚位置轴力和弯矩出现最大值,选取轴力和弯矩不利单元进行结构安全系数及裂缝验算,验算结果列于表4。

图11 二次衬砌结构轴力图(单位:kN)Fig.11 Axial diagram of secondary lining structure (Unit:kN)

图12 二次衬砌结构弯矩图(单位:kN·m)Fig.12 Bending moment diagram of secondary lining structure (Unit:kN·m)

轴力/kN弯矩/(kN·m)安全系数破坏类型最大裂缝宽度/mm-109.20-105.706.71大偏压0.067-119.80-117.006.04大偏压0.075-129.40-119.606.09大偏压0.075-137.90-111.707.09大偏压0.067-144.90-105.508.15大偏压0.062-207.20-118.009.57大偏压0.063

由表可见,结构的最小安全系数均大于2,裂缝最大宽度均小于0.20 mm,均满足规范要求。

4 护拱暗挖施工

4.1 施工工序

结合了明挖与暗挖工法特点,以“少开挖甚至不开挖”为设计理念,具体施工工序[15-16]见图13。步骤如下:

图13 半明半暗进洞方案隧道施工工序Fig.13 Tunnel construction procedure of half-buried entrance scheme

工序一:施工准备,清除山坡上的碎石及酥松的土石,对开挖面以上自然山坡进行喷锚防护,分步开挖土体①,边挖边防护,以保证坡面稳定。

工序二:先施作明洞外侧大边墙②,在大边墙内预埋Φ22 mm接茬钢筋,墙顶预留泄水孔。拱部施作C35钢格栅混凝土护拱③,护拱在靠山侧的基础处设置锁脚锚杆,保证护拱与山坡的稳定。等护拱强度达到设计要求后再在护拱上方回填C20混凝土④,并回填土石⑤,做好黏土隔水层。

工序三:等明挖结构达到设计强度后再进行暗洞部分施工。拱部120°施作超前支护并预注浆加固地层。

工序四:采用台阶法依次分步开挖洞内土体⑥,并及时施作初期支护结构。

工序五:铺设防排水设施,施作二次衬砌、水沟等结构。

4.2 现场测试数据分析

施工过程中根据监控量测数据来掌握围岩、初期支护动态信息,用于指导设计与施工,测点布置见图14,浅埋偏压段施工期间支护位移变形曲线见图15。可以看出，隧道施工过程中拱顶下沉最大值达14 cm,并在支护施作6天后开始趋于稳定,水平收敛最大值达9 cm,在支护施作7天后开始趋于稳定.拱顶下沉、水平收敛最大值均在设计允许的预留变形量范围之内。

图14 测点布置图Fig.14 Layout of measuring points

图15 支护位移曲线Fig.15 Displacement curve of support

5 结论

(1) 遵循“安全、环保、经济”及“早进洞、晚出洞”的原则,对洞口存在显著地形偏压或一侧露空的傍山浅埋隧道,选择少开挖甚至不开挖边坡的护拱暗挖进洞方案,可有效减少开挖对山体的扰动。

(2) 护拱暗挖进洞技术结合偏压隧道的结构受力特点,设置大边墙和护拱作为临时结构体系,在暗洞施工前护拱反压回填,保证坡体稳定后再进行暗洞施工，降低了傍山浅埋隧道施工风险。

(3) 护拱暗挖进洞方案的应用,有效解决了传统傍山隧道明挖施工造成的运营期间边仰坡病害,同时保护了生态环境,降低边坡开挖高度,减少了边坡开挖量和防护工程量,为类似工程施工提供很好的借鉴。