超高回填明洞設計探討

曠文濤

(中鐵二院工程集團重慶公司,重慶 400023)

超高回填明洞設計探討

曠文濤

(中鐵二院工程集團重慶公司,重慶 400023)

由于超高回填明洞設計缺乏理論指導及既有工程實例作為參考，對其研究具有重要的工程實際意義。通過數(shù)值模擬及理論分析對明挖法和蓋挖法明洞工程結構受力進行了對比分析，結論如下：2種施工方法明洞結構受力有著本質的不同，明挖法豎向土壓力為靜止土壓力，蓋挖法豎向土壓力為主動土壓力；由于受力、結構的限制，明挖法修建超高回填明洞是不可行的；蓋挖法超高回填明洞豎向壓力大大減小，其值不受回填土高度變化影響，是修建超高回填明洞的有效方法。

超高回填；明洞；明挖法；蓋挖法；土壓力

明洞在隧道工程中應用非常廣泛,近年來,隨著環(huán)境保護的要求越來越嚴格,“早進晚出”更是成為隧道洞口設計原則之一。一般來說當遇到如下情況時,需要設置明洞:

(1)隧道埋深較淺、上覆巖(土)體較薄難以采用暗挖法施工；

(2)受塌方、落石、泥石流等威脅的地段；

(3)公路、鐵路、溝渠等必須在鐵路上方通過,又不宜修建隧道、立交橋、渡槽等地段；

(4)為了減少隧道工程對環(huán)境的破壞,保護環(huán)境和景觀,洞口段需要延長時。

查閱相關資料［1-6],所有明洞工程回填土高度均較小,鮮有回填土高度超過20 m的明洞工程［7]。但是,隨著土地資源越來越寶貴、交通綜合樞紐的發(fā)展、無縫對接交通成為發(fā)展趨勢以及受制于規(guī)劃等因素, 50乃至上百米超高回填明洞工程將越來越多地出現(xiàn)。由于缺乏理論指導及既有工程實例作為參考,超高回填明洞能否順利實施,將成為工程成敗的關鍵。某隧道工程,下穿機場規(guī)劃用地,擬采用明洞工程,拱頂需要回填50 m高的土層。設計認為該工程方案不可行,否定了該線路方案,造成了重大的社會經(jīng)濟效益損失。

對于超高回填明洞設計的一些問題,許多工程人員缺少清晰的概念與思路,有學者甚至認為,明洞回填土較高的時候,明洞荷載可以按照淺埋隧道進行計算。由此可見,研究“超高回填明洞設計“具有重要的工程實際意義。本文本著討論的原則,對明挖、蓋挖法修建超高回填明洞分別進行分析,希望為廣大隧道設計工作者提供一些有益的思路。

1 明挖明洞

1.1 荷載

對于明挖法修建的明洞工程,主要荷載為土壓力及結構自重。

對于明挖隧道,回填土在結構施作完成后施工,回填土與結構一起沉降,應力場為回填土固結形成的自重應力場,豎向壓力為靜止土壓力,其大小等于回填土重力,其計算見公式(1)；考慮到側向壓力對拱頂受力有利,邊墻及拱部側壓力保守的采用主動土壓力,計算見公式(2)。

其中,hi為拱頂回填土柱高度；λ為拱頂或邊墻側壓力系數(shù),其計算參照鐵路、公路隧道設計規(guī)范［8-9]等執(zhí)行。

1.2 計算模型

采用荷載-結構模式,除考慮垂直土壓力和側向壓力外,還采用一定剛度的彈簧(僅受壓)模擬地層對結構變形的約束作用。以鐵路雙線隧道為例,開挖寬度11 m,圍巖級別為V級圍巖,結構計算模型如圖1所示。

圖1 明挖隧道計算模型

1.3 受力分析

(1)襯砌受力隨回填土高度變化

假定明洞結構為C30鋼筋混凝土襯砌,厚0.8 m,地層彈抗系數(shù)為200 MPa,受拉側設置10根φ32 mm的HRB400鋼筋。利用Midas/GTS分析得到,襯砌拱頂為最不利受力位置,隨著回填土高度變化,拱頂內(nèi)力及承載力安全系數(shù)、最大裂縫寬度變化情況如表1所示。

表1 襯砌拱頂受力隨回填土高度變化情況

(2)結構受力隨襯砌厚度變化

假定回填土高度為50 m,受拉側設置10根φ32 mm的HRB400鋼筋。利用Midas/GTS分析得到,隨著襯砌厚度變化,拱頂內(nèi)力及承載安全系數(shù)、最大裂縫寬度變化情況如表2所示。

表2 襯砌拱頂受力隨結構厚度變化情況

(3)結果分析

從表1可知:相同配筋及結構厚度情況下,回填土高度增加,結構內(nèi)力越大,安全系數(shù)越小,裂縫寬度越大；回填土高度超過25 m的情況下,襯砌結構將不滿足設計要求。

從表2可知:在相同配筋及回填土高度情況下,增加襯砌厚度,結構剛度增大,拱頂彎矩增大,軸力減小,安全系數(shù)變化不大,最大裂縫寬度變大。

由此可見,對于超高回填鋼筋混凝土結構明洞,增大襯砌厚度對提高結構承載能力作用甚微,同時導致最大裂縫寬度增大。另一方面,考慮到施工及鋼筋間距構造要求,通過增加配筋提高承載力空間有限。因此,明挖法修建明洞工程,必定存在某個極限回填高度,如本節(jié)計算模型的結構,拱頂極限回填高度約為25 m。超過該極限回填高度,明挖法修建明洞工程是不可行的。

2 蓋挖明洞

2.1 方案介紹

蓋挖法修建明洞工程［10-11],首先根據(jù)工程地質條件及設計要求設置鋼筋混凝土護拱及邊墻、隧底加固等工程,然后再按照拱頂回填土要求,回填至設計高程。施工時,可考慮對回填土進行改良,保證其成拱效應。最后在護拱及注漿加固體保護下進行隧道開挖,澆筑襯砌。設計時,可根據(jù)圍巖穩(wěn)定性,增設初期支護,設置復合式襯砌結構,本文按不設復合式襯砌的明洞結構進行分析。

注意事項:

(1)拱頂回填完成后,隧道施工需在上部填土沉降穩(wěn)定后進行,避免上部土體沉降影響施工安全,同時對結構受力不利；

(2回填土表面應做好防排水措施,防止地表水滲入回填土中,影響施工及結構安全；

(3)超高回填明洞護拱施工時,護拱下部臨隧道側土體應壓實,護拱底部不能露空,避免回填土體引起護拱內(nèi)力較大導致護拱破壞,影響隧道施工安全；

(4)為保障施工安全,應對施工過程中護拱受力狀況進行分析,防止回填土施工及隧道開挖過程中護拱強度不足產(chǎn)生破壞；

(5)為保證方案的可實施性,施工時應補充試驗測試,對土壓力、護拱及襯砌受力進行監(jiān)測驗證。

2.2 荷載

蓋挖法修建明洞,圍巖壓力與暗挖隧道相似,隧道開挖產(chǎn)生一定的變形后再施作結構,土壓力為主動土壓力。

深埋情況下,荷載主要為塌落拱高度范圍土體引起的荷載。荷載計算公式如下

其中,h為回填土塌落拱高度；λ為側壓力系數(shù),其計算參照鐵路、公路隧道設計規(guī)范［2-3]等執(zhí)行。

回填土高度H＜2.5h時,為淺埋隧道,隧道開挖引起土體下沉,兩側土體對拱部土體產(chǎn)生挾持作用,阻擋其下沉,故其土壓力較明洞荷載有所減小,荷載計算公式如下

其中,H為拱頂回填土高度；B為結構寬度；λ為側壓力系數(shù)；θ為滑面摩擦角(H＜塌落拱高度時,θ取零)；hi為邊墻任意位置回填土高度。其計算參照鐵路、公路隧道設計規(guī)范等［8-11]執(zhí)行。

2.3 計算模型

參照1.2節(jié),建立蓋挖明洞結構計算模型如圖2所示。結構主要考慮了土壓力、結構自重及結構與圍巖之間的相互作用。

圖2 蓋挖隧道計算模型

2.4 結構受力分析

以鐵路雙線隧道為例,開挖寬度11 m,利用Midas/GTS進行分析,不同回填土高度情況下,結構參數(shù)及受力情況如表3所示。

表3 蓋挖法明洞工程結構設計參數(shù)及受力情況表

分析可知:對于回填高度小于明挖極限回填高度的情況下,蓋挖法明洞圍巖壓力有所減小,較明挖法更容易滿足結構承載力及正常使用要求。

蓋挖法修建超高回填明洞,圍巖壓力為深埋隧道塌落拱壓力,其大小不受回填土高度變化影響。在相同結構設計情況下,具有相同的承載能力及最大裂縫寬度。

故蓋挖法是修建超高回填明洞的有效方法,大大地減小了圍巖壓力,能很好地滿足結構承載力及正常使用極限狀態(tài)要求。

3 相關案例

(1)案例情況

新建蘭渝鐵路某隧道明洞［12]位于線路曲線地段,明洞最大跨度14.5 m。拱頂最大回填高度15 m。明洞地層為人工填土、砂質黃土、細圓礫土、粗圓礫土；基巖為砂巖、泥巖,位于仰拱下。地下水位位于地面以上3 m。設計斷面如圖3所示。

圖3 參考案例設計斷面及開挖工序［12]（單位：m)

施工采取的施工順序為:開挖至拱腳位置―旋噴樁及護拱施工―拱頂5 m填土回填―隧道開挖,基底處理,結構澆筑―拱頂10 m填土回填。施工采用部分回填土完成后蓋挖施工,最后回填至設計高程。本案例施工方法簡稱為“部分蓋挖法”。

(2)案例分析

工程首先施作護拱及拱部5 m填土回填,蓋挖法施工,土壓力計算時,采用了淺埋隧道圍巖壓力計算方法(不計兩側土體摩擦力)。較之明挖法施工,圍巖壓力有所減小。

全蓋挖的情況下,回填土高度15 m,按淺埋隧道計算圍巖壓力,不同工法修建的明洞工程,拱頂豎向土壓力如表4所示。

表4 各工法豎向土壓力比較kPa___

比較可得:明挖法修建明洞工程,結構受力最為不利；部分蓋挖法修建明洞工程,結構受力有所減小,蓋挖法結構受力最優(yōu)。即相同埋深情況下,蓋挖法能有效減小結構受力。

4 結論

超高回填明洞由于拱頂回填土高度遠大于普通明洞,其設計缺乏理論指導及既有工程實例作為參考。本文運用數(shù)值模擬及理論分析對明挖法和蓋挖法明洞工程受力進行了對比分析,得到蓋挖法是修建超高回填明洞的有效方法,同時給出了超高回填明洞土壓力計算方法。主要結論如下。

(1)明挖法和蓋挖法結構受力有著本質的不同,明挖法豎向土壓力為靜止土壓力,其大小等于拱頂回填土重力,蓋挖法豎向土壓力為主動土壓力,其值小于明挖法豎向土壓力。

(2)明挖法修建明洞工程,必定存在某個極限回填高度。回填高度小于極限回填高度的情況下,明洞可根據(jù)實際工程地質情況、周邊環(huán)境條件等采取明挖、蓋挖等工法。超過該極限回填高度,由于受力、結構的限制,結構不能滿足承載力及正常使用極限狀態(tài)要求。即明挖法修建超高回填明洞是不可行的。

(3)蓋挖法修建超高回填明洞,豎向土壓力為塌落拱范圍土體重力,其大小不受回填土高度變化影響,能有效解決承載力及正常使用狀態(tài)要求,故蓋挖法是修建超高回填明洞的有效方法。

本文嘗試運用簡單的巖土理論,解決復雜的工程問題,對超高回填明洞設計做了嘗試性探討,希望能拋磚引玉。

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Design Research on OPen Cut Tunnel Having Ultra-high Backfill

KUANG Wen-tao
(Chongqing Branch,China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chongqing 400023,China)

There are shortages of theoretical guidance and existing engineering examples which can be used as reference in the design of open cut tunnel having ultra-high backfill.Therefore research on this kind of tunnel has important and practical significance.Through numerical simulation and theoretic analysis,this paper carried out comparative analysis on the structure performance of the open cut tunnel excavated respectively by cut-and-cover method and by covered top-down method.Then this paper come to the conclusions:(a)The stress states of the open cut tunnel respectively by using the two excavation methods are different in nature,because the vertical soil pressure belongs to static soil pressure when using cut-and-cover method and belongs to active soil pressure when using covered top-down method. (b)Due to the restriction of stress state and structure form,it is not feasible to construct open cut tunnel having ultra-high backfill by using cut-and-cover method.(c)The covered top-down method,with which the vertical soil pressure can be considerably reduced and cannot be influenced by the change of backfill height,is an effective way to construct open cut tunnel having ultra-high backfill.

ultra-high backfill；open cut tunnel；cut-and-cover method；covered top-down method；soil pressure

U452.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.026

1004-2954(2014)07-0112-04

2013-10-23；

2013-11-13

曠文濤(1985―),男,工程師,注冊一級建造師,2010年畢業(yè)于西南交通大學橋梁與隧道工程專業(yè),工學碩士,E-mail:wentao85 0424@qq.com。