明挖法框架型明洞在高速铁路隧道浅埋段中的应用

范胜利 姚可梅 龙杰 李逸飞

摘要：某高速铁路隧道洞身浅埋段穿越粉质黏土及炭质页岩，遇水软化后，粘聚力小、抗剪强度低，施工风险大。为确保施工安全和施工进度，设计拟采用明挖法框架型明洞对该浅埋段进行处理。同时辅以数值计算分析软件，对采用基坑围护结构开挖时围岩和框架型明洞结构的变形、受力进行分析，分析结果表明，隧道洞身穿越浅埋段采用明挖法框架型明洞后，能有效控制围岩变形。并且针对地表有冲沟，采用以结构自防水为主，地表排水为辅的综合性防排水措施，避免雨水淤积倒灌。最终，明挖法框架型明洞成功应用于本隧洞身浅埋段，使施工安全通过。

[作者简介]范胜利（1989—），男，硕士，工程师，主要从事隧道设计工作。

随着高速铁路的快速发展，在西南山区大量的隧道穿山越岭，隧道穿越低山丘或穿越山岭垭口地段的情况时有发生，往往出现浅埋隧道，而浅埋地段隧道地质条件往往较差[6]，施工稍有不慎便会造成塌方冒顶，安全风险较高;而且钻爆法施工软弱围岩按照“短开挖、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测”的原则进行施工，采用的CRD法等施工工法，施工工序繁杂、机械化作业程度低，施工效率极其低下[7]。但是明挖形成的基坑存在雨水淤积倒灌风险[8]，以及在雨水作用下存在垮塌风险，怎样解决该风险也是成功运用明挖法框架型明洞的关键。本文以西南山区某新建高速铁路隧道的洞身浅埋段为例，研究了明挖法框架型明洞在隧道浅埋段中的应用，为今后类似的工程设计提供了一定的参考作用。

1 工程概况

隧道全长635 m，单洞双线，设计时速250 km/h，隧址区属剥蚀低山丘陵地貌，地形连绵起伏，隧址区绝对高程1 880～1 928 m，相对高差小于200 m，最大埋深约47 m。沿线发育深沟、陡崖、山脊、峰丛及封闭洼地等地貌。洞身穿越石炭系下统大塘组炭质页岩、泥岩夹炭质页岩，薄层状构造，泥质结构，岩质软，易风化，遇水易软化，地质条件差。

隧道DK105+570～+690段为浅埋段，长度120 m，拱顶以上埋深3.5～14 m。该段纵断面上前后高、中间低，平面上左右端有两条地表冲沟，分别与线路交于DK105+596与DK105+665两处，雨季地表水汇集于此，导致围岩和上覆土层遇水软化，开挖时易塌方，周边地表及天沟部位出现多处贯穿裂缝，洞内初期支护也发生不同程度的开裂变形，同时采用CRD法施工进度缓慢，施工安全风险大，山岭隧道传统的施工方法和衬砌结构已不能满足要求。为确保施工安全和进度，设计拟采用明挖法框架型明洞对该浅埋段进行处理。

2 浅埋明挖段设计

隧道DK105+570～+690浅埋段总体方案设计思路为：本段采用明挖法施工，主体结构采用框架型明洞结构。基坑开挖前，先设置预加固桩，再于开挖轮廓外缘设置围护桩，并于地表施作截排水工程，桩顶设冠梁。基坑开挖施工中，应从上至下分级开挖，随挖随护，并沿基坑竖向设置三道支撑。

2.1 基坑围护结构设计

隧道DK105+570～+690浅埋段采用明挖法施工，基坑开挖前，先设置预加固桩，再于开挖轮廓四周外外缘设置围护桩。预加固桩桩截面为1.5 m×1.5 m，围护桩采用直径为1250 mm的旋挖桩，各排围护桩中心间距为2.2 m。基坑开挖施工中，沿基坑竖向共设三道支撑，在端部和角部应采用斜撑。基坑第一道支撑设置于桩顶冠梁处，冠梁截面尺寸为1 m×1.25 m（高×宽），平面布置如图1所示。

基坑第二道支撑距离第一道支撑间距5.0 m，第三道支撑距离第二道支撑间距4.5 m。第二、三道支撑采用直径609 mm，壁t=16 mm的钢管。支撑两端设置钢围檩，钢围檩为双拼I50工字钢。并于施工过程中，应沿基坑竖向设两道倒撑，第一道倒撑位于第三道支撑下方距离第三道支撑1.0 m，第二道倒撑位于第二道支撑下方距离第二道支撑1.0 m，平面布置如图2所示。

2.2 主体结构设计

隧道主体结构采用框架型明洞结构。荷载主要考虑永久荷载及围岩约束衬砌变形的弹性反力。作用在框架明洞结构上的永久荷载包括结构自重、回填土石垂直压力及侧向土压力、两侧边墙及仰拱底部弹性反力。标准断面结构材料采用钢筋混凝土。顶板厚度为1.2 m，底板厚度为1 m，两侧边墙厚度为1 m，顶部覆土2 m。主体结构标准断面如图3所示。

2.3 地表排水設计

本隧道明挖法段落左右端有两条地表冲沟，地表地形呈凹字形，为防止地表水淤积，采用以结构自防水为主，地表排水为辅的综合性防排水方案。

（1）主体结构顶板、边墙衬砌采用防（排）水板加无纺布防水，并采用纵向、竖向盲管排水。

（2）施工期间，为防止地表水流入基坑，于边仰坡开挖边缘线外5 m设置截水天沟;同时于桩顶外侧平台设置截水沟，并于DK105+603附近经线路右侧平台开槽引至下游沟中。

（3）为保证运营安全，避免地表水浸泡明洞顶部回填体，在明洞顶部回填施工完成后，于DK105+590和DK105+665附近分别设置一排水沟，将上游沟水直接引至线路右侧下游沟中。

（4）为防止地表水冲刷和影响下游高速公路及其边坡，对下游沟心采用M10浆砌片石进行铺砌，铺砌段上游与该段地表天沟、平台截水沟引出段及排水沟引出段顺接，以保证汇水归槽;铺砌下游与高速公路引水涵洞相接。

3 数值计算

3.1 基坑围护结构数值模拟

采用数值分析理正软件对浅埋段基坑围护结构进行数值计算分析，以分析基坑开挖的稳定性。考虑施工过程中荷载变化情况，分别计算施工开挖加撑及框架结构施工拆撑的各种工况。支护结构安全等级取一级，通过布设3道支撑，使基坑位移、轴力、弯矩和整体稳定性满足规范验算要求。

3.2 主体结构数值模拟

基于ANSYS有限元软件进行数值计算，采用荷载结构模型，地层由粉质黏土及炭质页岩组成，各地层物理力学参数如表1所示。主体结构建模时按衬砌顶板1.2 m、底板1.0 m、边墙0.95 m设置，荷载按主体结构上覆土4 m设置，对隧道主体结构进行安全及配筋检算。

由图4～图7知，主体结构顶部最大位移为0.01m，顶部沉降在有效控制范围内;最大弯矩值为1 140 kN·m，最大轴力为968.8 kN，最大剪力为902.5 kN。为满足隧道主体结构设计相关规范，主筋采用25HRB400热轧带肋钢筋，间距167 mm。通过现场沉降、收敛的监控量测数据，也证明基坑围护结构与主体结构设计方案的合理性;同时开挖过程中的基坑围岩变形能得到有效控制，降低了施工安全风险。

4 结论

以粉质黏土、炭质页岩为主的地层遇水后，地质条件恶化，粘聚力小、抗剪强度低，在此类地层中修建隧道时，容易塌方冒顶，同时为保证施工进度，设计采用明挖法框架型明洞对该浅埋段进行处理。通过数值计算并结合现场施工实践可知，基坑围护结构可以有效控制明挖法开挖时的围岩变形，主体结构变形和受力也均满足规范要求;并且为防止凹形明挖基坑雨水倒灌，采用以结构自防水为主，地表排水为辅的综合性防排水方案。从而以明挖法框架型明洞安全通过浅埋土层段，并且能最大限度的减小对隧道工期的影响。

明挖法框架型明洞在本工程中的成功应用，可为以后其他穿越类似浅埋、地质条件差的地层的高速铁路隧道工程提供参考和借鉴。

参考文献

[1] 混凝土结构设计规范： GB50010-2010[S].北京：中国建筑工业出版社， 2010.

[2] 混凝土结构工程施工质量验收规范： GB 50204-2011[S].北京：中国建筑工业出版社， 2011.

[3] 建筑深基坑工程施工安全技术规范： JGJ 311-2013[S].北京：中国建筑工业出版社， 2013.

[4] 建筑基坑工程監测技术规范： GB 50497-2009[S].北京：中国建筑工业出版社， 2013.

[5] 混凝土结构设计规范： GB 50010-2002[S].北京：中国建筑工业出版社， 2002.

[6] 徐光和.明挖护拱法在铁路客专线浅埋隧道中的应用[J].安徽建筑，2013，20（2）：144-145.

[7] 张党平.石林隧道软基浅埋段盖挖法施工技术[J].隧道建设，2012，32（S1）：117-121.

[8] 孟凌峰.铁路浅埋隧道眀挖与暗挖方案对比分析[J].铁路工程技术与经济，2019，34（3）：27-30+49.