城际铁路隧道下穿粉煤灰池设计关键技术研究

任兆丹

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

The Key Design Technology of Intercity Railway-tunnel Passing Through Flyash Pond

REN Zhaodan

城际铁路隧道下穿粉煤灰池设计关键技术研究

任兆丹

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

The Key Design Technology of Intercity Railway-tunnel Passing Through Flyash Pond

REN Zhaodan

摘要从方案可行性、工程可靠度、运营安全以及经济合理性等方面考虑，对隧道基坑围护和基底处理方案进行综合比选，对隧道运营期间稳定性进行验算分析。通过技术、经济比较分析，采用“钻孔桩围护+搅拌桩止水方案”能确保隧道下穿粉煤灰池的施工安全及稳定。

关键词粉煤灰围护结构基底处理运营安全稳定性验算

随着我国城际铁路建设的不断发展，隧道修建不可避免地穿越各种自然或者人为的不良地层，这些不良地层成为隧道工程建设中的难题。粉煤灰是燃煤电厂排出的固体颗粒状废弃物，电厂将废弃的粉煤灰堆放于山谷间，久而久之形成粉煤灰池。粉煤灰具有结构松散、自稳性差、强透水、遇水极易软化、黏聚力基本丧失等特点，在粉煤灰地层中修建铁路的难度较大，工程建设中大多采取绕避方案以规避建设风险。因此，国内外鲜有针对隧道穿越粉煤灰等类似地层的设计和研究。

武汉至黄石城际铁路是武汉城市圈城际铁路网的主骨架之一，线路全长96.78 km。其线路DK77+495～+696段受站位影响，需穿越黄石电厂的粉煤灰池。原设计推荐采用路堑方案，但该方案建成后灰池无法使用，建设单位须向电厂方面支付高昂的赔偿费用，因而研究采用隧道方案的可行性，以减少对灰池使用的影响，降低赔偿费用。重点阐述隧道在穿越粉煤灰地层中所遇到的难题，并在此基础上探讨隧道穿越粉煤灰池设计中的一些关键性技术，为后续类似的工程设计提拱借鉴。

1工程概况

武黄城际铁路设计速度为300 km/h，正线线间距4.8 m，其中隧道设计为单洞双线，跨度约15 m，高度约12 m，标准断面面积为100 m2。

线路所经粉煤灰池位于武黄高速出口右侧山间谷地，宽约800 m，沿线路长约200 m，总占地面积296亩，容积227万m3，有记录的存灰量为160～180万m3，目前已堆积粉煤灰厚度12～23 m[1]。

地勘报告显示：粉煤灰层重度12.9～14 kN/m3，黏聚力0～2 kPa，φ=12°～18°，渗透系数K=1.1×10-4cm/s，孔隙比e=0.9～1.5，饱和状态下含水量80%～100%。现状灰池地势低洼，地表水易于汇集，池内粉煤灰基本处于流朔状态，具有强透水与渗水特性，自稳定性极差。

下部基岩主要为全—弱风化砂岩层，局部夹炭质页岩，全风化层厚约1 m；强风化层厚约2～4 m，多呈碎块状；下部为弱风化，岩体较破碎，局部地质情况如图1。

考虑隧道暗挖施工技术复杂，且工期长、造价高，在方案研究阶段即明确提出“基坑围护+明挖施工”的方案，但在具体设计过程中碰到许多技术性难题：

①粉煤灰处于流塑状态，地表水易于汇集，基坑围护方案能否确保施工安全。

②隧道基底位于粉煤灰地层，厚度较大，而高速铁路对基底沉降要求极高，设计如何确保结构变形和基底沉降满足规范要求，确保在列车动荷载反复作用下的运营安全。

③运营期间粉煤灰池可能处于不断的填挖过程，设计采取何种措施确保隧道结构整体稳定性。

围绕上述关键性技术难题开展设计，通过多方案的比选、技术分析以及稳定性验算，最终确定合理的设计方案。

2基坑围护方案的选择

基坑位于山坳之间，表层为松散堆积的粉煤灰体，基底为全—弱风化砂岩层，地表水易于汇集，加之工程所在地地下水较为发育，故该基坑具有如下典型特点：

①基坑坑底仍处于粉煤灰层内，如不采取坑底加固措施，则施工期间可能发生基底软化，甚至坑底隆起。

②粉煤灰层厚度较大，自稳能力极差，围护结构应具有足够嵌入深度及可靠度，以保证基坑稳定性[2]。

基坑宽度为15.0 m，深度约15.5 m，工程地质条件复杂。根据湖北省地方《基坑工程技术规程》(DB42/159—2004)，确定基坑工程重要性等级为一级，基坑支护设计中应遵循“安全可靠、工艺可行、经济合理、施工便利、绿色环保”的原则[3]。

2.1　基坑围护方案

隧址区位于城郊地区，周边无建(构)筑物及地下设施，场地条件较为宽阔，因而可在多种围护方案之间进行最优化比选[4]。

根据拟开挖基坑特点，结合类似工程经验，基坑围护初选三种方案：钻孔灌注桩方案、地下连续墙方案、搅拌桩加固后放坡开挖方案。

(1)钻孔灌注桩方案：采用C35防水钢筋混凝土桩身，桩径1.2 m，中心间距1.4 m。钻孔桩外侧采用双排φ0.85 m搅拌桩加固，搅拌桩加固深度为基底强风化层顶面。

(2)地下连续墙方案：墙身采用C35防水钢筋混凝土，墙厚0.8 m。

(3)搅拌桩加固后放坡开挖方案：线路中线两侧20 m范围内采用φ0.85 m搅拌桩加固，搅拌桩桩布置间距为0.65 m×0.65 m，加固深度为基底全风化层底面，临时边坡坡率为1∶1，分三级放坡。

钻孔灌注桩和地下连续墙嵌入基底弱风化砂岩层内不少于1 m，围护结构深度约28 m；两种方案均设置内支撑：第一道支撑采用C30钢筋混凝土撑(b×b=1.2 m×0.8 m)以提高围护结构整体性，支撑纵向6 m/道；第二道及第三道支撑均采用φ609 mm钢管撑(壁厚16 mm)，纵向3 m/道。

2.2　基坑围护方案比选

设计对上述三种方案，分别从基坑稳定性、可靠性、施工难易、临时占地及工程造价等方面进行技术、经济的综合比选[5-6]，比选结果如表1所示。

通过对比分析：钻孔灌注桩围护方案具有占地少、施工便易、占地少、造价低，故推荐采用该方案，如图2示意。

3基底加固方案研究

城际铁路具有运行时速高、客运量大的特点，列车高速行驶中形成的反复动荷载对隧道基底的影响较大。

隧道DK77+510～+690段结构基底位于粉煤灰地层中，深度约为8.1 m；粉煤灰自身承载力较低，稳定性极差，在列车长期动荷载作用下，粉煤灰基底将会出现软化、液化现象，诱使隧道基底出现沉降、变形，严重时将会导致隧道底板出现结构破坏并出现翻浆冒泥等病害[7-8]。隧道设计采用带底板(仰拱)的钢筋混凝土衬砌，隧道建成后难以对基底进行二次加固，设计中必须确保隧道基底具有可靠的稳定性指标[9]，以确保城际铁路运营安全。

在充分分析粉煤灰物力、化学特性的基础上，拟定三种基底加固处理方案：搅拌桩方案、基底换填方案和钻孔桩方案(如表2所示)。

(1)搅拌桩方案：基坑开挖前，基底采用φ0.85 m三轴搅拌桩加固处理，搅拌桩间距0.65 m×0.65 m，隧道仰拱以上1 m至地表不进行加固，设计为空桩(水泥掺量5%)，隧道仰拱以上1 m至全风化层底面进行加固，水泥掺量20%。

(2)基底换填方案：基坑开挖后，分段清除基底以下范围内的粉煤灰及全风化砂岩层，并采用C20素混凝土回填密实。

(3)钻孔桩方案：隧道基底采用φ1.2 m钻孔桩桩基础，横向3根/排，纵向间距6 m，桩底嵌入弱风化基岩不小于1 m。为保证钻孔桩成孔质量，为防止隧道基底粉煤灰液化流失，基坑开挖前，仍采用三轴搅拌桩对基底粉煤灰进行硬化处理。

通过对比分析，钻孔桩加固方案具有加固效果好、施工便易的优点，且能够保证运营安全。故研究推荐基底钻孔桩加固方案，同时采用三轴搅拌桩对基底粉煤灰进行硬化处理。

4隧道整体稳定性分析

根据黄石电厂方面要求，粉煤灰池在一段时间内仍会继续使用，处于不断的挖取与回填交替过程，隧道运营存在一定的安全隐患。若隧道两侧粉煤灰填挖高差过大，则可能使隧道整体倾覆或滑移，设计重点分析了最不利条件下结构整体抗滑移和抗倾覆性能，并对运营安全提出保证措施。

4.1　稳定性验算

假定基坑一侧大面积挖取，另一侧则满填粉煤灰与水，根据结构体系受力特点，其潜在倾覆转动点可能位于粉煤灰层底面的转动点A处或围护桩底面的转动点B处；结构体系最不利剪切滑移面位于围护桩底面C处(如图3)。

由于该结构体系整体性较好，可视为重力式挡墙结构，参照《铁路路基支挡结构设计规范》(TB10025—2006)，对结构进行抗倾覆和水平滑移的验算，计算结果如表3所示。

由表3结果可见，抗倾覆不利点位于B处，对应

安全系数Ke为2.70，满足规范最小安全系数1.60的要求；结构体系沿潜在剪切破坏面C的抗滑移安全系数Khd为1.62，满足最小安全系数1.30的要求[10]，结构整体稳定性较好。

4.2　安全辅助措施

通过上述分析可知，结构整体稳定性满足规范要求，但铁路运营期间，粉煤灰池可能存在乱挖乱掘，为保证铁路运营永久安全，拟采取如下措施：

①DK77+510～+690段围护桩外侧10 m范围采用φ0.85 m三轴搅拌桩加固，桩底加固至全风化层底面。

②围护桩外侧10 m位置设置防护栅栏进行封闭。

③隧道中线两侧各30 m范围内划为铁路永久征地，设置警示标示，隧道中线两侧30 m范围内严禁取弃粉煤灰作业。

④运营期间地表设置远程视频防灾监控系统。

安全防护加固措施如图4所示。

5结论

对城际铁路隧道穿越粉煤灰池的基坑方案进行对比研究，主要得出如下结论：

(1)通过对基坑稳定性，可靠性，施工难易，临时占地及工程造价等方面进行技术、经济的综合比选，基坑围护推荐采用“钻孔桩围护+搅拌桩止水方案”。

(2)城际铁路对结构基底承载能力要求高，类似工程隧底若存在软土或膨胀土等，须采取有效措施保证隧底长期稳定性，防止结构发生不均匀变形或沉降。

(3)城际铁路运营安全关系重大，设计安全保证措施应适当加强，特别是在不良地质中修建隧道工程时，应加强隧道运营安全保证措施，加强远程视频防灾监控和应急处置。

(4)城际铁路明挖隧道围护结构在保证隧道施工安全的前提下，可兼做运营安全保证措施。

参考文献

[1]中铁四院.武汉至黄石城际铁路穿越灰池段变更设计[R].武汉：中铁四院，2005

[2]朱志华，刘涛，单红仙.土岩结合条件下深基坑支护方式研究[J].岩土力学，2011(S1):619-623

[3]DB42/159—2004基坑工程技术规程[S]

[4]周小华.苏州轨道交通1号线深基坑围护结构设计的思考[J].水利与建筑工程学报，2010(4):166-168,208

[5]杨龙才，周顺华.南京某地铁深基坑围护结构方案的比选研究[J].地下空间与工程学报，2006(3):453-458

[6]龚晓南.关于基坑工程的几点思考[J].土木工程学报，2005(9):99-102,108

[7]丁祖德，彭立敏，施成华，等.铁路隧道基底状况对底部结构受力状态的影响[J].中南大学学报：自然科学版，2013(7)：2942-2949

[8]施成华，彭立敏，王伟.铁路隧道基底破坏力学形态的试验研究[J].实验力学，2005(1):57-64

[9]田田，陈卫忠，于建新，等.临海浅埋富水明挖隧道底板合理支护参数研究[J].岩土力学，2013(S2)：368-374，392

[10]TB10025—2006铁路路基支挡结构设计规范[S]

中图分类号：U452

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2015)05-0030-04

作者简介：任兆丹(1981—)，2004年7月毕业于长安大学岩土与隧道工程专业，工程师。

收稿日期：2015-08-11