高速铁路隧道洞口接长明洞方案研究与实践

王 林

(中铁十二局集团第二工程有限公司，太原 030032)

山区高速铁路经常会遇到山高谷深，隧道相连的情况，要求尽量在隧道洞口接长明洞以保证高速铁路运营安全。我国高速铁路隧道目前大量采用帽檐斜切式洞门，这种洞门接长明洞时往往需要考虑明洞结构将帽檐包含在内，因此，工程较传统洞门更为复杂。郑西高速铁路位于黄土地区，由于黄土地区冲沟发育、自然边坡高陡的地形地貌特征，不可避免地会出现较多的沿冲沟两侧隧道相连及高陡边坡问题。从列车运营安全角度考虑，应将隧道洞口边仰坡尽量降低，否则应尽量在隧道洞口接长明洞，当隧道洞口相距较近时，可考虑用明洞将两个隧道连接起来。

目前，国内相关学者对隧道洞口边仰坡危岩落石及接长明洞设计与施工做了相关研究。赵秋林[1]根据兰渝铁路范家坪隧道出口危岩落石发育情况，利用相关软件，建立危岩落石运动模型，提出接长明洞和主被动防护相结合的落石综合防护措施；张永平[2]通过重庆枢纽既有铁路石壁山隧道接长明洞工程实践，提出明洞衬砌拱部采用双层叠合梁结构，以减轻预制衬砌重量，采用拱部吊装工法解决了既有线接长明洞问题；董振杰[3]在石太铁路娘子关三号隧道接长明洞施工中，提出解决好隧道接长前的四电过渡、线路临时加固及防电拱架台车拱圈浇筑等技术；李品福[4]介绍了在既有铁路隧道出口接长明洞采用分段施工、拱部滑模的施工技术，克服了小半径曲线地段施工困难的问题；王昭晖[5]以既有陇海铁路天水至兰州段鸡儿架隧道接长明洞工程为例，提出了外墙采用桩基托梁的单压式明洞结构；高树峰[6]从空气动力学角度介绍了郑西高速铁路相邻隧道洞口间用明洞连接的方案情况；王兴林[7]从具体施工角度介绍了郑西高速铁路明洞相连工程工艺细节；昝爱琴[8]介绍了郑西高速铁路黄土隧道半装配式拱形明洞接长施工技术。

以上文献多从明洞型式和施工方法上进行简单介绍，均未涉及帽檐斜切式洞门单跨或多跨框架棚洞与拱形明洞结构的对比分析。因此，本文结合郑西高速铁路帽檐斜切式洞门接长明洞方案研究过程，从施工可行性及结构受力角度对这次明洞工程的设计与施工进行深入研究。

1 工程概况

郑西高速铁路三门峡至渑池段黄土自然边坡一般接近45°，洞口施工时由于便道引入、洞口开挖等原因常导致边坡坡脚被挖掉，再加上大多数隧道洞口在进洞施工过程中及进洞后，往往会出现地表下沉开裂现象，造成在隧道洞口范围多会在仰坡上方产生纵横向裂缝，随着雨水下渗则对隧道洞口造成安全隐患。同时，由于自然边坡稳定系数达不到规范规定K=1.25的要求。在建设过程中，结合外方咨询意见：大部分隧道洞口边仰坡，在自然状态下稳定安全系数达不到中国规范规定的K=1.25，即洞口边仰坡处于不稳定状态，应对边仰坡进行刷方，使其安全系数满足规范要求。采用刷方方案后边仰坡高度很高，导致洞口上方防护面积较大。

所有这些不利因素组合起来，均要求隧道洞口尽量接长明洞以保证高速铁路运营安全。但又由于隧道出洞后基础下方是冲沟底部，就导致了黄土隧道接长明洞比较困难。特别是前后两座隧道分布在冲沟两侧，相聚又很近，无法避免地导致两处相邻隧道最后用明洞完全连接起来。典型隧道洞口之间冲沟及自然仰坡如图1所示，郑西高速铁路三门峡至灵宝段洞口接长明洞情况如表1所示。

图1 典型隧道洞口之间冲沟及自然仰坡图

表1 郑西高速铁路三门峡至灵宝段洞口接长明洞一览表

2 明洞方案研究

由于郑西高速铁路开通在即，现场时间较紧，施工和设计、咨询单位各方一起进行方案研究。方案的制订需要考虑方便施工，同时在保证已经施做好的洞门帽檐不被破坏的前提下进行接长明洞。结合已经施做好的帽檐斜切式洞门和施工条件，制定出单跨或多跨式框架棚洞结构和拱形明洞两种方案。根据两隧道洞口的实际距离，分别采用接长方案或者连通方案，并对结构进行内力及构件配筋计算。郑西高速铁路三门峡至灵宝段洞口段地质参数如表2所示。

表2 郑西高速铁路三门峡至灵宝段隧道洞口地质参数表

2.1 明洞结构型式

首先需确定明洞结构型式。由于需接长明洞的洞门为帽檐斜切式洞门，帽檐高出拱顶2 m，若采用棚洞结构，优点在于现场立模现浇混凝土工作量小，接触网立柱改造工作量小；缺点在于上部结构过大，吊装预制件重量大、对吊装设备及工艺要求高导致施工困难，并且两侧边墙为开放结构，无法防止侧向异物入侵。因此，从稳定性上分析，矩形棚洞不如拱形明洞结构，方案定为拱形明洞结构。

针对拱形明洞结构基础，研究了箱型基础和桩基础。箱型基础可结合冲沟框架涵统筹考虑过水问题，但考虑到黄土冲沟极易受雨水冲刷的特性，虽然明洞结构荷载不大，黄土承载力满足要求，但最终确定采用桩基础加托梁型式。

表1所列的7座隧道9个洞口增设洞口拱形明洞防护结构中，坳渠二号隧道出口和交口隧道进口之间仅相距11.5 m、南交口一号隧道出口和南交口二号隧道进口之间相距24 m，对这两处相距较近的洞口采用明洞连接。富村二号进口接明洞长度14.59 m，其余隧道均为13.2 m。

2.1.1 框架棚洞结构

框架棚洞结构分为单跨和多跨两种形式，单个洞口纵向长度11.5 m，两洞口之间的多跨结构可结合洞口段长度进行确定。其施工顺序为：桩基础—桩基托梁—立柱—吊装施工横梁、纵梁、挡头墙—T梁吊装。单跨棚洞结构侧面及正面如图2所示、多跨棚洞结构侧面如图3所示。

图2 单跨棚洞结构侧面及正面图(m)

图3 多跨棚洞结构侧面图(m)

2.1.2 拱形明洞结构

采用拱形结构，需解决其跨线内模安装难题，传统的内模无法在接触网导线安装好时而施工，因此研究后采用了如下施工步骤：(1)洞口桩基础施工；(2)桩基托梁灌注混凝土；(3)吊装H型钢钢架，灌注矮边墙混凝土；(4)H型钢钢架上设钢筋混凝土纤维板作为混凝土内模；(5)绑扎拱部明洞钢筋，灌注混凝土。拱形明洞结构如图4所示。

图4 拱形明洞结构侧面及正面图(m)

明洞拱圈厚度为45 cm，拱部采用钢筋混凝土纤维板作为明洞拱部混凝土内模，同时可作为明洞结构的一部分，避免了混凝土施工前立内模及施工完成后拆除内模的麻烦，因此施工周期短，安全性好，除吊装H型钢钢架和安装钢筋混凝土纤维板占用少量“天窗”时间外，其余大量工序不需要占用大量“天窗”时间，能有效地避免对高速铁路运营的干扰。纤维混凝土板与H型钢连接如图5所示。

图5 纤维混凝土板与H型钢连接图

2.2 框架棚洞结构受力分析

2.2.1 结构计算

采用荷载—结构模型，用三维梁单元模拟立柱、横梁及纵梁，单跨框架结构共划分了138个单元，单跨棚洞数值模型如图6所示，三跨框架结构共划分316个单元，数值模型如图7所示。

图6 单跨棚洞结构数值模型图

图7 多跨棚洞结构数值模型图

将纵梁上横向放置的T梁、上覆土荷载及雪荷载计算出合力，然后施加至框架两侧的纵梁上，荷载采用节点力的方式施加，荷载计算时只考虑单跨条件，多跨时上部荷载与单跨相同。其中上覆土重按考虑1 m的填土荷载进行计算；T梁自重单跨时，纵向可布置 10个T梁；可变荷载根据GB 50009-2001《建筑结构荷载规范》，取100 a一遇积雪荷载；永久荷载及可变荷载分项系数分别取1.35和1.4。单跨框架荷载计算结果如表3所示，单跨框架轴力及弯矩分别如图8、图9所示。

表3 单跨框架荷载计算结果表

图8 单跨框架轴力图(N)

图9 单跨框架弯矩图(N·m)

2.2.2 结构配筋

由于计算数据量较大，选择代表性断面进行计算(此处选择纵梁及横梁跨中截面)，其他截面计算过程与此相同。安全系数取为2.0，按单筋受弯构件进行计算。根据以上的计算分析流程，由于结构的对称性，横梁、纵梁及托梁仅给出一侧的计算结果，柱子只给出其中一根的计算结果。单跨框架结构立柱及梁部配筋计算结果分别如表4、表5所示。

表4 单跨框架结构立柱配筋计算结果(部分单元)表

表5 单跨框架结构梁部配筋计算结果(部分单元)表

由表4、表5的计算结果可知，构件采用计算配筋量时，裂缝最大宽度均满足规范要求。

2.3 拱形明洞结构受力分析

经现场讨论，决定将原设计方案调整为接长明洞方案，明洞主骨架采用HM250型钢拼装组合而成，型钢尺寸根据GB/T 11263-2005《热轧H型钢和剖分T型钢》选定，工字钢固定在沿隧道纵向的矮边墙上。型钢施工阶段的验算主要考虑拱圈混凝土自重、型钢自重及上覆1 m填土荷载(安全储备)。拱形明洞衬砌轴力如图10所示。

图10 拱形明洞衬砌轴力图(N)

由衬砌安全系数计算结果可知，在堆土荷载及地震力荷载共同作用下，衬砌边墙与矮边墙相接位置安全系数不满足规范要求，因此，需要进行配筋设计。拱形明洞衬砌配筋及最大裂缝宽度如表6所示。

表6 明洞衬砌配筋计算结果(部分单元)表

由表6的计算结果可知，拱形明洞采用设计配筋量时，结构裂缝最大宽度为0.07 mm小于规范允许值，结构最大裂缝宽度满足规范要求，因此，设计配筋量满足安全性要求。

2.4 桩基设计及配筋计算

黄土地层桩选用摩擦桩，根据侧向摩阻力计算单桩容许承载力及TB 10002.5-2005《铁路桥涵地基和基础设计规范》，挖孔灌注桩的容许承载力按下式进行计算：

(1)

式中：[P]——挖孔灌注桩的容许承载力(kN)；

U——桩身横截面周长(m)，按成孔桩径计算；

fi——各土层的极限摩阻力(kPa)，本计算根据隧道地质资料，取<3-2>土层极限侧摩阻力为60 kPa；

li——各土层的厚度(m)；

A——桩身截面面积(m2)，按设计桩径计算；

[σ]——桩底地基土的容许承载力(kPa) ；

m0——钻孔灌注桩桩底支承力折减系数，根据TB 100025-2005《铁路桥涵地基和基础设计规范》中表6.2.2-6取值。

根据单桩上部结构荷载，先初步设计桩基有效入土深度为25 m ，单跨上部结构单桩荷载为 3 720 kN，经计算挖孔灌注桩的容许承载力[P]为 6 402.77 kN，当桩基有效入土深度为25 m时桩基自重 1 875 kN，则单桩总荷载为 5 595 kN<6 402.77 kN，故单跨框架桩基长度25 m时可满足承载力要求。郑西客运专线共有7座隧道的9个洞口增设洞口拱形明洞防护结构，设计接长明洞148 m，桩基48根，总长 1 404 m，桩截面2 m×1.5 m，最深的桩挖深36 m。

3 施工过程中遇到的问题及解决方案

由于线路已进入联调联试阶段，接触网导线已经供电，明洞按既有线组织施工。采用螺栓将钢筋混凝土纤维板固定在H型钢下方翼缘板内侧，作为明洞拱部混凝土内模，施工过程中主要问题在于混凝土板安装完后的大量缝隙，现场采用了泡沫填充材料以及胶带等进行填塞堵漏。作为明洞结构的主体拱架最初采用了H350型钢，由于H350型钢弯曲成型困难，故改为H250型钢，满足了加工成型弯曲要求。同时经过拱部厚度优化减薄，桩长可减少3～5 m。吊装施工过程中，由于型钢骨架是逐榀安装，特别需要注意的是保证型钢骨架的纵向稳定，施工现场最终通过焊接不同长度的角钢来进行固定。

纤维混凝土板采用场外预制，现场通过螺栓安装，要求螺栓帽朝上，以防止螺栓帽在长期运营过程中发生脱落。作为直接暴露在洞内潮湿环境中的型钢结构，在场外弯曲成型后应做好涂装防锈处理。钢架吊装安装过程中还需增设焊接纵向角钢，以增加结构整体稳定。

4 结论与展望

本文通过郑西高速铁路开通前在联调阶段增设明洞的工程案例进行分析，得出以下结论：

(1)目前，我国高速铁路隧道普遍采用帽檐斜切式洞门，帽檐高度高出拱顶2 m，在接长明洞时如果要保留帽檐结构，则明洞结构高度要比传统明洞高出2 m。采用框架棚洞和拱形明洞两种结构类型均可实现接长明洞的目的，但比较后认为拱形明洞结构更加合理。

(2)通过吊装H型钢完成明洞主骨架安装，然后将纤维钢筋混凝土板国内首次应用通过螺栓固定在型钢骨架上，混凝土内模与结构合二为一，在主体结构及工艺工法上较好地解决了拱形明洞结构受力及内模安装难题。

(3)隧道洞口接长明洞工程在我国高速铁路建设过程中极为普遍，尤其是联调阶段、甚至是运营阶段，均会遇到大量的此类工程。这就要求尽量实现场外预制，现场吊装安装，以最大限度地减少对运营的干扰。建议今后还应考虑山高谷深桥隧相连的地段，在桥梁设计时统筹考虑在梁部设置明洞的方案。