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摘要：大埋深杂填土地段明挖法修建山岭隧道，围护结构的稳定性受到杂填土较差承载力不利影响，根据表层杂填土和基岩力学综合效应确定围护结构设计参数。通过FRWS计算钻孔灌注桩深入基岩长度对桩内力变形，地表沉降，稳定性等影响，确定合理的桩长和配筋参数。计算结果表明桩体变形和地表沉降满足安全要求，不是桩体设计主要控制要素。整体稳定性、抗倾覆和坑底抗隆起安全系数在桩基础深入基岩1m及以上均满足安全要求。当桩基础埋入基岩深度小于1m时，桩体受力弯矩和配筋率受桩基础埋入基岩深度影响较大。综合考虑，围护结构设计参数按桩基础埋入基岩1m取值。
关键词：杂填土；山岭隧道；围护结构；设计参数
中图分类号： U45 文献标识码： A
引言
随着经济的发展，对各种等级专用线铁路需求越来越多，不同功能的专用线对土建结构要求差异较大，相应地建设和运营成本也有着较大的差别。对于山岭隧道，普遍比较偏远，设备运送较为困难，对周边干扰因素考虑普遍较为粗放，采用设备相对简易的矿山法居多。目前，针对偏远地区山岭隧道采用明挖法的研究还比较少[1][2]，普遍采用城市明挖的相关工程经验进行保守修建，存在较大的资源浪费。
在浅埋明挖方面，基坑稳定性是明挖工程安全成功修建的关键。有学者做过关于基坑围护桩结构桩径、桩长与基坑稳定性的研究[3]，基坑的稳定性是围护桩结构和内支撑体系与土体的相互作用的综合效应，一些学者积累了围护桩桩和内支撑体系在基坑整体稳定性研究的宝贵经验[4]。在前人地铁明挖基坑稳定性研究丰富、宝贵的研究成果基础上，根据本运煤专用线隧道大埋深、小覆土、大区域杂填土地质特点，根据围护结构桩长、配筋等设计参数，对基坑各项安全系数和受力、配筋等指标进行对比计算分析，研究安全、经济、适用的围护结构参数。
1工程概况
某重载运煤专用线隧道出口200m段落处于杂填土地层，杂填土地层最大厚度24m,隧道上部覆土约2m，开挖稳定性较差，采用明挖法施工。该区段线路位于R=800m的曲线上，线路坡度为-11.5‰。出口明挖段平面图如图 1。
图 1 明挖段平面图
Fig.1 Plan of open-cut interval
明挖区段穿越地层主要为第四系人工堆积（Q4ml）素填土，主要成分为新黄土、夹大量石灰岩碎石，呈松散结构。下部地层主要为石灰岩，强风化~弱风化，隐晶质结构，中厚层状构造。地下水类型主要为基岩裂隙水，雨季有少量第四系孔隙水及基岩裂隙水。
2计算模型
根据隧道结构轮廓和地面线位置关系，对围护结构上部2.09m覆土进行放坡开挖。围护结构采用桩径为1000mm，间距为1500mm的C30混凝土钻孔灌注桩。在地面以下-2.59m,-6.99m和-10.99m处设Ф609×16钢支撑，在地面以下-7.59m处设置换撑。考虑隧道结构施工过程中仰拱和边墙的支撑作用，计算模型中边墙受力等效为在地面以下-12.59m处设置一道临时横撑和仰拱受力等效为-14.59m处设置底板。
地层物理力学参数如下表：
表 1 地层物理力学参数
Table.1 Physico-mechanical parameters of the layer
序号 土层名称 厚度(m) γ(kN/m3) c(kPa) φ(°) c'(kPa) φ(°)
1 杂填土 24.30 18.0 10.00 15.00 10.00 15.00
2 石灰岩 11.50 18.0 450.00 33.00 450.00 33.00
2施工工序
明挖段钻孔灌注桩围护结构以上2.09m覆土采用放坡开挖，基坑开挖阶段采用浅开挖早支撑的方法，及时设置支撑结构。隧道结构浇筑阶段采取自下而上局部拆除，及时浇筑隧道结构，待浇筑混凝土力学参数基本稳定再拆除上部结构进行下一步的拆筑循环作业。
3计算分析
通过设置钻孔灌注桩分别深入基岩以下-3m,-2m,-1m,0m,1m,2m和3m进行计算分析，钻孔灌注桩嵌入基岩深度与基坑最大水平位移、最大地表沉降、整体稳定性安全系数等安全指标数据统计如下表。
表 2 安全系数计算结果统计表
Table.2 Calculation results of the safety factors
嵌入基岩深度 最大水平位移（mm) 最大地表沉降（mm) 整體稳定性安全系数 抗倾覆安全系数 坑底抗隆起安全系数 墙底抗隆起安全系数
-3m 20.6 23.1 0.83 0.75 0.84 1.4
-2m 20.4 23.6 0.88 0.81 0.88 1.51
-1m 20.4 24.1 0.92 0.87 0.93 1.61
0m 20.4 24.5 1.24 0.93 0.98 48.28
1m 21.2 24.4 3.49 2.8 3.93 47.43
2m 20.8 23.7 4.45 4.86 5.07 46.64
3m 20.4 22.5 5.16 7.12 5.89 45.9
根据表中的数据，可知：
① 随着桩深入基岩长度的增加，基坑最大水平位移、最大地表沉降逐渐减小，增加桩长有利于基坑位移变形控制。最大水平位移小于0.3%H且小于40mm，满足安全要求。最大地表沉降小于0.2%H且小于40mm。所取桩参数试验组均满足要求，基坑最大水平位移、最大地表沉降不是主要控制因素。
② 随着桩深入基岩长度的增加，明挖基坑整体稳定性安全系数、抗倾覆安全系数、坑底抗隆起安全系数以及墙底抗隆起安全系数逐渐增大。当桩基础未伸入基岩时，整体稳定性安全系数、抗倾覆安全系数和坑底抗隆起安全系数均不满足安全要求。整体稳定性安全系数、抗倾覆安全系数和坑底抗隆起安全系数是桩设计参数的控制因素。当桩基础伸入基岩1m，整体稳定性安全系数、抗倾覆安全系数和坑底抗隆起安全系数均满足安全要求。
钻孔灌注桩分别深入基岩以下-3m,-2m,-1m,0m,1m,2m和3m，桩计算弯矩和受力弯矩如表 3。随着钻孔桩嵌入基岩深度增加，桩弯矩受力越大，越不利于结构，对配筋要求增加。尤其，桩基础未嵌入基岩与嵌入基岩1m两组桩受力弯矩值相差较大，配筋量增加显著。说明下部基岩对桩基础的约束作用，改变了原来受力分布。当桩基础埋入基岩深度小于1m时，受力弯矩和配筋率受桩基础埋入基岩深度变化较大；埋入基岩深度大于1m情况下，受力弯矩和配筋率受桩基础埋入基岩深度变化不大。而实际情况下，地层的分层变化具有一定的起伏，导致钻孔灌注桩实际受力弯矩存在一定的浮动差异。从安全角度考虑，钻孔灌注桩配筋参数按桩基础嵌入基岩深度1m取值。
表 3 钻孔灌注桩弯矩受力表
Table.3 Bending moment of the bored pile
嵌入基岩深度 段长 Mk Md 钢筋 As 需配
(m) (kN.m) (kN.m) 类型 (mm2) 根数
-3m 19.21 945.6 945.6 HRB335-25 7929 17
-2m 20.21 978.6 978.6 HRB335-25 8236 17
-1m 21.21 989.2 989.2 HRB335-25 8334 17
0m 22.21 988.3 988.3 HRB335-25 8327 17
1m 23.21 1197.5 1197.5 HRB335-25 10312 21
2m 24.21 1196.3 1196.3 HRB335-25 10299 21
3m 25.21 1207.3 1207.3 HRB335-25 10405 22
4结论
结合工程实际情况，通过计算分析，针对大埋深、小覆土、大区域杂填土地质明挖山岭隧道围护结构设计，有如下结论：
① 各计算工况基坑最大水平位移和最大地表沉降满足安全要求，不是钻孔灌注桩设计参数控制因素。
② 钻孔灌注桩基础未伸入基岩，整体稳定性安全系数、抗倾覆安全系数和坑底抗隆起安全系数不满足安全要求。反之，钻孔灌注桩基础伸入基岩1m，各安全系数能满足要求。
③ 大埋深杂填土明挖围护桩受力弯矩分布受到基岩影响显著，配筋率对埋入基岩深度1m内比较敏感，差别较大，宜保守设计，钻孔灌注桩设计参数按深入基岩1m进行设计。
参考文献：
[1]张党平. 石林隧道软基浅埋段盖挖法施工技术[J]. 隧道建设,2012,S1:117-121.
[2]张峰,李克坤,付志刚,董健. 浏阳河隧道进口穿越人工填土层盖挖法施工技术[J]. 铁道标准设计,2009,04:88-90.
[3]杨晓杰,刘冬明,张帆等. 地铁隧道明挖法施工基坑支护稳定性研究[J]. 地下空间与工程学报,2010,03:516-520.
[4]房师军,付拥军,姚爱军. 某地铁工程深基坑排桩围护结构变形规律分析[J]. 岩土工程学报,2011,S1:223-226.
作者简介：张俊， 1988年出生，男，籍贯四川宜宾，助工，硕士研究生，从事地下工程研究、设计工作
关键词：杂填土；山岭隧道；围护结构；设计参数
中图分类号： U45 文献标识码： A
引言
随着经济的发展，对各种等级专用线铁路需求越来越多，不同功能的专用线对土建结构要求差异较大，相应地建设和运营成本也有着较大的差别。对于山岭隧道，普遍比较偏远，设备运送较为困难，对周边干扰因素考虑普遍较为粗放，采用设备相对简易的矿山法居多。目前，针对偏远地区山岭隧道采用明挖法的研究还比较少[1][2]，普遍采用城市明挖的相关工程经验进行保守修建，存在较大的资源浪费。
在浅埋明挖方面，基坑稳定性是明挖工程安全成功修建的关键。有学者做过关于基坑围护桩结构桩径、桩长与基坑稳定性的研究[3]，基坑的稳定性是围护桩结构和内支撑体系与土体的相互作用的综合效应，一些学者积累了围护桩桩和内支撑体系在基坑整体稳定性研究的宝贵经验[4]。在前人地铁明挖基坑稳定性研究丰富、宝贵的研究成果基础上，根据本运煤专用线隧道大埋深、小覆土、大区域杂填土地质特点，根据围护结构桩长、配筋等设计参数，对基坑各项安全系数和受力、配筋等指标进行对比计算分析，研究安全、经济、适用的围护结构参数。
1工程概况
某重载运煤专用线隧道出口200m段落处于杂填土地层，杂填土地层最大厚度24m,隧道上部覆土约2m，开挖稳定性较差，采用明挖法施工。该区段线路位于R=800m的曲线上，线路坡度为-11.5‰。出口明挖段平面图如图 1。
图 1 明挖段平面图
Fig.1 Plan of open-cut interval
明挖区段穿越地层主要为第四系人工堆积（Q4ml）素填土，主要成分为新黄土、夹大量石灰岩碎石，呈松散结构。下部地层主要为石灰岩，强风化~弱风化，隐晶质结构，中厚层状构造。地下水类型主要为基岩裂隙水，雨季有少量第四系孔隙水及基岩裂隙水。
2计算模型
根据隧道结构轮廓和地面线位置关系，对围护结构上部2.09m覆土进行放坡开挖。围护结构采用桩径为1000mm，间距为1500mm的C30混凝土钻孔灌注桩。在地面以下-2.59m,-6.99m和-10.99m处设Ф609×16钢支撑，在地面以下-7.59m处设置换撑。考虑隧道结构施工过程中仰拱和边墙的支撑作用，计算模型中边墙受力等效为在地面以下-12.59m处设置一道临时横撑和仰拱受力等效为-14.59m处设置底板。
地层物理力学参数如下表：
表 1 地层物理力学参数
Table.1 Physico-mechanical parameters of the layer
序号 土层名称 厚度(m) γ(kN/m3) c(kPa) φ(°) c'(kPa) φ(°)
1 杂填土 24.30 18.0 10.00 15.00 10.00 15.00
2 石灰岩 11.50 18.0 450.00 33.00 450.00 33.00
2施工工序
明挖段钻孔灌注桩围护结构以上2.09m覆土采用放坡开挖，基坑开挖阶段采用浅开挖早支撑的方法，及时设置支撑结构。隧道结构浇筑阶段采取自下而上局部拆除，及时浇筑隧道结构，待浇筑混凝土力学参数基本稳定再拆除上部结构进行下一步的拆筑循环作业。
3计算分析
通过设置钻孔灌注桩分别深入基岩以下-3m,-2m,-1m,0m,1m,2m和3m进行计算分析，钻孔灌注桩嵌入基岩深度与基坑最大水平位移、最大地表沉降、整体稳定性安全系数等安全指标数据统计如下表。
表 2 安全系数计算结果统计表
Table.2 Calculation results of the safety factors
嵌入基岩深度 最大水平位移（mm) 最大地表沉降（mm) 整體稳定性安全系数 抗倾覆安全系数 坑底抗隆起安全系数 墙底抗隆起安全系数
-3m 20.6 23.1 0.83 0.75 0.84 1.4
-2m 20.4 23.6 0.88 0.81 0.88 1.51
-1m 20.4 24.1 0.92 0.87 0.93 1.61
0m 20.4 24.5 1.24 0.93 0.98 48.28
1m 21.2 24.4 3.49 2.8 3.93 47.43
2m 20.8 23.7 4.45 4.86 5.07 46.64
3m 20.4 22.5 5.16 7.12 5.89 45.9
根据表中的数据，可知：
① 随着桩深入基岩长度的增加，基坑最大水平位移、最大地表沉降逐渐减小，增加桩长有利于基坑位移变形控制。最大水平位移小于0.3%H且小于40mm，满足安全要求。最大地表沉降小于0.2%H且小于40mm。所取桩参数试验组均满足要求，基坑最大水平位移、最大地表沉降不是主要控制因素。
② 随着桩深入基岩长度的增加，明挖基坑整体稳定性安全系数、抗倾覆安全系数、坑底抗隆起安全系数以及墙底抗隆起安全系数逐渐增大。当桩基础未伸入基岩时，整体稳定性安全系数、抗倾覆安全系数和坑底抗隆起安全系数均不满足安全要求。整体稳定性安全系数、抗倾覆安全系数和坑底抗隆起安全系数是桩设计参数的控制因素。当桩基础伸入基岩1m，整体稳定性安全系数、抗倾覆安全系数和坑底抗隆起安全系数均满足安全要求。
钻孔灌注桩分别深入基岩以下-3m,-2m,-1m,0m,1m,2m和3m，桩计算弯矩和受力弯矩如表 3。随着钻孔桩嵌入基岩深度增加，桩弯矩受力越大，越不利于结构，对配筋要求增加。尤其，桩基础未嵌入基岩与嵌入基岩1m两组桩受力弯矩值相差较大，配筋量增加显著。说明下部基岩对桩基础的约束作用，改变了原来受力分布。当桩基础埋入基岩深度小于1m时，受力弯矩和配筋率受桩基础埋入基岩深度变化较大；埋入基岩深度大于1m情况下，受力弯矩和配筋率受桩基础埋入基岩深度变化不大。而实际情况下，地层的分层变化具有一定的起伏，导致钻孔灌注桩实际受力弯矩存在一定的浮动差异。从安全角度考虑，钻孔灌注桩配筋参数按桩基础嵌入基岩深度1m取值。
表 3 钻孔灌注桩弯矩受力表
Table.3 Bending moment of the bored pile
嵌入基岩深度 段长 Mk Md 钢筋 As 需配
(m) (kN.m) (kN.m) 类型 (mm2) 根数
-3m 19.21 945.6 945.6 HRB335-25 7929 17
-2m 20.21 978.6 978.6 HRB335-25 8236 17
-1m 21.21 989.2 989.2 HRB335-25 8334 17
0m 22.21 988.3 988.3 HRB335-25 8327 17
1m 23.21 1197.5 1197.5 HRB335-25 10312 21
2m 24.21 1196.3 1196.3 HRB335-25 10299 21
3m 25.21 1207.3 1207.3 HRB335-25 10405 22
4结论
结合工程实际情况，通过计算分析，针对大埋深、小覆土、大区域杂填土地质明挖山岭隧道围护结构设计，有如下结论：
① 各计算工况基坑最大水平位移和最大地表沉降满足安全要求，不是钻孔灌注桩设计参数控制因素。
② 钻孔灌注桩基础未伸入基岩，整体稳定性安全系数、抗倾覆安全系数和坑底抗隆起安全系数不满足安全要求。反之，钻孔灌注桩基础伸入基岩1m，各安全系数能满足要求。
③ 大埋深杂填土明挖围护桩受力弯矩分布受到基岩影响显著，配筋率对埋入基岩深度1m内比较敏感，差别较大，宜保守设计，钻孔灌注桩设计参数按深入基岩1m进行设计。
参考文献：
[1]张党平. 石林隧道软基浅埋段盖挖法施工技术[J]. 隧道建设,2012,S1:117-121.
[2]张峰,李克坤,付志刚,董健. 浏阳河隧道进口穿越人工填土层盖挖法施工技术[J]. 铁道标准设计,2009,04:88-90.
[3]杨晓杰,刘冬明,张帆等. 地铁隧道明挖法施工基坑支护稳定性研究[J]. 地下空间与工程学报,2010,03:516-520.
[4]房师军,付拥军,姚爱军. 某地铁工程深基坑排桩围护结构变形规律分析[J]. 岩土工程学报,2011,S1:223-226.
作者简介：张俊， 1988年出生，男，籍贯四川宜宾，助工，硕士研究生，从事地下工程研究、设计工作