長(zhǎng)大明挖隧道回填土堆載預(yù)壓研究

于進(jìn)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(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055)

近年來(lái)，中國(guó)高速鐵路迎來(lái)了一輪新的建設(shè)高潮。高速鐵路隧道的修建應(yīng)執(zhí)行“早進(jìn)晚出”的原則[1-5](即在隧道進(jìn)出口設(shè)置明洞結(jié)構(gòu))，采用小型機(jī)械對(duì)明洞進(jìn)行分層回填，分層厚度不小于0.3 m，兩側(cè)回填土的高差不小于0.5 m[6-8]。對(duì)于常規(guī)的隧道來(lái)說(shuō)，明洞相對(duì)較短，一般只有幾十米或幾百米，明洞回填對(duì)隧道工期的影響微乎其微。受線路線形、地質(zhì)條件和周邊地表環(huán)境的影響，近年來(lái)涌現(xiàn)出了一批明挖隧道，如石家莊六線隧道[9]、京沈客專(zhuān)扣莫明洞[10]、紫金港隧道[11]、鄭州至新鄭機(jī)場(chǎng)城際鐵路機(jī)場(chǎng)隧道[12]、長(zhǎng)沙三環(huán)線隧道[13]等，這些明挖隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，主體結(jié)構(gòu)澆筑完成后，隧道回填占用的時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)隧道工期起著至關(guān)重要的作用。

以京張高鐵東花園隧道為工程背景，針對(duì)東花園隧道工期緊張、回填土含水率高、難以碾壓密實(shí)等特點(diǎn)，對(duì)隧道回填土采用堆載預(yù)壓的方法來(lái)提高其壓實(shí)度，為國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程提供參考依據(jù)。

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(lái)縣東花園鎮(zhèn)，進(jìn)口里程為DK82+770，出口里程為DK87+740，全長(zhǎng)4 970 m，最大埋深約8.1 m。

東花園隧道隧址區(qū)地勢(shì)平坦、開(kāi)闊，線路兩側(cè)多為耕地。地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層粉土、黏性土、砂類(lèi)土及碎石土，第四系上更統(tǒng)湖積層粉土、粉質(zhì)黏土、砂類(lèi)土。地下水類(lèi)型為孔隙水，主要賦存于第四系洪坡積層中；受官?gòu)d水庫(kù)影響，地下水埋深3.0～10 m。

1.2 襯砌類(lèi)型

全隧采用明挖放坡施工、拱形明洞襯砌，環(huán)境作用等級(jí)為凍融環(huán)境D2，抗?jié)B等級(jí)為P10，主體結(jié)構(gòu)均采用C40鋼筋混凝土，襯砌支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 雙線明洞整體式襯砌支護(hù)參數(shù)

1.3 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

受限于隧道用地屬性的特殊性，東花園隧道實(shí)際進(jìn)場(chǎng)時(shí)間滯后指導(dǎo)性施工組織計(jì)劃6個(gè)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(hào)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(kāi)挖土體含水率高，且周邊均為耕地，臨時(shí)棄渣場(chǎng)征地困難，開(kāi)挖土體回填前不能進(jìn)行有效晾曬，導(dǎo)致難以分層碾壓密實(shí)。

洞頂回填面在運(yùn)營(yíng)期間將恢復(fù)為農(nóng)田，對(duì)地形的平整度和壓實(shí)度要求不高，回填至原地面后，可以適當(dāng)多回填一部分，既能起到壓密回填土的作用，同時(shí)可以在地面線以上保留一定的土層作為后期沉降預(yù)留，避免出現(xiàn)固結(jié)沉降漏斗。

2 堆載高度研究

在堆載預(yù)壓情況下，由于明洞頂部覆土厚度大于設(shè)計(jì)覆土厚度，需要對(duì)不同覆土厚度的明洞襯砌進(jìn)行強(qiáng)度和裂縫檢算，在保證結(jié)構(gòu)安全性的前提下，得出結(jié)構(gòu)能承受的最大覆土厚度。

2.1 計(jì)算模型

本次結(jié)構(gòu)計(jì)算主要考慮荷載結(jié)構(gòu)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(yīng)變假設(shè)，采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模型，縱向取單位長(zhǎng)度，采用SAP84有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算。將結(jié)構(gòu)覆土換算成上豎向土壓力和側(cè)向土壓力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算。地層反力由彈簧單元模擬，結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)加載。

本隧道明洞襯砌分兩種類(lèi)型：0～4 m覆土襯砌、4～10 m覆土襯砌。驗(yàn)算時(shí)，分別取不同覆土厚度下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力和裂縫控制驗(yàn)算，得出結(jié)構(gòu)所承受的最大覆土厚度。

2.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算完成后，經(jīng)驗(yàn)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(jì)算結(jié)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(yàn)算

拱頂最大覆土厚度條件下，不同襯砌類(lèi)型明洞結(jié)構(gòu)控制截面內(nèi)力如表2、表3所示。

表2 0～4 m覆土襯砌截面內(nèi)力

表3 4～10 m覆土截面內(nèi)力

由表2、表3可知，對(duì)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(jié)構(gòu)滿足承載能力要求，同時(shí)臨時(shí)裂縫寬度可控制在0.35 mm以?xún)?nèi)，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(yù)壓固結(jié)度及沉降值計(jì)算

堆載預(yù)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(shè)置在地基中的豎向排水體，通過(guò)在地表加載預(yù)壓使土體中孔隙水排出，在總應(yīng)力不變的情況下有效應(yīng)力增大，土體逐漸固結(jié)，地基土被壓實(shí)[14-15]。根據(jù)東花園隧道現(xiàn)場(chǎng)回填情況，回填土土質(zhì)疏松，孔隙比大，采用堆載預(yù)壓的方法可以有效提高回填土的固結(jié)度。

3.1 固結(jié)度計(jì)算方法

固結(jié)度計(jì)算是堆載預(yù)壓設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，通過(guò)計(jì)算各級(jí)荷載作用下不同時(shí)刻的地基固結(jié)度，可以推算出各級(jí)荷載作用下的地基土強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上確定加載情況，并推算沉降情況。

目前，計(jì)算固結(jié)度常用的計(jì)算方法有改進(jìn)太沙基法和改進(jìn)高木俊介法[16-20]。

本次計(jì)算采用JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》所推薦的改進(jìn)高木俊介法，該方法考慮了豎向排水固結(jié)度Ux，由Ur和Ux兩者聯(lián)合起來(lái)得出Urx，其固結(jié)度理論公式為

U=1-αe-βt

(1)

公式(1)對(duì)于僅豎向排水固結(jié)或豎向排水固結(jié)與徑向排水固結(jié)聯(lián)合作用都適用，所不同的是α與β兩個(gè)參數(shù)的不同。對(duì)于一級(jí)或多級(jí)等數(shù)加荷條件下，當(dāng)固結(jié)時(shí)間為t時(shí)，對(duì)應(yīng)總荷載的地基平均固結(jié)度可按下式計(jì)算

(2)

qi——第i級(jí)荷載的加載速率/(kPa/d)；

∑Δp——各級(jí)荷載的累加值/kPa；

Ti-1、Ti——分別為第i級(jí)荷載加載的起始和終止時(shí)間(從零點(diǎn)起算)，當(dāng)計(jì)算第i級(jí)荷載加載過(guò)程中某時(shí)間t的固結(jié)度時(shí)，Ti改為t；

α、β——參數(shù)，根據(jù)地基土排水固結(jié)條件，按JCJ79—2012《建筑地基處理規(guī)范》表5.2.7采用。對(duì)豎井地基，表中所列β為不考慮涂抹和井阻影響的參數(shù)值。

3.2 基本計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)是控制計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取現(xiàn)場(chǎng)回填土進(jìn)行土工試驗(yàn)：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(guò)設(shè)計(jì)高度時(shí)，第一、二級(jí)堆載高度為3 m，剩余級(jí)數(shù)堆載高度均為2 m，直至堆載至最大覆土，堆載時(shí)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(shí)際堆載時(shí)應(yīng)根據(jù)明洞類(lèi)型和設(shè)計(jì)覆土厚度來(lái)確定合適的堆載高度。根據(jù)回填土ei-pi關(guān)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(jié)度和殘留堆載高度計(jì)算

結(jié)合土工試驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)土力學(xué)相關(guān)計(jì)算公式和改進(jìn)高木俊介法，計(jì)算出達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)度的土體最終沉降量、堆載作用下產(chǎn)生的沉降量、土體平均固結(jié)度和清除堆載時(shí)需要額外保留的土體高度，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 固結(jié)度和殘留堆載高度計(jì)算結(jié)果

對(duì)表5計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出堆載高度與固結(jié)度、堆載壓密沉降量、保留土高度之間的曲線關(guān)系，如圖6～圖8所示。

圖6 不同堆載高度下固結(jié)度與壓縮土層厚度之間的關(guān)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(guān)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(guān)系曲線

由圖6～圖8可知，在堆載條件下，土體的固結(jié)度隨著壓縮土層厚度的增大而呈冪函數(shù)形式減小，且固結(jié)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(duì)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(duì)保留土高度影響較小。

當(dāng)堆載高度為3 m時(shí)，土體固結(jié)度較大，雖然堆載引起的土體沉降量偏小，但固結(jié)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(duì)堆載3 m時(shí)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算(結(jié)果見(jiàn)表6、表7)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和裂縫寬度均能滿足規(guī)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(nèi)力

表7 4～10 m覆土覆土13 m截面內(nèi)力

4 結(jié)論

以京張高鐵東花園隧道為工程背景，通過(guò)有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)覆土進(jìn)行驗(yàn)算，得出不同襯砌類(lèi)型明洞所能承受的最大覆土厚度，利用改進(jìn)高木俊介法對(duì)明洞回填土堆載預(yù)壓進(jìn)行計(jì)算，可以得出如下結(jié)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(jié)度隨著壓縮土層厚度的增大而呈冪函數(shù)形式減小，且固結(jié)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(duì)保留土高度影響較小。

(3)當(dāng)堆載高度為3 m時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和裂縫寬度均在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，且固結(jié)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(yù)壓可以加快明洞回填土的固結(jié)沉降，為提高明洞回填效率提供了一個(gè)新的解決思路。