大斷面淺埋高速鐵路隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究

李澤鈿

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000）

1 引言

高速鐵路速度快、運載能力強(qiáng)、安全可靠，是基礎(chǔ)交通設(shè)施網(wǎng)的關(guān)鍵組成，建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大。隧道工程是鐵路沿線關(guān)鍵的構(gòu)造物，必須嚴(yán)格控制建設(shè)質(zhì)量。相對于一般鐵路隧道而言，大斷面淺埋隧道變形機(jī)理復(fù)雜，施工難度大，如果施工措施選擇不當(dāng)，容易導(dǎo)致隧道坍塌，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。如何選擇經(jīng)濟(jì)合理的施工措施，是技術(shù)人員需要解決的重要問題[1]。因此，進(jìn)一步探討大斷面淺埋高速鐵路隧道施工要點具有重要的工程意義。

2 大斷面淺埋隧道判定

2.1 淺埋隧道判定

由TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》可知，當(dāng)?shù)乇硭交蚪咏?，且隧道結(jié)構(gòu)覆蓋層的厚度滿足式（1）時，可認(rèn)為隧道屬于淺埋隧道[2]。

式中，H為鐵路隧道覆蓋層厚度（從拱頂算起），m；ha為計算高度，m。

淺埋高速鐵路隧道所承受地圍巖壓力具有明顯對稱性（見圖1），其垂直方向壓力q、水平方向壓力e計算公式分別為：

圖1 施工方法對道圍巖變形的影響

式中，γ 為隧道圍巖容重，kN/m3；h為隧頂?shù)降孛娴拇怪备叨?，m；θ 為摩擦角，（°）；B為隧洞寬度，m；hi為內(nèi)外側(cè)任意點至地面垂直高度，m；λ 為巖土體側(cè)壓力系數(shù)。

2.2 大斷面隧道

當(dāng)前，針對大斷面高速鐵路隧道并無統(tǒng)一的定義。日本是利用“開挖斷面面積”將隧道工程劃分成標(biāo)準(zhǔn)斷面、大斷面、超大斷面，對應(yīng)的隧道開挖斷面面積分別為70～80 m2、100～120 m2、＞140 m2。而國際隧道協(xié)會（ITA）是將隧道工程按“凈空斷面面積”進(jìn)行劃分，劃分成極小斷面、小斷面、中等斷面、大斷面、特大斷面，對應(yīng)的凈空斷面面積分別為2～3 m2、3～10 m2、10～50 m2、50～100 m2、＞100 m2。本文建立高速鐵路大斷面隧道判定時參考ITA 標(biāo)準(zhǔn)[3]。

3 大斷面淺埋隧道施工要點分析

3.1 工程概況

本文以某丘陵緩坡地帶的鐵路隧道為研究對象，探討大斷面淺埋高速鐵路隧道施工要點。該高速鐵路隧道為單洞雙線隧道，起訖樁號為DK59+042～DK65+090，長6 048 m，屬于長隧道。隧道下穿某高速公路，開挖斷面約150 m2。根據(jù)施工圖地質(zhì)勘察報告，該大斷面淺埋高速鐵路隧道圍巖從上至下均為泥巖，局部夾雜有泥質(zhì)砂巖，圍巖等級屬于Ⅴ級。同時，隧道所在區(qū)域為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年降雨量較大，年平均降雨量約969～1 022 mm，且大部分雨水集中在6～9 月份，地震峰值加速度為0.10g，在隧道施工過程中不必考慮地震力的影響。

3.2 施工方法比選

高速鐵路隧道主要施工方案有臺階法、 留核心土法、CD法、雙側(cè)壁法等。為了確定合理的大斷面淺埋隧道施工方法，使用有限元軟件MIDAS 建立計算模型，分析了不同施工方法下的圍巖最大變形。

建立有限元模型時，將隧道圍巖和各種支護(hù)結(jié)構(gòu)視為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈塑性材料，且不考慮隧道施工間歇時間。計算模型長寬高取100 m×100 m×25 m，其中，隧道周邊圍巖、噴射混凝土、各種錨桿分別用solid 單元、板單元、cable 單元模擬。隧道計算模型選用正六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終劃分出10 236 個單元、11 388 個節(jié)點。

臺階法（兩臺階施工）、留核心土法、CD 法、雙側(cè)壁法施工大斷面淺埋隧道后，圍巖變形計算結(jié)果如圖1 所示。

圖1計算結(jié)果表明： 不同施工方案下大斷面淺埋高速鐵路隧道的圍巖變形大小關(guān)系為：CD 法＞臺階法＞環(huán)形開挖留核心土法＞雙側(cè)壁法。在大斷面淺埋隧道施工時，要慎重選用CD 法。同時，雙側(cè)壁法施工隧道后圍巖變形最小，僅1.2 mm，故大斷面淺埋隧道施工用雙側(cè)壁法效果更佳。

3.3 進(jìn)洞技術(shù)及超前支護(hù)

3.3.1 隧道進(jìn)洞

大斷面淺埋高速鐵路隧道進(jìn)洞難度大，出現(xiàn)掌子面坍塌的可能性較大。隧道進(jìn)洞施工方案建議使用“明洞暗進(jìn)”，首先，以導(dǎo)向套拱的方式在坡頂施工，以減少施工對周圍地質(zhì)的影響。隨后，施工人員將鋼管導(dǎo)進(jìn)洞內(nèi)，并將漿液沿著鋼管注入隧道洞口周邊的圍巖，提高圍巖的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性；最后，長明洞和洞門同時施工，提高大斷面淺埋隧道進(jìn)洞安全性。

3.3.2 超前支護(hù)

大斷面淺埋隧道常用的支護(hù)方式有超前管棚和超前小導(dǎo)管，其中，管棚主要用于淺埋洞口堆積體、斷層破碎帶地層等，施工時需布置相應(yīng)的管棚工作間。而超前小導(dǎo)管在施工時要有支撐設(shè)備，一般使用風(fēng)鉆鉆孔，用鉆機(jī)將導(dǎo)管頂進(jìn)，以注漿泵注漿。注漿時，注漿壓力盡量控制在0.5～1.0 MPa，可根據(jù)現(xiàn)場施工結(jié)果動態(tài)調(diào)整注漿壓力和漿液配合比[4-5]。

3.4 塌方處治

由上可知，隧道所在區(qū)域降雨量大，為了保證隧道在施工期間的安全性，利用MIDAS 軟件計算了隧道在降雨前后的拱頂沉降，并沿著隧道中心線及兩側(cè)間距0.5 m 布置沉降監(jiān)測點，計算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 隧道降雨前后沉降

圖2計算結(jié)果表明： 鐵路隧道拱頂中心線處的沉降變形最大，且距隧道中心線越遠(yuǎn)，沉降越小。降雨前、降雨后隧道沉降最大值分別是2.2 cm、4.1 cm，沉降增大了90.5%，此時隧道有塌方可能性。主要原因在于[6]：（1）隧道圍巖裂隙較發(fā)育，自穩(wěn)能力差；（2）在連續(xù)降雨條件下，圍巖被軟化，各項強(qiáng)度指標(biāo)大幅下降。兩個原因相互疊加，最終導(dǎo)致隧道塌方。

技術(shù)人員在制訂隧道塌方處治方案時應(yīng)堅持以下原則：（1）隧道要快速封閉處理，嚴(yán)禁人員隨意出入，及時穩(wěn)固既有坍塌面；（2）塌方處治期間安全可靠，做到萬無一失；（3）避免塌方路段繼續(xù)擴(kuò)展，阻礙后期施工；（4）保證隧道塌方施工質(zhì)量，不留下安全隱患。

綜合考慮施工難度、工程造價等因素，建議大斷面淺埋隧道塌方采用“地表注漿法”處理，施工步驟為：頂部坍塌空洞處理→坍塌段徑向注漿→坍塌段開挖→坍塌段支護(hù)。需注意，注漿時要加強(qiáng)觀察塌方附近掌子面圍巖，確保注漿安全性。

4 大斷面淺埋隧道施工參數(shù)確定

4.1 開挖高度確定

由上可知，該大斷面淺埋隧道施工選用雙側(cè)壁法。為了便于討論，定義了“開挖高度比m”，即上部開挖高度與下部開挖高度的比值。在其他計算參數(shù)不變的條件下，利用MIDAS 軟件計算了m=0.7∶0.3、m=0.6∶0.4、m=0.5∶0.5 時隧道拱頂?shù)某两?，計算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同開挖高度比下隧道沉降

由圖3 可知：大斷面淺埋隧道的上部開挖高度越大，隧道拱頂中心沉降也越大。當(dāng)開挖高度比從0.7∶0.3 減小至0.5∶0.5時，隧道工程沉降分別降低了1.3 cm、0.8 cm。因此，大斷面淺埋隧道施工時要注意上部開挖高度不宜過大，以免突然開挖造成垮塌。

4.2 開挖面距離確定

在雙側(cè)壁法中，隧道各部開挖面的距離也會影響隧道施工安全。開挖距離太近，周邊土體干擾大；開挖距離太遠(yuǎn)，對隧道施工組織會產(chǎn)生不良影響。利用MIDAS 軟件模擬各開挖面距離d為0.8 m、1.6 m、2.4 m、3.2 m 時隧道仰拱塑性區(qū)的變化規(guī)律：d=0.8 m 時，仰拱底部塑性區(qū)基本完全貫通；d=1.6 m，隧道仰拱中部的塑性區(qū)貫通，左、右兩側(cè)塑性區(qū)分散；d=2.4 m 和d=3.2 m 時，仰拱底部塑性區(qū)分離，隧道施工時各分部之間的擾動越來越小。

5 結(jié)論

本文研究了大斷面淺埋隧道的施工特點、 施工技術(shù)要點及施工參數(shù)的確定方法，主要得到了以下幾個方面的結(jié)論：

1）大斷面淺埋隧道在施工期間易塌方，對支護(hù)要求更嚴(yán)格，底部易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；

2）大斷面淺埋高速鐵路隧道施工方案包括臺階法、留核心土法、CD 法、雙側(cè)壁法等，其中雙側(cè)壁法施工式圍巖沉降最?。?/p>

3）建議大斷面淺埋隧道進(jìn)洞采用“明洞暗進(jìn)”，并及時處理隧道塌方；

4）大斷面淺埋隧道施工時要注意上部開挖高度不宜過大，合理選擇各部開挖面的距離。