軟質巖高邊坡路基改隧道方案研究

羅勝利,甘目飛

(1.中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司,昆明 650200； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 工程概況

云桂鐵路位于云南、廣西境內，自昆明南新客站向東經玉溪、紅河、文山、百色至南寧站，全長709.518 km；設計速度為200 km/h，預留250 km/h提速條件(開行雙層集裝箱)[1]。白臘寨車站位于云南省文山州廣南縣南屏鎮白臘寨村。車站設到發線4條(含正線)，有效長880 m。站房設于線路右側。

DK394+160～DK394+360段原設計采用路基方案，該方案為自坡腳至塹頂均采用刷坡方式，刷坡坡率均為 1∶1.25，每級邊坡高度均為10 m，兩級邊坡之間設置寬平臺，其中第三級、第六級邊坡頂平臺寬度為15 m，其余平臺寬度均為3 m，該方案最大邊坡高度為101.7 m。斷面見圖1。

由于路基方案邊坡太高，國內鐵路建設未有相關工程案例，工程風險和施工難度均較大，經多次組織專家進行現場勘察并分析研討后決定研究隧道方案。

2 工程地質概況

2.1 地形地貌

圖1 白臘寨車站路基斷面(單位：m)

測區屬低中山剝蝕與溶蝕地貌，斜坡位于西洋河右岸，地形起伏大，坡腳高程約740 m，坡頂高程約1 075 m，相對高差約335 m，自然橫坡30°～50°；坡體溝谷發育，沿線路方向地形波狀起伏，沖溝基本沿垂直線路朝北方向發育。山坡坡面上分布喬木和灌木林，植被覆蓋率高。

2.2 地層巖性

斜坡地表上覆第四系全新統坡殘積層(Q4dl+el)粉質黏土；下伏基巖為三疊系下統羅樓組(T1l)砂巖夾泥巖、砂巖夾泥巖擠壓破碎帶及斷層角礫(Fbr)[2]。

2.3 地質構造及地震動峰值加速度

測區處于南嶺巨型復雜緯向構造帶的西段與滇越巨型旋扭構造體系(或稱文山巨型旋扭構造體系)的復合部位。主要斷裂構造為區域性逆斷層董堡—那桑圩斷層及其伴生擠壓破碎帶、甘蔗園1號斷層。斜坡處于董堡—那桑圩斷層與甘蔗園1號斷層之間。巖體受構造影響嚴重，小型褶皺發育，節理發育～極發育，巖體破碎。見圖2。

圖2 斜坡所處構造帶位置衛星圖

測區地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s。

2.4 斜坡穩定性評價

該斜坡巖層整體傾向山體內側，屬切層坡，傾向坡外貫通性較好節理傾角大于斜坡自然橫坡坡度，該斜坡天然整體穩定性較好，但本工點范圍內構造復雜，巖體破碎，風化層厚度較大，開挖后邊坡自穩性較差，應加強支擋防護工程。

3 隧道方案

隧道位于白臘寨車站內，為四線隧道，線間距均為5.0 m，隧道內輪廓根據本線技術標準、接觸網、信號和站場專業的技術標準確定[3]。結合現場地形地質條件，隧道方案有明洞方案、暗洞方案。現分別介紹如下。

3.1 明洞方案

明挖方案系全隧采用明挖法分層開挖，在開挖前先施作地表防排水系統，由上至下分層依次施作第二、四級平臺處錨固樁及坡腳預加固樁，且達到設計強度后方可進行下一級邊坡。開挖過程中及時施作錨索(桿)框架梁灌草護坡及深層泄水孔[4]。本方案最大邊坡開挖高度63.7 m。

3.1.1 斷面形式

明洞結構形式為單壓與偏壓明洞相結合。圖3、圖4為其典型斷面。

明洞頂回填土石厚4 m，按1∶10坡率進行設計，允許堆積坡度按1∶5進行設計，運營期間應加強對明洞頂堆積物的檢查，當堆積物超過設計厚度時應及時清除。

3.1.2 結構荷載計算

本次四線明洞結構計算模型采用荷載-結構模型[5]，采用大型通用有限元軟件Ansys進行計算，按破損階段法進行結構檢算，襯砌結構采用二維梁單元Beam3模擬，地層連桿采用受壓桿單元Link10模擬。

圖3 白臘寨車站偏壓明洞典型斷面(單位：cm)

圖4 白臘寨車站單壓明洞典型斷面(單位：cm)

(1)計算荷載

考慮永久荷載及圍巖約束襯砌的彈性抗力。其中永久荷載包括結構自重、回填土石(含規定的塌方儲備)垂直壓力及側向壓力、墻背及仰拱底部彈性反力、墻背主動土壓力、0.25倍邊坡最大水平推力(由于明洞路基面至抗滑樁樁頂15 m高范圍安全系數按1.05計算，路基面15 m高以上范圍安全系數按1.3計算，則明洞左側拱圈及邊墻水平荷載考慮0.25倍邊坡最大水平力)等。

(2)計算參數

外邊墻采用C30混凝土，內邊墻、拱部及仰拱采用C35鋼筋混凝土。

圍巖及襯砌物理力學指標按《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)[6]表3.2.8、5.1.9、5.2.3取值。

(3)計算結果及分析

①偏壓明洞

a.單元模型

按拱墻、仰拱整體受力且局部(邊墻和仰拱)考慮彈性抗力作用的模型計算。如圖5所示。

圖5 偏壓明洞計算模型單元編號

圖6 單壓明洞計算模型單元編號

b.配筋情況

根據計算結果，拱頂及仰拱厚度采用110 cm，邊墻最小厚度采用150 cm，主筋拱墻采用每延米10根φ25 mm鋼筋，仰拱采用每延米5根φ25 mm鋼筋，邊墻角增設5根φ25 mm鋼筋。

②單壓明洞

a.單元模型

拱圈、內邊墻和仰拱按固定在外邊墻上且局部(內邊墻和仰拱)考慮彈性抗力作用的模型計算。如圖6所示。

b.結構及配筋情況

根據計算結果，明洞拱頂及仰拱厚度采用110 cm，邊墻最小厚度采用150 cm，耳墻坡率采用1∶0.25，主筋拱墻采用每延米10根φ25 mm鋼筋，仰拱采用每延米5根φ25 mm鋼筋，靠山側內邊墻角增設5根φ25 mm鋼筋。

c.明洞整體穩定性驗算(圖7)

圖8 DK394+190明暗分界斷面(單位：cm)

圖7 明洞整體穩定性檢算圖示(單位：cm)

經檢算，四線Ⅳ式明洞傾覆穩定性及滑動穩定性均滿足要求(規范規定傾覆穩定性≥1.6，滑動穩定性≥1.3)，見表1。

3.2 暗洞方案

暗挖方案系隧道進、出口洞口段采用明挖法分層

表1 明洞整體穩定性系數

開挖，當洞頂埋深達到10～12 m且位于W3地層時采用暗挖法開挖。明挖段按明挖方案開挖防護，最大邊坡開挖高度59.6 m。暗挖段采用復合雙側壁導坑法[7]開挖，φ159 mm雙層大管棚超前支護，拱部采用HW300型鋼鋼架，邊墻采用I25型鋼鋼架加強支護，鋼架間距均為0.5 m。

由于暗洞段跨度太大，線路左側為擠壓破碎帶，巖層產狀紊亂，節理極為發育，巖體多呈碎塊狀，且存在地形偏壓，為減小暗洞開挖引起拱部及隧道左側土體變形對隧道結構的影響，確保施工開挖及運營的安全，在隧道開挖前，于線路左側距暗洞襯砌邊緣外1.0 m位置設一排預加固樁。

暗洞段施工工序為:洞口及洞身段預加固措施及防護→超前大管棚→暗洞開挖。典型斷面如圖8所示。

明洞段襯砌尺寸及配筋同明洞方案，暗洞段參照六沾線烏蒙山二號隧道[8](鐵路工程目前唯一修建成功的四線隧道)四線襯砌參數設置：Ⅴ級四線復合式襯砌：拱部及仰拱厚度采用110 cm，邊墻最小厚度采用180 cm，邊墻最大厚度376 cm；主筋拱部50°范圍采用每延米20根φ28 mm雙層鋼筋，其余地段采用每延米15根φ28 mm雙層鋼筋，仰拱采用每延米4根φ28 mm鋼筋。

3.3 優缺點比較

白臘寨車站隧道采用明挖方案及暗挖方案均具備工程實施條件，以下從工程措施、施工風險及環境保護等方面對明挖方案及暗挖方案優劣性進行比較。

3.3.1 暗挖方案

(1)由于考慮該隧道屬砂巖夾泥巖為主的淺埋軟質巖隧道，巖體破碎，地表覆蓋的第四系全新統殘積層粉質黏土及全風化層較厚，土質松散，地形偏壓，線路左側為寬約30 m的擠壓破碎帶，且隧道拱頂以上最大埋深不足20 m，故成拱能力極差[9]。

(2)隧道開挖最大寬度達29.5 m，對于如此大跨度的暗洞隧道，雖有六沾線烏蒙山二號隧道的先例，但白臘寨車站隧道整段全處于地形偏壓、埋深淺地段(扣除土層與全風化層，最大覆蓋厚度為5～15 m)，尚屬首例，隧道設計及施工均尚處于摸索階段。

(3)隧道受地表降雨及地下水影響十分敏感，因此需要選擇在旱季施工,并要求加強施工管理，通過監控量測、超前地質預報等輔助手段，根據監測數據反饋、超前地質預報成果及時對支護措施、預留變形量等施工參數[10]進行調整，以實現工程順利實施。施工工法復雜，施工風險因素多，對施工管理、風險控制要求高，且要求工序銜接、轉換平穩緊密。因此，要求施工隊伍有極高的施工技術水平和管理水平。

(4)由于暗洞開挖的影響，隧道明暗分界處轉角及仰坡的高邊坡防護不能同左側邊坡一樣設置3排抗滑樁及錨索框架梁防護，因此轉角及仰坡防護的穩定性存在極高的安全風險。

3.3.2 明挖方案

采用明挖法施工該隧道可以規避淺埋軟質巖隧道施工期間的軟巖變形[11]、塌方等風險，但其施工存在高、陡臨時邊坡塌方、失穩等安全風險，施工開挖時需要逐級放坡，逐級支護，并需在高邊坡側設置預加固樁，并對邊坡進行防護。另外軟質巖邊坡受地表降雨的影響也十分明顯，因此需要選擇在旱季施工，同時需要施工期間加強對坡面的監控量測[12]，加強對臨時開挖坡面及現場排水系統的維護，并加強施工現場管理，及時施作坡面防護工程等。同時，采用明挖方案需要增加棄砟量約11萬m3，明挖方案的臨時用地及對自然地形條件的破壞也相對較大，但施工風險相對可控。

3.3.3 投資比較

對白臘寨隧道采用暗挖方案施工及明挖方案施工的工程投資情況進行了比較，其中暗挖方案工程投資總額為15153萬元，明挖方案工程投資總額為12152萬元，四線暗洞方案比四線明洞方案投資增加3 001萬元。

4 結論

通過上述比較分析可知，路基方案的邊坡極高(101.7 m)，長期運營的養護維修工作量大，而明洞方案隆低了邊坡高度(63.7 m)，施工風險也有所降低，更有利于運營后的養護維修工作及運營安全；而暗挖法施工雖然通過加強超前支護及加強支護，并在合理采用施工方法的基礎上，但仍舊存在較高的隧道變形、坍方等安全風險。因此，從鐵路運營安全及施工安全方面考慮，在軟質巖極高邊坡條件下采用明挖方案較暗挖方案及路基方案有較多優勢，因此推薦采用明洞方案。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 J971—2009 高速鐵路設計規范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2010．

[2] 《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊 [M]. 4版.北京：中國建筑工業出版社，2007．

[3] 鐵道第二勘察設計院.鐵路工程設計技術手冊·隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1999．

[4] 鐵道第二勘察設計院.TB10025-2006 鐵路路基支擋結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2006．

[5] 關寶樹.隧道工程設計要點集[M].北京：人民交通出版社，2003．

[6] 鐵道第二勘察設計院.TB10003—2005 鐵路隧道設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[7] 卿偉宸，朱勇.特大跨度淺埋隧道施工工法[C]∥復雜艱險山區鐵路(公路)工程勘察設計案例集錦.北京：人民交通出版社，2012．

[8] 中鐵二院土建一院.六沾線烏蒙山二號隧道施工圖資料[Z].成都：中鐵二院土建一院，2007．

[9] 關寶樹.軟弱圍巖隧道施工技術[M].北京：人民交通出版社，2011．

[10] 關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京：人民交通出版社，2011．

[11] 羅洪戈，譚澤意.宜萬鐵路堡鎮隧道高地應力軟巖大變形段施工技術[J].鐵道標準設計，2010(8)：131-133．

[12] 邱志勇.高邊坡變形監控量測技術[J].山西建筑，2011(4)：37-11.