罗胜利,甘目飞

(1.中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司,昆明 650200； 2.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 工程概况

云桂铁路位于云南、广西境内，自昆明南新客站向东经玉溪、红河、文山、百色至南宁站，全长709.518 km；设计速度为200 km/h，预留250 km/h提速条件(开行双层集装箱)[1]。白腊寨车站位于云南省文山州广南县南屏镇白腊寨村。车站设到发线4条(含正线)，有效长880 m。站房设于线路右侧。

DK394+160～DK394+360段原设计采用路基方案，该方案为自坡脚至堑顶均采用刷坡方式，刷坡坡率均为 1∶1.25，每级边坡高度均为10 m，两级边坡之间设置宽平台，其中第三级、第六级边坡顶平台宽度为15 m，其余平台宽度均为3 m，该方案最大边坡高度为101.7 m。断面见图1。

由于路基方案边坡太高，国内铁路建设未有相关工程案例，工程风险和施工难度均较大，经多次组织专家进行现场勘察并分析研讨后决定研究隧道方案。

2 工程地质概况

2.1 地形地貌

图1 白腊寨车站路基断面(单位：m)

测区属低中山剥蚀与溶蚀地貌，斜坡位于西洋河右岸，地形起伏大，坡脚高程约740 m，坡顶高程约1 075 m，相对高差约335 m，自然横坡30°～50°；坡体沟谷发育，沿线路方向地形波状起伏，冲沟基本沿垂直线路朝北方向发育。山坡坡面上分布乔木和灌木林，植被覆盖率高。

2.2 地层岩性

斜坡地表上覆第四系全新统坡残积层(Q4dl+el)粉质黏土；下伏基岩为三叠系下统罗楼组(T1l)砂岩夹泥岩、砂岩夹泥岩挤压破碎带及断层角砾(Fbr)[2]。

2.3 地质构造及地震动峰值加速度

测区处于南岭巨型复杂纬向构造带的西段与滇越巨型旋扭构造体系(或称文山巨型旋扭构造体系)的复合部位。主要断裂构造为区域性逆断层董堡—那桑圩断层及其伴生挤压破碎带、甘蔗园1号断层。斜坡处于董堡—那桑圩断层与甘蔗园1号断层之间。岩体受构造影响严重，小型褶皱发育，节理发育～极发育，岩体破碎。见图2。

图2 斜坡所处构造带位置卫星图

测区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

2.4 斜坡稳定性评价

该斜坡岩层整体倾向山体内侧，属切层坡，倾向坡外贯通性较好节理倾角大于斜坡自然横坡坡度，该斜坡天然整体稳定性较好，但本工点范围内构造复杂，岩体破碎，风化层厚度较大，开挖后边坡自稳性较差，应加强支挡防护工程。

3 隧道方案

隧道位于白腊寨车站内，为四线隧道，线间距均为5.0 m，隧道内轮廓根据本线技术标准、接触网、信号和站场专业的技术标准确定[3]。结合现场地形地质条件，隧道方案有明洞方案、暗洞方案。现分别介绍如下。

3.1 明洞方案

明挖方案系全隧采用明挖法分层开挖，在开挖前先施作地表防排水系统，由上至下分层依次施作第二、四级平台处锚固桩及坡脚预加固桩，且达到设计强度后方可进行下一级边坡。开挖过程中及时施作锚索(杆)框架梁灌草护坡及深层泄水孔[4]。本方案最大边坡开挖高度63.7 m。

3.1.1 断面形式

明洞结构形式为单压与偏压明洞相结合。图3、图4为其典型断面。

明洞顶回填土石厚4 m，按1∶10坡率进行设计，允许堆积坡度按1∶5进行设计，运营期间应加强对明洞顶堆积物的检查，当堆积物超过设计厚度时应及时清除。

3.1.2 结构荷载计算

本次四线明洞结构计算模型采用荷载-结构模型[5]，采用大型通用有限元软件Ansys进行计算，按破损阶段法进行结构检算，衬砌结构采用二维梁单元Beam3模拟，地层连杆采用受压杆单元Link10模拟。

图3 白腊寨车站偏压明洞典型断面(单位：cm)

图4 白腊寨车站单压明洞典型断面(单位：cm)

(1)计算荷载

考虑永久荷载及围岩约束衬砌的弹性抗力。其中永久荷载包括结构自重、回填土石(含规定的塌方储备)垂直压力及侧向压力、墙背及仰拱底部弹性反力、墙背主动土压力、0.25倍边坡最大水平推力(由于明洞路基面至抗滑桩桩顶15 m高范围安全系数按1.05计算，路基面15 m高以上范围安全系数按1.3计算，则明洞左侧拱圈及边墙水平荷载考虑0.25倍边坡最大水平力)等。

(2)计算参数

外边墙采用C30混凝土，内边墙、拱部及仰拱采用C35钢筋混凝土。

围岩及衬砌物理力学指标按《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)[6]表3.2.8、5.1.9、5.2.3取值。

(3)计算结果及分析

①偏压明洞

a.单元模型

按拱墙、仰拱整体受力且局部(边墙和仰拱)考虑弹性抗力作用的模型计算。如图5所示。

图5 偏压明洞计算模型单元编号

图6 单压明洞计算模型单元编号

b.配筋情况

根据计算结果，拱顶及仰拱厚度采用110 cm，边墙最小厚度采用150 cm，主筋拱墙采用每延米10根φ25 mm钢筋，仰拱采用每延米5根φ25 mm钢筋，边墙角增设5根φ25 mm钢筋。

②单压明洞

a.单元模型

拱圈、内边墙和仰拱按固定在外边墙上且局部(内边墙和仰拱)考虑弹性抗力作用的模型计算。如图6所示。

b.结构及配筋情况

根据计算结果，明洞拱顶及仰拱厚度采用110 cm，边墙最小厚度采用150 cm，耳墙坡率采用1∶0.25，主筋拱墙采用每延米10根φ25 mm钢筋，仰拱采用每延米5根φ25 mm钢筋，靠山侧内边墙角增设5根φ25 mm钢筋。

c.明洞整体稳定性验算(图7)

图8 DK394+190明暗分界断面(单位：cm)

图7 明洞整体稳定性检算图示(单位：cm)

经检算，四线Ⅳ式明洞倾覆稳定性及滑动稳定性均满足要求(规范规定倾覆稳定性≥1.6，滑动稳定性≥1.3)，见表1。

3.2 暗洞方案

暗挖方案系隧道进、出口洞口段采用明挖法分层

表1 明洞整体稳定性系数

开挖，当洞顶埋深达到10～12 m且位于W3地层时采用暗挖法开挖。明挖段按明挖方案开挖防护，最大边坡开挖高度59.6 m。暗挖段采用复合双侧壁导坑法[7]开挖，φ159 mm双层大管棚超前支护，拱部采用HW300型钢钢架，边墙采用I25型钢钢架加强支护，钢架间距均为0.5 m。

由于暗洞段跨度太大，线路左侧为挤压破碎带，岩层产状紊乱，节理极为发育，岩体多呈碎块状，且存在地形偏压，为减小暗洞开挖引起拱部及隧道左侧土体变形对隧道结构的影响，确保施工开挖及运营的安全，在隧道开挖前，于线路左侧距暗洞衬砌边缘外1.0 m位置设一排预加固桩。

暗洞段施工工序为:洞口及洞身段预加固措施及防护→超前大管棚→暗洞开挖。典型断面如图8所示。

明洞段衬砌尺寸及配筋同明洞方案，暗洞段参照六沾线乌蒙山二号隧道[8](铁路工程目前唯一修建成功的四线隧道)四线衬砌参数设置：Ⅴ级四线复合式衬砌：拱部及仰拱厚度采用110 cm，边墙最小厚度采用180 cm，边墙最大厚度376 cm；主筋拱部50°范围采用每延米20根φ28 mm双层钢筋，其余地段采用每延米15根φ28 mm双层钢筋，仰拱采用每延米4根φ28 mm钢筋。

3.3 优缺点比较

白腊寨车站隧道采用明挖方案及暗挖方案均具备工程实施条件，以下从工程措施、施工风险及环境保护等方面对明挖方案及暗挖方案优劣性进行比较。

3.3.1 暗挖方案

(1)由于考虑该隧道属砂岩夹泥岩为主的浅埋软质岩隧道，岩体破碎，地表覆盖的第四系全新统残积层粉质黏土及全风化层较厚，土质松散，地形偏压，线路左侧为宽约30 m的挤压破碎带，且隧道拱顶以上最大埋深不足20 m，故成拱能力极差[9]。

(2)隧道开挖最大宽度达29.5 m，对于如此大跨度的暗洞隧道，虽有六沾线乌蒙山二号隧道的先例，但白腊寨车站隧道整段全处于地形偏压、埋深浅地段(扣除土层与全风化层，最大覆盖厚度为5～15 m)，尚属首例，隧道设计及施工均尚处于摸索阶段。

(3)隧道受地表降雨及地下水影响十分敏感，因此需要选择在旱季施工,并要求加强施工管理，通过监控量测、超前地质预报等辅助手段，根据监测数据反馈、超前地质预报成果及时对支护措施、预留变形量等施工参数[10]进行调整，以实现工程顺利实施。施工工法复杂，施工风险因素多，对施工管理、风险控制要求高，且要求工序衔接、转换平稳紧密。因此，要求施工队伍有极高的施工技术水平和管理水平。

(4)由于暗洞开挖的影响，隧道明暗分界处转角及仰坡的高边坡防护不能同左侧边坡一样设置3排抗滑桩及锚索框架梁防护，因此转角及仰坡防护的稳定性存在极高的安全风险。

3.3.2 明挖方案

采用明挖法施工该隧道可以规避浅埋软质岩隧道施工期间的软岩变形[11]、塌方等风险，但其施工存在高、陡临时边坡塌方、失稳等安全风险，施工开挖时需要逐级放坡，逐级支护，并需在高边坡侧设置预加固桩，并对边坡进行防护。另外软质岩边坡受地表降雨的影响也十分明显，因此需要选择在旱季施工，同时需要施工期间加强对坡面的监控量测[12]，加强对临时开挖坡面及现场排水系统的维护，并加强施工现场管理，及时施作坡面防护工程等。同时，采用明挖方案需要增加弃砟量约11万m3，明挖方案的临时用地及对自然地形条件的破坏也相对较大，但施工风险相对可控。

3.3.3 投资比较

对白腊寨隧道采用暗挖方案施工及明挖方案施工的工程投资情况进行了比较，其中暗挖方案工程投资总额为15153万元，明挖方案工程投资总额为12152万元，四线暗洞方案比四线明洞方案投资增加3 001万元。

4 结论

通过上述比较分析可知，路基方案的边坡极高(101.7 m)，长期运营的养护维修工作量大，而明洞方案隆低了边坡高度(63.7 m)，施工风险也有所降低，更有利于运营后的养护维修工作及运营安全；而暗挖法施工虽然通过加强超前支护及加强支护，并在合理采用施工方法的基础上，但仍旧存在较高的隧道变形、坍方等安全风险。因此，从铁路运营安全及施工安全方面考虑，在软质岩极高边坡条件下采用明挖方案较暗挖方案及路基方案有较多优势，因此推荐采用明洞方案。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 J971—2009 高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2010．

[2] 《工程地质手册》编委会.工程地质手册 [M]. 4版.北京：中国建筑工业出版社，2007．

[3] 铁道第二勘察设计院.铁路工程设计技术手册·隧道[M].北京：中国铁道出版社，1999．

[4] 铁道第二勘察设计院.TB10025-2006 铁路路基支挡结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2006．

[5] 关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京：人民交通出版社，2003．

[6] 铁道第二勘察设计院.TB10003—2005 铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005．

[7] 卿伟宸，朱勇.特大跨度浅埋隧道施工工法[C]∥复杂艰险山区铁路(公路)工程勘察设计案例集锦.北京：人民交通出版社，2012．

[8] 中铁二院土建一院.六沾线乌蒙山二号隧道施工图资料[Z].成都：中铁二院土建一院，2007．

[9] 关宝树.软弱围岩隧道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2011．

[10] 关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2011．

[11] 罗洪戈，谭泽意.宜万铁路堡镇隧道高地应力软岩大变形段施工技术[J].铁道标准设计，2010(8)：131-133．

[12] 邱志勇.高边坡变形监控量测技术[J].山西建筑，2011(4)：37-11.