渝利鐵路高填方深基礎明洞結構力學特性研究

黎 康

(中國鐵路成都局集團有限公司， 成都 610081)

隨著高速鐵路網向西南山區延伸，受地形、地質條件及曲線半徑、環保要求的影響，位于城區的隧道不斷增多，而山區城市發展受地形限制，土地稀缺問題日益嚴重，于是鐵路與城區規劃、市政結合建設的案例日漸增多，出現了回填土厚達30 m以上的高填明挖隧道結構，個別案例還面臨底部懸空或深基礎的情況。高填方明洞填土荷載大，對襯砌結構設計施工提出了更高的要求。受力更加復雜，特別是襯砌厚度增大后，襯砌混凝土澆筑時產生的水化熱和溫度裂縫會嚴重影響結構的安全性和耐久性，底部懸空或軟弱深基礎也會給高速鐵路帶來沉降、變形不易控制、結構穩定性差等難題[1]。本文結合渝利鐵路豐都造地橋改隧明洞工程案例，研究制定了溝谷中先建造大體積混凝土隧道壩基，再在壩基上修建明洞，最后在明洞上方超厚回填土至規劃標高的技術方案，并通過現場試驗對該設計方案進行了驗證。該方案具有工藝簡單、技術先進、應用前景廣闊的特點，尤其對進一步推進我國復雜山區高填深基明洞技術的發展，具有很好的指導作用。

1 豐都橋改隧明洞工程概況

重慶至利川鐵路為“四縱四橫”中滬漢蓉大通道的重要組成部分，豐都橋改隧明洞位于重慶市豐都縣，為典型大跨單洞超厚回填土高壩基礎明洞襯砌結構。渝利鐵路通過豐都縣斜南溪溝谷，原設計采用橋梁方式跨越，由于城市規劃需對溝谷進行回填造地，鐵路被迫改為隧道形式通過。明洞結構修建于市區 2 000余畝深溝回填造地棄渣填土體內。豐都造地工程，上游為人造堰塘，下游連接長江，沿溝回填縱向總長 2 100 m，填方總量達 1 600 萬m3。回填造地工程分為一期回填和二期回填，隧道上方先回填出縱向 500 m長，橫向80 m寬(一期回填)，再于明洞兩側沿溝形縱向回填直至填滿整個溝谷(二期回填)。明洞拱頂最大回填土厚度33 m，結構最大凈跨20 m(含襯砌厚度)，隧道軌面以下至溝底32 m，填土總高度 62 m。為控制明洞襯砌大體積混凝土澆筑時產生的水化熱和溫度裂縫，采用雙層明洞襯砌型式，隧道基底采用壩型大體積混凝土基礎型式，解決了棄渣體內高速鐵路沉降變形、穩定、軌道平順性等難題[2]。

2 高填深基明洞結構整體穩定性分析

2.1 計算原理

本工點結構高度達65.4 m，設計分別采用結構力學法和數值計算法分析結構的整體穩定性、結構的變形和內力、內襯砌施做順序等。其中，按連續介質設計時，地層、回填、壩、明洞外襯砌、填充采用平面應變單元，明洞內襯砌采用梁單元，壩底和隧底采用接觸單元。一期工程典型斷面如圖1所示。

圖1 一期工程典型斷面(m)

施工步驟為:(1)開挖壩基坑；(2)施作混凝土壩基礎；(3)漿砌片石回填左側基坑；(4)漿砌片石回填右側基坑；(5)填筑第一層土至壩的頂面；(6)施作明洞外襯砌；(7)施作明洞填充；(8)填筑第二層土；(9)填筑第三層土；(10)填筑第四層土；(11)施作明洞內襯砌；(12)鈍化Z11、Z21、31、41土層。主要計算參數如表1所示。

表1 材料參數表

2.2 回填工程及明洞基礎整體穩定性

壩基礎位于侏羅系中統沙溪廟組(J2s)泥巖夾砂巖的弱風化層上，弱風化泥巖的天然飽和單軸抗壓強度9.8～26.5 MPa，縱波波速在 2 707～4 302 m/s；弱風化砂巖的天然飽和單軸抗壓強度13.2～44.6 MPa，縱波波速在 3 287～4 826 m/s，建筑場地類別屬Ⅱ類。結構的整體穩定分析包括一期和二期工程。

2.2.1一期回填工程的穩定性評價

施工到第10步時，壩底地層的最大主應力為1.743 MPa，最大剪應力為0.273 MPa，砂泥巖弱風化泥巖的天然飽和單軸抗壓強度為9.8 MPa，抗剪強度為0.59 MPa，由此可知，壩底地層不會發生整體或局部剪切破壞，此時大壩沉降為1.5 cm，沉降等值面如圖2所示。

圖2 沉降等值面圖

當填土到壩頂高度時，取壩底摩擦系數0.4，假定壩只承受單側土壓力，此時壩的抗滑動穩定系數Kc=3.32。當填土到最大高度時(即一期回填完成后)，按瑞典條分法找出最不利邊坡滑面的安全系數為K=1.179>1.10，回填土體能保持穩定。

假定Ⅱ期不及時回填，連續降雨引起填土c、φ值下降，致使一期回填發生局部溜坍，研究此不利工況下回填體的穩定性。計算時，假定左側土體Z11、Z21、31、41沿最不利滑面滑走，此時壩底平均應力1.19 MPa，水平推力532 kN，壩底抗滑動穩定系數61.5。取隧底摩擦系數為0.65，隧底平均應力0.49 MPa，水平推力635 kN，隧底抗滑動穩定系數10.1，說明回填土體能保持穩定。

由以上分析可知，一期回填發生局部溜坍時，在偏載作用下，明洞襯砌將承受532 kN水平推力。為保證工程安全可靠，設計考慮在襯砌底部設置與壩基混凝土同時澆筑的鋼筋混凝土抗剪樁，使明洞與壩基共同受力，共同抵抗填土水平推力。同時通過對一期回填穩定性的分析，得到一期回填體的最佳坡率。

2.2.2二期回填工程的穩定性評價

二期回填工程總長2.1 km，總填方 1 700 萬m3，最大填高62 m，延伸至長江邊。根據GB 50330-2002《建筑邊坡工程技術規范》，附加荷載為公路荷載，按城市A級荷載考慮。根據地勘資料，取飽水狀態下土石界面的c、φ值對二期回填工程進行穩定性分析，計算參數如表2所示。穩定性計算采用折線滑動法，并考慮了長江洪水位的滲流作用，經驗算，Kc=2.72>1.35，滿足規范穩定要求。

表2 土石界面c、φ值

2.2.3混凝土壩基礎的變形和內力

在各施工步驟中，壩體底部會出現拉應力，施工到第11步時(即回填、內襯施做完畢)拉應力達到最大，最大值為0.31 MPa，小于C30混凝土容許拉應力值0.55 MPa；壩體最大剪應力出現在壩底右側，最大值為0.73 MPa，小于C30混凝土容許剪應力值1.10 MPa。有限元計算表明，混凝土基礎結構內力均未超過容許應力值，混凝土結構滿足隧道和填土承載力的要求。

由以上分析可知，壩體形狀和采用的材料滿足工程要求，但壩底兩側三角區有剪應力集中，可將三角區優化為直角區。該壩每延米體積為 1 478 m3，混凝土的溫控設計是保證大壩質量的關鍵，需合理分塊，控制混凝土澆筑溫度，降低混凝土的水化熱，防止溫度裂縫的產生[3]。

2.2.4地基承載力有限元計算結果

施工到第10步，即Ⅰ期回填完成時，壩底地層的最大主應力為1.743 MPa，最大剪應力為0.27 MPa，弱風化砂泥巖的天然飽和單軸抗壓強度為9.8 MPa，抗剪強度為0.59 MPa，如此可知，地基處于彈性受力，壩底地層不會發生整體或局部剪切破壞。填筑完畢時基底塑性區分布(局部)如圖3所示。

圖3 填筑完畢時基底塑性區分布(局部)圖

2.2.5混凝土壩基礎沉降計算結果

按隧道襯砌修筑完畢即鋪軌的情況計算，基底工后沉降為3.564 mm，整個回填工程填筑完畢時，基底總沉降為6.425 mm。基底總沉降較小，混凝土基礎結構滿足上部隧道沉降的要求。

2.3 明洞襯砌結構穩定性分析

明洞外襯砌按承受100%荷載考慮，分別可按結構力學法和數值分析法計算內力。內襯砌可在外襯砌和填充施工完成后施作(即內襯砌先施作)，也可在I期填土完成后施作(即內襯砌后施作)。內襯砌的施作時機直接影響到工期和內、外襯砌的內力分擔[4]。明洞內、外襯砌斷面如圖4所示。當內襯砌后施作時，外襯砌在第11步時的整體沉降為8 mm，因荷載作用引起的拱頂變形下沉為2 mm。

圖4 明洞內、外襯斷面圖(cm)

2.3.1內襯砌內力計算結果

當內襯砌在第11步施作時，襯砌承受彎矩為-0.5～1.5 kN·m，軸力為-58.2～11.5 kN，均較小，內襯砌彎矩和軸力分別如圖5和圖6所示；考慮最不利工況，即隧道左側填方產生局部溜坍(第12步工況)，襯砌彎矩為-6.3～8.9 kN·m，軸力為-178.4～225.2 kN。兩者相比，最不利工況下的內力增長顯著,且存在偏壓內襯砌彎矩和軸力分別如圖7和圖8所示。當內襯砌先施作時，襯砌承受彎矩為-25.2～24.5 kN·m，軸力為-1542.3～-83.3 kN，時彎矩和軸力分別如圖9和圖10所示。

圖5 第11步內襯砌彎矩(kN·m)

圖6 第11步內襯砌軸力(kN)

圖7 第12步內襯砌彎矩(kN·m)

圖8 第12步內襯砌軸力(kN)

圖9 內襯砌先施作時彎矩(kN·m)

圖10 內襯砌先施作時軸力(kN)

由以上分析可知，內襯砌后施作，將基本不承受土體荷載，軸力彎矩都較小，內襯砌可作為明洞填方產生局部溜坍時的安全儲備；內襯砌先施作，內、外襯砌共同承擔土體荷載，軸力、彎矩值均發生數量級的提高。從工期方面考慮，內襯砌后施作，填土工期4個月和內襯砌工期3個月將成為關鍵工序，若內襯砌緊跟外襯砌施作，工期可節省7個月。

2.3.2外襯砌內力計算結果

外襯砌分別采用荷載-結構模型(其彎矩為Ma，軸力為Fa)和連續介質模型設計。其中，在連續介質模型中，外襯砌采用梁單元(其彎矩為Mb，軸力為Fb)和平面應變單元(其彎矩為Mc，軸力為Fc)。三種情況下，外襯砌內力情況大致為Ma>Mb>Mc，Fa

圖11 荷載結構模型彎矩Ma(t·m)

圖12 荷載結構模型軸力Fa(t)

圖13 連續介質模型彎矩Mb(t·m)

圖14 連續介質模型軸力Fb(t)

3 結論

(1)通過數值計算方法分析了壩、襯砌、填土之間內力和變形的相關性，結構及回填的整體和局部穩定性、內襯施作時機對內、外襯砌內力的影響等，其計算結果與物理力學參數、本構模型、施工步驟、邊界條件密切相關，其數值不一定與實際一致，但仍對設計具有重要的指導作用。施工中應加強沉降、填土內力、襯砌內力的監測，修正數值計算的輸入參數，更好地指導施工。

(2)在偏載作用下，襯砌將承受532 kN水平推力，為保證工程可靠，在襯砌底部增設了直徑0.8 m的抗剪樁，間距4 m，長度3～4 m。

(3)結構力學方法是假定在填土過程中，襯砌上方填土水平且存在5 m高差的情況計算襯砌內力的；數值計算方法是按壩左側填土總高度54 m，右側填土總高度40.1 m，并考慮施工步驟(內襯砌后作)計算襯砌內力的。由于填土內摩擦角、凝聚力的數值是按天然含水量選取的，當二期填土不及時或連續降雨引起c、φ值降低時，可能發生局部溜坍，引起襯砌內力變化。數值計算更能反映真實的施工情況，其在正常工況和最不利工況下，內力均不是對稱的，故設計除按結構力學方法內力和配筋外，還應采用數值計算的結果進行校核。

(4)為解決高填方深基礎明洞結構存在的問題，應根據工程實際，開展超厚填土明洞豎向有效土壓力荷載[5-6]，超厚填土雙層明洞襯砌優化施工工序，混凝土級配、外加劑、溫控防裂等施工技術的研究工作。