高擋墻施工距臨近隧道的極限安全凈距研究

羅培新

(中國鐵路烏魯木齊局集團公司，新疆烏魯木齊 830011)

1 隧道的極限安全凈距

在臨近既有鐵路線隧道區(qū)域修筑如路基、擋墻等土工結(jié)構(gòu)時，由施工引起的隧道應(yīng)力重分布和二次變形是工程設(shè)計必須考慮的問題。尤其是地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，以黏性土和軟巖為主要結(jié)構(gòu)面的隧道，臨近區(qū)域的工程活動更容易影響隧道的穩(wěn)定性[1]。目前，分析建筑物及擋墻施工對臨近隧道影響的常用方法是理論數(shù)值分析[2]，并取得了一定成果。研究表明，隧道臨近區(qū)施工對隧道受力及變形的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一是新建工程形式及不同圍巖支護形式對隧道的應(yīng)力應(yīng)變具有一定影響；如周旭光等討論了不同布樁方式對隧道變形的影響[3]。黃俊討論了隧道開挖對不同圍巖等級既有隧道的極限位移的影響，結(jié)果表明：Ⅰ～Ⅳ級圍巖范圍內(nèi)，圍巖等級越高，隧道安全系數(shù)越大，而Ⅴ級圍巖所得的安全系數(shù)較實際值偏高[4]。張治國等利用Galerkin方法建立了Winkler地基條件下建筑施工對臨近隧道位移及變形的分析方法，并提出了響應(yīng)的有限元微分方程[5]。張俊峰基于地下連續(xù)梁理論，采用Boussinesq解對由于基坑開挖導(dǎo)致的隧道變形進行了求解[6]，吉茂杰等以殘余應(yīng)力方法研究了基坑開挖對隧道變形的影響規(guī)律，并基于分層總和法推導(dǎo)出了考慮基坑開挖引起隧道變形的計算方法[7]，伍尚勇等通過建立Midas/GTS三維模型分析了雙側(cè)深基坑開挖對地鐵隧道的影響，其研究結(jié)果表明：對稱開挖比不對稱開挖能更好的控制隧道水平位移，但不利于控制隧道抬升[8]。二是凈距的影響；一般凈距越大，工程施工對既有隧道的應(yīng)力及變形的影響就越小，但其具體規(guī)律則各不相同。何連昇等的研究表明工程施工影響隧道變形范圍約在開挖深度的3倍左右[9]。王立峰等考慮了基坑分塊開挖的先后順序?qū)λ淼雷冃蔚挠绊?，并指出基坑開挖對隧道的影響范圍為開挖深度的2.5倍[10]。許建鋒等詳細分析了杭州軟土地質(zhì)條件下地鐵隧道臨近區(qū)項目施工對隧道安全性的影響，結(jié)果表明隧道變形隨凈距的增大而快速減小，呈現(xiàn)冪指數(shù)函數(shù)的關(guān)系[11]。高廣運等采用修正劍橋模型分析了不同基坑與隧道位置關(guān)系下隧道變形的變化規(guī)律，結(jié)果表明隧道變形大小與基坑距離關(guān)系并不完全單調(diào)，而是在一定距離內(nèi)達到峰值，隨后趨于平緩[12]。此外，劉飛飛還研究了滲流作用對隧道位移的影響，結(jié)果表明，滲流作用對隧道的水平位移與軸力影響顯著，在考慮滲流時，水平位移增大了2.58倍，管片軸力增大了29.3 %[13]。

當(dāng)新建工程方案確定時，影響既有隧道穩(wěn)定性的主要因素是兩者間的凈距，然而目前研究所得的結(jié)果并不統(tǒng)一，也尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范可供參考。鑒于此，本文以婁邵鐵路栗家山隧道以西新建項目為工程實例，基于單線相鄰隧道最小凈距法分析了進、出口段不同圍巖等級下的7個典型斷面的極限安全凈距，最終確定了該工程距隧道的極限安全凈距并給出了相應(yīng)的施工注意事項，為項目施工及保障既有隧道的安全提供了支持。

2 工程概況

以婁邵鐵路栗家山隧道的安全性分析為實例，栗家山隧道全長320m，為新建電力牽引的雙線鐵路區(qū)間隧道，隧道內(nèi)線間距為5.0m。隧道范圍地表為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土，下伏石炭系中上統(tǒng)地層。第四系殘坡積粉質(zhì)黏土夾碎石：軟塑—硬塑，含少許角礫，層面埋深約9.75m，層厚5.85～8.13m，土石等級為Ⅱ級。石炭系中上統(tǒng)：巖性以灰?guī)r及頁巖全風(fēng)化為主。炭質(zhì)灰?guī)r，全—弱風(fēng)化，灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，層面埋深約4.0m，土石等級為Ⅲ級；灰?guī)r，弱風(fēng)化，灰白—灰色，主要礦物為方解石，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，層面埋深4.1～15.6m， 土石等級為Ⅴ級。

隧道襯砌為采用鉆爆法施工的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，由隧道進口至出口分別選取了Ⅴ級圍巖偏壓型襯砌結(jié)構(gòu)(20m)、Ⅴ級圍巖淺埋型襯砌結(jié)構(gòu)(38m)、Ⅳ級圍巖淺埋型襯砌結(jié)構(gòu)(20m)、Ⅲ級圍巖巖質(zhì)地層襯砌結(jié)構(gòu)(175m)、Ⅳ級圍巖淺埋型襯砌結(jié)構(gòu)(25m)、Ⅴ級圍巖淺埋型襯砌結(jié)構(gòu)(42m)。隧道現(xiàn)場及典型剖面圖如圖1～圖3所示。

圖1 栗家山隧道工程現(xiàn)場

圖2 栗家山隧道出口段Ⅴ級圍巖淺埋襯砌橫斷面(單位：m)

圖3 栗家山隧道出口段Ⅳ級圍巖淺埋襯砌橫斷面(單位：m)

根據(jù)規(guī)劃，在栗家山隧道以西擬新建項目，總用地面積約79 072m2。同時在靠鐵路側(cè)的路塹邊坡，按照開挖路塹坡腳設(shè)置樁板墻和重立式路塹擋土墻進行擋護。在DK0+024～DK0+242.50段設(shè)置路塹樁板墻工程，樁截面為1.5m×2.0m，樁長10～20m；DK0+000～DK0+024及DK0+242.50～DK0+320段設(shè)置重力式路塹擋土墻工程，墻高2.4～5.0m，擋土墻基礎(chǔ)埋深1.2m。樁板墻和重立式路塹擋土墻墻腳外側(cè)設(shè)置2.0寬平臺和0.6m×0.6m矩形C25鋼筋混凝土排水溝。 為防止開挖擋土墻時擋土墻后臨時邊坡發(fā)生坍塌，擋土墻后臨時開挖邊坡采用錨桿噴混凝土臨時防護，錨桿長5m，噴混凝土厚10cm。擋土墻以上刷坡率為1∶1.75，分級刷坡，每級邊坡高6m，邊坡之間設(shè)置3m寬平臺，平臺上設(shè)置0.4m×0.4mC25混凝土矩形截水溝。刷坡坡面設(shè)置錨桿框架梁進行防護，框架內(nèi)采用穴植容器種植灌木苗。工程平面圖如圖4所示。

圖4 栗家山隧道剖面位置

3 隧道安全性分析及極限安全凈距確定

分析擋墻施工對栗家山隧道的安全性影響后，即可確定擋墻墻底距隧道的最小安全凈距。由于現(xiàn)行規(guī)范沒有針對雙線鐵路隧道與邊坡工程不產(chǎn)生近接施工影響的最小間距要求，可按TB10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中推薦相鄰單線隧道間最小凈距要求計算，如表1所示。

表1 兩相鄰單線隧道間的最小凈距 m

根據(jù)前述工程概況，選取進、出口段不同圍巖等級下的7個典型斷面進行計算，結(jié)果如圖5～圖11所示，各圖剖面標(biāo)號與圖4所對應(yīng)。

圖5 出口段Ⅴ級圍巖淺埋襯砌橫斷面(剖面4)(單位：m)

圖6 出口段Ⅳ級圍巖淺埋襯砌橫斷面(剖面5)(單位：m)

圖7 出口段Ⅲ級圍巖深埋襯砌橫斷面(剖面6)(單位：m)

圖8 進口段Ⅲ級圍巖深埋襯砌橫斷面(剖面14)(單位：m)

圖9 進口段Ⅳ級圍巖淺埋襯砌橫斷面(剖面15)(單位：m)

圖10 進口段Ⅴ級圍巖淺埋襯砌橫斷面(剖面16)(單位：m)

圖11 進口段Ⅴ級圍巖偏壓襯砌橫斷面(剖面17)(單位：m)

以安全凈距40m為例，根據(jù)上述各典型剖面計算結(jié)果可知，高擋墻的施工對不同圍巖級別埋深的安全性影響各不相同。當(dāng)圍巖深埋襯砌為Ⅲ級時，無論是進口段還是出口段，最小間距曲線均未達到擋墻底部；當(dāng)圍巖深埋襯砌為Ⅳ級時，其最小間距曲線同樣未達到擋墻底部，但相較于圍巖深埋襯砌為Ⅲ級的情況距墻底更近一些，這說明圍巖深埋襯砌為Ⅳ級比圍巖深埋襯砌為Ⅲ級對安全凈距的要求更為嚴(yán)格，但均大于40m。而當(dāng)圍巖深埋襯砌為V級時，最小間距曲線已有部分在兩相鄰隧道最小間距線以內(nèi)。這一情況下，擋墻凈距已不滿足規(guī)范要求，但實際工程中對鐵路路塹邊坡進行了刷坡，使得隧道左右側(cè)受力更加對稱，部分地抵消了擋墻施工對隧道應(yīng)力重分布的影響，因此可認為此時已經(jīng)達到了其極限安全凈距。最終，推薦擬建擋墻距栗家山隧道邊線的極限安全凈距為40m。

為了加強現(xiàn)場施工的安全保證，根據(jù)現(xiàn)場勘查情況，在擋墻施工時，應(yīng)遵循以下施工規(guī)定：

(1)建設(shè)項目靠鐵路側(cè)邊坡應(yīng)嚴(yán)格做好防護，確保邊坡自身安全穩(wěn)定；并切實做好坡面排水，避免對栗家山隧道產(chǎn)生不良影響。

(2)建設(shè)項目邊坡施工期間嚴(yán)格施工工藝要求，靠近隧道側(cè)巖石開挖必須采用控制爆破，控制爆破震速應(yīng)不高于3m/s，以減少施工對栗家山隧道的不良影響。

(3)擬建項目場地內(nèi)建筑工程的設(shè)計及施工均不應(yīng)影響路塹擋護工程的安全。

(4)路塹擋護及場地內(nèi)建筑工程施工期應(yīng)加強施工監(jiān)測，通過信息化施工，確保施工期間邊坡和栗家山隧道的安全。

4 結(jié)論

本文以婁邵鐵路栗家山隧道分析為實例，分析了高擋墻施工對臨近隧道的安全性影響，確定了高擋墻施工與臨近隧道極限安全凈距，并根據(jù)工程實際情況給出了相應(yīng)的施工建議和措施，得到了以下結(jié)論：

(1)臨近隧道的高擋墻的最小安全凈距目前缺少系統(tǒng)性的參考規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，本文推薦采用TB10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的相鄰單線隧道間最小凈距要求計算。

(2)進、出口段不同圍巖等級下典型隧道斷面的計算結(jié)果表明：Ⅲ級與Ⅳ級圍巖深埋襯砌斷面情況的極限安全凈距均大于40m，V級圍巖深埋襯砌斷面情況的安全凈距略小于40m，但刷坡措施隧道左右側(cè)受力更加對稱，部分地抵消了擋墻施工對隧道應(yīng)力重分布的影響，最終推薦擬建擋墻距栗家山隧道邊線的極限安全凈距為40m。

(3)為保證隧道運營和現(xiàn)場施工安全，在修筑擋墻時應(yīng)遵守做好坡面排水，靠近隧道側(cè)巖石開挖必須采用控制爆破，控制爆破震速應(yīng)不高于3m/s，加強施工監(jiān)測，通過信息化施工等原則。