长大明挖隧道回填土堆载预压研究

于进江 王久军 岳 岭 凌云鹏

(1.京张城际铁路有限公司，北京 100070； 2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

近年来，中国高速铁路迎来了一轮新的建设高潮。高速铁路隧道的修建应执行“早进晚出”的原则[1-5](即在隧道进出口设置明洞结构)，采用小型机械对明洞进行分层回填，分层厚度不小于0.3 m，两侧回填土的高差不小于0.5 m[6-8]。对于常规的隧道来说，明洞相对较短，一般只有几十米或几百米，明洞回填对隧道工期的影响微乎其微。受线路线形、地质条件和周边地表环境的影响，近年来涌现出了一批明挖隧道，如石家庄六线隧道[9]、京沈客专扣莫明洞[10]、紫金港隧道[11]、郑州至新郑机场城际铁路机场隧道[12]、长沙三环线隧道[13]等，这些明挖隧道长度较长，主体结构浇筑完成后，隧道回填占用的时间较长，对隧道工期起着至关重要的作用。

以京张高铁东花园隧道为工程背景，针对东花园隧道工期紧张、回填土含水率高、难以碾压密实等特点，对隧道回填土采用堆载预压的方法来提高其压实度，为国内外类似工程提供参考依据。

1 工程概况

1.1 新建工程概况

东花园隧道位于河北省张家口市怀来县东花园镇，进口里程为DK82+770，出口里程为DK87+740，全长4 970 m，最大埋深约8.1 m。

东花园隧道隧址区地势平坦、开阔，线路两侧多为耕地。地层岩性主要为第四系全新统冲洪积层粉土、黏性土、砂类土及碎石土，第四系上更统湖积层粉土、粉质黏土、砂类土。地下水类型为孔隙水，主要赋存于第四系洪坡积层中；受官厅水库影响，地下水埋深3.0～10 m。

1.2 衬砌类型

全隧采用明挖放坡施工、拱形明洞衬砌，环境作用等级为冻融环境D2，抗渗等级为P10，主体结构均采用C40钢筋混凝土，衬砌支护参数见表1。

表1 双线明洞整体式衬砌支护参数

1.3 现场施工情况

受限于隧道用地属性的特殊性，东花园隧道实际进场时间滞后指导性施工组织计划6个月。按照工期要求，东花园隧道2018年6月30日土建完工，2018年9月30号明挖基坑回填完成，工期十分紧张；受降雨、降雪及地下水位等影响，开挖土体含水率高，且周边均为耕地，临时弃渣场征地困难，开挖土体回填前不能进行有效晾晒，导致难以分层碾压密实。

洞顶回填面在运营期间将恢复为农田，对地形的平整度和压实度要求不高，回填至原地面后，可以适当多回填一部分，既能起到压密回填土的作用，同时可以在地面线以上保留一定的土层作为后期沉降预留，避免出现固结沉降漏斗。

2 堆载高度研究

在堆载预压情况下，由于明洞顶部覆土厚度大于设计覆土厚度，需要对不同覆土厚度的明洞衬砌进行强度和裂缝检算，在保证结构安全性的前提下，得出结构能承受的最大覆土厚度。

2.1 计算模型

本次结构计算主要考虑荷载结构自重和围岩压力、水压力、施工荷载、明洞顶部堆载等。

按照平面应变假设，采用“荷载-结构”模型，纵向取单位长度，采用SAP84有限元分析软件进行计算。将结构覆土换算成上竖向土压力和侧向土压力，进行结构内力计算。地层反力由弹簧单元模拟，结构自重由程序自动加载。

本隧道明洞衬砌分两种类型：0～4 m覆土衬砌、4～10 m覆土衬砌。验算时，分别取不同覆土厚度下的结构进行承载能力和裂缝控制验算，得出结构所承受的最大覆土厚度。

2.2 计算结果

计算完成后，经验算，0～4 m覆土衬砌拱顶可承受的最大覆土厚度为12 m，4～10 m覆土衬砌拱顶可承受的最大覆土厚度为16 m。其计算结果如图1～图4所示。

图1 0～4 m覆土衬砌拱顶覆土12 m弯矩(单位：kN·m)

图2 0～4 m覆土衬砌拱顶覆土12 m轴力(单位：kN)

图3 4～10 m覆土衬砌拱顶覆土16 m弯矩(单位：kN·m)

图4 4～10 m覆土衬砌拱顶覆土16 m轴力(单位：kN)

2.3 衬砌验算

拱顶最大覆土厚度条件下，不同衬砌类型明洞结构控制截面内力如表2、表3所示。

表2 0～4 m覆土衬砌截面内力

表3 4～10 m覆土截面内力

由表2、表3可知，对于0～4 m覆土衬砌和4～10 m覆土衬砌，分别在拱顶覆土12 m、16 m情况下结构满足承载能力要求，同时临时裂缝宽度可控制在0.35 mm以内，故可取覆土12 m、16 m分别作为0～4 m覆土衬砌和4～10覆土衬砌的最大允许覆土厚度。

3 堆载预压固结度及沉降值计算

堆载预压法是处理软弱地基的一种有效方法，其原理是利用天然地基土层本身的透水性或设置在地基中的竖向排水体，通过在地表加载预压使土体中孔隙水排出，在总应力不变的情况下有效应力增大，土体逐渐固结，地基土被压实[14-15]。根据东花园隧道现场回填情况，回填土土质疏松，孔隙比大，采用堆载预压的方法可以有效提高回填土的固结度。

3.1 固结度计算方法

固结度计算是堆载预压设计的一个重要内容，通过计算各级荷载作用下不同时刻的地基固结度，可以推算出各级荷载作用下的地基土强度，在此基础上确定加载情况，并推算沉降情况。

目前，计算固结度常用的计算方法有改进太沙基法和改进高木俊介法[16-20]。

本次计算采用JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》所推荐的改进高木俊介法，该方法考虑了竖向排水固结度Ux，由Ur和Ux两者联合起来得出Urx，其固结度理论公式为

U=1-αe-βt

(1)

公式(1)对于仅竖向排水固结或竖向排水固结与径向排水固结联合作用都适用，所不同的是α与β两个参数的不同。对于一级或多级等数加荷条件下，当固结时间为t时，对应总荷载的地基平均固结度可按下式计算

(2)

qi——第i级荷载的加载速率/(kPa/d)；

∑Δp——各级荷载的累加值/kPa；

Ti-1、Ti——分别为第i级荷载加载的起始和终止时间(从零点起算)，当计算第i级荷载加载过程中某时间t的固结度时，Ti改为t；

α、β——参数，根据地基土排水固结条件，按JCJ79—2012《建筑地基处理规范》表5.2.7采用。对竖井地基，表中所列β为不考虑涂抹和井阻影响的参数值。

3.2 基本计算参数

计算参数是控制计算结果准确性的重要因素。为保证计算结果的准确性，选取现场回填土进行土工试验：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，原状土孔隙比en=0.7。

3.3 加载方式

明洞回填高度超过设计高度时，第一、二级堆载高度为3 m，剩余级数堆载高度均为2 m，直至堆载至最大覆土，堆载时间为90 d，加载图式如图5所示。图5中加载最大荷载仅为示意，实际堆载时应根据明洞类型和设计覆土厚度来确定合适的堆载高度。根据回填土ei-pi关系曲线，可得出不同堆载条件下的土体孔隙比ei(如表4所示)。

图5 回填加载示意

堆载厚度/m堆载大小pi/kPa孔隙比ei345.60.971691.20.9128121.60.884101520.861

3.4 固结度和残留堆载高度计算

结合土工试验参数，根据土力学相关计算公式和改进高木俊介法，计算出达到设计压实度的土体最终沉降量、堆载作用下产生的沉降量、土体平均固结度和清除堆载时需要额外保留的土体高度，计算结果如表5所示。

表5 固结度和残留堆载高度计算结果

对表5计算结果进行分析，可以得出堆载高度与固结度、堆载压密沉降量、保留土高度之间的曲线关系，如图6～图8所示。

图6 不同堆载高度下固结度与压缩土层厚度之间的关系曲线

图7 不同堆载高度下堆载压密沉降量与压缩土层厚度之间的关系曲线

图8 不同堆载高度下保留土高度与压缩土层厚度之间的关系曲线

由图6～图8可知，在堆载条件下，土体的固结度随着压缩土层厚度的增大而呈幂函数形式减小，且固结度受堆载高度的影响不大；堆载压密沉降量随压缩土层厚度的增加而线性增加，且堆载高度对堆载压密沉降量影响较大；保留土高度随压缩土层厚度的增加而线性增加；在相同的压缩土层厚度条件下，堆载高度对保留土高度影响较小。

当堆载高度为3 m时，土体固结度较大，虽然堆载引起的土体沉降量偏小，但固结后保留土高度与其他工况相比差距不大。采用SAP84有限元软件对堆载3 m时的结构进行验算(结果见表6、表7)，结构强度和裂缝宽度均能满足规范要求。因此，选用3 m堆载高度是比较合适的。

表6 0～4 m覆土衬砌覆土7 m截面内力

表7 4～10 m覆土覆土13 m截面内力

4 结论

以京张高铁东花园隧道为工程背景，通过有限元软件对结构覆土进行验算，得出不同衬砌类型明洞所能承受的最大覆土厚度，利用改进高木俊介法对明洞回填土堆载预压进行计算，可以得出如下结论。

(1)0～4 m覆土明洞衬砌拱顶最大允许覆土厚度为12 m，4～10 m覆土明洞衬砌拱顶最大允许覆土厚度为16 m。

(2)在堆载条件下，土体的固结度随着压缩土层厚度的增大而呈幂函数形式减小，且固结度受堆载高度的影响不大；在相同的压缩土层厚度条件下，堆载高度对保留土高度影响较小。

(3)当堆载高度为3 m时，结构强度和裂缝宽度均在规范规定的范围内，且固结后保留土高度与其他堆载高度相比差别不大。因此，选用3 m堆载高度比较合适。

(4)堆载预压可以加快明洞回填土的固结沉降，为提高明洞回填效率提供了一个新的解决思路。