忻州隧道下穿大運高速公路技術方案研究

王洪昌，馬志富，曾 青，奐光坤

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142；2.四川港航開發有限責任公司，四川 成都 610041)

忻州隧道下穿大運高速公路技術方案研究

王洪昌1，馬志富1，曾 青1，奐光坤2

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142；2.四川港航開發有限責任公司，四川 成都 610041)

為解決大西客運專線忻州隧道下穿大運高速公路時可能引發的路面沉降及結構安全問題，對黃土淺埋隧道采用新意法+新奧法相結合的方式下穿高速公路進行了三維數值模擬，研究工法中不同設計參數及施工方案下的可行性及施工對地面沉降的影響等，結合現場實際發現忻州隧道下穿段采用新意法+新奧法相結合的設計參數(雙側壁導坑法開挖、循環進尺8 m、搭接段長度4 m的上半掌子面加固、120 m通長管棚超前加固、短進尺、早封閉)進行施工是可行的。

新意法；淺埋隧道；黃土；高速公路；數值模擬

0 引言

隨著中國高速鐵路隧道建設的快速發展，出現了越來越多的穿越工程，其中淺埋隧道下穿高速公路就是一種比較常見的穿越，施工中如何控制高速路面沉降，保證路面行車及隧道的安全是該類工程設計和施工的難點，此類穿越在黃土地層中尤其難以控制[1-2]。前人對淺埋下穿隧道進行的大量研究表明，采用雙側壁導坑、CRD等工法能夠將地表沉降控制在10～80 mm[3-7]，這對于掌子面穩定、地表沉降要求標準低的下穿工程是可行的，但一旦遇到像忻州隧道這樣，地表最大沉降要求<20 mm，并且其開挖易發生土體流失的新黃土夾砂層而言，采用常規方式難以完全保證地表沉降滿足設計要求。

本文對忻州隧道采用新奧法+新意法相結合的理念穿越大運高速公路的施工過程進行三維數值模擬，分析其開挖力學行為及變形狀況，并根據數值分析結果應用到現場實際中，以期有效控制掌子面的土體流失問題，同時控制地面沉降在20 mm以內。

1 工程概況

大西鐵路客運專線原平至運城段的忻州隧道全長3 083 m，隧道洞身于DK206+734.7～+782.3斜穿大運高速公路，隧道下穿的高速公路路面寬約25 m，下穿路面段長約為34 m，高速公路與隧道洞身夾角約48°11′37″，隧道開挖洞頂至公路路面高約27 m，開挖洞頂至高速公路路塹邊坡頂約34 m。隧道開挖寬度約為15.2 m，開挖高度約為13.0 m，屬大跨度淺埋隧道。忻州隧道下穿大運高速平面位置關系圖如圖1所示。

忻州隧道下穿段地表覆新黃土，黃褐色，堅硬-硬塑，顆粒均勻，具大孔隙，含薄層細圓礫土和鈣質結核層，夾多層淺棕紅色古土壤層。下伏老黃土夾砂，淺棕紅色，土體緊密，局部含沖積類砂土，無黏聚力，開挖易引起土體流失。此段圍巖分級情況為Ⅴ級。與巖質地層相比，黃土地層土體強度低、自承能力差、變形大，濕陷性黃土受水影響強烈，一旦受水浸泡達到一定程度，其強度將明顯降低，隧道開挖擾動極易引起整體性塌陷，造成嚴重后果。

2 方案選取

為確保隧道下穿施工不影響大運高速公路的安全運營，下穿施工必須控制地面沉降，參照相關工程經驗及規范，最終制定了忻州隧道下穿大運高速段的變形管理值，如表1所示。

表1忻州隧道下穿大運高速段變形管理值
Table 1 Management values of deformation of Xinzhou tunnel crossing underneath Datong-Yuncheng highway

開挖階段極限值/mm警戒值/mm變形速率/(mm/d)洞內收斂、拱頂下沉1682．4地表沉降20162．5

忻州隧道一般淺埋段隧道施工采用三臺階臨時仰拱法，現場監控量測數據表明，忻州隧道一般淺埋段地面沉降在64～89 mm，這對于地面沉降無特殊要求的段落采用此工法施工是可行的。觀察表1發現，若在忻州隧道下穿大運高速段仍采用三臺階臨時仰拱法施工根本無法保證變形在控制范圍之內，尤其是隧道上方還存在著重載車輛的動荷載影響，因此必須研究新的施工方案。

CRD法、雙側壁導坑法是目前控制隧道施工變形較為有效的施工工法，對以上工法進行三維計算表明在采取相同開挖步距的情況下，2種施工工法分別較三臺階臨時仰拱法地面沉降減少約56%和68%，但其仍不能滿足忻州隧道下穿大運高速段變形管理值要求，根據現場實際并參照相關工程經驗，該隧道擬采用新意法+新奧法中的雙側壁導坑開挖方式完成下穿施工[8-9]。

忻州隧道下穿段采用的具體施工步驟為：1)超前管棚施工；2)掌子面加固；3)隧道掌子面開挖；4)施作初期支護；5)仰拱回填并施作二次襯砌。本下穿段隧道的主要支護措施初步定為：拱部150°范圍內施設外徑159 mm、壁厚9 mm、套管200×6 mm的超前管棚支護；拱部140°范圍內施設外徑42 mm、壁厚3.5 mm的超前小導管支護；施作玻纖錨桿加固掌子面；初期支護為35 cm厚的C25噴射混凝土，鋼拱架采用I25a，間距0.5 m；二次襯砌為60 cm厚的C35混凝土。

3 采用新意法下穿大運高速公路數值分析

3.1 模型建立

根據隧道施工對周邊土體影響范圍為2～3倍的洞徑，選取下穿高速公路段120 m長隧道為研究對象，模型上邊界取至地表，下邊界取3倍洞高約40 m，左右邊界取3倍洞跨約為45 m，模型左右邊界施加X方向的位移約束，前后邊界施加Y方向的位移約束，模型底部施加Z方向的位移約束，具體模型如圖2所示。土層采用摩爾-庫侖模型，支護結構材料采用彈性模型，參照相關地勘資料及相關規范[10]，對加固區圍巖參數進行合理提升，材料具體參數見表2。

圖2 三維模型計算圖

考慮到本工法需要控制的設計參數較多，本文僅對超前加固措施(無超前管棚、20 m每循環分段管棚、120 m通長管棚)、掌子面范圍(掌子面不加固、掌子面上半斷面加固、掌子面全斷面加固)、開挖步距(開挖進尺分別為0.5，1.0 m)及二次襯砌施設時機(距先行掌子面16 m、距先行掌子面22 m和距先行掌子面28 m)等對變形控制影響較大的參數進行了對比分析，建立了多種計算模型，為保證分析結果具有可比性，在分析每一影響參數時，其他參數保持一致。

表2 材料物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of materials

3.2 超前加固措施及范圍對隧道下穿段的影響分析

不同超前管棚加固長度的計算(此時掌子面上半斷面超前加固)表明，120 m通長管棚、20 m每循環分段管棚、無管棚3種超前加固措施下的地表下沉值分別為1.53，1.59，3.91 cm。采用通長120 m超前管棚與20 m分段管棚時地表下沉值比較接近，而無管棚時地表下沉值約為有管棚情況的2.5倍，說明布設管棚對于控制下穿段的豎向位移值是有效的。對比通長管棚、20 m每循環分段管棚發現，雖然二者下沉值差別不大，但是考慮到本計算中未考慮分段管棚需要施設多個管棚洞室，同時分段管棚延緩了下穿施工的進度，延長了隧道的封閉時間，最后分段管棚施工還多次擾動了下穿段土體，將增加豎向下沉值，因此建議采用通長管棚的施設方式(本段120 m管棚長度雖較長，但是下穿段圍巖主要為新黃土，超長管棚施設不存在技術困難)。

3種掌子面加固方式計算(此時采用120 m通長管棚)表明，掌子面加固范圍越大，豎向位移控制效果越好。其中掌子面未加固、上半斷面掌子面加固、全斷面加固3種加固方式下地表最大豎向沉降分別為2.18，1.53，1.50 cm。分析不同的加固效果可以發現隨著掌子面加固范圍的增大，豎向沉降逐漸減少，但其隨著掌子面加固范圍的增大，豎向沉降減少的速率逐漸降低。考慮到隧道豎向沉降控制值為2 cm，安全經濟起見，建議隧道掌子面加固范圍為上半斷面掌子面(掌子面隨各導坑施工步分別進行超前加固)。

3.3 開挖步距及二次襯砌施設時間對隧道下穿段的影響分析

通過對2種不同開挖步距的隧道模型計算分析，發現開挖步距短的隧道，在施工過程中圍巖水平、豎直方向的應力小，圍巖水平收斂、拱頂下沉、地表沉降小；但初期支護在開挖步距短的隧道模型中受力較大，這與隧道開挖后圍巖應力未得到有效釋放有關，若初期支護能夠及早封閉，作為后期主要承載的二次襯砌受力情況是：開挖步距短的隧道模型，其二次襯砌受力較小，說明初期支護的及時封閉，有效地束縛了圍巖的持續變形，其前期的快速封閉時間與初期支護受力較大換回了后期二次襯砌受力更安全。

通過對3種不同二次襯砌施設時間的隧道模型計算分析，發現二次襯砌施設時間晚的隧道，在施工過程中圍巖水平、豎直方向的應力小；圍巖水平收斂、拱頂下沉、地表沉降大；初期支護在二次襯砌施設時間早的隧道模型中受力較大，這與隧道開挖后圍巖應力未得到有效釋放有關；二次襯砌施設時間早的隧道模型，其二次襯砌受力較小。

本計算中考慮的是隧道開挖完畢后圍巖應力即得到完全釋放，同時未考慮隧道頂部高速公路車輛動荷載長期作用及黃土的蠕變效應，因此建議下穿段盡可能地縮小開挖步距，及早施設二次襯砌，避免初期支護垮塌。

3.4 忻州隧道下穿段推薦方案確定

根據上文不同的計算工況得出適用于忻州隧道下穿段的推薦方案如下：采用雙側壁導坑法開挖；施作120 m通長管棚超前支護；上半斷面掌子面玻纖錨桿注水泥漿超前加固(參數見表2)，加固循環進尺8 m，搭接段長度4 m；采用小步距短進尺開挖，建議循環開挖進尺與鋼拱架間距相同；盡早施作二次襯砌，具體二次襯砌施設時間根據現場施工組織確定。根據推薦方案得到，忻州隧道下穿段的結構受力及變形均在規范許可范圍內，具體情況如圖3—6所示。

圖3 推薦方案豎向位移圖

圖4 推薦方案應力圖

圖5 推薦方案初期支護有效應力圖Fig.5 Effective stress of primary support of tunnel in proposed scheme

圖6 推薦方案二次襯砌有效應力圖Fig.6 Effective stress of secondary lining of tunnel in proposed scheme

4 忻州隧道下穿大運高速公路施工控制要點及效果分析

1)施工控制要點。超長管棚施作中應設管棚工作室，同時施工管棚導向墻，鉆孔外插角5°，施工中應嚴格控制鉆機下沉量及左右偏移量，插入管棚后及時注入水泥砂漿；玻纖錨桿施工時應垂直打入掌子面，錨桿安裝過程中扭矩不得大于34 N·m，玻纖錨桿注純水泥漿，對掌子面進行開挖時將玻纖錨桿外露部分切斷以方便施工；雙側壁導坑法嚴格按工序施工，參照數值分析結果控制施工步距；初期支護緊跟開挖面及時施作，以減少圍巖暴露時間，抑制圍巖變形，防止圍巖在短期內松弛剝落，為確保結構安全，二次襯砌應及早施作。

2)效果分析。將本文的推薦方案應用于忻州隧道下穿段后，取得了較好的效果，現場監控量測數據表明，隧道開挖后30 d內變形基本趨于穩定，結構及地表變形均在前期確定的變形管理值之內，表明采用新意法+新奧法相結合的方式在淺埋黃土下穿隧道施工中是有效的，現場具體監控量測值如表3所示。

表3監測斷面30 d變形值匯總
Table 3 30-day deformation measured at monitoring cross-sections mm

5 結論與建議

1)通過對忻州隧道下穿段的計算表明，采用新意法+新奧法相結合的方式在淺埋黃土下穿隧道施工能夠較好地控制隧道變形及地表沉降。

2)在工法的應用過程中應結合現場實際情況進行分析，本工程采用雙側壁導坑法開挖；施作120 m通長管棚超前支護；上半斷面掌子面超前加固，加固循環進尺8 m，搭接段長度4 m；采用小步距短進尺開挖，盡早施作二次襯砌等設計施工參數的條件下，有效控制了結構及地表變形均在前期確定的變形管理值之內。

3)現場監測表明，在下穿隧道施工中，地表沉降有效控制在20 mm以內，這是常規施工方法難以比擬的，對于地面沉降控制要求嚴格的隧道采用新意法進行施工是有效的，但此工法實際施工中存在工期較長的問題，建議研究更方便快捷的施工工法。

4)建議在類似隧道施工期間，嚴格控制地面行車速度及載重，加強洞內外監控量測，及時修正施工參數，確保施工安全。

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廣州投資逾1 800億元醞釀最大一輪地鐵建設

已開通9條地鐵的廣州正在醞釀新一輪同時也是規模最大的一輪地鐵建設。新一輪的廣州軌道交通投資將逾1 800億元，與珠三角城際軌道實現更好的銜接。

日前，廣州市發改委在廣州市人大常委會第三十四次會議報告上指出，目前廣州在建的11條地鐵線路預計2017年全部完成，而新一輪的軌道交通建設規劃已經經過專家咨詢，初步計劃在2015—2025年再新建15條、339 km地鐵線。

新規劃明確致力于完善線網架構，響應今年年初廣州所做的重大行政區劃調整，與珠三角城際軌道實現更好的銜接。

與珠三角城際網銜接

新一輪的地鐵方案在很大程度上是廣州城市發展的內在要求。廣州地鐵建設始于20世紀90年代。經過20多年的建設，目前已建成并開通共9條、261 km地鐵線，日均客流達600萬人次，解決了廣州近40%的通勤要求。這些已建成線路覆蓋了廣州8個行政區域，尚有增城、從化、花都、蘿崗未覆蓋。

現階段廣州正在進行第二輪大規模地鐵建設——總長達262 km的11條地鐵線，目前這些線路進展順利，計劃于2016—2017年陸續建成，可實現廣州十區二市的全覆蓋。

總投資逾1 800億元

公開數據顯示，2014年廣州已全面開工11條地鐵線(段)，在建總里程262 km，涉及總投資1 407億元，平均每km投資約5.37億元。照此推測，新一輪的廣州軌道交通投資將逾1 800億元。

(摘自 新浪財經 http://finance.sina.com.cn/china/dfjj/20141031/034020692683.shtml)

StudyonConstructionSchemeofXinzhouTunnelCrossingUnderneathDatong-YunchengHighway

WANG Hongchang1,MA Zhifu1,ZENG Qing1,HUAN Guangkun2

(1.TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300142,China;2.SichuanPortandChannelDevelopmentCo.,Ltd.,Chengdu610041,Sichuan,China)

Xinzhou tunnel on Datong-Xi’an passenger-dedicated railway crosses underneath Datong-Yuncheng highway.Therefore,serious ground surface settlement and safety risks may occur in the construction of Xinzhou tunnel.In the paper,3D simulation is made on the construction of the section of Xinzhou tunnel crossing underneath Datong-Yuncheng highway by means of ADECR-RS and NATM,and study is made on the feasibility of different design parameters and different construction schemes,as well as on the influence on the ground surface settlement.Conclusion is drawn that the construction of the section of Xinzhou tunnel crossing underneath Datong-Yuncheng highway by means of ADECR-RS and NATM is feasible,with the design parameters as follows: excavation by double side heading method,cyclic advance rate being 8 m,reinforcing of the top heading with 4 m reinforcement overlap,advance support by 120 m pipe roof,short advance rate and early ring closing.

ADECO-RS; tunneling under shallow cover; loess; highway tunnel; numerical simulation

2014-09-08;

2014-09-14

王洪昌(1986—)，男，山東煙臺人，2013年畢業于西南交通大學，橋梁與隧道工程專業，碩士，助理工程師，主要從事隧道技術研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.011

U 455.5

B

1672-741X(2014)11-1082-05