明挖法框架型明洞在高速鐵路隧道淺埋段中的應用

范勝利 姚可梅 龍杰 李逸飛

摘要：某高速鐵路隧道洞身淺埋段穿越粉質黏土及炭質頁巖，遇水軟化后，粘聚力小、抗剪強度低，施工風險大。為確保施工安全和施工進度，設計擬采用明挖法框架型明洞對該淺埋段進行處理。同時輔以數值計算分析軟件，對采用基坑圍護結構開挖時圍巖和框架型明洞結構的變形、受力進行分析，分析結果表明，隧道洞身穿越淺埋段采用明挖法框架型明洞后，能有效控制圍巖變形。并且針對地表有沖溝，采用以結構自防水為主，地表排水為輔的綜合性防排水措施，避免雨水淤積倒灌。最終，明挖法框架型明洞成功應用于本隧洞身淺埋段，使施工安全通過。

[作者簡介]范勝利（1989—），男，碩士，工程師，主要從事隧道設計工作。

隨著高速鐵路的快速發展，在西南山區大量的隧道穿山越嶺，隧道穿越低山丘或穿越山嶺埡口地段的情況時有發生，往往出現淺埋隧道，而淺埋地段隧道地質條件往往較差[6]，施工稍有不慎便會造成塌方冒頂，安全風險較高;而且鉆爆法施工軟弱圍巖按照“短開挖、弱爆破、強支護、快封閉、勤量測”的原則進行施工，采用的CRD法等施工工法，施工工序繁雜、機械化作業程度低，施工效率極其低下[7]。但是明挖形成的基坑存在雨水淤積倒灌風險[8]，以及在雨水作用下存在垮塌風險，怎樣解決該風險也是成功運用明挖法框架型明洞的關鍵。本文以西南山區某新建高速鐵路隧道的洞身淺埋段為例，研究了明挖法框架型明洞在隧道淺埋段中的應用，為今后類似的工程設計提供了一定的參考作用。

1 工程概況

隧道全長635 m，單洞雙線，設計時速250 km/h，隧址區屬剝蝕低山丘陵地貌，地形連綿起伏，隧址區絕對高程1 880～1 928 m，相對高差小于200 m，最大埋深約47 m。沿線發育深溝、陡崖、山脊、峰叢及封閉洼地等地貌。洞身穿越石炭系下統大塘組炭質頁巖、泥巖夾炭質頁巖，薄層狀構造，泥質結構，巖質軟，易風化，遇水易軟化，地質條件差。

隧道DK105+570～+690段為淺埋段，長度120 m，拱頂以上埋深3.5～14 m。該段縱斷面上前后高、中間低，平面上左右端有兩條地表沖溝，分別與線路交于DK105+596與DK105+665兩處，雨季地表水匯集于此，導致圍巖和上覆土層遇水軟化，開挖時易塌方，周邊地表及天溝部位出現多處貫穿裂縫，洞內初期支護也發生不同程度的開裂變形，同時采用CRD法施工進度緩慢，施工安全風險大，山嶺隧道傳統的施工方法和襯砌結構已不能滿足要求。為確保施工安全和進度，設計擬采用明挖法框架型明洞對該淺埋段進行處理。

2 淺埋明挖段設計

隧道DK105+570～+690淺埋段總體方案設計思路為：本段采用明挖法施工，主體結構采用框架型明洞結構。基坑開挖前，先設置預加固樁，再于開挖輪廓外緣設置圍護樁，并于地表施作截排水工程，樁頂設冠梁。基坑開挖施工中，應從上至下分級開挖，隨挖隨護，并沿基坑豎向設置三道支撐。

2.1 基坑圍護結構設計

隧道DK105+570～+690淺埋段采用明挖法施工，基坑開挖前，先設置預加固樁，再于開挖輪廓四周外外緣設置圍護樁。預加固樁樁截面為1.5 m×1.5 m，圍護樁采用直徑為1250 mm的旋挖樁，各排圍護樁中心間距為2.2 m。基坑開挖施工中，沿基坑豎向共設三道支撐，在端部和角部應采用斜撐。基坑第一道支撐設置于樁頂冠梁處，冠梁截面尺寸為1 m×1.25 m（高×寬），平面布置如圖1所示。

基坑第二道支撐距離第一道支撐間距5.0 m，第三道支撐距離第二道支撐間距4.5 m。第二、三道支撐采用直徑609 mm，壁t=16 mm的鋼管。支撐兩端設置鋼圍檁，鋼圍檁為雙拼I50工字鋼。并于施工過程中，應沿基坑豎向設兩道倒撐，第一道倒撐位于第三道支撐下方距離第三道支撐1.0 m，第二道倒撐位于第二道支撐下方距離第二道支撐1.0 m，平面布置如圖2所示。

2.2 主體結構設計

隧道主體結構采用框架型明洞結構。荷載主要考慮永久荷載及圍巖約束襯砌變形的彈性反力。作用在框架明洞結構上的永久荷載包括結構自重、回填土石垂直壓力及側向土壓力、兩側邊墻及仰拱底部彈性反力。標準斷面結構材料采用鋼筋混凝土。頂板厚度為1.2 m，底板厚度為1 m，兩側邊墻厚度為1 m，頂部覆土2 m。主體結構標準斷面如圖3所示。

2.3 地表排水設計

本隧道明挖法段落左右端有兩條地表沖溝，地表地形呈凹字形，為防止地表水淤積，采用以結構自防水為主，地表排水為輔的綜合性防排水方案。

（1）主體結構頂板、邊墻襯砌采用防（排）水板加無紡布防水，并采用縱向、豎向盲管排水。

（2）施工期間，為防止地表水流入基坑，于邊仰坡開挖邊緣線外5 m設置截水天溝;同時于樁頂外側平臺設置截水溝，并于DK105+603附近經線路右側平臺開槽引至下游溝中。

（3）為保證運營安全，避免地表水浸泡明洞頂部回填體，在明洞頂部回填施工完成后，于DK105+590和DK105+665附近分別設置一排水溝，將上游溝水直接引至線路右側下游溝中。

（4）為防止地表水沖刷和影響下游高速公路及其邊坡，對下游溝心采用M10漿砌片石進行鋪砌，鋪砌段上游與該段地表天溝、平臺截水溝引出段及排水溝引出段順接，以保證匯水歸槽;鋪砌下游與高速公路引水涵洞相接。

3 數值計算

3.1 基坑圍護結構數值模擬

采用數值分析理正軟件對淺埋段基坑圍護結構進行數值計算分析，以分析基坑開挖的穩定性。考慮施工過程中荷載變化情況，分別計算施工開挖加撐及框架結構施工拆撐的各種工況。支護結構安全等級取一級，通過布設3道支撐，使基坑位移、軸力、彎矩和整體穩定性滿足規范驗算要求。

3.2 主體結構數值模擬

基于ANSYS有限元軟件進行數值計算，采用荷載結構模型，地層由粉質黏土及炭質頁巖組成，各地層物理力學參數如表1所示。主體結構建模時按襯砌頂板1.2 m、底板1.0 m、邊墻0.95 m設置，荷載按主體結構上覆土4 m設置，對隧道主體結構進行安全及配筋檢算。

由圖4～圖7知，主體結構頂部最大位移為0.01m，頂部沉降在有效控制范圍內;最大彎矩值為1 140 kN·m，最大軸力為968.8 kN，最大剪力為902.5 kN。為滿足隧道主體結構設計相關規范，主筋采用25HRB400熱軋帶肋鋼筋，間距167 mm。通過現場沉降、收斂的監控量測數據，也證明基坑圍護結構與主體結構設計方案的合理性;同時開挖過程中的基坑圍巖變形能得到有效控制，降低了施工安全風險。

4 結論

以粉質黏土、炭質頁巖為主的地層遇水后，地質條件惡化，粘聚力小、抗剪強度低，在此類地層中修建隧道時，容易塌方冒頂，同時為保證施工進度，設計采用明挖法框架型明洞對該淺埋段進行處理。通過數值計算并結合現場施工實踐可知，基坑圍護結構可以有效控制明挖法開挖時的圍巖變形，主體結構變形和受力也均滿足規范要求;并且為防止凹形明挖基坑雨水倒灌，采用以結構自防水為主，地表排水為輔的綜合性防排水方案。從而以明挖法框架型明洞安全通過淺埋土層段，并且能最大限度的減小對隧道工期的影響。

明挖法框架型明洞在本工程中的成功應用，可為以后其他穿越類似淺埋、地質條件差的地層的高速鐵路隧道工程提供參考和借鑒。

參考文獻

[1] 混凝土結構設計規范： GB50010-2010[S].北京：中國建筑工業出版社， 2010.

[2] 混凝土結構工程施工質量驗收規范： GB 50204-2011[S].北京：中國建筑工業出版社， 2011.

[3] 建筑深基坑工程施工安全技術規范： JGJ 311-2013[S].北京：中國建筑工業出版社， 2013.

[4] 建筑基坑工程監測技術規范： GB 50497-2009[S].北京：中國建筑工業出版社， 2013.

[5] 混凝土結構設計規范： GB 50010-2002[S].北京：中國建筑工業出版社， 2002.

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[8] 孟凌峰.鐵路淺埋隧道眀挖與暗挖方案對比分析[J].鐵路工程技術與經濟，2019，34（3）：27-30+49.