高速鐵路黃土隧道群修建技術(shù)與應(yīng)用——張茅大斷面黃土隧道修建技術(shù)成果總結(jié)

楊建民

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都　610031)

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高速鐵路黃土隧道群修建技術(shù)與應(yīng)用——張茅大斷面黃土隧道修建技術(shù)成果總結(jié)

楊建民

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都610031)

摘要：針對(duì)以張茅隧道為代表的鄭西高鐵大斷面黃土隧道建設(shè)中的一系列技術(shù)難題，通過大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析，對(duì)大斷面黃土隧道修建成套技術(shù)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明： 系統(tǒng)錨桿軸力較小，不超過12 kN，且拱部受壓，邊墻受拉；型鋼、格柵鋼架拱部平均應(yīng)力分別為132 MPa和86 MPa，格柵應(yīng)力相對(duì)均勻；新老黃土預(yù)留變形量建議取值分別為25～28 cm和10～15 cm；深淺埋分界深度為40～60 m；豎向初期支護(hù)與圍巖接觸壓力實(shí)測(cè)較理論計(jì)算值??；淺、深埋隧道二次襯砌平均荷載分擔(dān)比例為50%和10%；激振試驗(yàn)表明激振230萬次后仰拱填充面的沉降穩(wěn)定值≤0.5 mm，隧底飽和黃土未發(fā)現(xiàn)軟化、泥化現(xiàn)象；大斷面黃土隧道一般地段宜采用三臺(tái)階法開挖；砂質(zhì)黃土淺埋下穿高速公路采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)，地表沉降可控制在5 cm以內(nèi)；可采用水泥土擠密樁消除隧道基礎(chǔ)黃土濕陷性；飽和黃土隧道以排為主的方案可行。

關(guān)鍵詞：鄭西高鐵； 黃土隧道； 支護(hù)參數(shù)； 施工方法； 沉降控制； 基礎(chǔ)處理； 動(dòng)力特性； 防排水

0引言

我國(guó)已在黃土地區(qū)修建了大量的鐵路、公路隧道及各種洞室，從開挖凈空5～6 m的窯洞到開挖寬度6～12 m的單雙線鐵路、公路黃土隧道，應(yīng)該說目前我們針對(duì)開挖面積120 m2以下的黃土隧道，設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)比較成熟； 但是，在水位線以下的黃土、濕陷性黃土和軟-流塑流塑狀富水黃土中，修建長(zhǎng)大隧道群，而且多處下穿既有公路、鐵路，國(guó)內(nèi)外尚無建設(shè)先例，因此，需要開展大量的科研工作。

1工程概況及主要技術(shù)難題

1. 1工程概況

鄭州至西安客運(yùn)專線是世界上在大面積濕陷性黃土地區(qū)修建的第1條高速鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，線路全長(zhǎng)458 km，新建黃土隧道28座，總長(zhǎng)53 km，占全線隧道總長(zhǎng)的69%(見表1)。張茅隧道是世界上首座在地下水位線以下的飽和黃土地層修建并鋪設(shè)無砟軌道的大斷面高速鐵路隧道(見圖1)。隧道出口3 200 m地段位于地下水位線以下的第四系中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土，黃土垂直節(jié)理發(fā)育，含豐富的孔隙水，天然含水量23%，地下水水頭高出拱頂約30 m。

1.2主要技術(shù)難題

該線隧道建設(shè)主要面臨5大難題： 1)隧道開挖斷面大(174 m2)，穩(wěn)定性差，變形控制難度大； 2)隧道長(zhǎng)，張茅隧道長(zhǎng)8 483 m,是世界上最長(zhǎng)的黃土隧道，函谷關(guān)隧道長(zhǎng)7 851 m,秦東隧道長(zhǎng)7 684 m，工期風(fēng)險(xiǎn)大； 3)隧底工后沉降標(biāo)準(zhǔn)高(不大于15 mm)，位于水位線以下的黃土、濕陷性黃土隧道基礎(chǔ)沉降控制困難； 4)下穿既有公路和鐵路多(10處)，環(huán)境控制要求高； 5)軟-流塑狀富水黃土隧道多(5座)，施工難度極大。

表1　鄭西高速鐵路黃土隧道分布

圖1　張茅隧道地理位置示意圖

2研究方法

2.1技術(shù)路線

1)既有鐵路、公路黃土隧道運(yùn)營(yíng)情況調(diào)研與并害分析。2)針對(duì)鄭西高鐵大斷面黃土隧道建設(shè)中面臨的諸多技術(shù)難題，課題組結(jié)合科研試驗(yàn)工點(diǎn)張茅、函谷關(guān)、賀家莊和閿鄉(xiāng)等隧道開展了大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并對(duì)全線28座黃土隧道施工全過程進(jìn)行了調(diào)研分析，獲得了10萬余組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析對(duì)本線特有的黃土隧道修建成套技術(shù)進(jìn)行了研究。

2.2研究項(xiàng)目

鄭西高鐵大斷面黃土隧道修建關(guān)鍵技術(shù)問題見表2。在張茅隧道共開展了5項(xiàng)鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃(見表3)。

表2　鄭西高鐵大斷面黃土隧道修建關(guān)鍵技術(shù)問題

表3　張茅隧道開展的鐵道鐵道部科技研究開發(fā)項(xiàng)目

3高速鐵路黃土隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究成果

3.1彈性抗力系數(shù)

利用現(xiàn)場(chǎng)平板載荷試驗(yàn)研究黃土隧道圍巖的水平方向和垂直方向彈性抗力系數(shù)和變形、壓縮模量，為黃土地區(qū)隧道的設(shè)計(jì)提供可靠的計(jì)算參數(shù)。選取具有代表性的河南段閿鄉(xiāng)隧道和陜西段秦東隧道為試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。閿鄉(xiāng)隧道地層屬第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土；秦東隧道為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土。各試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)均在專用洞室進(jìn)行。各試驗(yàn)點(diǎn)彈性抗力系數(shù)、變形模量與埋深關(guān)系以及相關(guān)擬合曲線見圖2和圖3。

圖2　彈性抗力系數(shù)與埋深關(guān)系曲線

Fig. 2Relationship between elastic resistance coefficient and overburden depth of tunnel

圖3　變形模量與埋深關(guān)系曲線

Fig. 3Relationship between deformation modulus and overburden depth of tunnel

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果如下：

1)新黃土(Q3)彈性抗力系數(shù)建議取值為50～120 MPa/m，根據(jù)埋深變化選取。

2)老黃土(Q2、Q1)彈性抗力系數(shù)建議取值為125～180 MPa/m，根據(jù)埋深變化選取。

3.2合理支護(hù)參數(shù)

針對(duì)超大斷面黃土隧道的設(shè)計(jì)沒有工程實(shí)踐參考，設(shè)計(jì)理論多借鑒一般非黃土隧道，未完全結(jié)合黃土自身的特點(diǎn)[2]，對(duì)于大斷面黃土隧道設(shè)計(jì)中的支護(hù)參數(shù)選取須進(jìn)行深入研究。

3.2.1系統(tǒng)錨桿作用及設(shè)計(jì)參數(shù)研究

研究方法采用現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)方法，在賀家莊、函谷關(guān)隧道[3]選取試驗(yàn)條件基本相同的淺、深埋試驗(yàn)段進(jìn)行有系統(tǒng)錨桿和無系統(tǒng)錨桿的對(duì)比試驗(yàn)[4]。

3.2.1.1拱頂及拱腳沉降對(duì)比分析

1)有系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段的拱頂沉降為143～147 mm，拱腳沉降為80～93 mm，封閉前拱頂沉降約占93%，封閉后拱頂沉降約占7%； 2)無系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段拱頂沉降為131～159 mm，拱腳沉降為81～141 mm，封閉前拱頂沉降約占94%，封閉后拱頂沉降約占6%； 3)有系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段與無系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段的沉降值基本相等； 4)前1～2 d拱頂沉降與拱腳沉降值基本相同，說明鋼架主要為整體沉降； 5)全斷面封閉后一周左右沉降值基本穩(wěn)定。

3.2.1.2錨桿軸力分布

錨桿最終的軸力分布如圖4所示(圖中負(fù)號(hào)表示錨桿受壓，正號(hào)表示受拉)。

(a)DK273+005斷面

(b)DK273+015斷面

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出：

1) 拱部錨桿均受壓； 2) 邊墻部位錨桿大部分受拉； 3)最終的錨桿軸力普遍很小，拱部最大值小于-19 kN，邊墻最大值一般小于10 kN，只有2個(gè)點(diǎn)最大，分別為15.9 kN和17.8 kN； 4)每根錨桿的最大軸力位于靠近隧道面的測(cè)點(diǎn)。

3.2.1.3小結(jié)

1)有系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段與無系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段的拱頂沉降值、拱腳沉降值及水平收斂值基本相等；2個(gè)試驗(yàn)段的土壓力和鋼架應(yīng)力相差不大；錨桿軸力較小，一般不超過12 kN，且拱部受壓，邊墻受拉。

2)系統(tǒng)錨桿作用不大的主要原因是錨桿的施工延長(zhǎng)了各部的封閉時(shí)間，也延長(zhǎng)了全斷面的封閉時(shí)間。有系統(tǒng)錨桿試驗(yàn)段斷面的封閉時(shí)間一般為480 h，無錨桿試驗(yàn)段斷面的封閉時(shí)間一般為360 h，而斷面的及早封閉對(duì)控制變形非常有效。

3)取消拱部系統(tǒng)錨桿后可減少施工工序，加快開挖面及早封閉和全斷面初期支護(hù)及早閉合，能有利于控制支護(hù)沉降與變形，可保證隧道初期支護(hù)的結(jié)構(gòu)安全[5]。

3.2.2型鋼和格柵鋼架的適用條件研究

在賀家莊隧道選取試驗(yàn)條件基本相同的2個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行型鋼鋼架與格柵鋼架的對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試內(nèi)容有：拱頂下沉、拱腳下沉、水平收斂、圍巖壓力和初期支護(hù)鋼架應(yīng)力等。由試驗(yàn)結(jié)果綜合分析型鋼鋼架與格柵鋼架適應(yīng)性。

3.2.2.1水平收斂對(duì)比分析

1)型鋼鋼架試驗(yàn)段拱腳處的水平收斂為31～38 mm，封閉前約占83%，封閉后約占17%； 2)格柵鋼架試驗(yàn)段拱腳水平收斂為27～48 mm，封閉前約占90%，封閉后約占10%； 3)型鋼試驗(yàn)段與格柵試驗(yàn)段的水平收斂基本相等； 4)斷面封閉后一周左右水平收斂基本穩(wěn)定。

3.2.2.2型鋼與格柵鋼架應(yīng)力對(duì)比分析

型鋼與格柵鋼架試驗(yàn)段測(cè)試斷面的鋼架應(yīng)力分布如圖5所示，負(fù)號(hào)表示受壓。

由圖5可以看出： 1)拱部及邊墻鋼架內(nèi)、外翼緣均受壓； 2)型鋼拱部應(yīng)力平均約132 MPa，邊墻平均約63 MPa，仰拱應(yīng)力最小為-0.2～-63.1 MPa； 3)格柵拱部應(yīng)力平均86 MPa，拱腰平均91.2 MPa，拱腳平均62.4 MPa，邊墻平均32.2 MPa，仰拱部位鋼架應(yīng)力最小為+2.3～-65.8 MPa； 4)型鋼應(yīng)力總體上大于格柵應(yīng)力，且型鋼應(yīng)力分布很不均勻，而格柵應(yīng)力相對(duì)比較均勻。

(a)DK241+980斷面應(yīng)力(型鋼)

(b)DK242+063斷面應(yīng)力(格柵)

3.2.2.3小結(jié)

1)型鋼比格柵試驗(yàn)段的拱頂沉降與拱腳沉降略大，水平收斂基本相等；型鋼應(yīng)力總體上大于格柵應(yīng)力，型鋼應(yīng)力分布很不均勻，格柵鋼架應(yīng)力相對(duì)比較均勻；土壓力普遍很小，一般只有幾十kPa，總體上看型鋼鋼架段土壓力較格柵鋼架段大些。

2)當(dāng)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)后掘進(jìn)3.2 m(即測(cè)點(diǎn)埋設(shè)后1 d，開挖2個(gè)循環(huán)，安裝4榀鋼架)時(shí)，型鋼鋼架的拱頂沉降達(dá)總沉降的25%，水平收斂達(dá)總收斂的29%，最大應(yīng)力達(dá)總應(yīng)力的33%；格柵鋼架的拱頂沉降達(dá)總沉降的27%，水平收斂達(dá)總收斂的34%，最大應(yīng)力達(dá)總應(yīng)力的34%。說明鋼架的早期受力較小。

3)型鋼鋼架及格柵鋼架均能適用于IV級(jí)黏質(zhì)老黃土隧道，但由于鋼架的早期受力較小，而格柵后期承載能力、圍巖接觸條件較好，圍巖壓力、鋼架應(yīng)力分布較均勻，以及經(jīng)濟(jì)考慮，采用格柵鋼架替代型鋼鋼架更具優(yōu)越性。

3.3深淺埋分界高度

通過鄭西線黃土隧道施工過程地表裂縫現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及深淺埋臨界深度的計(jì)算，綜合分析本線大斷面黃土隧道的深淺埋分界深度為40～60 m，新黃土(Q3、Q4)隧道可取上限55～60 m，老黃土(Q1、Q2)隧道取下限40～50 m。各種方法的深淺埋分界情況如表4所示。

表4各種方法的深淺埋分界情況

Table 4Critical value between deep and shallow overburden using different methods

界定方法判定依據(jù)參數(shù)結(jié)論現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研 地表裂縫發(fā)生、發(fā)展深度及寬度情況全線隧道地表裂縫調(diào)研 深淺埋分界深度為40～60m;超淺埋界定深度為≤11m《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》淺埋破壞模式P=0,即W1+2W2=2Fy內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c老黃土:40m;新黃土:60m修正的太沙基理論推導(dǎo) 按極限荷載的80%計(jì)算臨界深度 內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c、密度ρ、側(cè)壓力系數(shù)λ老黃土:50m;新黃土:55m

黃土隧道和非黃土隧道比較可知： 按照目前通用的深淺埋分界計(jì)算方法確定，鄭西線非黃土隧道分界值為36 m，較上述黃土隧道分界值小。

不同斷面黃土隧道比較可知： 根據(jù)以往對(duì)普通單雙線黃土隧道的調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料，深淺埋分界深度，單線隧道為15～25 m，雙線隧道為20～50 m，兩者一般可取小值。

3.4圍巖壓力

在鄭西線淺埋黃土隧道施工過程中，針對(duì)地表產(chǎn)生過大的沉降及裂縫，大家都擔(dān)心是否土體全部重量作用在初期支護(hù)上，這關(guān)系到初期支護(hù)能否承擔(dān)土體荷載及施工安全問題。這里以幾座淺埋隧道實(shí)測(cè)豎向初期支護(hù)和圍巖接觸壓力，與賀家莊隧道豎向荷載的理論計(jì)算值對(duì)比見圖6(圖中鐵二院實(shí)測(cè)值為賀家莊隧道，鐵一院實(shí)測(cè)值為秦東隧道實(shí)測(cè))，其中由于實(shí)測(cè)為徑向接觸壓力，將徑向力轉(zhuǎn)換為豎向力、水平力，淺埋荷載為根據(jù)規(guī)范淺埋計(jì)算方法，深埋荷載依據(jù)為太沙基理論。

圖6　賀家莊隧道豎向圍巖壓力對(duì)比圖

Fig. 6Relationship between vertical stress of surrounding rocks and overburden depth of Hejiazhuang tunnel

由圖6可知，在地表產(chǎn)生裂縫下沉的情況下，實(shí)測(cè)豎向初期支護(hù)與圍巖接觸壓力仍然較理論計(jì)算小，作用在初期支護(hù)上的圍巖壓力并非土體全部重量。圍巖與初期支護(hù)接觸壓力在初期支護(hù)封閉后持續(xù)增大，但幅度不大。

3.5預(yù)留變形量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出具有較高保證率的設(shè)計(jì)預(yù)留變形量。

3.5.1Ⅳ級(jí)圍巖預(yù)留變形量

在Ⅳ級(jí)圍巖條件下，以拱頂下沉量測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，當(dāng)給定不同的預(yù)留變形量時(shí)，其對(duì)應(yīng)的保證率關(guān)系如圖7所示。

圖7　依據(jù)拱頂下沉確定預(yù)留變形量時(shí)對(duì)應(yīng)保證率(Ⅳ級(jí)圍巖)

Fig. 7Guarantee rates under different reserved deformations (surrounding rock grade Ⅳ, according to invert settlement)

由圖7可知，當(dāng)設(shè)計(jì)預(yù)留變形量分別取75、100、250 mm時(shí)，其保證率分別為93%、97%和100%?？紤]現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)的離散性，同時(shí)兼顧較高的保證率，建議在Ⅳ級(jí)圍巖老黃土區(qū)段，隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量可取75～100 mm。

3.5.2Ⅴ級(jí)圍巖預(yù)留變形量

在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，以拱頂下沉量測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，當(dāng)給定不同的預(yù)留變形量時(shí)，其對(duì)應(yīng)的保證率關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)設(shè)計(jì)預(yù)留變形量分別取20、25和28 cm時(shí)，其保證率分別為53%、83%和96%?？紤]現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)的離散性，同時(shí)兼顧較高的保證率，建議在Ⅴ級(jí)圍巖新黃土區(qū)段，隧道設(shè)計(jì)預(yù)留變形量可取25～28 cm。

圖8　依據(jù)拱頂下沉確定預(yù)留變形量時(shí)對(duì)應(yīng)保證率(Ⅴ級(jí)圍巖)

Fig. 8Guarantee rates under different reserved deformations (surrounding rock grade Ⅴ, according to invert settlement)

3.5.3小結(jié)

通過本課題的系統(tǒng)研究，得出了如下結(jié)論。

3.5.3.1預(yù)留變形量關(guān)鍵控制因素

當(dāng)隧道初期支護(hù)封閉后，隧道周邊位移基本上不再發(fā)展。因此，隧道初期支護(hù)封閉時(shí)間是控制隧道預(yù)留變形量的一個(gè)重要因素。

3.5.3.2設(shè)計(jì)預(yù)留變形量

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可知，在Ⅳ級(jí)圍巖條件下，設(shè)計(jì)隧道預(yù)留變形量建議取值10～15 cm；在Ⅴ級(jí)圍巖條件下，設(shè)計(jì)隧道預(yù)留變形量建議取值25～28 cm。

3.6二次襯砌荷載分擔(dān)比例

對(duì)實(shí)測(cè)初期支護(hù)及二次襯砌背后接觸壓力進(jìn)行分析，通過斷面圍巖壓力豎向、水平合力比算法，確定二次襯砌承受的荷載分擔(dān)比例。

1)按豎向、水平圍巖壓力合力比算法，淺埋黃土隧道二次襯砌荷載分擔(dān)比例在51%～53%，平均荷載分擔(dān)比例約為50%。

2)按豎向、水平圍巖壓力合力比算法，深埋黃土隧道二次襯砌荷載分擔(dān)比例在8%～13%，平均荷載分擔(dān)比例約為10%。

3.7飽和黃土隧道基底動(dòng)力穩(wěn)定性

課題組首次在現(xiàn)場(chǎng)開展了模擬高速列車運(yùn)營(yíng)的飽和黃土隧道地基動(dòng)力特性試驗(yàn)，揭示了隧道基底在高速列車動(dòng)載下的變形規(guī)律。位于地下水位線以下的黃土隧道，基底在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過程中是否會(huì)泥化、軟化是必須回答的問題(見圖9)。通過現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)激振230萬次后仰拱填充面的沉降穩(wěn)定值≤0.5 mm等綜合分析，得出隧道工后沉降能滿足客運(yùn)專線無碴軌道運(yùn)營(yíng)要求的結(jié)論[6](見圖10)。

圖9　軟化程度檢測(cè)

圖10　現(xiàn)場(chǎng)激振試驗(yàn)

3.7.1仰拱填充面累計(jì)沉降-激振次數(shù)變化關(guān)系

仰拱填充面累計(jì)沉降隨激振次數(shù)的變化關(guān)系大致分為以下3個(gè)階段: 1)初始穩(wěn)定階段，即當(dāng)累計(jì)激振次數(shù)≤100萬次時(shí)，仰拱填充面激振累計(jì)沉降(塑性沉降)基本保持常值，為≤0.15 mm； 2)沉降發(fā)展階段，即當(dāng)100萬次<累計(jì)激振次數(shù)≤180萬次時(shí)，仰拱填充面激振累計(jì)沉降累計(jì)快速增加至0.46 mm； 3)穩(wěn)定階段，即當(dāng)180萬次<累計(jì)激振次數(shù)≤230萬次時(shí)，仰拱填充面激振累計(jì)沉降大致保持不變，趨于穩(wěn)定，為≤0.5 mm。仰拱填充面累計(jì)沉降-激振次數(shù)關(guān)系見圖11。

圖11　仰拱填充面累計(jì)沉降-激振次數(shù)關(guān)系

Fig. 11Relationship between accumulated settlement of invert and excitation times

3.7.2振動(dòng)速度-深度變化關(guān)系

對(duì)仰拱填充面、填充混凝土以及仰拱底部土體中由于激振引發(fā)的振動(dòng)速度進(jìn)行了實(shí)測(cè)。其中填充面最大振動(dòng)速度為1.6 mm/s； 仰拱下土體中的最大振動(dòng)速度為1.03 mm/s； 隧底下3 m深處振動(dòng)速度衰減至0.2 mm/s，該處振動(dòng)速度隨激振頻率增加無明顯變化，可認(rèn)為此深度是激振影響的界限。振動(dòng)速度隨深度變化關(guān)系曲線如圖12所示。

圖12　振動(dòng)速度-深度變化關(guān)系

3.7.3小結(jié)

激振試驗(yàn)表明，仰拱底部黃土最大振動(dòng)速度為1.03 mm/s，仰拱下3 m處黃土振動(dòng)速度衰減至0.2 mm/s，即高速列車振動(dòng)對(duì)隧底土體影響深度約為3 m；激振230萬次以后仰拱填充面的沉降穩(wěn)定值≤0.5 mm。在激振試驗(yàn)后，隧底土體的每10 cm貫入擊數(shù)都在40左右，說明該處黃土處于堅(jiān)硬狀態(tài)。因此可以判定，當(dāng)激振230萬次后，隧底飽和黃土沒有發(fā)生軟化、泥化現(xiàn)象。

4高速鐵路黃土隧道施工技術(shù)研究成果

4.1施工方法

張茅隧道采用三臺(tái)階七步法開挖[7]，即在隧道開挖過程中，分7個(gè)開挖面，以前后7個(gè)不同的位置相互錯(cuò)開同時(shí)開挖，然后分部同時(shí)支護(hù)，形成支護(hù)整體，縮短作業(yè)循環(huán)時(shí)間，逐步向縱深推進(jìn)的作業(yè)方法。鄭西高鐵黃土隧道3種常用開挖方法現(xiàn)場(chǎng)見圖13—15[8]。

圖13　CRD法

圖14　雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

圖15　三臺(tái)階法

大斷面黃土隧道除個(gè)別下穿地表建筑物地段宜采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法或CRD法外，一般地段宜采用三臺(tái)階法開挖。三臺(tái)階七步開挖法就是在以張茅隧道為代表的鄭西高鐵大斷面黃土隧道群中形成成熟的國(guó)家一級(jí)工法、發(fā)明專利、技術(shù)指南后在全國(guó)隧道施工中推廣應(yīng)用，且已成為我國(guó)交通隧道軟弱圍巖主要的開挖方法。

4.2淺埋隧道地表沉降控制

鄭西高鐵閿鄉(xiāng)隧道下穿連霍高速公路工程具有地質(zhì)條件差(砂質(zhì)黃土)、隧道開挖斷面大(175 m2)、下穿距離長(zhǎng)(270 m)、隧道埋深淺(10 m)、隧道上方高速公路重載和超載車輛多、動(dòng)載影響大等特點(diǎn)，同時(shí)要求隧道雙向施工、路面不中斷行車，施工安全風(fēng)險(xiǎn)大[9]。

下穿高速公路方案包括雙層大管棚、雙層初期支護(hù)、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，要及時(shí)封閉雙側(cè)壁和整個(gè)初期支護(hù)。下穿高速公路段初期支護(hù)見圖16。施工中左側(cè)上導(dǎo)坑(1部室)距仰拱的距離控制在23～28 m，仰拱距二次襯砌的距離控制在22～32 m。左中右上半斷面完成一個(gè)循環(huán)的時(shí)間為13.5 h[10]。

按照上述方案順利完成了閿鄉(xiāng)隧道下穿段的施工，在隧道下穿連霍高速公路的施工過程中，公路路面未發(fā)生開裂及可見沉陷現(xiàn)象，洞內(nèi)初期支護(hù)拱頂沉降6 cm，公路路面最大沉降量4.5 cm，保證了施工及運(yùn)營(yíng)安全[11]。

圖16　下穿高速公路初期支護(hù)示意

4.3濕陷性黃土隧道基礎(chǔ)處理

結(jié)合隧道內(nèi)空間有限、施工干擾大和振動(dòng)控制嚴(yán)的特點(diǎn)，采用水泥土擠密樁消除隧道基礎(chǔ)黃土濕陷性，由于擠密樁在成孔和成樁施工過程中均會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，影響初期支護(hù)的安全，因此通過調(diào)整施工參數(shù)來減小施工振動(dòng)，保證施工安全。

大斷面黃土隧道洞口段一般采用CRD法施工，分4部開挖。隧道內(nèi)初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、施工機(jī)械、擠密樁和振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖17和圖18。

圖 17　隧道擠密樁施工斷面

圖18　施工現(xiàn)場(chǎng)

在鳳凰嶺隧道施工中，對(duì)擠密樁單機(jī)和多機(jī)作業(yè)的振動(dòng)情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的主要項(xiàng)目為最大垂直振速、水平振速、主頻和對(duì)應(yīng)的峰值加速度。隧道內(nèi)地面靠近初期支護(hù)墻角1 m范圍內(nèi)垂直最大振動(dòng)速度為4.646～7.216 cm/s。當(dāng)振動(dòng)速度在此范圍內(nèi)時(shí)，初期支護(hù)未出現(xiàn)開裂、過大變形，初期支護(hù)處于安全狀態(tài)?？紤]適當(dāng)?shù)陌踩珒?chǔ)備，擠密樁施工時(shí)隧道內(nèi)地面靠近初期支護(hù)墻角1 m范圍內(nèi)，振速控制在3～4 cm/s[12]。

4.4飽和黃土隧道防排水技術(shù)

提出了“快速封閉、集中引排、噴層早強(qiáng)、保護(hù)基底”的施工階段防排水措施。通過對(duì)飽和黃土隧道排水中細(xì)顆粒含量、化學(xué)成分和水壓力的測(cè)試，驗(yàn)證了飽和黃土隧道運(yùn)營(yíng)階段防排水措施的可靠性。

針對(duì)張茅隧道黃土段位于地下水位線以下，運(yùn)營(yíng)排水存在以下幾個(gè)問題： 1) 隧道長(zhǎng)期排水是否會(huì)帶走土壤中的細(xì)顆粒，而導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)和圍巖之間產(chǎn)生空洞(溯源侵蝕)，影響隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)；2)隧道排水系統(tǒng)是否會(huì)因?yàn)橥寥乐屑?xì)顆粒的流失而阻塞、失效，作用在隧道襯砌上的地下水壓逐漸上升，造成結(jié)構(gòu)逐漸破壞。通過對(duì)隧道排水中細(xì)顆粒、水化學(xué)成分和隧底水壓力進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，提出在飽和黃土隧道中采用以排為主的設(shè)計(jì)方案是可行的。圍巖和隧道結(jié)構(gòu)間沒有形成空洞，排水系統(tǒng)沒有堵塞。

4.4.1細(xì)顆粒測(cè)試及分析

根據(jù)國(guó)家飲用水細(xì)、微顆粒分析標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，將水中細(xì)顆粒的粒徑分為12級(jí)，即0.000 5～0.125 mm。通過對(duì)隧道襯砌泄水孔中排水細(xì)顆粒含量變化的長(zhǎng)期測(cè)試，分析排水中土體顆粒的流失情況。其中粒徑小于0.125 mm的細(xì)顆粒含量隨時(shí)間變化如圖19所示。

圖19　粒徑小于0.125 mm的細(xì)顆粒含量隨時(shí)間變化圖

Fig. 19Content of fine particle with diameter smaller than 0.125 mm vs. drainage time

測(cè)試結(jié)論如下： 隨著時(shí)間的推移，水中細(xì)顆粒含量均呈逐漸減小趨勢(shì)，約600 d后，水中細(xì)顆粒的含量急劇減小并趨于零，呈穩(wěn)定狀態(tài)，表明隧道排水不能再帶走襯砌背后土中的細(xì)顆粒。

4.4.2化學(xué)成分測(cè)試分析

在張茅隧道二次襯砌施作完成后的2006—2008年，對(duì)隧道排水進(jìn)行了11次水化學(xué)分析。分析項(xiàng)目包括pH值、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽氮含量、亞硝酸鹽氮含量、鈣含量和溶解性總固體含量。通過隧道排水化學(xué)成分的測(cè)試，分析土體內(nèi)可溶性物質(zhì)的流失情況。其中，溶解性總固體含量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖20所示。

圖20　溶解性總固體含量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)

測(cè)試結(jié)論如下： 隨著時(shí)間推移，隧道排水中可溶解性總固體的含量明顯減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。這表明能被排水帶走的可溶性固體物質(zhì)逐漸減少，并趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。

4.4.3隧底水壓力監(jiān)測(cè)及分析

為測(cè)試隧道竣工后基底水壓力值，于2007年8—9月，在張茅隧道DK225+148～+151和DK225+141～+145埋設(shè)測(cè)量?jī)x器。通過在隧底初期支護(hù)和土體之間埋設(shè)高精度孔隙水壓計(jì)，對(duì)測(cè)試斷面邊墻腳排水孔處至仰拱底土體中的水壓力進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)間為2007年9月3日到2008年8月20日。水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖21所示。

圖21　隧底實(shí)測(cè)水壓力分布

由圖21可見，盡管隧道底以上有30 m左右高的地下水頭，實(shí)測(cè)水壓力最大值不超過25 kPa。隨著時(shí)間的推移，隧底水壓力趨于穩(wěn)定，并且最大值不超過25 kPa(泄水孔至仰拱底的高度)，這說明排水系統(tǒng)可行、有效[13]。

4.5黃土沖溝處理

沖溝異常發(fā)育是黃土地區(qū)地貌一大特征，黃土對(duì)水極具敏感性，經(jīng)常一場(chǎng)雨之后，地表地形就會(huì)發(fā)生較大改變。對(duì)于集中排水的沖溝，一場(chǎng)雨就可能下切2 m深，原來淺埋隧道拱部可能露出，若處理不好，會(huì)影響隧道主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在函谷關(guān)隧道2號(hào)沖溝處理中，采用1 m直徑的大口徑機(jī)械洛陽(yáng)鏟成孔，快速有效施作剛性咬合樁，使得隧道下穿黃土沖溝處理簡(jiǎn)單易行，有效防止了地表水對(duì)沖溝的掏蝕，效果顯著(見圖22—24)。

圖22　沖刷后的沖溝

圖23　機(jī)械洛陽(yáng)鏟成孔

圖24　修建好的沖溝

5展望

鄭西高鐵于2010年2月6日正式開通以來，經(jīng)過5年多的運(yùn)營(yíng)檢驗(yàn)，總體情況良好。大斷面黃土隧道基底穩(wěn)定、可靠，滿足高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)需要。目前我國(guó)黃土地區(qū)除鄭西高鐵外，已經(jīng)開通的還有大西、蘭新和西寶高鐵，正在施工的有寶蘭高鐵，今后我國(guó)在黃土地區(qū)還將建設(shè)包括銀西高鐵在內(nèi)的多條高速鐵路。大斷面黃土隧道還須在濕陷性黃土隧道基底處理、洞口高陡邊坡及橋隧相連處防護(hù)設(shè)計(jì)、更大斷面的黃土隧道修建技術(shù)等方面繼續(xù)開展研究。

6科研主要完成單位

鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 鄭西鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司, 中鐵十二局集團(tuán)有限公司, 石家莊鐵道大學(xué), 西南交通大學(xué), 北京交通大學(xué), 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，蘭州交通大學(xué)。

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Construction Technology and Application of Railway Tunnel Group in

Loess: A Case Study of Zhangmao Large Cross-sectional Tunnel

YANG Jianmin

(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:During the construction of Zhangmao large cross-sectional tunnel in loess on Zhengzhou-Xi’an high-speed railway, various technical problems were met. In this paper, the construction technologies for large cross-sectional tunnel in loess are proposed on the basis of field tests and theoretical analysis. The results show that: 1) The axial force of the anchor bolt is smaller than 12 kN in the support system. The tunnel arch is under compression and the side wall is under tension. 2) The average stress on the shaped-steel is 132 MPa, and that on the girder is 86 MPa. The stress imposed on the girder is even. 3) The deformation allowance of the surrounding rock Grade V is 25～28 cm, and that for Grade IV is 10～15 cm. 4) The critical value between deep and shallow overburden is 40～60 m. 5) The measured contact stress between the primary support and surrounding rock is smaller than theoretical calculations. 6) The secondary lining of shallow tunnel shares 50% of load, and the secondary lining of deep tunnel shares 10% of load. 7) The vibration excitation test shows that the value of invert settlement is smaller than 0.5 mm after 2, 300, 000 times of excitation, and the saturated loess beneath the tunnel floor never goes soften or argillized. 8) The three-step excavation method is preferred for large-diameter tunnel construction in loess. 9) The ground surface settlement can be controlled within 5 cm when double side drift method is used in construction of shallow sandy loess tunnel undercrossing highway. 10) The cement-soil compaction piles can be used to eliminate the collapsibility of loess. 11) The drainage scheme of “drainage taks the first place” is suitable for tunnel construction in saturated loess.

Keywords:Zhengzhou-Xi’an high-speed railway; tunnel construction in loess; supporting parameters; construction technology; settlement control; foundation treatment; water proof and drainage

中圖分類號(hào)：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1672-741X(2016)01-0113-10

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.018

作者簡(jiǎn)介：楊建民(1968—)，男，陜西西安人，1991年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，隧道及地下工程專業(yè)，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事隧道設(shè)計(jì)工作。E-mail： yyyjjjmm@163.com。

收稿日期：2015-04-28； 修回日期： 2015-08-13