軟質(zhì)巖極高邊坡條件下鐵路建設方案設計,建筑設計論文

軟質(zhì)巖極高邊坡條件下鐵路建設方案設計,建筑設計論文云桂鐵路位于云南、廣西境內(nèi)，自昆明南新客站向東經(jīng)玉溪、紅河、文山、百色至南寧站，全長709.518km;設計速度為200km/h，預留250km/h提速條件(開行雙層集裝箱)。白臘寨車站位于云南省文山州廣南縣南屏鎮(zhèn)白臘寨村。車站設到發(fā)線4條(含正線)，有效長880m。站房設于線路右側(cè)。DK394+160一DK394+360段原設計采用路基方案，該方案為自坡腳至塹頂均采用刷坡方式，刷坡坡率均為1:1.25，每級邊坡高度均為10m，兩級邊坡之間設置寬平臺，華而不實第三級、第六級邊坡頂平臺寬度為巧m，其余平臺寬度均為3m，該方案最大邊坡高度為101.7m。斷面見圖1。由于路基方案邊坡太高，國內(nèi)鐵路建設未有相關(guān)工程案例，工程風險和施工難度均較大，經(jīng)屢次組織專家進行現(xiàn)場勘察并分析研討后決定研究隧道方案。2、工程地質(zhì)大概情況2.1地形地貌測區(qū)屬低中山剝蝕與溶蝕地貌，斜坡位于西洋河右岸，地形起伏大，坡腳高程約740m，坡頂高程約1075m，相對高差約335m，自然橫坡30一50坡體溝谷發(fā)育，沿線路方向地形波狀起伏，沖溝基本沿垂直線路朝北方向發(fā)育。山坡坡面上分布喬木和灌木林，植被覆蓋率高。2.2地層巖性斜坡地表上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積層(Q4(dl+el))勺粉質(zhì)戮土;下伏基巖為三疊系下統(tǒng)羅樓組(T,1)砂巖夾泥巖、砂巖夾泥巖擠壓破碎帶及斷層角礫(Fbr)。2.3地質(zhì)構(gòu)造及地震動峰值加速度測區(qū)處于南嶺巨型復雜緯向構(gòu)造帶的西段與滇越巨型旋扭構(gòu)造體系(或稱文山巨型旋扭構(gòu)造體系)的復合部位。主要斷裂構(gòu)造為區(qū)域性逆斷層董堡一那桑好斷層及其伴生擠壓破碎帶、甘蔗園1號斷層。斜坡處于董堡一那桑好斷層與甘蔗園1號斷層之間。巖體受構(gòu)造影響嚴重，小型褶皺發(fā)育，節(jié)理發(fā)育一極發(fā)育，巖體破碎。見圖2。測區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反響譜特征周期為0.35s。2.4斜坡穩(wěn)定性評價該斜坡巖層整體傾向山體內(nèi)側(cè)，屬切層坡，傾向坡外貫穿性較好節(jié)理傾角大于斜坡自然橫坡坡度，該斜坡天然整體穩(wěn)定性較好，但本工點范圍內(nèi)構(gòu)造復雜，巖體破碎，風化層厚度較大，開挖后邊坡自穩(wěn)吐較差，應加強支擋防護工程。3、隧道方案隧道位于白臘寨車站內(nèi)，為四線隧道，線間距均為5.0m,隧道內(nèi)輪廓根據(jù)本線技術(shù)標準、接觸網(wǎng)、信號和站場專業(yè)的技術(shù)標準確定。結(jié)合現(xiàn)場地形地質(zhì)條件，隧道方案有明洞方案、暗洞方案?，F(xiàn)分別介紹如下。3.1明洞方案明挖方案系全隧采用明挖法分層開挖，在開挖前先施作地表防排水系統(tǒng)，由上至下分層依次施作第二、四級平臺處錨固樁及坡腳預加固樁，且到達設計強度后方可進行下一級邊坡。開挖經(jīng)過中及時施作錨索(桿)框架梁灌草護坡及深層泄水孔[41。本方案最大邊坡開挖高度63.7m。3.1.1斷面形式明洞構(gòu)造形式為單壓與偏壓明洞相結(jié)合。圖3,圖4為其典型斷面。明洞頂回填土石厚4m，按1:10坡率進行設計，允許堆積坡度按1:5進行設計，運營期間應加強對明洞頂堆積物的檢查，當堆積物超過設計厚度時應及時去除。3.1.2構(gòu)造荷載計算本次四線明洞構(gòu)造計算模型采用荷載一構(gòu)造模型[ses，采用大型通用有限元軟件Ansy、進行計算，按破損階段法進行構(gòu)造檢算，襯砌構(gòu)造采用二維梁單元Beam3模擬，地層連桿采用受壓桿單元Link10模擬。(1)計算荷載考慮永久荷載及圍巖約束襯砌的彈性抗力。華而不實永久荷載包括構(gòu)造自重、回填土石(含規(guī)定的塌方儲備)垂直壓力及側(cè)向壓力、墻背及仰拱底部彈性反力、墻背主動土壓力、0.25倍邊坡最大水平推力(由于明洞路基面至抗滑樁樁頂巧m高范圍安全系數(shù)按1.05計算，路基面15m高以上范圍安全系數(shù)按1.3計算，則明洞左側(cè)拱圈及邊墻水平荷載考慮0.25倍邊坡最大水平力)等。(2)計算參數(shù)外邊墻采用C30混凝土，內(nèi)邊墻、拱部及仰拱采用C35鋼筋混凝土。圍巖及襯砌物理力學指標按(鐵路隧道設計規(guī)范〕(TB10003-2005)表3.2.8、5.1.9、5.2.3取值。(3)計算結(jié)果及分析①偏壓明洞a.單元模型按拱墻、仰拱整體受力且局部(邊墻和仰拱)考慮彈性抗力作用的模型計算。如此圖5所示。b.配筋情況根據(jù)計算結(jié)果，拱頂及仰拱厚度采用110Cm，邊墻最小厚度采用150cm，主筋拱墻采用每延米10根小25mm鋼筋，仰拱采用每延米5根小25mm鋼筋，邊墻角增設5根小25mm鋼筋。②單壓明洞a.單元模型拱圈、內(nèi)邊墻和仰拱按固定在外邊墻上且局部(內(nèi)邊墻和仰拱)考慮彈性抗力作用的模型計算。如此圖6所示。b.構(gòu)造及配筋情況根據(jù)計算結(jié)果，明洞拱頂及仰拱厚度采用110cm，邊墻最小厚度采用150cm，耳墻坡率采用1:0.25，主筋拱墻采用每延米10根25mm鋼筋，仰拱采用每延米5根25mm鋼筋，靠山側(cè)內(nèi)邊墻角增設5根25mm鋼筋。c.明洞整體穩(wěn)定性驗算(圖7)經(jīng)檢算，四線W式明洞傾覆穩(wěn)定性及滑動穩(wěn)定性均知足要求(規(guī)范規(guī)定傾覆穩(wěn)定性1.6，滑動穩(wěn)定性1.3)，見表1。3.2暗洞方案暗挖方案系隧道進、出口洞口段采用明挖法分層開挖，當洞頂埋深到達10-12m且位于W3地層時采用暗挖法開挖。明挖段按明挖方案開挖防護，最大邊坡開挖高度59.6m。暗挖段采用復合雙側(cè)壁導坑法開挖，159mm雙層大管棚超前支護，拱部采用HW300型鋼鋼架，邊墻采用I25型鋼鋼架加強支護，鋼架間距均為0.5m。由于暗洞段跨度太大，線路左側(cè)為擠壓破碎帶，巖層產(chǎn)狀紊亂，節(jié)理極為發(fā)育，巖體多呈碎塊狀，且存在地形偏壓，為減小暗洞開挖引起拱部及隧道左側(cè)土體變形對隧道構(gòu)造的影響，確保施工開挖及運營的安全，在隧道開挖前，于線路左側(cè)距暗洞襯砌邊緣外1.0m位置設一排預加固樁。暗洞段施工工序為:洞口及洞身段預加固措施及防護一超前大管棚一暗洞開挖。典型斷面如此圖8所示。明洞段襯砌尺寸及配筋同明洞方案，暗洞段參照六沾線烏蒙山二號隧道(鐵路工程口前唯一修建成功的四線隧道)四線襯砌參數(shù)設置:V級四線復合式襯砌:拱部及仰拱厚度采用110cm，邊墻最小厚度采用180cm，邊墻最大厚度376cm;主筋拱部50范圍采用每延米20根小28mm雙層鋼筋，其余地段采用每延米15根28mm雙層鋼筋，仰拱采用每延米4根28mm鋼筋。3.3優(yōu)缺點比擬白臘寨車站隧道采用明挖方案及暗挖方案均具備工程施行條件，下面從工程措施、施工風險及環(huán)境保衛(wèi)等方面對明挖方案及暗挖方案優(yōu)劣性進行比擬。3.3.1暗挖方案(1)由于考慮該隧道屬砂巖夾泥巖為主的淺埋軟質(zhì)巖隧道，巖體破碎，地表覆蓋的第四系全新統(tǒng)殘積層粉質(zhì)戮土及全風化層較厚，土質(zhì)松懈，地形偏壓，線路左側(cè)為寬約30m的擠壓破碎帶，且隧道拱頂以上最大埋深缺乏20m，故成拱能力極差。(2)隧道開挖最大寬度達29.5m，對于如此大跨度的暗洞隧道，雖有六沾線烏蒙山二號隧道的先例，但白臘寨車站隧道整段全處于地形偏壓、埋深淺地段(扣除土層與全風化層，最大覆蓋厚度為5一15m〕，尚屬首例，隧道設計及施工均尚處于探索階段。(3)隧道受地表降雨及地下水影響特別敏感，因而需要選擇在旱季施工，并要求加強施工管理，通過監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預報等輔助手段，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反應、超前地質(zhì)預報成果及時對支護措施、預留變形量等施工參數(shù)進行調(diào)整，以實現(xiàn)工程順利施行。施工工法復雜，施工風險因素多，對施工管理、風險控制要求高，且要求工序銜接、轉(zhuǎn)換平穩(wěn)嚴密。因而，要求施工隊伍有極高的施工技術(shù)水平和管理水平。(4)由于暗洞開挖的影響，隧道明暗分界處轉(zhuǎn)角及仰坡的高邊坡防護不能同左側(cè)邊坡一樣設置3排抗滑樁及錨索框架梁防護，因而轉(zhuǎn)角及仰坡防護的穩(wěn)定性存在極高的安全風險。3.3.2明挖方案采用明挖法施工該隧道能夠躲避淺埋軟質(zhì)巖隧道施工期間的軟巖變形、塌方等風險，但其施工存在高、陡臨時邊坡塌方、失穩(wěn)等安全風險，施工開挖時需要逐級放坡，逐級支護，并需在高邊坡側(cè)設置預加固樁，并對邊坡進行防護。另外軟質(zhì)巖邊坡受地表降雨的影響也特別明顯，因而需要選擇在旱季施工，同時需要施工期間加強對坡面的監(jiān)控量測，加強對臨時開挖坡面及現(xiàn)場排水系統(tǒng)的維護，并加強施工現(xiàn)場管理，及時施作坡面防護工程等。同時，采用明挖方案需要增加棄碎量約11萬耐，明挖方案的臨時用地及對自然地形條件的毀壞也相對較大，但施工風險相對可控。3.3.3投資比擬對白臘寨隧道采用暗挖方案施工及明挖方案施工的工程投資情況進行了比擬，華而不實暗挖方案工程投資總額為15153萬元，明挖方案工程投資總額為12152萬元，四線暗洞方案比四線明洞方案投資增加3001萬元。4、結(jié)論通過上述比擬分析可知，路基方案的邊坡極高(101.7m)，長期運營的養(yǎng)護維修工作量大，而明洞方案隆低了邊坡高度(63.7m)，施工風險也有所降低，更有利于運營后的養(yǎng)護維修工作及運營安全;而暗挖法施工固然通過加強超前支護及加強支護，并在合理采用施工方式方法的基礎(chǔ)上，但仍然存在較高的隧道變形、坍方等安全風險。因而，從鐵路運營安全及施工安全方面考慮，在軟質(zhì)巖極高邊坡條件下采用明挖方案較暗挖方案及路基方案有較多優(yōu)勢，因而推薦采用明洞方案。以下為參考文獻:[1]中國鐵道部.fB10621-2018J971-2018高速鐵路設計規(guī)范(試行)[S].北京:中國鐵道出版社，2018.[2](工程地質(zhì)手冊〕編委會.工程地質(zhì)手冊[M].4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.[3]鐵道第二勘察設計院.鐵路工程設計技術(shù)手冊隧道[M].北京:中國鐵道出版社，1999.[4]鐵道第二勘察設計院.fB10025一2006鐵路路基支擋構(gòu)造設計規(guī)范)[S].北京:中國鐵道出版社，2006.[5]關(guān)寶樹.隧道工程設計重點集[M].北京:人民交通出版社，2003.[6]鐵道第二勘察設計院.TB10003-2005鐵路隧道設計規(guī)范)[S].北京:中國鐵道出版社，2005.[7]卿偉震，朱勇.特大跨度淺埋隧道施工工法[C]//復雜艱險山區(qū)鐵路(公路)工程勘察設計案例集錦.北京:人民交通出版社，2020.[8]中鐵二院土建一院.六沾線烏蒙