劉建紅

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁隧道處,西安 710043)

1 工程背景

1.1 概況

寶蘭客運(yùn)專(zhuān)線位于甘肅、陜西省境內(nèi),正線全長(zhǎng)400.57 km,線路主要穿越南隴山與西秦嶺北緣過(guò)渡帶中山區(qū)、天禮盆地低山丘陵區(qū)、黃土高溝壑、梁峁區(qū)。隧道工程總計(jì)273.465 8 km/74座,占線路全長(zhǎng)的68.3%,其中特長(zhǎng)隧道77 032.29 m/6座。

石崖隧道位于寶蘭天水市麥積區(qū)石佛鄉(xiāng)境內(nèi),線路以隧道方式穿越渭河左岸導(dǎo)流山,全長(zhǎng)1 482 m,為雙線隧道,最大埋深約280 m,進(jìn)口與王家灘渭河大橋相連。

1.2 石崖隧道線路走向選定

線路自天水南出站至三陽(yáng)川之間,大型滑坡密集錯(cuò)址分布,不良地質(zhì)異常發(fā)育；加之渭河在此蜿蜒曲折,既有隴海鐵路依山傍水而建；渭河隧道下穿籍河河谷且周?chē)碌炔涣嫉刭|(zhì)發(fā)育,故石崖隧道線路走向選定主要受渭河隧道、機(jī)場(chǎng)定向臺(tái)、北山滑坡、拆遷及隴海鐵路等因素控制。線路為了繞避滑坡,選擇較好的渭河隧道方案,減少對(duì)既有隴海鐵路的影響,并滿(mǎn)足渭河防洪的要求,最終確定以石崖隧道進(jìn)口穿越巖堆而改善天水南出站至三陽(yáng)川線路的建設(shè)方案。

2 工程地質(zhì)及巖堆

隧道穿越的地層巖性為第四系全新統(tǒng)滑坡堆積黏質(zhì)黃土、碎石土,第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土,上第三系泥巖、寒武系片麻巖等。

隧道進(jìn)口為由人工采石引起的高陡危巖及巖堆體,其規(guī)模大,且為無(wú)序開(kāi)采。人工采石引起的危巖及巖堆體以碎石土為主,夾大塊石,巖體松散,穩(wěn)定性差。巖堆主軸長(zhǎng)約180 m,寬度約190 m,厚15～30 m,自然坡度40°～50°。

危巖大多分布在高140 m范圍內(nèi),由于構(gòu)造影響及人工采石放炮振動(dòng),巖體破碎,坡面凹凸不平,且存在危巖和落石,坡面整體穩(wěn)定性差。巖堆體與石崖隧道進(jìn)口位置見(jiàn)圖1、圖2。

石崖隧道進(jìn)口端DK782+780～DK782+870位于人工采石引起的滑塌堆積體及棄渣中,厚度為15～25 m,松散堆積,自然坡面約40°,且頂部裸露的寒武系片麻巖受構(gòu)造影響較為嚴(yán)重,巖體破碎,易掉塊坍塌,穩(wěn)定性極差。

地震動(dòng)峰值加速度為0.30g，相當(dāng)于地震基本烈度8度,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

圖1 石崖隧道進(jìn)口巖堆

圖2 石崖隧道進(jìn)口巖堆平面

3 下穿巖堆綜合設(shè)計(jì)

巖堆的治理方案應(yīng)根據(jù)巖堆類(lèi)型、規(guī)模、穩(wěn)定性分析,并結(jié)合巖堆區(qū)工程地質(zhì)條件、施工條件等因素確定[1]。本工點(diǎn)存在巖堆體推力較大、巖石松散破碎,基礎(chǔ)位于碎石土等特點(diǎn),為確保隧道洞口施工及運(yùn)營(yíng)安全,設(shè)計(jì)采用“錨索框架梁防護(hù)+錨索抗滑樁+接長(zhǎng)明洞+拱蓋法”的綜合立體防護(hù)措施。在隧道右側(cè)設(shè)錨索抗滑樁,做為主體的支擋結(jié)構(gòu),以防止山體開(kāi)裂或滑塌,然后再清理抗滑樁及隧道洞頂間的碎石土,并對(duì)坡面采用錨索框架梁防護(hù)；為確保施工期及后期運(yùn)營(yíng)安全,接長(zhǎng)明洞并將橋臺(tái)包入隧道,明洞采用拱蓋法設(shè)計(jì)。

3.1 錨索抗滑樁

錨索抗滑樁[2-6]是一種加固、整治滑坡或坡面滑塌的有效方法,迄今為止它是在各種滑坡及邊坡治理中應(yīng)用最多的一種結(jié)構(gòu)物。

3.1.1 錨索+抗滑樁設(shè)計(jì)

石崖隧道進(jìn)口右側(cè)存在大面積的巖堆體,為了避免在后期清理隧道影響范圍內(nèi)的巖堆體時(shí)引起滑坡,減小其對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的擠壓,防止隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形,在隧道右側(cè)距離隧道中線11 m處設(shè)8根錨索抗滑樁,樁截面尺寸分別為2 m×3 m和1.5 m×2.5 m,樁間距均為6 m；隧道洞口正面共設(shè)5根抗滑樁,截面尺寸1.5 m×2.5 m,樁中心間距6 m。隧道右側(cè)抗滑樁間設(shè)混凝土擋板。樁長(zhǎng)19～29 m?？够瑯犊v斷面見(jiàn)圖3。

圖3 側(cè)面抗滑樁縱斷面

錨索位于樁頂下1 m,角度下傾30°,錨索鉆孔直徑均為130 mm,錨索自由段長(zhǎng)21 m,錨固段長(zhǎng)8 m,錨索采用5根φ15.2 mm高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線制作,鋼絞線強(qiáng)度等級(jí)為1 860 MPa,錨索張拉鎖定值300 kN,錨固段進(jìn)入弱風(fēng)化巖層不小于9 m,錨具采用OVM15-5型。

3.1.2 錨索抗滑樁計(jì)算

抗滑樁按Winkler彈性地基梁進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算方法采用懸臂樁法,按庫(kù)侖土壓力計(jì)算作用在樁上的下滑力,錨索相當(dāng)于在抗滑樁上施加一個(gè)集中力,并采用“m”法計(jì)算樁的位移和內(nèi)力。

(1)基本假定

假定樁為剛性的；忽略樁與周?chē)鷰r、土間的摩擦力、黏著力；錨固段地層的側(cè)應(yīng)力成直線變化,其中:滑動(dòng)面和樁底地層的側(cè)壁應(yīng)力發(fā)揮一致,并等于側(cè)壁容許應(yīng)力,滑動(dòng)面以下一定深度范圍內(nèi)的側(cè)壁應(yīng)力假定相同,并設(shè)此等壓段內(nèi)的應(yīng)力之和等于受荷段荷載；滑坡推力按矩形均勻分布。

(2)計(jì)算參數(shù)

隧道進(jìn)口滑動(dòng)面以上為滑坡堆積體及棄砟,其計(jì)算參數(shù)為重度γ=20 kN/m3,摩擦角φ=35°,滑動(dòng)面以下為強(qiáng)風(fēng)化的片麻巖,抗滑樁嵌入弱風(fēng)化的片麻巖中。

(3)抗滑樁位移及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

本次錨索抗滑樁計(jì)算采用理正巖土計(jì)算軟件,并按庫(kù)倫土壓力計(jì)算方法計(jì)算下滑推力,并對(duì)滑坡推力作用下的每根的樁身內(nèi)力、位移及配筋進(jìn)了計(jì)算。下面列舉了幾根典型樁的計(jì)算結(jié)果(圖4，圖5)。

圖4 7號(hào)樁計(jì)算結(jié)果

圖5 3號(hào)樁計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算,3號(hào)抗滑樁內(nèi)力最大,最大彎矩為28 574 kN·m,配70φ28 mm的鋼筋,其余抗滑樁可滿(mǎn)足配筋及穩(wěn)定性的要求。

3.2 坡面錨索框架梁防護(hù)

由于巖堆清理后,坡體內(nèi)的巖土初始應(yīng)力狀態(tài)改變,坡腳處剪應(yīng)力集中,坡頂及坡面可能出現(xiàn)拉、張應(yīng)力區(qū)。坡體應(yīng)力隨時(shí)間的變化引起坡體沿優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面方向發(fā)生變形破壞,易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。為確保已經(jīng)開(kāi)挖的邊、仰坡穩(wěn)定,及時(shí)封閉坡面,確保施工及運(yùn)營(yíng)安全,對(duì)已清除巖堆的坡面采用錨索框架梁[7]進(jìn)行永久加固。

錨索與框架梁連成整體,在加固和受力上有很多優(yōu)勢(shì)。一方面由于錨索的加固深度大、范圍廣,施加預(yù)應(yīng)力后使邊坡在可能失穩(wěn)之前就受到主動(dòng)加固支護(hù),另一方面框架梁能有效地使錨索整體受力,防止坡面在可能失穩(wěn)時(shí),導(dǎo)致單根錨索受力而使其破壞。錨索框架梁立柱及橫梁均采用C30鋼筋混凝土澆筑,截面尺寸均為0.4 m×0.5 m的矩形；格構(gòu)交叉點(diǎn)設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索,錨索長(zhǎng)為20～32 m,其中錨固段8 m。

預(yù)應(yīng)力錨索鉆孔φ100 mm,錨索采用5根φ15.2 mm高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線制作,鋼絞線強(qiáng)度等級(jí)為1 860 MPa,錨索鎖定值500 kN,超張拉至600 kN,錨索按矩形排列,其垂直及水平間距為5.0 m×5.0 m；格構(gòu)內(nèi)邊坡坡面掛機(jī)編低鍍鋅雙紐鐵絲網(wǎng),鐵絲網(wǎng)用鋼筋混凝土格梁、錨索固定,格構(gòu)內(nèi)采用噴射混凝土護(hù)坡防護(hù),噴射混凝土厚度為10 cm,噴射混凝土護(hù)坡每隔2～3 m上、下、左、右交錯(cuò)設(shè)置泄水孔,泄水孔為孔徑0.05 m的圓孔。錨索框架梁縱斷面布置見(jiàn)圖6。

圖6 錨索框架梁縱斷面布置

3.3 明洞防護(hù)

隧道邊、仰坡雖然采用錨索抗滑樁及錨索框架梁進(jìn)行防護(hù)后,整體的邊坡得到了加固,但是由于坡面破碎,巖體節(jié)理裂隙及風(fēng)化強(qiáng)烈,為防止在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中邊、仰坡范圍內(nèi)小的危巖落石滾落,威脅運(yùn)營(yíng)及橋梁結(jié)構(gòu)的安全,在邊仰坡采用錨索框架梁處理后,再接長(zhǎng)明洞,使之在縱向上形成立體防護(hù)體系,確保后期運(yùn)營(yíng)安全。

結(jié)合地形情況,進(jìn)口接長(zhǎng)29 m明洞,王家灘渭河大橋橋臺(tái)進(jìn)洞9.6 m。明洞段基礎(chǔ)位于人工采石引起的滑塌堆積體及棄渣中,厚度為15～25 m,原巖成分為寒武系片麻巖,基礎(chǔ)較差。明洞結(jié)構(gòu)在橋梁進(jìn)洞段,采用整體結(jié)構(gòu)將橋臺(tái)包入結(jié)構(gòu)中,以提高結(jié)構(gòu)的整體性。

為提高基底承載力,防止結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降,橋臺(tái)進(jìn)洞段基礎(chǔ)采用φ125 cm鉆孔灌注樁,樁的中心間距3.0 m,樁長(zhǎng)為6～9 m；其余明洞段基礎(chǔ)采用φ76 mm的鋼管樁[8],樁長(zhǎng)為3 ～9 m,間距1.0 m×1.0 m,按梅花形布置。通過(guò)基底處理,以消除隧道變形、下沉、邊墻擠壓等隱患。

圖7 石崖隧道進(jìn)口縱斷面

圖8 石崖隧道進(jìn)口橫斷面(單位：cm)

為防止橋臺(tái)基坑、明洞內(nèi)邊墻開(kāi)挖大面積剝離山體,其開(kāi)挖采用近直立開(kāi)挖[9]。施工中采用錨桿對(duì)橋臺(tái)基坑及明洞內(nèi)邊墻進(jìn)行加固,錨桿采用φ22 mm的砂漿錨桿,間距1.5 m×1.5 m,梅花形布置。隧道進(jìn)口橫、縱斷面如圖7、圖8所示。

3.4 拱蓋法設(shè)計(jì)(圖9)

圖9 隧道拱蓋法施工示意

明洞頂為人工采石形成的堆積體,松散、穩(wěn)定性差,如采用暗挖施工難度極大,且投資高,施工風(fēng)險(xiǎn)大,采用通常的明洞做法,明洞兩側(cè)的邊坡高,最高處約為29 m,且刷方量及開(kāi)挖范圍很大,并將影響到右側(cè)抗滑樁的穩(wěn)定。為了方便清除洞頂?shù)乃槭?減小明洞邊坡的開(kāi)挖高度,明洞采用拱蓋法設(shè)計(jì),即采用“明做護(hù)拱、暗挖通過(guò)”[10]的施工方法過(guò)渡到暗挖段。

明洞施工首先采用放坡清除頂部的堆積體,并及時(shí)施做邊坡防護(hù),確保邊仰坡穩(wěn)定,之后在兩側(cè)坡腳施工各寬1 m的鋼筋混凝土導(dǎo)向墻,導(dǎo)向墻混凝土達(dá)到規(guī)范要求的強(qiáng)度后施做進(jìn)暗洞段的超前大管棚及超前小導(dǎo)管,隨后施做2組導(dǎo)向墻之間的護(hù)拱混凝土,待達(dá)到規(guī)范要求的強(qiáng)度后采用M10漿砌片石和夯填土石對(duì)其進(jìn)行回填,完成明做部分后,隨后采用CRD法實(shí)施暗洞開(kāi)挖。

超前支護(hù)大管棚[11]采用φ89 mm的熱軋無(wú)縫鋼管,壁厚5 mm,長(zhǎng)30 m,環(huán)向間距60 cm,外插角6°～8°。超前小導(dǎo)管采用φ42 mm的熱軋無(wú)縫鋼管,壁厚3.5 mm,在管身設(shè)注漿孔,孔徑6～8 mm,環(huán)向間距60 cm,外插角10°。

4 結(jié)語(yǔ)

石崖隧道進(jìn)口邊、仰坡高陡,并且受巖堆影響,施工及運(yùn)營(yíng)期間的風(fēng)險(xiǎn)較大。通過(guò)設(shè)置錨索抗滑樁以阻擋大面積巖堆對(duì)隧道的影響,減小對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的擠壓,以防止結(jié)構(gòu)變形；隧道洞頂及邊墻還有小范圍的巖堆渣體,對(duì)其進(jìn)行清除,并對(duì)清理后的坡面采用錨索框架梁防護(hù);為防止危巖、落石危及后期運(yùn)營(yíng)安全,采用接長(zhǎng)明洞設(shè)計(jì),并對(duì)碎石基底采用鉆孔灌注樁及鋼管樁進(jìn)行處理,以提高其承載力,防止發(fā)生不均勻沉降；為了確保洞口施工安全,明洞與暗洞之間采用拱蓋法施工進(jìn)行過(guò)渡。這些措施有效地保證了巖體的穩(wěn)定性,給施工及行車(chē)創(chuàng)造了安全條件,但是由于處理難度大,工程費(fèi)用高,后期運(yùn)營(yíng)存在風(fēng)險(xiǎn),建議在選線時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)巖堆等不良地質(zhì),以降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

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