王 林

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，太原 030032)

山區(qū)高速鐵路經(jīng)常會(huì)遇到山高谷深，隧道相連的情況，要求盡量在隧道洞口接長(zhǎng)明洞以保證高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全。我國(guó)高速鐵路隧道目前大量采用帽檐斜切式洞門，這種洞門接長(zhǎng)明洞時(shí)往往需要考慮明洞結(jié)構(gòu)將帽檐包含在內(nèi)，因此，工程較傳統(tǒng)洞門更為復(fù)雜。鄭西高速鐵路位于黃土地區(qū)，由于黃土地區(qū)沖溝發(fā)育、自然邊坡高陡的地形地貌特征，不可避免地會(huì)出現(xiàn)較多的沿沖溝兩側(cè)隧道相連及高陡邊坡問題。從列車運(yùn)營(yíng)安全角度考慮，應(yīng)將隧道洞口邊仰坡盡量降低，否則應(yīng)盡量在隧道洞口接長(zhǎng)明洞，當(dāng)隧道洞口相距較近時(shí)，可考慮用明洞將兩個(gè)隧道連接起來。

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)隧道洞口邊仰坡危巖落石及接長(zhǎng)明洞設(shè)計(jì)與施工做了相關(guān)研究。趙秋林[1]根據(jù)蘭渝鐵路范家坪隧道出口危巖落石發(fā)育情況，利用相關(guān)軟件，建立危巖落石運(yùn)動(dòng)模型，提出接長(zhǎng)明洞和主被動(dòng)防護(hù)相結(jié)合的落石綜合防護(hù)措施；張永平[2]通過重慶樞紐既有鐵路石壁山隧道接長(zhǎng)明洞工程實(shí)踐，提出明洞襯砌拱部采用雙層疊合梁結(jié)構(gòu)，以減輕預(yù)制襯砌重量，采用拱部吊裝工法解決了既有線接長(zhǎng)明洞問題；董振杰[3]在石太鐵路娘子關(guān)三號(hào)隧道接長(zhǎng)明洞施工中，提出解決好隧道接長(zhǎng)前的四電過渡、線路臨時(shí)加固及防電拱架臺(tái)車拱圈澆筑等技術(shù)；李品福[4]介紹了在既有鐵路隧道出口接長(zhǎng)明洞采用分段施工、拱部滑模的施工技術(shù)，克服了小半徑曲線地段施工困難的問題；王昭暉[5]以既有隴海鐵路天水至蘭州段雞兒架隧道接長(zhǎng)明洞工程為例，提出了外墻采用樁基托梁的單壓式明洞結(jié)構(gòu)；高樹峰[6]從空氣動(dòng)力學(xué)角度介紹了鄭西高速鐵路相鄰隧道洞口間用明洞連接的方案情況；王興林[7]從具體施工角度介紹了鄭西高速鐵路明洞相連工程工藝細(xì)節(jié)；昝愛琴[8]介紹了鄭西高速鐵路黃土隧道半裝配式拱形明洞接長(zhǎng)施工技術(shù)。

以上文獻(xiàn)多從明洞型式和施工方法上進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，均未涉及帽檐斜切式洞門單跨或多跨框架棚洞與拱形明洞結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析。因此，本文結(jié)合鄭西高速鐵路帽檐斜切式洞門接長(zhǎng)明洞方案研究過程，從施工可行性及結(jié)構(gòu)受力角度對(duì)這次明洞工程的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行深入研究。

1 工程概況

鄭西高速鐵路三門峽至澠池段黃土自然邊坡一般接近45°，洞口施工時(shí)由于便道引入、洞口開挖等原因常導(dǎo)致邊坡坡腳被挖掉，再加上大多數(shù)隧道洞口在進(jìn)洞施工過程中及進(jìn)洞后，往往會(huì)出現(xiàn)地表下沉開裂現(xiàn)象，造成在隧道洞口范圍多會(huì)在仰坡上方產(chǎn)生縱橫向裂縫，隨著雨水下滲則對(duì)隧道洞口造成安全隱患。同時(shí)，由于自然邊坡穩(wěn)定系數(shù)達(dá)不到規(guī)范規(guī)定K=1.25的要求。在建設(shè)過程中，結(jié)合外方咨詢意見：大部分隧道洞口邊仰坡，在自然狀態(tài)下穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)不到中國(guó)規(guī)范規(guī)定的K=1.25，即洞口邊仰坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)對(duì)邊仰坡進(jìn)行刷方，使其安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。采用刷方方案后邊仰坡高度很高，導(dǎo)致洞口上方防護(hù)面積較大。

所有這些不利因素組合起來，均要求隧道洞口盡量接長(zhǎng)明洞以保證高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全。但又由于隧道出洞后基礎(chǔ)下方是沖溝底部，就導(dǎo)致了黃土隧道接長(zhǎng)明洞比較困難。特別是前后兩座隧道分布在沖溝兩側(cè)，相聚又很近，無法避免地導(dǎo)致兩處相鄰隧道最后用明洞完全連接起來。典型隧道洞口之間沖溝及自然仰坡如圖1所示，鄭西高速鐵路三門峽至靈寶段洞口接長(zhǎng)明洞情況如表1所示。

圖1 典型隧道洞口之間沖溝及自然仰坡圖

表1 鄭西高速鐵路三門峽至靈寶段洞口接長(zhǎng)明洞一覽表

2 明洞方案研究

由于鄭西高速鐵路開通在即，現(xiàn)場(chǎng)時(shí)間較緊，施工和設(shè)計(jì)、咨詢單位各方一起進(jìn)行方案研究。方案的制訂需要考慮方便施工，同時(shí)在保證已經(jīng)施做好的洞門帽檐不被破壞的前提下進(jìn)行接長(zhǎng)明洞。結(jié)合已經(jīng)施做好的帽檐斜切式洞門和施工條件，制定出單跨或多跨式框架棚洞結(jié)構(gòu)和拱形明洞兩種方案。根據(jù)兩隧道洞口的實(shí)際距離，分別采用接長(zhǎng)方案或者連通方案，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力及構(gòu)件配筋計(jì)算。鄭西高速鐵路三門峽至靈寶段洞口段地質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表2 鄭西高速鐵路三門峽至靈寶段隧道洞口地質(zhì)參數(shù)表

2.1 明洞結(jié)構(gòu)型式

首先需確定明洞結(jié)構(gòu)型式。由于需接長(zhǎng)明洞的洞門為帽檐斜切式洞門，帽檐高出拱頂2 m，若采用棚洞結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)在于現(xiàn)場(chǎng)立模現(xiàn)澆混凝土工作量小，接觸網(wǎng)立柱改造工作量小；缺點(diǎn)在于上部結(jié)構(gòu)過大，吊裝預(yù)制件重量大、對(duì)吊裝設(shè)備及工藝要求高導(dǎo)致施工困難，并且兩側(cè)邊墻為開放結(jié)構(gòu)，無法防止側(cè)向異物入侵。因此，從穩(wěn)定性上分析，矩形棚洞不如拱形明洞結(jié)構(gòu)，方案定為拱形明洞結(jié)構(gòu)。

針對(duì)拱形明洞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，研究了箱型基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。箱型基礎(chǔ)可結(jié)合沖溝框架涵統(tǒng)籌考慮過水問題，但考慮到黃土沖溝極易受雨水沖刷的特性，雖然明洞結(jié)構(gòu)荷載不大，黃土承載力滿足要求，但最終確定采用樁基礎(chǔ)加托梁型式。

表1所列的7座隧道9個(gè)洞口增設(shè)洞口拱形明洞防護(hù)結(jié)構(gòu)中，坳渠二號(hào)隧道出口和交口隧道進(jìn)口之間僅相距11.5 m、南交口一號(hào)隧道出口和南交口二號(hào)隧道進(jìn)口之間相距24 m，對(duì)這兩處相距較近的洞口采用明洞連接。富村二號(hào)進(jìn)口接明洞長(zhǎng)度14.59 m，其余隧道均為13.2 m。

2.1.1 框架棚洞結(jié)構(gòu)

框架棚洞結(jié)構(gòu)分為單跨和多跨兩種形式，單個(gè)洞口縱向長(zhǎng)度11.5 m，兩洞口之間的多跨結(jié)構(gòu)可結(jié)合洞口段長(zhǎng)度進(jìn)行確定。其施工順序?yàn)椋簶痘A(chǔ)—樁基托梁—立柱—吊裝施工橫梁、縱梁、擋頭墻—T梁吊裝。單跨棚洞結(jié)構(gòu)側(cè)面及正面如圖2所示、多跨棚洞結(jié)構(gòu)側(cè)面如圖3所示。

圖2 單跨棚洞結(jié)構(gòu)側(cè)面及正面圖(m)

圖3 多跨棚洞結(jié)構(gòu)側(cè)面圖(m)

2.1.2 拱形明洞結(jié)構(gòu)

采用拱形結(jié)構(gòu)，需解決其跨線內(nèi)模安裝難題，傳統(tǒng)的內(nèi)模無法在接觸網(wǎng)導(dǎo)線安裝好時(shí)而施工，因此研究后采用了如下施工步驟：(1)洞口樁基礎(chǔ)施工；(2)樁基托梁灌注混凝土；(3)吊裝H型鋼鋼架，灌注矮邊墻混凝土；(4)H型鋼鋼架上設(shè)鋼筋混凝土纖維板作為混凝土內(nèi)模；(5)綁扎拱部明洞鋼筋，灌注混凝土。拱形明洞結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 拱形明洞結(jié)構(gòu)側(cè)面及正面圖(m)

明洞拱圈厚度為45 cm，拱部采用鋼筋混凝土纖維板作為明洞拱部混凝土內(nèi)模，同時(shí)可作為明洞結(jié)構(gòu)的一部分，避免了混凝土施工前立內(nèi)模及施工完成后拆除內(nèi)模的麻煩，因此施工周期短，安全性好，除吊裝H型鋼鋼架和安裝鋼筋混凝土纖維板占用少量“天窗”時(shí)間外，其余大量工序不需要占用大量“天窗”時(shí)間，能有效地避免對(duì)高速鐵路運(yùn)營(yíng)的干擾。纖維混凝土板與H型鋼連接如圖5所示。

圖5 纖維混凝土板與H型鋼連接圖

2.2 框架棚洞結(jié)構(gòu)受力分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用荷載—結(jié)構(gòu)模型，用三維梁?jiǎn)卧M立柱、橫梁及縱梁，單跨框架結(jié)構(gòu)共劃分了138個(gè)單元，單跨棚洞數(shù)值模型如圖6所示，三跨框架結(jié)構(gòu)共劃分316個(gè)單元，數(shù)值模型如圖7所示。

圖6 單跨棚洞結(jié)構(gòu)數(shù)值模型圖

圖7 多跨棚洞結(jié)構(gòu)數(shù)值模型圖

將縱梁上橫向放置的T梁、上覆土荷載及雪荷載計(jì)算出合力，然后施加至框架兩側(cè)的縱梁上，荷載采用節(jié)點(diǎn)力的方式施加，荷載計(jì)算時(shí)只考慮單跨條件，多跨時(shí)上部荷載與單跨相同。其中上覆土重按考慮1 m的填土荷載進(jìn)行計(jì)算；T梁自重單跨時(shí)，縱向可布置 10個(gè)T梁；可變荷載根據(jù)GB 50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，取100 a一遇積雪荷載；永久荷載及可變荷載分項(xiàng)系數(shù)分別取1.35和1.4。單跨框架荷載計(jì)算結(jié)果如表3所示，單跨框架軸力及彎矩分別如圖8、圖9所示。

表3 單跨框架荷載計(jì)算結(jié)果表

圖8 單跨框架軸力圖(N)

圖9 單跨框架彎矩圖(N·m)

2.2.2 結(jié)構(gòu)配筋

由于計(jì)算數(shù)據(jù)量較大，選擇代表性斷面進(jìn)行計(jì)算(此處選擇縱梁及橫梁跨中截面)，其他截面計(jì)算過程與此相同。安全系數(shù)取為2.0，按單筋受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)以上的計(jì)算分析流程，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，橫梁、縱梁及托梁僅給出一側(cè)的計(jì)算結(jié)果，柱子只給出其中一根的計(jì)算結(jié)果。單跨框架結(jié)構(gòu)立柱及梁部配筋計(jì)算結(jié)果分別如表4、表5所示。

表4 單跨框架結(jié)構(gòu)立柱配筋計(jì)算結(jié)果(部分單元)表

表5 單跨框架結(jié)構(gòu)梁部配筋計(jì)算結(jié)果(部分單元)表

由表4、表5的計(jì)算結(jié)果可知，構(gòu)件采用計(jì)算配筋量時(shí)，裂縫最大寬度均滿足規(guī)范要求。

2.3 拱形明洞結(jié)構(gòu)受力分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)討論，決定將原設(shè)計(jì)方案調(diào)整為接長(zhǎng)明洞方案，明洞主骨架采用HM250型鋼拼裝組合而成，型鋼尺寸根據(jù)GB/T 11263-2005《熱軋H型鋼和剖分T型鋼》選定，工字鋼固定在沿隧道縱向的矮邊墻上。型鋼施工階段的驗(yàn)算主要考慮拱圈混凝土自重、型鋼自重及上覆1 m填土荷載(安全儲(chǔ)備)。拱形明洞襯砌軸力如圖10所示。

圖10 拱形明洞襯砌軸力圖(N)

由襯砌安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，在堆土荷載及地震力荷載共同作用下，襯砌邊墻與矮邊墻相接位置安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，因此，需要進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。拱形明洞襯砌配筋及最大裂縫寬度如表6所示。

表6 明洞襯砌配筋計(jì)算結(jié)果(部分單元)表

由表6的計(jì)算結(jié)果可知，拱形明洞采用設(shè)計(jì)配筋量時(shí)，結(jié)構(gòu)裂縫最大寬度為0.07 mm小于規(guī)范允許值，結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度滿足規(guī)范要求，因此，設(shè)計(jì)配筋量滿足安全性要求。

2.4 樁基設(shè)計(jì)及配筋計(jì)算

黃土地層樁選用摩擦樁，根據(jù)側(cè)向摩阻力計(jì)算單樁容許承載力及TB 10002.5-2005《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，挖孔灌注樁的容許承載力按下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：[P]——挖孔灌注樁的容許承載力(kN)；

U——樁身橫截面周長(zhǎng)(m)，按成孔樁徑計(jì)算；

fi——各土層的極限摩阻力(kPa)，本計(jì)算根據(jù)隧道地質(zhì)資料，取<3-2>土層極限側(cè)摩阻力為60 kPa；

li——各土層的厚度(m)；

A——樁身截面面積(m2)，按設(shè)計(jì)樁徑計(jì)算；

[σ]——樁底地基土的容許承載力(kPa) ；

m0——鉆孔灌注樁樁底支承力折減系數(shù)，根據(jù)TB 100025-2005《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中表6.2.2-6取值。

根據(jù)單樁上部結(jié)構(gòu)荷載，先初步設(shè)計(jì)樁基有效入土深度為25 m ，單跨上部結(jié)構(gòu)單樁荷載為 3 720 kN，經(jīng)計(jì)算挖孔灌注樁的容許承載力[P]為 6 402.77 kN，當(dāng)樁基有效入土深度為25 m時(shí)樁基自重 1 875 kN，則單樁總荷載為 5 595 kN<6 402.77 kN，故單跨框架樁基長(zhǎng)度25 m時(shí)可滿足承載力要求。鄭西客運(yùn)專線共有7座隧道的9個(gè)洞口增設(shè)洞口拱形明洞防護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)接長(zhǎng)明洞148 m，樁基48根，總長(zhǎng) 1 404 m，樁截面2 m×1.5 m，最深的樁挖深36 m。

3 施工過程中遇到的問題及解決方案

由于線路已進(jìn)入聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，接觸網(wǎng)導(dǎo)線已經(jīng)供電，明洞按既有線組織施工。采用螺栓將鋼筋混凝土纖維板固定在H型鋼下方翼緣板內(nèi)側(cè)，作為明洞拱部混凝土內(nèi)模，施工過程中主要問題在于混凝土板安裝完后的大量縫隙，現(xiàn)場(chǎng)采用了泡沫填充材料以及膠帶等進(jìn)行填塞堵漏。作為明洞結(jié)構(gòu)的主體拱架最初采用了H350型鋼，由于H350型鋼彎曲成型困難，故改為H250型鋼，滿足了加工成型彎曲要求。同時(shí)經(jīng)過拱部厚度優(yōu)化減薄，樁長(zhǎng)可減少3～5 m。吊裝施工過程中，由于型鋼骨架是逐榀安裝，特別需要注意的是保證型鋼骨架的縱向穩(wěn)定，施工現(xiàn)場(chǎng)最終通過焊接不同長(zhǎng)度的角鋼來進(jìn)行固定。

纖維混凝土板采用場(chǎng)外預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)通過螺栓安裝，要求螺栓帽朝上，以防止螺栓帽在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)生脫落。作為直接暴露在洞內(nèi)潮濕環(huán)境中的型鋼結(jié)構(gòu)，在場(chǎng)外彎曲成型后應(yīng)做好涂裝防銹處理。鋼架吊裝安裝過程中還需增設(shè)焊接縱向角鋼，以增加結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

4 結(jié)論與展望

本文通過鄭西高速鐵路開通前在聯(lián)調(diào)階段增設(shè)明洞的工程案例進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)目前，我國(guó)高速鐵路隧道普遍采用帽檐斜切式洞門，帽檐高度高出拱頂2 m，在接長(zhǎng)明洞時(shí)如果要保留帽檐結(jié)構(gòu)，則明洞結(jié)構(gòu)高度要比傳統(tǒng)明洞高出2 m。采用框架棚洞和拱形明洞兩種結(jié)構(gòu)類型均可實(shí)現(xiàn)接長(zhǎng)明洞的目的，但比較后認(rèn)為拱形明洞結(jié)構(gòu)更加合理。

(2)通過吊裝H型鋼完成明洞主骨架安裝，然后將纖維鋼筋混凝土板國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用通過螺栓固定在型鋼骨架上，混凝土內(nèi)模與結(jié)構(gòu)合二為一，在主體結(jié)構(gòu)及工藝工法上較好地解決了拱形明洞結(jié)構(gòu)受力及內(nèi)模安裝難題。

(3)隧道洞口接長(zhǎng)明洞工程在我國(guó)高速鐵路建設(shè)過程中極為普遍，尤其是聯(lián)調(diào)階段、甚至是運(yùn)營(yíng)階段，均會(huì)遇到大量的此類工程。這就要求盡量實(shí)現(xiàn)場(chǎng)外預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)吊裝安裝，以最大限度地減少對(duì)運(yùn)營(yíng)的干擾。建議今后還應(yīng)考慮山高谷深橋隧相連的地段，在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)籌考慮在梁部設(shè)置明洞的方案。