渝利铁路高填方深基础明洞结构力学特性研究

黎 康

(中国铁路成都局集团有限公司， 成都 610081)

随着高速铁路网向西南山区延伸，受地形、地质条件及曲线半径、环保要求的影响，位于城区的隧道不断增多，而山区城市发展受地形限制，土地稀缺问题日益严重，于是铁路与城区规划、市政结合建设的案例日渐增多，出现了回填土厚达30 m以上的高填明挖隧道结构，个别案例还面临底部悬空或深基础的情况。高填方明洞填土荷载大，对衬砌结构设计施工提出了更高的要求。受力更加复杂，特别是衬砌厚度增大后，衬砌混凝土浇筑时产生的水化热和温度裂缝会严重影响结构的安全性和耐久性，底部悬空或软弱深基础也会给高速铁路带来沉降、变形不易控制、结构稳定性差等难题[1]。本文结合渝利铁路丰都造地桥改隧明洞工程案例，研究制定了沟谷中先建造大体积混凝土隧道坝基，再在坝基上修建明洞，最后在明洞上方超厚回填土至规划标高的技术方案，并通过现场试验对该设计方案进行了验证。该方案具有工艺简单、技术先进、应用前景广阔的特点，尤其对进一步推进我国复杂山区高填深基明洞技术的发展，具有很好的指导作用。

1 丰都桥改隧明洞工程概况

重庆至利川铁路为“四纵四横”中沪汉蓉大通道的重要组成部分，丰都桥改隧明洞位于重庆市丰都县，为典型大跨单洞超厚回填土高坝基础明洞衬砌结构。渝利铁路通过丰都县斜南溪沟谷，原设计采用桥梁方式跨越，由于城市规划需对沟谷进行回填造地，铁路被迫改为隧道形式通过。明洞结构修建于市区 2 000余亩深沟回填造地弃渣填土体内。丰都造地工程，上游为人造堰塘，下游连接长江，沿沟回填纵向总长 2 100 m，填方总量达 1 600 万m3。回填造地工程分为一期回填和二期回填，隧道上方先回填出纵向 500 m长，横向80 m宽(一期回填)，再于明洞两侧沿沟形纵向回填直至填满整个沟谷(二期回填)。明洞拱顶最大回填土厚度33 m，结构最大净跨20 m(含衬砌厚度)，隧道轨面以下至沟底32 m，填土总高度 62 m。为控制明洞衬砌大体积混凝土浇筑时产生的水化热和温度裂缝，采用双层明洞衬砌型式，隧道基底采用坝型大体积混凝土基础型式，解决了弃渣体内高速铁路沉降变形、稳定、轨道平顺性等难题[2]。

2 高填深基明洞结构整体稳定性分析

2.1 计算原理

本工点结构高度达65.4 m，设计分别采用结构力学法和数值计算法分析结构的整体稳定性、结构的变形和内力、内衬砌施做顺序等。其中，按连续介质设计时，地层、回填、坝、明洞外衬砌、填充采用平面应变单元，明洞内衬砌采用梁单元，坝底和隧底采用接触单元。一期工程典型断面如图1所示。

图1 一期工程典型断面(m)

施工步骤为:(1)开挖坝基坑；(2)施作混凝土坝基础；(3)浆砌片石回填左侧基坑；(4)浆砌片石回填右侧基坑；(5)填筑第一层土至坝的顶面；(6)施作明洞外衬砌；(7)施作明洞填充；(8)填筑第二层土；(9)填筑第三层土；(10)填筑第四层土；(11)施作明洞内衬砌；(12)钝化Z11、Z21、31、41土层。主要计算参数如表1所示。

表1 材料参数表

2.2 回填工程及明洞基础整体稳定性

坝基础位于侏罗系中统沙溪庙组(J2s)泥岩夹砂岩的弱风化层上，弱风化泥岩的天然饱和单轴抗压强度9.8～26.5 MPa，纵波波速在 2 707～4 302 m/s；弱风化砂岩的天然饱和单轴抗压强度13.2～44.6 MPa，纵波波速在 3 287～4 826 m/s，建筑场地类别属Ⅱ类。结构的整体稳定分析包括一期和二期工程。

2.2.1一期回填工程的稳定性评价

施工到第10步时，坝底地层的最大主应力为1.743 MPa，最大剪应力为0.273 MPa，砂泥岩弱风化泥岩的天然饱和单轴抗压强度为9.8 MPa，抗剪强度为0.59 MPa，由此可知，坝底地层不会发生整体或局部剪切破坏，此时大坝沉降为1.5 cm，沉降等值面如图2所示。

图2 沉降等值面图

当填土到坝顶高度时，取坝底摩擦系数0.4，假定坝只承受单侧土压力，此时坝的抗滑动稳定系数Kc=3.32。当填土到最大高度时(即一期回填完成后)，按瑞典条分法找出最不利边坡滑面的安全系数为K=1.179>1.10，回填土体能保持稳定。

假定Ⅱ期不及时回填，连续降雨引起填土c、φ值下降，致使一期回填发生局部溜坍，研究此不利工况下回填体的稳定性。计算时，假定左侧土体Z11、Z21、31、41沿最不利滑面滑走，此时坝底平均应力1.19 MPa，水平推力532 kN，坝底抗滑动稳定系数61.5。取隧底摩擦系数为0.65，隧底平均应力0.49 MPa，水平推力635 kN，隧底抗滑动稳定系数10.1，说明回填土体能保持稳定。

由以上分析可知，一期回填发生局部溜坍时，在偏载作用下，明洞衬砌将承受532 kN水平推力。为保证工程安全可靠，设计考虑在衬砌底部设置与坝基混凝土同时浇筑的钢筋混凝土抗剪桩，使明洞与坝基共同受力，共同抵抗填土水平推力。同时通过对一期回填稳定性的分析，得到一期回填体的最佳坡率。

2.2.2二期回填工程的稳定性评价

二期回填工程总长2.1 km，总填方 1 700 万m3，最大填高62 m，延伸至长江边。根据GB 50330-2002《建筑边坡工程技术规范》，附加荷载为公路荷载，按城市A级荷载考虑。根据地勘资料，取饱水状态下土石界面的c、φ值对二期回填工程进行稳定性分析，计算参数如表2所示。稳定性计算采用折线滑动法，并考虑了长江洪水位的渗流作用，经验算，Kc=2.72>1.35，满足规范稳定要求。

表2 土石界面c、φ值

2.2.3混凝土坝基础的变形和内力

在各施工步骤中，坝体底部会出现拉应力，施工到第11步时(即回填、内衬施做完毕)拉应力达到最大，最大值为0.31 MPa，小于C30混凝土容许拉应力值0.55 MPa；坝体最大剪应力出现在坝底右侧，最大值为0.73 MPa，小于C30混凝土容许剪应力值1.10 MPa。有限元计算表明，混凝土基础结构内力均未超过容许应力值，混凝土结构满足隧道和填土承载力的要求。

由以上分析可知，坝体形状和采用的材料满足工程要求，但坝底两侧三角区有剪应力集中，可将三角区优化为直角区。该坝每延米体积为 1 478 m3，混凝土的温控设计是保证大坝质量的关键，需合理分块，控制混凝土浇筑温度，降低混凝土的水化热，防止温度裂缝的产生[3]。

2.2.4地基承载力有限元计算结果

施工到第10步，即Ⅰ期回填完成时，坝底地层的最大主应力为1.743 MPa，最大剪应力为0.27 MPa，弱风化砂泥岩的天然饱和单轴抗压强度为9.8 MPa，抗剪强度为0.59 MPa，如此可知，地基处于弹性受力，坝底地层不会发生整体或局部剪切破坏。填筑完毕时基底塑性区分布(局部)如图3所示。

图3 填筑完毕时基底塑性区分布(局部)图

2.2.5混凝土坝基础沉降计算结果

按隧道衬砌修筑完毕即铺轨的情况计算，基底工后沉降为3.564 mm，整个回填工程填筑完毕时，基底总沉降为6.425 mm。基底总沉降较小，混凝土基础结构满足上部隧道沉降的要求。

2.3 明洞衬砌结构稳定性分析

明洞外衬砌按承受100%荷载考虑，分别可按结构力学法和数值分析法计算内力。内衬砌可在外衬砌和填充施工完成后施作(即内衬砌先施作)，也可在I期填土完成后施作(即内衬砌后施作)。内衬砌的施作时机直接影响到工期和内、外衬砌的内力分担[4]。明洞内、外衬砌断面如图4所示。当内衬砌后施作时，外衬砌在第11步时的整体沉降为8 mm，因荷载作用引起的拱顶变形下沉为2 mm。

图4 明洞内、外衬断面图(cm)

2.3.1内衬砌内力计算结果

当内衬砌在第11步施作时，衬砌承受弯矩为-0.5～1.5 kN·m，轴力为-58.2～11.5 kN，均较小，内衬砌弯矩和轴力分别如图5和图6所示；考虑最不利工况，即隧道左侧填方产生局部溜坍(第12步工况)，衬砌弯矩为-6.3～8.9 kN·m，轴力为-178.4～225.2 kN。两者相比，最不利工况下的内力增长显著,且存在偏压内衬砌弯矩和轴力分别如图7和图8所示。当内衬砌先施作时，衬砌承受弯矩为-25.2～24.5 kN·m，轴力为-1542.3～-83.3 kN，时弯矩和轴力分别如图9和图10所示。

图5 第11步内衬砌弯矩(kN·m)

图6 第11步内衬砌轴力(kN)

图7 第12步内衬砌弯矩(kN·m)

图8 第12步内衬砌轴力(kN)

图9 内衬砌先施作时弯矩(kN·m)

图10 内衬砌先施作时轴力(kN)

由以上分析可知，内衬砌后施作，将基本不承受土体荷载，轴力弯矩都较小，内衬砌可作为明洞填方产生局部溜坍时的安全储备；内衬砌先施作，内、外衬砌共同承担土体荷载，轴力、弯矩值均发生数量级的提高。从工期方面考虑，内衬砌后施作，填土工期4个月和内衬砌工期3个月将成为关键工序，若内衬砌紧跟外衬砌施作，工期可节省7个月。

2.3.2外衬砌内力计算结果

外衬砌分别采用荷载-结构模型(其弯矩为Ma，轴力为Fa)和连续介质模型设计。其中，在连续介质模型中，外衬砌采用梁单元(其弯矩为Mb，轴力为Fb)和平面应变单元(其弯矩为Mc，轴力为Fc)。三种情况下，外衬砌内力情况大致为Ma>Mb>Mc，Fa

图11 荷载结构模型弯矩Ma(t·m)

图12 荷载结构模型轴力Fa(t)

图13 连续介质模型弯矩Mb(t·m)

图14 连续介质模型轴力Fb(t)

3 结论

(1)通过数值计算方法分析了坝、衬砌、填土之间内力和变形的相关性，结构及回填的整体和局部稳定性、内衬施作时机对内、外衬砌内力的影响等，其计算结果与物理力学参数、本构模型、施工步骤、边界条件密切相关，其数值不一定与实际一致，但仍对设计具有重要的指导作用。施工中应加强沉降、填土内力、衬砌内力的监测，修正数值计算的输入参数，更好地指导施工。

(2)在偏载作用下，衬砌将承受532 kN水平推力，为保证工程可靠，在衬砌底部增设了直径0.8 m的抗剪桩，间距4 m，长度3～4 m。

(3)结构力学方法是假定在填土过程中，衬砌上方填土水平且存在5 m高差的情况计算衬砌内力的；数值计算方法是按坝左侧填土总高度54 m，右侧填土总高度40.1 m，并考虑施工步骤(内衬砌后作)计算衬砌内力的。由于填土内摩擦角、凝聚力的数值是按天然含水量选取的，当二期填土不及时或连续降雨引起c、φ值降低时，可能发生局部溜坍，引起衬砌内力变化。数值计算更能反映真实的施工情况，其在正常工况和最不利工况下，内力均不是对称的，故设计除按结构力学方法内力和配筋外，还应采用数值计算的结果进行校核。

(4)为解决高填方深基础明洞结构存在的问题，应根据工程实际，开展超厚填土明洞竖向有效土压力荷载[5-6]，超厚填土双层明洞衬砌优化施工工序，混凝土级配、外加剂、温控防裂等施工技术的研究工作。