范勝利 姚可梅 龍杰 李逸飛
摘要:某高速鐵路隧道洞身淺埋段穿越粉質(zhì)黏土及炭質(zhì)頁巖,遇水軟化后,粘聚力小、抗剪強度低,施工風(fēng)險大。為確保施工安全和施工進度,設(shè)計擬采用明挖法框架型明洞對該淺埋段進行處理。同時輔以數(shù)值計算分析軟件,對采用基坑圍護結(jié)構(gòu)開挖時圍巖和框架型明洞結(jié)構(gòu)的變形、受力進行分析,分析結(jié)果表明,隧道洞身穿越淺埋段采用明挖法框架型明洞后,能有效控制圍巖變形。并且針對地表有沖溝,采用以結(jié)構(gòu)自防水為主,地表排水為輔的綜合性防排水措施,避免雨水淤積倒灌。最終,明挖法框架型明洞成功應(yīng)用于本隧洞身淺埋段,使施工安全通過。
[作者簡介]范勝利(1989—),男,碩士,工程師,主要從事隧道設(shè)計工作。
隨著高速鐵路的快速發(fā)展,在西南山區(qū)大量的隧道穿山越嶺,隧道穿越低山丘或穿越山嶺埡口地段的情況時有發(fā)生,往往出現(xiàn)淺埋隧道,而淺埋地段隧道地質(zhì)條件往往較差[6],施工稍有不慎便會造成塌方冒頂,安全風(fēng)險較高;而且鉆爆法施工軟弱圍巖按照“短開挖、弱爆破、強支護、快封閉、勤量測”的原則進行施工,采用的CRD法等施工工法,施工工序繁雜、機械化作業(yè)程度低,施工效率極其低下[7]。但是明挖形成的基坑存在雨水淤積倒灌風(fēng)險[8],以及在雨水作用下存在垮塌風(fēng)險,怎樣解決該風(fēng)險也是成功運用明挖法框架型明洞的關(guān)鍵。本文以西南山區(qū)某新建高速鐵路隧道的洞身淺埋段為例,研究了明挖法框架型明洞在隧道淺埋段中的應(yīng)用,為今后類似的工程設(shè)計提供了一定的參考作用。
1 工程概況
隧道全長635 m,單洞雙線,設(shè)計時速250 km/h,隧址區(qū)屬剝蝕低山丘陵地貌,地形連綿起伏,隧址區(qū)絕對高程1 880~1 928 m,相對高差小于200 m,最大埋深約47 m。沿線發(fā)育深溝、陡崖、山脊、峰叢及封閉洼地等地貌。洞身穿越石炭系下統(tǒng)大塘組炭質(zhì)頁巖、泥巖夾炭質(zhì)頁巖,薄層狀構(gòu)造,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),巖質(zhì)軟,易風(fēng)化,遇水易軟化,地質(zhì)條件差。
隧道DK105+570~+690段為淺埋段,長度120 m,拱頂以上埋深3.5~14 m。該段縱斷面上前后高、中間低,平面上左右端有兩條地表沖溝,分別與線路交于DK105+596與DK105+665兩處,雨季地表水匯集于此,導(dǎo)致圍巖和上覆土層遇水軟化,開挖時易塌方,周邊地表及天溝部位出現(xiàn)多處貫穿裂縫,洞內(nèi)初期支護也發(fā)生不同程度的開裂變形,同時采用CRD法施工進度緩慢,施工安全風(fēng)險大,山嶺隧道傳統(tǒng)的施工方法和襯砌結(jié)構(gòu)已不能滿足要求。為確保施工安全和進度,設(shè)計擬采用明挖法框架型明洞對該淺埋段進行處理。
2 淺埋明挖段設(shè)計
隧道DK105+570~+690淺埋段總體方案設(shè)計思路為:本段采用明挖法施工,主體結(jié)構(gòu)采用框架型明洞結(jié)構(gòu)?;娱_挖前,先設(shè)置預(yù)加固樁,再于開挖輪廓外緣設(shè)置圍護樁,并于地表施作截排水工程,樁頂設(shè)冠梁?;娱_挖施工中,應(yīng)從上至下分級開挖,隨挖隨護,并沿基坑豎向設(shè)置三道支撐。
2.1 基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計
隧道DK105+570~+690淺埋段采用明挖法施工,基坑開挖前,先設(shè)置預(yù)加固樁,再于開挖輪廓四周外外緣設(shè)置圍護樁。預(yù)加固樁樁截面為1.5 m×1.5 m,圍護樁采用直徑為1250 mm的旋挖樁,各排圍護樁中心間距為2.2 m?;娱_挖施工中,沿基坑豎向共設(shè)三道支撐,在端部和角部應(yīng)采用斜撐?;拥谝坏乐卧O(shè)置于樁頂冠梁處,冠梁截面尺寸為1 m×1.25 m(高×寬),平面布置如圖1所示。
基坑第二道支撐距離第一道支撐間距5.0 m,第三道支撐距離第二道支撐間距4.5 m。第二、三道支撐采用直徑609 mm,壁t=16 mm的鋼管。支撐兩端設(shè)置鋼圍檁,鋼圍檁為雙拼I50工字鋼。并于施工過程中,應(yīng)沿基坑豎向設(shè)兩道倒撐,第一道倒撐位于第三道支撐下方距離第三道支撐1.0 m,第二道倒撐位于第二道支撐下方距離第二道支撐1.0 m,平面布置如圖2所示。
2.2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計
隧道主體結(jié)構(gòu)采用框架型明洞結(jié)構(gòu)。荷載主要考慮永久荷載及圍巖約束襯砌變形的彈性反力。作用在框架明洞結(jié)構(gòu)上的永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、回填土石垂直壓力及側(cè)向土壓力、兩側(cè)邊墻及仰拱底部彈性反力。標準斷面結(jié)構(gòu)材料采用鋼筋混凝土。頂板厚度為1.2 m,底板厚度為1 m,兩側(cè)邊墻厚度為1 m,頂部覆土2 m。主體結(jié)構(gòu)標準斷面如圖3所示。
2.3 地表排水設(shè)計
本隧道明挖法段落左右端有兩條地表沖溝,地表地形呈凹字形,為防止地表水淤積,采用以結(jié)構(gòu)自防水為主,地表排水為輔的綜合性防排水方案。
(1)主體結(jié)構(gòu)頂板、邊墻襯砌采用防(排)水板加無紡布防水,并采用縱向、豎向盲管排水。
(2)施工期間,為防止地表水流入基坑,于邊仰坡開挖邊緣線外5 m設(shè)置截水天溝;同時于樁頂外側(cè)平臺設(shè)置截水溝,并于DK105+603附近經(jīng)線路右側(cè)平臺開槽引至下游溝中。
(3)為保證運營安全,避免地表水浸泡明洞頂部回填體,在明洞頂部回填施工完成后,于DK105+590和DK105+665附近分別設(shè)置一排水溝,將上游溝水直接引至線路右側(cè)下游溝中。
(4)為防止地表水沖刷和影響下游高速公路及其邊坡,對下游溝心采用M10漿砌片石進行鋪砌,鋪砌段上游與該段地表天溝、平臺截水溝引出段及排水溝引出段順接,以保證匯水歸槽;鋪砌下游與高速公路引水涵洞相接。
3 數(shù)值計算
3.1 基坑圍護結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬
采用數(shù)值分析理正軟件對淺埋段基坑圍護結(jié)構(gòu)進行數(shù)值計算分析,以分析基坑開挖的穩(wěn)定性??紤]施工過程中荷載變化情況,分別計算施工開挖加撐及框架結(jié)構(gòu)施工拆撐的各種工況。支護結(jié)構(gòu)安全等級取一級,通過布設(shè)3道支撐,使基坑位移、軸力、彎矩和整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范驗算要求。
3.2 主體結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬
基于ANSYS有限元軟件進行數(shù)值計算,采用荷載結(jié)構(gòu)模型,地層由粉質(zhì)黏土及炭質(zhì)頁巖組成,各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。主體結(jié)構(gòu)建模時按襯砌頂板1.2 m、底板1.0 m、邊墻0.95 m設(shè)置,荷載按主體結(jié)構(gòu)上覆土4 m設(shè)置,對隧道主體結(jié)構(gòu)進行安全及配筋檢算。
由圖4~圖7知,主體結(jié)構(gòu)頂部最大位移為0.01m,頂部沉降在有效控制范圍內(nèi);最大彎矩值為1 140 kN·m,最大軸力為968.8 kN,最大剪力為902.5 kN。為滿足隧道主體結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)規(guī)范,主筋采用25HRB400熱軋帶肋鋼筋,間距167 mm。通過現(xiàn)場沉降、收斂的監(jiān)控量測數(shù)據(jù),也證明基坑圍護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理性;同時開挖過程中的基坑圍巖變形能得到有效控制,降低了施工安全風(fēng)險。
4 結(jié)論
以粉質(zhì)黏土、炭質(zhì)頁巖為主的地層遇水后,地質(zhì)條件惡化,粘聚力小、抗剪強度低,在此類地層中修建隧道時,容易塌方冒頂,同時為保證施工進度,設(shè)計采用明挖法框架型明洞對該淺埋段進行處理。通過數(shù)值計算并結(jié)合現(xiàn)場施工實踐可知,基坑圍護結(jié)構(gòu)可以有效控制明挖法開挖時的圍巖變形,主體結(jié)構(gòu)變形和受力也均滿足規(guī)范要求;并且為防止凹形明挖基坑雨水倒灌,采用以結(jié)構(gòu)自防水為主,地表排水為輔的綜合性防排水方案。從而以明挖法框架型明洞安全通過淺埋土層段,并且能最大限度的減小對隧道工期的影響。
明挖法框架型明洞在本工程中的成功應(yīng)用,可為以后其他穿越類似淺埋、地質(zhì)條件差的地層的高速鐵路隧道工程提供參考和借鑒。
參考文獻
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