软弱地层大断面铁路隧道进洞方法研究与实践

舒东利,杨建民,杨 波

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

近年来,我国铁路建设快速推进,随着行车速度的提升,隧道受空气动力学效应影响,为了获得更好的舒适度,隧道断面面积会相应增大。铁路双线隧道跨度大,断面积一般大于90 m2。

以新建成都至昆明铁路(以下简称“新建成昆铁路”)和西安至成都高铁(以下简称“西成高铁”)为例：新建成昆铁路速度160 km/h,双线隧道洞口开挖跨度达13 m,开挖面积达122.5 m2；西成高铁速度250 km/h,双线隧道洞口开挖跨度达14.5 m,开挖面积达145 m2。西南山区隧道洞口地质条件一般较差,围岩较破碎,由于选线限制,洞口也会遇到滑坡、岩堆体等不良地质。这些隧道洞口开挖易滑塌,暗挖进洞十分困难,设计难度较大。

目前,国内学者针对隧道洞口稳定性设计与施工进行了一定研究。刘莉[1]分析了马嘴隧道洞口浅埋段稳定性,并采用间距5 m抗滑桩加固洞口；韩华轩、马志富[2]采用护拱加耳墙的方式较好地解决了高陡偏压隧道洞口的进洞问题；何信[3]采用数值模拟手段分析抗滑桩隧道稳定性的影响,并提出了最佳抗滑桩间距。蒋楚生等[4]对桩间土拱效应进行试验分析,并提出了考虑土拱效应的边坡土压力计算方法。李怀鉴[5]基于沪昆高铁上店隧道,对偏压隧道洞口加桩设计进行了研究；袁森林[6]基于湘潭昭山大道虎形山隧道,对偏压隧道口耳墙式护拱支护结构进行了研究和优化改进；张敏[7]结合渝怀铁路大板溪隧道洞口特殊地段的处理,对复杂地形、地质情况下大跨度洞口段设计进行了总结；石先火等[8]结合云南麻昭高速公路赵家屋岩堆体隧道工程实例,提出了岩堆体隧道洞口浅埋段开挖进尺的计算公式。杨长京[9]总结了长珲高速公路老爷岭隧道快速进洞的施工技术；李丰果[10]基于高阳寨隧道、赛里木湖隧道等山体偏压隧道,提出了不宜卸载、先施作深埋侧导洞等施工技术；林三国[11]结合赣龙铁路马蹄经隧道因滑坡体垮塌工程,提出了相应的滑坡综合整治方案。白国权、刘建中等[12-15]对偏压隧道进洞施工方法进行了研究探讨。

采用锚索加固洞口隧道内轮廓范围内开挖困难,仅采用锚固桩加固其桩间距已不能达到加固大断面隧道的要求。软弱地层隧道洞口开挖极易塌方,采用传统的施工方法已不能满足大断面隧道洞口修建要求,针对大跨度铁路隧道洞口加固设计的研究较为缺乏。结合新建成昆铁路及西成高铁大跨度双线隧道洞口设计与施工,对软弱地层大断面隧道洞口进洞方法展开研究分析。

2 软弱地层隧道洞口稳定性分析

以新建成昆铁路前家山隧道进口为例对仰坡稳定性进行分析。该隧道进口采用挡墙式洞门,临时边仰坡采用喷锚支护,喷射C25混凝土厚12 cm,φ22砂浆锚杆长4 m,按间距1 m×1 m梅花形布置,前家山隧道进口设计见图1。基于极限平衡法的瑞典法对前家山隧道进口仰坡稳定性进行计算分析。

图1 前家山隧道进口设计(单位：cm)

瑞典条分法的计算原理为：首先假定出可能的圆弧形的滑裂面,然后将滑坡划分为一块一块的条状土条,并且将土条重力沿滑坡滑动面法线方向进行分解,由此计算出边仰坡的安全系数,见图2。

图2 瑞典条分法计算图示

如果不考虑侧面上的作用力,则土条上的作用力有土条自重及土条底面反力。

(1)土条自重

Wi=γibihi

(1)

式中,γi为土的重度；bi,hi分别为土条宽度和平均高度。把Wi引至分条滑动面上,分解为通过滑弧圆心的法向力Ni和与滑弧相切的剪切力Ti。θi表示该土条底面中点的法线与竖直线的交角,其余符号意义详见图2。

(2)土条底面法向反力

(2)

(3)

式中，Fs为安全系数；li为土条底面长度；ci、φi分别为土条底面的黏聚力和内摩擦角。

(3)力矩平衡

把整个土体内各土条对滑动面圆心取力矩平衡,则有

(4)

由此可以得到安全系数的计算公式为

(5)

基于瑞典条分法分析了前家山隧道开挖上台阶和开挖至路基面仰坡的稳定性,仰坡滑动破裂情况见图3,其中开挖上台阶时仰坡安全系数为0.643,开挖至路基面时仰坡的安全系数为0.563,安全系数均小于1,仰坡不能够自稳,易滑动破坏。

图3 前家山隧道进口仰坡稳定性计算结果(单位：cm)

西成高铁和新建成昆铁路多个隧道在洞口开挖时均出现了不同程度的滑塌。

前家山隧道进口施作导向墙后仰坡出现多条长度8～13 m,宽3～5 cm裂缝,进口土层发生滑移,导向墙开裂,见图4。

杨家湾隧道进口在施工大管棚时,洞顶以上位置出现多条裂缝,最大裂缝宽度达25 cm,且裂缝一直在发展,存在极大滑塌风险；隧道洞身右侧65 m处山坡上灌溉水池裂缝发展为一条贯通的裂缝(裂缝宽约5 cm)将水池切断,水池周围地表出现多条新裂缝,最大缝宽5 cm,并持续发展到25 cm,杨家湾隧道进口洞顶裂缝详见图5。

图4 前家山隧道进口仰坡及导向墙裂缝

石梯子隧道进口在完成截水天沟施工并开始洞口清表刷仰坡的过程中,遇连续降雨,现场施工作业中断,降雨过后在隧道进口上方洞身方向地表发现4条裂缝,洞身地表坡体出现大范围蠕动滑移及地表隆起。施作大管棚时,裂缝继续发展,洞顶上方土体滑移,导向墙变形,见图6。

图5 杨家湾隧道进口洞顶裂缝

图6 石梯子隧道进口滑塌施工现场

基于隧道洞口稳定性分析,隧道仰坡滑塌必然存在潜在滑动面,滑坡治理或洞口加固设计应以滑动面为核心,应从反压洞口滑坡体和切断滑动面的角度提出加固设计方案,基于该设计理念提出了软弱地层隧道洞口加固设计的3种方法,分别为玻璃纤维钻孔桩加固方法、桩基托梁护拱加固方法和纵横梁加固方法。3种方法的适用条件、经济性及优缺点见表1。

表1 3种隧道洞口加固设计方法对比

注：深层滑动滑坡体厚度25～50 m,中层滑动滑坡体厚度10～25 m,浅层滑动滑坡体厚度10 m以下。

3 玻璃纤维钻孔桩加固方法

3.1 设计理念

玻璃纤维钻孔桩加固设计方法的核心是在隧道明洞与暗洞的分界断面设置1排玻璃纤维桩,于隧道两侧设置锚固桩,保证软弱地层的稳定性。开挖后明洞段及明洞回填及时施作,对软弱地层形成反压,增加仰坡的稳定性。待明洞段施作完成后方可截断玻璃纤维桩,暗挖进洞,玻璃纤维桩洞口加固设计方法横纵断面见图7和图8。

图7 玻璃纤维桩洞口加固纵断面

图8 玻璃纤维桩洞口加固横断面

3.2 隧道洞口施工方法

采用玻璃纤维钻孔桩加固方法时洞口段施工工序很重要,如果处理不当,可能同样会造成洞口滑塌,该方法洞口段施工工序如下所述。

(1)施作锚固桩。在滑坡体范围由上到下依次施工锚固桩,锚固桩施工完毕后可结合地层岩性增设辅助加固措施,如地表旋喷桩、钢花管注浆等。然后施工隧道明暗分界处洞身范围内的钻孔桩,钻孔桩配筋采用玻璃纤维。

(2)施作导向墙及大管棚。在完成隧道所有锚固桩、玻璃纤维桩和辅助加固措施之后,开挖隧道上半断面,施作洞口导向墙、大管棚、小导管。

(3)施作明洞及洞门结构。进洞措施施工完成后,及时施作洞门及洞口明洞,待混凝土结构达到设计强度之后,及时施作明洞段回填土石。洞门、明洞及回填土石形成整体结构,对正面边坡形成反压,抑制仰坡下滑趋势。

(4)截桩进洞。待明洞、洞门部分完工后,纤维锚固桩的临时加固作用就已经结束,已经完成了坡脚加固受力体系的转换,此时即可采用破碎锤等非爆破设备凿除纤维锚固桩,暗挖进洞。

3.3 工程应用实例

西成高铁设计为时速250 km的高速铁路,石梯子隧道位于广元—剑门关区间,设计为双线隧道,隧道跨度14.32 m,高13.28 m,全长1 050 m,隧道进口采用帽檐斜切式洞门加斜切延伸段。洞口地表上覆第四系全新统坡残积层(Q4dl+el)粉质黏土、上更新统(Q3al+pl)粉质黏土、卵石土,下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组上段(J2s2)泥岩夹砂岩。洞口地表水主要为沟水和坡面暂时性流水,地下水为第四系土层孔隙水及基岩裂隙水。

石梯子隧道进口滑坡体位于洞口线路范围200 m左右,工程滑坡段原为土质斜坡,洞口边仰坡开挖后,切割坡脚,导致斜坡失稳,坡体前缘隆起,局部出现剪切裂缝,坡体上距洞口55 m处出现张裂缝,并产生明显的错壁,错壁高约40 cm,滑坡体长约220 m,宽约160 m,厚5～10 m,体积约为26.4万m3。堆积物以粉质黏土为主,局部为卵砾石。

石梯子隧道于隧道进口布设4排锚固桩,第一排锚固桩设置于隧道明暗分界处,洞身范围内采用玻璃纤维钻孔桩,其余采用人工挖孔桩,现场玻璃纤维桩布置见图9。其余3排锚固桩纵向间隔布置于滑坡体范围内。按上述施工方法顺序施工,顺利完成隧道进洞施工。

图9 锚固桩、玻璃纤维桩及导向墙施作

玻璃纤维钻孔桩加固方法应用于石梯子隧道,减少了边仰坡刷坡,减少了对周边环境的破坏,保证了洞口滑坡体的稳定性,并确保了隧道洞口的施工安全,较好地解决了隧道洞口进洞的难题。

4 桩基托梁护拱加固方法

4.1 设计理念

桩基托梁护拱加固设计方法的核心是于隧道洞口段设置桩基托梁及护拱。桩基下穿潜在滑动面,抵抗软弱地层的滑动。托梁上设护拱,待护拱和护拱两侧及顶部回填施作完成后可进行隧道开挖,护拱结构对正面仰坡形成反压,保持正面的稳定性。桩基托梁护拱加固法纵、横断面设计见图10和图11。

图10 桩基托梁护拱纵断面

图11 桩基托梁护拱横断面(单位： cm)

4.2 隧道洞口施工方法

采用桩基托梁加护拱方法洞口段施工工序同样重要,如果处理不当,也不能起到良好的防护效果。为确保洞口施工期间安全,施工时应避开雨季。该方法洞口段施工工序如下所述。

(1)施作洞口段地表排水系统,并夯填处理地表裂缝及水池,减少雨水下渗弱化土层对山体稳定性的影响。

(2)施作洞口段辅助加固措施,如地表钢花管注浆加固浅层土质围岩,旋喷桩、大管棚、防护工程等,加固洞口段围岩使其具有一定的稳定性及承载能力。

(3)明洞段桩基及托梁开挖及浇筑,灌注桩基至设计高程,待桩基达到设计强度后施作托梁,然后施作护拱,桩基、托梁、护拱钢筋相互接茬,保证结构具有整体性,保证整体结构在纵向及横向具有一定的刚度。

(4)护拱衬砌达到设计强度后,回填C20混凝土及土石至实际回填线,对正面仰坡形成反压,防止仰坡滑塌。

(5)护拱内明洞开挖,并及时施作明洞衬砌、洞门及洞口相关附属设施,洞口明洞及洞门形成钢筋混凝土结构对正面仰坡形成反压。

(6)施作明暗分界处导向墙、大管棚等,暗挖进洞。

4.3 工程应用实例

新建成都至昆明铁路设计为时速160 km的客货共线铁路,杨家湾隧道位于峨眉—米易区间,设计为双线隧道,跨度12.52 m,高11.29 m,全长3 230 m,隧道进口采用台阶式洞门。

洞口上覆土层为第四系全新统滑坡堆积层(Q4del)粉质黏土、坡残积层(Q4dl+el)粉质黏土及坡崩积层(Q4dl+col)粉质黏土、粉土、角砾土、碎石土及块石土,下伏基岩主要为二叠系上统峨眉山玄武岩(P2β)。地表水主要为沟水,地下水主要为第四系孔隙水潜水和基岩裂隙水,主要受大气降水补给。

洞口开挖造成岩堆体上部边坡产生多条弧形裂隙,并有下滑的趋势,形成工程滑坡。该滑坡主轴与线路相交于距洞口30 m附近,与线路夹角约为53°,主轴方向约为N9°E,主轴长约120 m,前缘宽约50 m,后缘宽约30 m。该滑坡属工程活动引起的中层堆积体滑坡,滑体物质成分较简单,以粉质黏土为主,局部地段为碎石土、块石土,厚度为2～15 m。滑坡面积约4 800 m2,滑坡体积约5.0×104m3,属中型、中深层牵引式滑坡。地表出现多条弧形张拉裂隙,裂隙长5～30 m,裂隙宽2～25 cm,下错2～20 cm。滑坡两侧边界明显,地貌形态呈一圈椅状长条地形。

杨家湾隧道进口先施作3排锚固桩,治理工程滑坡。再按上述桩基托换加护拱施工方法,于隧道洞口段施作桩基托梁护拱结构,保证隧道边仰坡稳定,现场桩基托梁护拱施工见图12,保证了隧道洞口施工安全,避免了滑坡体坍塌。

图12 施工现场桩基托梁加护拱结构

5 纵横梁加固方法

5.1 设计理念

纵横梁加固方法的核心是于隧道洞口桩基顶部布置纵横梁,能够有效抵抗地层滑移。桩基下穿潜在滑动面,抵抗软弱地层的滑动。纵横梁形成框架结构正面抵挡仰坡,防止仰坡滑塌。隧道洞口纵横梁加固设计方法的纵、横断面设计见图13和图14。

图13 纵横梁加固法纵断面

图14 纵横梁加固法横断面

5.2 隧道洞口施工方法

采用纵横梁加固法施工洞口段,施工工序也极为重要,如果施工工序不合理,也起不到有效的加固效果。该方法洞口段施工工序如下所述。

(1)施作洞口段地表排水系统,并夯填处理地表裂缝,减少雨水下渗弱化土层对山体稳定性的影响。

(2)施作明洞段两侧桩基及底纵梁,灌注桩基至设计高程,待桩基达到设计强度后施作底纵梁。桩基下穿潜在滑动面,抵抗地层滑移,桩基和底纵梁形成整体结构挡护边坡,防止边坡滑塌。

(3)待桩基和底纵梁达到设计强度之后,开挖并施作明暗分界处大管棚导向墙,为暗挖进洞做好准备。

(4)大管棚导向墙施作完成之后,浇筑顶纵梁及横梁。纵横梁顶住大管棚导向墙,限制导向墙的挤出位移,同时对正面仰坡形成反压,防止仰坡滑移、倾覆。

(5)待洞口段加固结构达到设计强度后,暗挖进洞。

5.3 工程应用实例

新建成都至昆明铁路杨家湾隧道出口采用挡墙式洞门。隧道出口段基础位于稳定性较差的第四系中、上更新统粉质黏土(弱～中等膨胀土)之中,厚10～20 m,呈硬塑状,下伏地层为第三系上统昔格达组砂岩夹泥岩、页岩全风化层及二叠系上统辉长岩全风化层。

雨季当地突降暴雨,雨量较大,雨水渗入土层,土体被水软化,导致洞口开挖时局部发生坍塌。洞口段位于稳定性较差的中、上更新统粉质黏土中,该土属弱～中等膨胀土,具遇水膨胀、软化、崩解,失水急剧收缩、开裂、硬结等特点,并能产生往复胀缩变形。

杨家湾隧道出口与隧道两侧分别布置10根锚固桩,按上述纵横梁加固施工方法,靠近明暗分界处采用纵横梁框架结构,现场纵横梁施工见图15,对边仰坡滑塌形成了良好的挡护,有效地控制了隧道洞口的局部坍塌。

图15 纵横梁加固法施工现场

6 结论与建议

依托新建成昆铁路及西成高铁软弱地层大断面隧道工程,通过对软弱地层隧道洞口加固设计方法的探讨分析,得出以下结论。

(1)通过对软弱地层隧道洞口仰坡稳定性分析,得出隧道上半断面开挖以及开挖至路基面时,仰坡安全系数均小于1,如果不采取相应加固措施,洞口极易发生滑塌。

(2)根据隧道开挖及滑动面特性,提出了玻璃纤维钻孔桩加固、桩基托梁护拱加固、纵横梁加固3种隧道洞口进洞施工方法,保证隧道范围内的正常开挖,并形成对正面仰坡的反压,控制滑动面下滑,已成功应用于西成高铁石梯子隧道和新建成昆铁路杨家湾隧道,洞口段加固效果显著,工程得以顺利实施。

(3)玻璃纤维钻孔桩加固方法施工工期短,工程投资相对较高,质量控制难度大,加固效果最好,适用于大断面隧道洞口浅、中、深层滑坡处理。

(4)桩基托梁护拱加固方法施工工期相对较长,工程投资较高,加固效果好,适用于大断面隧道洞口浅、中层滑坡处理。

(5)纵横梁加固方法,施工工期最短,工程投资最小,加固效果较好,特别适用于大断面隧道洞口浅层滑坡处理。