拱跨结构在湘桂铁路某隧道隧底倒悬溶腔整治方案中的应用

罗仁立， 林本涛， 王 芳

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

1 工程概况

湘桂线某隧道长全205 m(D1K354 +650 ～D1K354 +855)，为双线隧道，设计行车速度100 km/h，隧道为4．8‰单面下坡，左侧30 m 为既有线。隧道处于属岩溶孤峰地貌，地形陡缓不一，最大埋深40 m，洞身主要通过泥盆系上统灰岩夹白云质灰岩，地层单斜，呈厚～巨厚层夹中厚层状，局部夹薄层状，节理较发育，岩表见溶蚀凹槽、溶隙、溶孔等溶蚀现象。洞身穿越山体地表见较大型岩溶洼地。出口发育危岩落石，设计采用接长明洞衬砌。地下水主要为岩溶水，受大气降水补给，地下水水位动态变化较大，丰水期地下水位高，枯水期水位埋深较大。

2 施工揭示岩溶发育情况

隧道开挖出口段明洞基底时，发现隧底左侧斜向右侧基底有充填溶洞蚀裂隙，小溶洞入口，后经补堪查明岩溶发育情况为:溶洞顺线路方向长度约12 m(D1K345 +828 ～+840 段)，横向最大宽度约19 m，溶洞发育最高高程为153．77 m，最低高程为116．93 m(溶洞最大深度约37 m)，在127．0 m 高程以上的溶洞为空溶洞，无充填，在127．0 m 高程以下的溶洞多为半充填，充填物为黄色软塑至流塑状黏土，充填深度6 ～10 m;地下水稳定水位位于隧底标高以下7．0 ～6．0 m(标高为:151．34～152．34 m)。溶洞平面示意如图1 所示。

图1 隧道出口溶洞平面示意图

3 整治方案设计

3．1 设计思路与方案比选

隧底大型半充填溶洞处理一般采用回填或跨越方式，结合该溶洞自身特点及现场施工情况，对设计方案进行了比选。

考虑到溶洞发育于隧底，且为富水半充填型溶洞，若采用回填处理，易堵塞岩溶管道，雨季时岩溶水易沿隧底倒灌上道床危及行车安全，且溶洞充填软塑至流塑状黏土，回填后会发生固结沉降，使隧道基底与回填体脱空无法保证基底结构安全，故不考虑回填处理方案。本文着重对梁跨和拱跨两个方案进行比选。

3．1．1 梁跨方案

于边墙底设置托梁承担围岩及衬砌荷载，溶洞纵向范围为D1K345 +828 ～+840，溶洞壁向外2 m 范围存在暗坡稳定问题，托梁净跨考虑为16．5 m。考虑到该段围岩荷载较大，且托梁将竖向荷载直接作用于倒悬溶洞壁，溶洞壁长期溶蚀，在较大竖向静荷载及后期列车动荷载反复作用下，溶洞壁稳定性将大大降低，从而危及结构自身安全。故托梁两侧下部需设桩形成桩基托梁结构，减少跨度并将竖向荷载传递至溶腔下部洞壁后稳定基岩，满足结构受力要求。经初步计算，桩基长需32 m，截面为2．0 m×2．5 m，托梁截面为2．0 m×3．0 m，具体布置详见图2。由于地下水位较高，小里程端桩基较深且需在暗洞内施作，桩基施工难度大。

3．1．2 拱跨方案

隧底采用拱桥跨越，将上部围岩荷载及衬砌自重传递至拱桥结构，经拱座产生向结构后下方的推力，最终将荷载传递至溶洞壁后方基岩，避免荷载直接作用于倒悬溶洞壁，有利于溶腔洞壁稳定，具体布置详见图2。拱座施工需进行基坑开挖，明洞段由于明洞结构未施作，基坑开挖及拱座施作较为便利，暗洞段部分仰拱已施作，基坑开挖需对仰拱进行破拆存在一定风险，且基坑开挖导致部分初期支护悬空，需对初期支护进行加固。

综合比较各种因素，认为拱结构受力合理，结构安全，施工方便可行，结合投资情况比较，最终采用拱桥跨越方案。

3．2 结构设计

为避免列车振动荷载对隧道和拱桥结构造成的不利影响，明确结构受力，将动静荷载分开。将隧道衬砌结构和衬砌左右边墙下1、3 号拱桥作为静荷载体系，隧道衬砌结构取消了仰拱及仰拱填充，衬砌只传递围岩荷载及自重等静荷载至1、3 号拱桥。将中间行车部分2 号拱桥结构独立出来做为动荷载体系，仅承受列车动载。具体布置如图3。

图2 梁跨方案、拱跨方案比较示意(单位:cm )

图3 隧道、拱桥结构体系布置示意(含排水系统布置)(单位:cm)

3．2．1 拱桥结构设计

根据溶洞发育情况，于D1K345 +823．5 ～+843．5 沿线路方向分别设置三座并行的拱桥，跨度均为20 m。考虑到作用在1、3 号拱桥上的暗洞边墙和明洞段耳墙厚度变化，且尽量保证边墙和耳墙底轴线与拱桥轴线一致，避免产生过大偏载，故平面布置为1、3 号拱桥宽度为3 m，2 号拱桥宽度为7．78 m。各拱架拱圈按等截面抛物线无铰拱设计，矢跨比f/L 采用1/5。拱肋轴线2 号拱为y = 1/25x2抛物线，1 号及3 号拱为= 1/25x2+0．1 抛物线，拱顶为坐标原点。拱桥拱座置于稳定水位上，防止拱座被淹。隧道衬砌与1、3 号拱桥结构之间采用与隧道衬砌结构同级混凝土回填，并预留接茬筋。拱桥下设检修空间，方便检修并兼顾排水。见图4。

图4 隧底拱桥结构纵断面示意图(单位:mm)

3．2．1．1 拱桥荷载分析

由于动静荷载分开，各拱桥荷载明确。1、3 号拱结构荷载组合为:隧道荷载、拱桥上部回填混凝土自重、拱桥自重、混凝土收缩荷载及温度变化等附加荷载。2 号拱结构荷载组合为:列车动载、拱桥上部回填混凝土自重、拱桥自重、混凝土收缩荷载及温度变化等附加荷载。由于拱桥布置范围内上部隧道衬砌为9．5 m 暗洞衬砌，9 m 单耳墙明洞衬砌和1．5 m 双耳墙明洞衬砌，且暗洞段隧道埋深变化，故需分段计算作用于拱桥顶的隧道荷载分布。

(1)暗洞段。暗洞段隧道荷载包括围岩荷载及衬砌自重荷载，围岩荷载通过衬砌边墙传递至1、3 号拱桥。DK354 +823．5 ～+833 段隧道洞身穿越灰岩夹白云质灰岩，该层岩土计算摩擦角为65°，基本承载力为700 kPa，现场开挖显示围岩完整性较好，自稳能力较强，局部岩表见溶蚀凹槽、溶隙、溶孔等溶蚀现象，围岩荷载按IV 级考虑。DK354 +823．5 处隧道埋深12 m 小于2．5 ha(ha深埋计算深度，为6．03 m)，故属浅埋隧道。

由于地形偏压(地坡1∶ 1)，作用在衬砌左、右半侧的围岩竖向荷载不同，故经衬砌边墙传递至边墙下1、3 号拱桥上荷载也不同，根据《铁路隧道设计规范》偏压隧道衬砌作用计算原理，求得DK354 +823．5 里程处衬砌左、右半侧的围岩竖向荷载分别为1 954．76 kN/m、1 426．58 kN/m。暗洞段半侧衬砌结构及附属结构自重为305．27 kN/m。

(2)单耳墙衬砌段。单耳墙段隧道荷载包括衬砌自重荷载及上覆土石重，由于左右侧结构不同，故分别计算得左、右半侧隧道荷载为789．35 kN/m、1071．94 kN/m。

(3)双耳墙衬砌段。双耳墙段隧道荷载包括衬砌自重荷载及上覆土石重，由于左右侧结构相同，只需求半侧结构，得到半侧隧道荷载为1 071．94 kN/m。

(4)沿线路方向作用在1、3 号拱桥顶的隧道荷载分别如图5、图6 所示。

3．2．1．2 拱桥结构检算

1 号拱荷载组合中，按最不利考虑，混凝土收缩荷载采用拱圈降温15°，温度变化荷载按拱圈降温5°，即按系统总降温20°进行分析。采用ANSYS 结构计算软件进行分析，拱轴线两端按固定支座考虑建立模型，得到内力结果图7 所示。

图5 作用于1 号拱桥顶的隧道荷载分布

图6 作用于2 号拱桥顶的隧道荷载分布

其中，A 点弯矩最大，为10 148 kN·m，为上部受拉由于拱桥上部有回填混凝土及隧道衬砌限制，故该点受力不控制;跨中C 点弯矩为1 769．8 kN·m，下部受拉;B 点弯矩为3 552．1 kN·m，为下部受拉弯矩最大点，故结构配筋由B 点控制。通过检算，1 号拱采用C50 钢筋混凝土，厚1．0 m，满足承载力及裂缝宽度要求。

同理检算3 号拱，限于篇幅，略去其详细介绍。

2 号拱荷载组合中同样按系统总降温20 ℃进行分析。采用Midas Civil 结构计算软件考虑列车动力影响进行分析，通过检算，2 号拱采用C40 钢筋混凝土，厚0．8 m，结构满足承载力及裂缝宽度要求。拱桥拱座嵌固深度

式中，M 为锚固点处弯矩(即拱轴线端点弯矩)，1 号拱取A 点10 148 kN·m;K 为岩石容许压力换算系数，取0．8;R 为岩石单轴抗压强度，取8 000 kPa;b 为垂直于弯矩作用平面桩的边长，1 号拱取3 m。求得1 号拱嵌固深度为2．5 m，由于1 号拱受力最大，嵌固深度由1 号拱控制。

3．2．2 特殊衬砌设计

考虑动静荷载分开，隧道衬砌结构需取消仰拱及仰拱填充，由于现场开挖揭示暗洞段围岩自稳能力较好，围岩侧向压力较小，取消仰拱及仰拱填充是可行的，对原设计衬砌进行调整，断面尺寸详见图3。

由前述分析可知，暗洞段属浅埋隧道，采用ANSYS 结构计算软件进行检算，边墙底按铰支座考虑建立模型，得到内力结果如图8 所示。由配筋计算可知，暗洞段特殊衬砌配筋为构造配筋，每延米配筋为3Φ22。

另外，明洞结构同样取消了仰拱及仰拱填充，且为保证耳墙底轴线与拱桥轴线一致，将明洞结构耳墙底宽度有4．59 m 缩减至2．50 m，对明洞衬砌及耳墙进行构造配筋加强，以满足结构受力要求。

图7 1 号拱桥弯矩图(单位:N·m/m)

图8 暗洞段特殊衬砌弯矩图(单位:N·m/m)

3．3 排水系统设计

由于D1K354 +823 ～D1K354 +844 段衬砌结构取消了、仰拱及仰拱填充，且该隧道为单面下坡，为满足排水要求，对两侧沟槽进行特殊设计。于D1K354 +823 ～830 段拱桥结构上部回填层内预留排水沟槽顺接洞内侧沟。于D1K354 +830 里程1 号、2 号及2 号、3 号拱桥之间缝隙各埋设两根Φ90PVC 排水管，将沟槽水引入拱下检修空间。排水管距回填层内预留排水沟槽底距离不小于10 cm，防止沟槽底淤积堵塞排水管。

检修空间底面下挖沟槽，顺接Φ90PVC 管，沟槽宽50 cm，高40 cm，于D1K354 +838 处3 号拱桥边将沟槽水引入检修及排水通道。检修及排水通道通过明渠将水引入既有湘桂线排水涵洞。检修通道建成后，为防止人、蓄误入，于3 号拱桥外缘设置栏栅门一道，具体布置如图3 所示。

本排水系统既兼顾了隧道内排水，同时设置检修及排水通道，防止溶洞水位上涨后沿岩溶裂隙上涌导致拱桥结构乃至道床被淹。

4 施工工序及注意事项

4．1 施工工序

根据现场溶洞揭示情况，结合实际施工作业，确定施工工序如下:拆除暗洞段已施作仰拱及填充部分→开挖拱桥基础并及时基坑防护→分别施作1、3 号拱桥及2 号拱桥→施作拱圈结构上回填混凝土→施作衬砌结构→施作检修及排水工程。

4．2 施工注意事项

(1)拱桥基础开挖。开挖采用控制爆破，放小炮，以尽量减少开挖放炮对围岩及既有线的影响，拱桥基坑采用直立开挖，对坑壁及边墙外侧顶板采用锚网喷防护，拱座范围边坡预留0．5 m 长锚杆锚固回填混凝土。

(2)暗洞段初期支护加强。暗洞段边墙初期支护由于基坑开挖部分悬空，应在基坑开挖前，对该部分初期支护设置临时横撑及钢架锁脚锚管进行加固。

(3)接茬筋连接:为加强各结构间连接，增强结构整体性，施作1、3 号拱桥结构时应预留回填体与拱桥之间的Φ22 接茬筋，施作1、3 号拱桥结构上部回填体时应预留回填体与衬砌结构之间的Φ22 接茬筋。

(4)施工前应进一步核实溶洞顶板厚度，其中D1K354 +829 ～+836 段隧道中线左、右各3 m 范围内溶洞顶板厚度较薄，该区域应设置安全警戒线，施工过程中严禁重型机械压覆，拱桥施工完成后，应在该区域设围栏及人员禁入警示标志。

5 结论

(1)由于拱跨结构其自身荷载传递的特点，将荷载传递至溶洞壁后方基岩，避免荷载直接作用于倒悬溶洞壁，有利于洞壁稳定，对于下切较深、岩壁直立或倒悬的隧底溶腔宜优先考虑选用拱跨结构。

(2)拱桥跨越方案设计时，为避免列车振动荷载对隧道和拱桥结构的不利影响，明确结构受力，采用基于动静荷载分开的原则进行设计，有利于结构安全。

(3)对于富水溶腔，排水设计时将隧道洞内排水与溶洞排水相结合考虑，在满足隧道内排水的同时，在跨越结构下设置排水通道，防止溶洞水位上涨淹没拱桥结构和道床。

［1］铁道部第二勘测设计院． 铁路工程设计技术手册 隧道(修订版)［M］．北京:中国铁道出版社，1999．

［2］TB 10003 铁路隧道设计规范［S］． 北京:中国铁道出版社，2011．

［3］TB 10002．5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范［S］． 北京:中国铁道出版社，2005．

［4］陈双庆． 宜万铁路下村坝隧道大型溶洞处理［J］． 铁道标准设计，2009(7):74-76．