長大明挖隧道回填土堆載預壓研究

于進江 王久軍 岳 嶺 凌云鵬

(1.京張城際鐵路有限公司，北京 100070； 2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

近年來，中國高速鐵路迎來了一輪新的建設高潮。高速鐵路隧道的修建應執行“早進晚出”的原則[1-5](即在隧道進出口設置明洞結構)，采用小型機械對明洞進行分層回填，分層厚度不小于0.3 m，兩側回填土的高差不小于0.5 m[6-8]。對于常規的隧道來說，明洞相對較短，一般只有幾十米或幾百米，明洞回填對隧道工期的影響微乎其微。受線路線形、地質條件和周邊地表環境的影響，近年來涌現出了一批明挖隧道，如石家莊六線隧道[9]、京沈客專扣莫明洞[10]、紫金港隧道[11]、鄭州至新鄭機場城際鐵路機場隧道[12]、長沙三環線隧道[13]等，這些明挖隧道長度較長，主體結構澆筑完成后，隧道回填占用的時間較長，對隧道工期起著至關重要的作用。

以京張高鐵東花園隧道為工程背景，針對東花園隧道工期緊張、回填土含水率高、難以碾壓密實等特點，對隧道回填土采用堆載預壓的方法來提高其壓實度，為國內外類似工程提供參考依據。

1 工程概況

1.1 新建工程概況

東花園隧道位于河北省張家口市懷來縣東花園鎮，進口里程為DK82+770，出口里程為DK87+740，全長4 970 m，最大埋深約8.1 m。

東花園隧道隧址區地勢平坦、開闊，線路兩側多為耕地。地層巖性主要為第四系全新統沖洪積層粉土、黏性土、砂類土及碎石土，第四系上更統湖積層粉土、粉質黏土、砂類土。地下水類型為孔隙水，主要賦存于第四系洪坡積層中；受官廳水庫影響，地下水埋深3.0～10 m。

1.2 襯砌類型

全隧采用明挖放坡施工、拱形明洞襯砌，環境作用等級為凍融環境D2，抗滲等級為P10，主體結構均采用C40鋼筋混凝土，襯砌支護參數見表1。

表1 雙線明洞整體式襯砌支護參數

1.3 現場施工情況

受限于隧道用地屬性的特殊性，東花園隧道實際進場時間滯后指導性施工組織計劃6個月。按照工期要求，東花園隧道2018年6月30日土建完工，2018年9月30號明挖基坑回填完成，工期十分緊張；受降雨、降雪及地下水位等影響，開挖土體含水率高，且周邊均為耕地，臨時棄渣場征地困難，開挖土體回填前不能進行有效晾曬，導致難以分層碾壓密實。

洞頂回填面在運營期間將恢復為農田，對地形的平整度和壓實度要求不高，回填至原地面后，可以適當多回填一部分，既能起到壓密回填土的作用，同時可以在地面線以上保留一定的土層作為后期沉降預留，避免出現固結沉降漏斗。

2 堆載高度研究

在堆載預壓情況下，由于明洞頂部覆土厚度大于設計覆土厚度，需要對不同覆土厚度的明洞襯砌進行強度和裂縫檢算，在保證結構安全性的前提下，得出結構能承受的最大覆土厚度。

2.1 計算模型

本次結構計算主要考慮荷載結構自重和圍巖壓力、水壓力、施工荷載、明洞頂部堆載等。

按照平面應變假設，采用“荷載-結構”模型，縱向取單位長度，采用SAP84有限元分析軟件進行計算。將結構覆土換算成上豎向土壓力和側向土壓力，進行結構內力計算。地層反力由彈簧單元模擬，結構自重由程序自動加載。

本隧道明洞襯砌分兩種類型：0～4 m覆土襯砌、4～10 m覆土襯砌。驗算時，分別取不同覆土厚度下的結構進行承載能力和裂縫控制驗算，得出結構所承受的最大覆土厚度。

2.2 計算結果

計算完成后，經驗算，0～4 m覆土襯砌拱頂可承受的最大覆土厚度為12 m，4～10 m覆土襯砌拱頂可承受的最大覆土厚度為16 m。其計算結果如圖1～圖4所示。

圖1 0～4 m覆土襯砌拱頂覆土12 m彎矩(單位：kN·m)

圖2 0～4 m覆土襯砌拱頂覆土12 m軸力(單位：kN)

圖3 4～10 m覆土襯砌拱頂覆土16 m彎矩(單位：kN·m)

圖4 4～10 m覆土襯砌拱頂覆土16 m軸力(單位：kN)

2.3 襯砌驗算

拱頂最大覆土厚度條件下，不同襯砌類型明洞結構控制截面內力如表2、表3所示。

表2 0～4 m覆土襯砌截面內力

表3 4～10 m覆土截面內力

由表2、表3可知，對于0～4 m覆土襯砌和4～10 m覆土襯砌，分別在拱頂覆土12 m、16 m情況下結構滿足承載能力要求，同時臨時裂縫寬度可控制在0.35 mm以內，故可取覆土12 m、16 m分別作為0～4 m覆土襯砌和4～10覆土襯砌的最大允許覆土厚度。

3 堆載預壓固結度及沉降值計算

堆載預壓法是處理軟弱地基的一種有效方法，其原理是利用天然地基土層本身的透水性或設置在地基中的豎向排水體，通過在地表加載預壓使土體中孔隙水排出，在總應力不變的情況下有效應力增大，土體逐漸固結，地基土被壓實[14-15]。根據東花園隧道現場回填情況，回填土土質疏松，孔隙比大，采用堆載預壓的方法可以有效提高回填土的固結度。

3.1 固結度計算方法

固結度計算是堆載預壓設計的一個重要內容，通過計算各級荷載作用下不同時刻的地基固結度，可以推算出各級荷載作用下的地基土強度，在此基礎上確定加載情況，并推算沉降情況。

目前，計算固結度常用的計算方法有改進太沙基法和改進高木俊介法[16-20]。

本次計算采用JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規范》所推薦的改進高木俊介法，該方法考慮了豎向排水固結度Ux，由Ur和Ux兩者聯合起來得出Urx，其固結度理論公式為

U=1-αe-βt

(1)

公式(1)對于僅豎向排水固結或豎向排水固結與徑向排水固結聯合作用都適用，所不同的是α與β兩個參數的不同。對于一級或多級等數加荷條件下，當固結時間為t時，對應總荷載的地基平均固結度可按下式計算

(2)

qi——第i級荷載的加載速率/(kPa/d)；

∑Δp——各級荷載的累加值/kPa；

Ti-1、Ti——分別為第i級荷載加載的起始和終止時間(從零點起算)，當計算第i級荷載加載過程中某時間t的固結度時，Ti改為t；

α、β——參數，根據地基土排水固結條件，按JCJ79—2012《建筑地基處理規范》表5.2.7采用。對豎井地基，表中所列β為不考慮涂抹和井阻影響的參數值。

3.2 基本計算參數

計算參數是控制計算結果準確性的重要因素。為保證計算結果的準確性，選取現場回填土進行土工試驗：回填土密度ρ=1.52 g/cm3，孔隙比e0=1.03，av(0.05～0.1)=1.31，av(0.1～0.2)=0.76，原狀土孔隙比en=0.7。

3.3 加載方式

明洞回填高度超過設計高度時，第一、二級堆載高度為3 m，剩余級數堆載高度均為2 m，直至堆載至最大覆土，堆載時間為90 d，加載圖式如圖5所示。圖5中加載最大荷載僅為示意，實際堆載時應根據明洞類型和設計覆土厚度來確定合適的堆載高度。根據回填土ei-pi關系曲線，可得出不同堆載條件下的土體孔隙比ei(如表4所示)。

圖5 回填加載示意

堆載厚度/m堆載大小pi/kPa孔隙比ei345.60.971691.20.9128121.60.884101520.861

3.4 固結度和殘留堆載高度計算

結合土工試驗參數，根據土力學相關計算公式和改進高木俊介法，計算出達到設計壓實度的土體最終沉降量、堆載作用下產生的沉降量、土體平均固結度和清除堆載時需要額外保留的土體高度，計算結果如表5所示。

表5 固結度和殘留堆載高度計算結果

對表5計算結果進行分析，可以得出堆載高度與固結度、堆載壓密沉降量、保留土高度之間的曲線關系，如圖6～圖8所示。

圖6 不同堆載高度下固結度與壓縮土層厚度之間的關系曲線

圖7 不同堆載高度下堆載壓密沉降量與壓縮土層厚度之間的關系曲線

圖8 不同堆載高度下保留土高度與壓縮土層厚度之間的關系曲線

由圖6～圖8可知，在堆載條件下，土體的固結度隨著壓縮土層厚度的增大而呈冪函數形式減小，且固結度受堆載高度的影響不大；堆載壓密沉降量隨壓縮土層厚度的增加而線性增加，且堆載高度對堆載壓密沉降量影響較大；保留土高度隨壓縮土層厚度的增加而線性增加；在相同的壓縮土層厚度條件下，堆載高度對保留土高度影響較小。

當堆載高度為3 m時，土體固結度較大，雖然堆載引起的土體沉降量偏小，但固結后保留土高度與其他工況相比差距不大。采用SAP84有限元軟件對堆載3 m時的結構進行驗算(結果見表6、表7)，結構強度和裂縫寬度均能滿足規范要求。因此，選用3 m堆載高度是比較合適的。

表6 0～4 m覆土襯砌覆土7 m截面內力

表7 4～10 m覆土覆土13 m截面內力

4 結論

以京張高鐵東花園隧道為工程背景，通過有限元軟件對結構覆土進行驗算，得出不同襯砌類型明洞所能承受的最大覆土厚度，利用改進高木俊介法對明洞回填土堆載預壓進行計算，可以得出如下結論。

(1)0～4 m覆土明洞襯砌拱頂最大允許覆土厚度為12 m，4～10 m覆土明洞襯砌拱頂最大允許覆土厚度為16 m。

(2)在堆載條件下，土體的固結度隨著壓縮土層厚度的增大而呈冪函數形式減小，且固結度受堆載高度的影響不大；在相同的壓縮土層厚度條件下，堆載高度對保留土高度影響較小。

(3)當堆載高度為3 m時，結構強度和裂縫寬度均在規范規定的范圍內，且固結后保留土高度與其他堆載高度相比差別不大。因此，選用3 m堆載高度比較合適。

(4)堆載預壓可以加快明洞回填土的固結沉降，為提高明洞回填效率提供了一個新的解決思路。