拱跨結(jié)構(gòu)在湘桂鐵路某隧道隧底倒懸溶腔整治方案中的應(yīng)用

羅仁立， 林本濤， 王 芳

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

1 工程概況

湘桂線某隧道長(zhǎng)全205 m(D1K354 +650 ～D1K354 +855)，為雙線隧道，設(shè)計(jì)行車(chē)速度100 km/h，隧道為4．8‰單面下坡，左側(cè)30 m 為既有線。隧道處于屬巖溶孤峰地貌，地形陡緩不一，最大埋深40 m，洞身主要通過(guò)泥盆系上統(tǒng)灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，地層單斜，呈厚～巨厚層夾中厚層狀，局部夾薄層狀，節(jié)理較發(fā)育，巖表見(jiàn)溶蝕凹槽、溶隙、溶孔等溶蝕現(xiàn)象。洞身穿越山體地表見(jiàn)較大型巖溶洼地。出口發(fā)育危巖落石，設(shè)計(jì)采用接長(zhǎng)明洞襯砌。地下水主要為巖溶水，受大氣降水補(bǔ)給，地下水水位動(dòng)態(tài)變化較大，豐水期地下水位高，枯水期水位埋深較大。

2 施工揭示巖溶發(fā)育情況

隧道開(kāi)挖出口段明洞基底時(shí)，發(fā)現(xiàn)隧底左側(cè)斜向右側(cè)基底有充填溶洞蝕裂隙，小溶洞入口，后經(jīng)補(bǔ)堪查明巖溶發(fā)育情況為:溶洞順線路方向長(zhǎng)度約12 m(D1K345 +828 ～+840 段)，橫向最大寬度約19 m，溶洞發(fā)育最高高程為153．77 m，最低高程為116．93 m(溶洞最大深度約37 m)，在127．0 m 高程以上的溶洞為空溶洞，無(wú)充填，在127．0 m 高程以下的溶洞多為半充填，充填物為黃色軟塑至流塑狀黏土，充填深度6 ～10 m;地下水穩(wěn)定水位位于隧底標(biāo)高以下7．0 ～6．0 m(標(biāo)高為:151．34～152．34 m)。溶洞平面示意如圖1 所示。

圖1 隧道出口溶洞平面示意圖

3 整治方案設(shè)計(jì)

3．1 設(shè)計(jì)思路與方案比選

隧底大型半充填溶洞處理一般采用回填或跨越方式，結(jié)合該溶洞自身特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)施工情況，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比選。

考慮到溶洞發(fā)育于隧底，且為富水半充填型溶洞，若采用回填處理，易堵塞巖溶管道，雨季時(shí)巖溶水易沿隧底倒灌上道床危及行車(chē)安全，且溶洞充填軟塑至流塑狀黏土，回填后會(huì)發(fā)生固結(jié)沉降，使隧道基底與回填體脫空無(wú)法保證基底結(jié)構(gòu)安全，故不考慮回填處理方案。本文著重對(duì)梁跨和拱跨兩個(gè)方案進(jìn)行比選。

3．1．1 梁跨方案

于邊墻底設(shè)置托梁承擔(dān)圍巖及襯砌荷載，溶洞縱向范圍為D1K345 +828 ～+840，溶洞壁向外2 m 范圍存在暗坡穩(wěn)定問(wèn)題，托梁凈跨考慮為16．5 m?？紤]到該段圍巖荷載較大，且托梁將豎向荷載直接作用于倒懸溶洞壁，溶洞壁長(zhǎng)期溶蝕，在較大豎向靜荷載及后期列車(chē)動(dòng)荷載反復(fù)作用下，溶洞壁穩(wěn)定性將大大降低，從而危及結(jié)構(gòu)自身安全。故托梁兩側(cè)下部需設(shè)樁形成樁基托梁結(jié)構(gòu)，減少跨度并將豎向荷載傳遞至溶腔下部洞壁后穩(wěn)定基巖，滿足結(jié)構(gòu)受力要求。經(jīng)初步計(jì)算，樁基長(zhǎng)需32 m，截面為2．0 m×2．5 m，托梁截面為2．0 m×3．0 m，具體布置詳見(jiàn)圖2。由于地下水位較高，小里程端樁基較深且需在暗洞內(nèi)施作，樁基施工難度大。

3．1．2 拱跨方案

隧底采用拱橋跨越，將上部圍巖荷載及襯砌自重傳遞至拱橋結(jié)構(gòu)，經(jīng)拱座產(chǎn)生向結(jié)構(gòu)后下方的推力，最終將荷載傳遞至溶洞壁后方基巖，避免荷載直接作用于倒懸溶洞壁，有利于溶腔洞壁穩(wěn)定，具體布置詳見(jiàn)圖2。拱座施工需進(jìn)行基坑開(kāi)挖，明洞段由于明洞結(jié)構(gòu)未施作，基坑開(kāi)挖及拱座施作較為便利，暗洞段部分仰拱已施作，基坑開(kāi)挖需對(duì)仰拱進(jìn)行破拆存在一定風(fēng)險(xiǎn)，且基坑開(kāi)挖導(dǎo)致部分初期支護(hù)懸空，需對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行加固。

綜合比較各種因素，認(rèn)為拱結(jié)構(gòu)受力合理，結(jié)構(gòu)安全，施工方便可行，結(jié)合投資情況比較，最終采用拱橋跨越方案。

3．2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為避免列車(chē)振動(dòng)荷載對(duì)隧道和拱橋結(jié)構(gòu)造成的不利影響，明確結(jié)構(gòu)受力，將動(dòng)靜荷載分開(kāi)。將隧道襯砌結(jié)構(gòu)和襯砌左右邊墻下1、3 號(hào)拱橋作為靜荷載體系，隧道襯砌結(jié)構(gòu)取消了仰拱及仰拱填充，襯砌只傳遞圍巖荷載及自重等靜荷載至1、3 號(hào)拱橋。將中間行車(chē)部分2 號(hào)拱橋結(jié)構(gòu)獨(dú)立出來(lái)做為動(dòng)荷載體系，僅承受列車(chē)動(dòng)載。具體布置如圖3。

圖2 梁跨方案、拱跨方案比較示意(單位:cm )

圖3 隧道、拱橋結(jié)構(gòu)體系布置示意(含排水系統(tǒng)布置)(單位:cm)

3．2．1 拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)溶洞發(fā)育情況，于D1K345 +823．5 ～+843．5 沿線路方向分別設(shè)置三座并行的拱橋，跨度均為20 m?？紤]到作用在1、3 號(hào)拱橋上的暗洞邊墻和明洞段耳墻厚度變化，且盡量保證邊墻和耳墻底軸線與拱橋軸線一致，避免產(chǎn)生過(guò)大偏載，故平面布置為1、3 號(hào)拱橋?qū)挾葹? m，2 號(hào)拱橋?qū)挾葹?．78 m。各拱架拱圈按等截面拋物線無(wú)鉸拱設(shè)計(jì)，矢跨比f(wàn)/L 采用1/5。拱肋軸線2 號(hào)拱為y = 1/25x2拋物線，1 號(hào)及3 號(hào)拱為= 1/25x2+0．1 拋物線，拱頂為坐標(biāo)原點(diǎn)。拱橋拱座置于穩(wěn)定水位上，防止拱座被淹。隧道襯砌與1、3 號(hào)拱橋結(jié)構(gòu)之間采用與隧道襯砌結(jié)構(gòu)同級(jí)混凝土回填，并預(yù)留接茬筋。拱橋下設(shè)檢修空間，方便檢修并兼顧排水。見(jiàn)圖4。

圖4 隧底拱橋結(jié)構(gòu)縱斷面示意圖(單位:mm)

3．2．1．1 拱橋荷載分析

由于動(dòng)靜荷載分開(kāi)，各拱橋荷載明確。1、3 號(hào)拱結(jié)構(gòu)荷載組合為:隧道荷載、拱橋上部回填混凝土自重、拱橋自重、混凝土收縮荷載及溫度變化等附加荷載。2 號(hào)拱結(jié)構(gòu)荷載組合為:列車(chē)動(dòng)載、拱橋上部回填混凝土自重、拱橋自重、混凝土收縮荷載及溫度變化等附加荷載。由于拱橋布置范圍內(nèi)上部隧道襯砌為9．5 m 暗洞襯砌，9 m 單耳墻明洞襯砌和1．5 m 雙耳墻明洞襯砌，且暗洞段隧道埋深變化，故需分段計(jì)算作用于拱橋頂?shù)乃淼篮奢d分布。

(1)暗洞段。暗洞段隧道荷載包括圍巖荷載及襯砌自重荷載，圍巖荷載通過(guò)襯砌邊墻傳遞至1、3 號(hào)拱橋。DK354 +823．5 ～+833 段隧道洞身穿越灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，該層巖土計(jì)算摩擦角為65°，基本承載力為700 kPa，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖顯示圍巖完整性較好，自穩(wěn)能力較強(qiáng)，局部巖表見(jiàn)溶蝕凹槽、溶隙、溶孔等溶蝕現(xiàn)象，圍巖荷載按IV 級(jí)考慮。DK354 +823．5 處隧道埋深12 m 小于2．5 ha(ha深埋計(jì)算深度，為6．03 m)，故屬淺埋隧道。

由于地形偏壓(地坡1∶ 1)，作用在襯砌左、右半側(cè)的圍巖豎向荷載不同，故經(jīng)襯砌邊墻傳遞至邊墻下1、3 號(hào)拱橋上荷載也不同，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》偏壓隧道襯砌作用計(jì)算原理，求得DK354 +823．5 里程處襯砌左、右半側(cè)的圍巖豎向荷載分別為1 954．76 kN/m、1 426．58 kN/m。暗洞段半側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)及附屬結(jié)構(gòu)自重為305．27 kN/m。

(2)單耳墻襯砌段。單耳墻段隧道荷載包括襯砌自重荷載及上覆土石重，由于左右側(cè)結(jié)構(gòu)不同，故分別計(jì)算得左、右半側(cè)隧道荷載為789．35 kN/m、1071．94 kN/m。

(3)雙耳墻襯砌段。雙耳墻段隧道荷載包括襯砌自重荷載及上覆土石重，由于左右側(cè)結(jié)構(gòu)相同，只需求半側(cè)結(jié)構(gòu)，得到半側(cè)隧道荷載為1 071．94 kN/m。

(4)沿線路方向作用在1、3 號(hào)拱橋頂?shù)乃淼篮奢d分別如圖5、圖6 所示。

3．2．1．2 拱橋結(jié)構(gòu)檢算

1 號(hào)拱荷載組合中，按最不利考慮，混凝土收縮荷載采用拱圈降溫15°，溫度變化荷載按拱圈降溫5°，即按系統(tǒng)總降溫20°進(jìn)行分析。采用ANSYS 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行分析，拱軸線兩端按固定支座考慮建立模型，得到內(nèi)力結(jié)果圖7 所示。

圖5 作用于1 號(hào)拱橋頂?shù)乃淼篮奢d分布

圖6 作用于2 號(hào)拱橋頂?shù)乃淼篮奢d分布

其中，A 點(diǎn)彎矩最大，為10 148 kN·m，為上部受拉由于拱橋上部有回填混凝土及隧道襯砌限制，故該點(diǎn)受力不控制;跨中C 點(diǎn)彎矩為1 769．8 kN·m，下部受拉;B 點(diǎn)彎矩為3 552．1 kN·m，為下部受拉彎矩最大點(diǎn)，故結(jié)構(gòu)配筋由B 點(diǎn)控制。通過(guò)檢算，1 號(hào)拱采用C50 鋼筋混凝土，厚1．0 m，滿足承載力及裂縫寬度要求。

同理檢算3 號(hào)拱，限于篇幅，略去其詳細(xì)介紹。

2 號(hào)拱荷載組合中同樣按系統(tǒng)總降溫20 ℃進(jìn)行分析。采用Midas Civil 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件考慮列車(chē)動(dòng)力影響進(jìn)行分析，通過(guò)檢算，2 號(hào)拱采用C40 鋼筋混凝土，厚0．8 m，結(jié)構(gòu)滿足承載力及裂縫寬度要求。拱橋拱座嵌固深度

式中，M 為錨固點(diǎn)處彎矩(即拱軸線端點(diǎn)彎矩)，1 號(hào)拱取A 點(diǎn)10 148 kN·m;K 為巖石容許壓力換算系數(shù)，取0．8;R 為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，取8 000 kPa;b 為垂直于彎矩作用平面樁的邊長(zhǎng)，1 號(hào)拱取3 m。求得1 號(hào)拱嵌固深度為2．5 m，由于1 號(hào)拱受力最大，嵌固深度由1 號(hào)拱控制。

3．2．2 特殊襯砌設(shè)計(jì)

考慮動(dòng)靜荷載分開(kāi)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)需取消仰拱及仰拱填充，由于現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭示暗洞段圍巖自穩(wěn)能力較好，圍巖側(cè)向壓力較小，取消仰拱及仰拱填充是可行的，對(duì)原設(shè)計(jì)襯砌進(jìn)行調(diào)整，斷面尺寸詳見(jiàn)圖3。

由前述分析可知，暗洞段屬淺埋隧道，采用ANSYS 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行檢算，邊墻底按鉸支座考慮建立模型，得到內(nèi)力結(jié)果如圖8 所示。由配筋計(jì)算可知，暗洞段特殊襯砌配筋為構(gòu)造配筋，每延米配筋為3Φ22。

另外，明洞結(jié)構(gòu)同樣取消了仰拱及仰拱填充，且為保證耳墻底軸線與拱橋軸線一致，將明洞結(jié)構(gòu)耳墻底寬度有4．59 m 縮減至2．50 m，對(duì)明洞襯砌及耳墻進(jìn)行構(gòu)造配筋加強(qiáng)，以滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

圖7 1 號(hào)拱橋彎矩圖(單位:N·m/m)

圖8 暗洞段特殊襯砌彎矩圖(單位:N·m/m)

3．3 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于D1K354 +823 ～D1K354 +844 段襯砌結(jié)構(gòu)取消了、仰拱及仰拱填充，且該隧道為單面下坡，為滿足排水要求，對(duì)兩側(cè)溝槽進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。于D1K354 +823 ～830 段拱橋結(jié)構(gòu)上部回填層內(nèi)預(yù)留排水溝槽順接洞內(nèi)側(cè)溝。于D1K354 +830 里程1 號(hào)、2 號(hào)及2 號(hào)、3 號(hào)拱橋之間縫隙各埋設(shè)兩根Φ90PVC 排水管，將溝槽水引入拱下檢修空間。排水管距回填層內(nèi)預(yù)留排水溝槽底距離不小于10 cm，防止溝槽底淤積堵塞排水管。

檢修空間底面下挖溝槽，順接Φ90PVC 管，溝槽寬50 cm，高40 cm，于D1K354 +838 處3 號(hào)拱橋邊將溝槽水引入檢修及排水通道。檢修及排水通道通過(guò)明渠將水引入既有湘桂線排水涵洞。檢修通道建成后，為防止人、蓄誤入，于3 號(hào)拱橋外緣設(shè)置欄柵門(mén)一道，具體布置如圖3 所示。

本排水系統(tǒng)既兼顧了隧道內(nèi)排水，同時(shí)設(shè)置檢修及排水通道，防止溶洞水位上漲后沿巖溶裂隙上涌導(dǎo)致拱橋結(jié)構(gòu)乃至道床被淹。

4 施工工序及注意事項(xiàng)

4．1 施工工序

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溶洞揭示情況，結(jié)合實(shí)際施工作業(yè)，確定施工工序如下:拆除暗洞段已施作仰拱及填充部分→開(kāi)挖拱橋基礎(chǔ)并及時(shí)基坑防護(hù)→分別施作1、3 號(hào)拱橋及2 號(hào)拱橋→施作拱圈結(jié)構(gòu)上回填混凝土→施作襯砌結(jié)構(gòu)→施作檢修及排水工程。

4．2 施工注意事項(xiàng)

(1)拱橋基礎(chǔ)開(kāi)挖。開(kāi)挖采用控制爆破，放小炮，以盡量減少開(kāi)挖放炮對(duì)圍巖及既有線的影響，拱橋基坑采用直立開(kāi)挖，對(duì)坑壁及邊墻外側(cè)頂板采用錨網(wǎng)噴防護(hù)，拱座范圍邊坡預(yù)留0．5 m 長(zhǎng)錨桿錨固回填混凝土。

(2)暗洞段初期支護(hù)加強(qiáng)。暗洞段邊墻初期支護(hù)由于基坑開(kāi)挖部分懸空，應(yīng)在基坑開(kāi)挖前，對(duì)該部分初期支護(hù)設(shè)置臨時(shí)橫撐及鋼架鎖腳錨管進(jìn)行加固。

(3)接茬筋連接:為加強(qiáng)各結(jié)構(gòu)間連接，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，施作1、3 號(hào)拱橋結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)預(yù)留回填體與拱橋之間的Φ22 接茬筋，施作1、3 號(hào)拱橋結(jié)構(gòu)上部回填體時(shí)應(yīng)預(yù)留回填體與襯砌結(jié)構(gòu)之間的Φ22 接茬筋。

(4)施工前應(yīng)進(jìn)一步核實(shí)溶洞頂板厚度，其中D1K354 +829 ～+836 段隧道中線左、右各3 m 范圍內(nèi)溶洞頂板厚度較薄，該區(qū)域應(yīng)設(shè)置安全警戒線，施工過(guò)程中嚴(yán)禁重型機(jī)械壓覆，拱橋施工完成后，應(yīng)在該區(qū)域設(shè)圍欄及人員禁入警示標(biāo)志。

5 結(jié)論

(1)由于拱跨結(jié)構(gòu)其自身荷載傳遞的特點(diǎn)，將荷載傳遞至溶洞壁后方基巖，避免荷載直接作用于倒懸溶洞壁，有利于洞壁穩(wěn)定，對(duì)于下切較深、巖壁直立或倒懸的隧底溶腔宜優(yōu)先考慮選用拱跨結(jié)構(gòu)。

(2)拱橋跨越方案設(shè)計(jì)時(shí)，為避免列車(chē)振動(dòng)荷載對(duì)隧道和拱橋結(jié)構(gòu)的不利影響，明確結(jié)構(gòu)受力，采用基于動(dòng)靜荷載分開(kāi)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，有利于結(jié)構(gòu)安全。

(3)對(duì)于富水溶腔，排水設(shè)計(jì)時(shí)將隧道洞內(nèi)排水與溶洞排水相結(jié)合考慮，在滿足隧道內(nèi)排水的同時(shí)，在跨越結(jié)構(gòu)下設(shè)置排水通道，防止溶洞水位上漲淹沒(méi)拱橋結(jié)構(gòu)和道床。

［1］鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院． 鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè) 隧道(修訂版)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1999．

［2］TB 10003 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］． 北京:中國(guó)鐵道出版社，2011．

［3］TB 10002．5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］． 北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

［4］陳雙慶． 宜萬(wàn)鐵路下村壩隧道大型溶洞處理［J］． 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(7):74-76．