宝兰客运专线石崖隧道下穿岩堆综合设计

刘建红

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥梁隧道处,西安 710043)

1 工程背景

1.1 概况

宝兰客运专线位于甘肃、陕西省境内,正线全长400.57 km,线路主要穿越南陇山与西秦岭北缘过渡带中山区、天礼盆地低山丘陵区、黄土高沟壑、梁峁区。隧道工程总计273.465 8 km/74座,占线路全长的68.3%,其中特长隧道77 032.29 m/6座。

石崖隧道位于宝兰天水市麦积区石佛乡境内,线路以隧道方式穿越渭河左岸导流山,全长1 482 m,为双线隧道,最大埋深约280 m,进口与王家滩渭河大桥相连。

1.2 石崖隧道线路走向选定

线路自天水南出站至三阳川之间,大型滑坡密集错址分布,不良地质异常发育；加之渭河在此蜿蜒曲折,既有陇海铁路依山傍水而建；渭河隧道下穿籍河河谷且周围滑坡等不良地质发育,故石崖隧道线路走向选定主要受渭河隧道、机场定向台、北山滑坡、拆迁及陇海铁路等因素控制。线路为了绕避滑坡,选择较好的渭河隧道方案,减少对既有陇海铁路的影响,并满足渭河防洪的要求,最终确定以石崖隧道进口穿越岩堆而改善天水南出站至三阳川线路的建设方案。

2 工程地质及岩堆

隧道穿越的地层岩性为第四系全新统滑坡堆积黏质黄土、碎石土,第四系上更新统风积黏质黄土,上第三系泥岩、寒武系片麻岩等。

隧道进口为由人工采石引起的高陡危岩及岩堆体,其规模大,且为无序开采。人工采石引起的危岩及岩堆体以碎石土为主,夹大块石,岩体松散,稳定性差。岩堆主轴长约180 m,宽度约190 m,厚15～30 m,自然坡度40°～50°。

危岩大多分布在高140 m范围内,由于构造影响及人工采石放炮振动,岩体破碎,坡面凹凸不平,且存在危岩和落石,坡面整体稳定性差。岩堆体与石崖隧道进口位置见图1、图2。

石崖隧道进口端DK782+780～DK782+870位于人工采石引起的滑塌堆积体及弃渣中,厚度为15～25 m,松散堆积,自然坡面约40°,且顶部裸露的寒武系片麻岩受构造影响较为严重,岩体破碎,易掉块坍塌,稳定性极差。

地震动峰值加速度为0.30g，相当于地震基本烈度8度,地震动反应谱特征周期为0.45 s。

图1 石崖隧道进口岩堆

图2 石崖隧道进口岩堆平面

3 下穿岩堆综合设计

岩堆的治理方案应根据岩堆类型、规模、稳定性分析,并结合岩堆区工程地质条件、施工条件等因素确定[1]。本工点存在岩堆体推力较大、岩石松散破碎,基础位于碎石土等特点,为确保隧道洞口施工及运营安全,设计采用“锚索框架梁防护+锚索抗滑桩+接长明洞+拱盖法”的综合立体防护措施。在隧道右侧设锚索抗滑桩,做为主体的支挡结构,以防止山体开裂或滑塌,然后再清理抗滑桩及隧道洞顶间的碎石土,并对坡面采用锚索框架梁防护；为确保施工期及后期运营安全,接长明洞并将桥台包入隧道,明洞采用拱盖法设计。

3.1 锚索抗滑桩

锚索抗滑桩[2-6]是一种加固、整治滑坡或坡面滑塌的有效方法,迄今为止它是在各种滑坡及边坡治理中应用最多的一种结构物。

3.1.1 锚索+抗滑桩设计

石崖隧道进口右侧存在大面积的岩堆体,为了避免在后期清理隧道影响范围内的岩堆体时引起滑坡,减小其对隧道结构的挤压,防止隧道结构发生较大变形,在隧道右侧距离隧道中线11 m处设8根锚索抗滑桩,桩截面尺寸分别为2 m×3 m和1.5 m×2.5 m,桩间距均为6 m；隧道洞口正面共设5根抗滑桩,截面尺寸1.5 m×2.5 m,桩中心间距6 m。隧道右侧抗滑桩间设混凝土挡板。桩长19～29 m。抗滑桩纵断面见图3。

图3 侧面抗滑桩纵断面

锚索位于桩顶下1 m,角度下倾30°,锚索钻孔直径均为130 mm,锚索自由段长21 m,锚固段长8 m,锚索采用5根φ15.2 mm高强度、低松弛钢绞线制作,钢绞线强度等级为1 860 MPa,锚索张拉锁定值300 kN,锚固段进入弱风化岩层不小于9 m,锚具采用OVM15-5型。

3.1.2 锚索抗滑桩计算

抗滑桩按Winkler弹性地基梁进行计算,计算方法采用悬臂桩法,按库仑土压力计算作用在桩上的下滑力,锚索相当于在抗滑桩上施加一个集中力,并采用“m”法计算桩的位移和内力。

(1)基本假定

假定桩为刚性的；忽略桩与周围岩、土间的摩擦力、黏着力；锚固段地层的侧应力成直线变化,其中:滑动面和桩底地层的侧壁应力发挥一致,并等于侧壁容许应力,滑动面以下一定深度范围内的侧壁应力假定相同,并设此等压段内的应力之和等于受荷段荷载；滑坡推力按矩形均匀分布。

(2)计算参数

隧道进口滑动面以上为滑坡堆积体及弃砟,其计算参数为重度γ=20 kN/m3,摩擦角φ=35°,滑动面以下为强风化的片麻岩,抗滑桩嵌入弱风化的片麻岩中。

(3)抗滑桩位移及内力计算结果

本次锚索抗滑桩计算采用理正岩土计算软件,并按库伦土压力计算方法计算下滑推力,并对滑坡推力作用下的每根的桩身内力、位移及配筋进了计算。下面列举了几根典型桩的计算结果(图4，图5)。

图4 7号桩计算结果

图5 3号桩计算结果

经计算,3号抗滑桩内力最大,最大弯矩为28 574 kN·m,配70φ28 mm的钢筋,其余抗滑桩可满足配筋及稳定性的要求。

3.2 坡面锚索框架梁防护

由于岩堆清理后,坡体内的岩土初始应力状态改变,坡脚处剪应力集中,坡顶及坡面可能出现拉、张应力区。坡体应力随时间的变化引起坡体沿优势结构面方向发生变形破坏,易出现滑坡现象。为确保已经开挖的边、仰坡稳定,及时封闭坡面,确保施工及运营安全,对已清除岩堆的坡面采用锚索框架梁[7]进行永久加固。

锚索与框架梁连成整体,在加固和受力上有很多优势。一方面由于锚索的加固深度大、范围广,施加预应力后使边坡在可能失稳之前就受到主动加固支护,另一方面框架梁能有效地使锚索整体受力,防止坡面在可能失稳时,导致单根锚索受力而使其破坏。锚索框架梁立柱及横梁均采用C30钢筋混凝土浇筑,截面尺寸均为0.4 m×0.5 m的矩形；格构交叉点设预应力锚索,锚索长为20～32 m,其中锚固段8 m。

预应力锚索钻孔φ100 mm,锚索采用5根φ15.2 mm高强度、低松弛钢绞线制作,钢绞线强度等级为1 860 MPa,锚索锁定值500 kN,超张拉至600 kN,锚索按矩形排列,其垂直及水平间距为5.0 m×5.0 m；格构内边坡坡面挂机编低镀锌双纽铁丝网,铁丝网用钢筋混凝土格梁、锚索固定,格构内采用喷射混凝土护坡防护,喷射混凝土厚度为10 cm,喷射混凝土护坡每隔2～3 m上、下、左、右交错设置泄水孔,泄水孔为孔径0.05 m的圆孔。锚索框架梁纵断面布置见图6。

图6 锚索框架梁纵断面布置

3.3 明洞防护

隧道边、仰坡虽然采用锚索抗滑桩及锚索框架梁进行防护后,整体的边坡得到了加固,但是由于坡面破碎,岩体节理裂隙及风化强烈,为防止在运营过程中边、仰坡范围内小的危岩落石滚落,威胁运营及桥梁结构的安全,在边仰坡采用锚索框架梁处理后,再接长明洞,使之在纵向上形成立体防护体系,确保后期运营安全。

结合地形情况,进口接长29 m明洞,王家滩渭河大桥桥台进洞9.6 m。明洞段基础位于人工采石引起的滑塌堆积体及弃渣中,厚度为15～25 m,原岩成分为寒武系片麻岩,基础较差。明洞结构在桥梁进洞段,采用整体结构将桥台包入结构中,以提高结构的整体性。

为提高基底承载力,防止结构发生不均匀沉降,桥台进洞段基础采用φ125 cm钻孔灌注桩,桩的中心间距3.0 m,桩长为6～9 m；其余明洞段基础采用φ76 mm的钢管桩[8],桩长为3 ～9 m,间距1.0 m×1.0 m,按梅花形布置。通过基底处理,以消除隧道变形、下沉、边墙挤压等隐患。

图7 石崖隧道进口纵断面

图8 石崖隧道进口横断面(单位：cm)

为防止桥台基坑、明洞内边墙开挖大面积剥离山体,其开挖采用近直立开挖[9]。施工中采用锚杆对桥台基坑及明洞内边墙进行加固,锚杆采用φ22 mm的砂浆锚杆,间距1.5 m×1.5 m,梅花形布置。隧道进口横、纵断面如图7、图8所示。

3.4 拱盖法设计(图9)

图9 隧道拱盖法施工示意

明洞顶为人工采石形成的堆积体,松散、稳定性差,如采用暗挖施工难度极大,且投资高,施工风险大,采用通常的明洞做法,明洞两侧的边坡高,最高处约为29 m,且刷方量及开挖范围很大,并将影响到右侧抗滑桩的稳定。为了方便清除洞顶的碎石土,减小明洞边坡的开挖高度,明洞采用拱盖法设计,即采用“明做护拱、暗挖通过”[10]的施工方法过渡到暗挖段。

明洞施工首先采用放坡清除顶部的堆积体,并及时施做边坡防护,确保边仰坡稳定,之后在两侧坡脚施工各宽1 m的钢筋混凝土导向墙,导向墙混凝土达到规范要求的强度后施做进暗洞段的超前大管棚及超前小导管,随后施做2组导向墙之间的护拱混凝土,待达到规范要求的强度后采用M10浆砌片石和夯填土石对其进行回填,完成明做部分后,随后采用CRD法实施暗洞开挖。

超前支护大管棚[11]采用φ89 mm的热轧无缝钢管,壁厚5 mm,长30 m,环向间距60 cm,外插角6°～8°。超前小导管采用φ42 mm的热轧无缝钢管,壁厚3.5 mm,在管身设注浆孔,孔径6～8 mm,环向间距60 cm,外插角10°。

4 结语

石崖隧道进口边、仰坡高陡,并且受岩堆影响,施工及运营期间的风险较大。通过设置锚索抗滑桩以阻挡大面积岩堆对隧道的影响,减小对隧道结构的挤压,以防止结构变形；隧道洞顶及边墙还有小范围的岩堆渣体,对其进行清除,并对清理后的坡面采用锚索框架梁防护;为防止危岩、落石危及后期运营安全,采用接长明洞设计,并对碎石基底采用钻孔灌注桩及钢管桩进行处理,以提高其承载力,防止发生不均匀沉降；为了确保洞口施工安全,明洞与暗洞之间采用拱盖法施工进行过渡。这些措施有效地保证了岩体的稳定性,给施工及行车创造了安全条件,但是由于处理难度大,工程费用高,后期运营存在风险,建议在选线时应尽量避开岩堆等不良地质,以降低安全风险。

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