忻州隧道下穿大运高速公路技术方案研究

王洪昌，马志富，曾 青，奂光坤

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142；2.四川港航开发有限责任公司，四川 成都 610041)

忻州隧道下穿大运高速公路技术方案研究

王洪昌1，马志富1，曾 青1，奂光坤2

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142；2.四川港航开发有限责任公司，四川 成都 610041)

为解决大西客运专线忻州隧道下穿大运高速公路时可能引发的路面沉降及结构安全问题，对黄土浅埋隧道采用新意法+新奥法相结合的方式下穿高速公路进行了三维数值模拟，研究工法中不同设计参数及施工方案下的可行性及施工对地面沉降的影响等，结合现场实际发现忻州隧道下穿段采用新意法+新奥法相结合的设计参数(双侧壁导坑法开挖、循环进尺8 m、搭接段长度4 m的上半掌子面加固、120 m通长管棚超前加固、短进尺、早封闭)进行施工是可行的。

新意法；浅埋隧道；黄土；高速公路；数值模拟

0 引言

随着中国高速铁路隧道建设的快速发展，出现了越来越多的穿越工程，其中浅埋隧道下穿高速公路就是一种比较常见的穿越，施工中如何控制高速路面沉降，保证路面行车及隧道的安全是该类工程设计和施工的难点，此类穿越在黄土地层中尤其难以控制[1-2]。前人对浅埋下穿隧道进行的大量研究表明，采用双侧壁导坑、CRD等工法能够将地表沉降控制在10～80 mm[3-7]，这对于掌子面稳定、地表沉降要求标准低的下穿工程是可行的，但一旦遇到像忻州隧道这样，地表最大沉降要求<20 mm，并且其开挖易发生土体流失的新黄土夹砂层而言，采用常规方式难以完全保证地表沉降满足设计要求。

本文对忻州隧道采用新奥法+新意法相结合的理念穿越大运高速公路的施工过程进行三维数值模拟，分析其开挖力学行为及变形状况，并根据数值分析结果应用到现场实际中，以期有效控制掌子面的土体流失问题，同时控制地面沉降在20 mm以内。

1 工程概况

大西铁路客运专线原平至运城段的忻州隧道全长3 083 m，隧道洞身于DK206+734.7～+782.3斜穿大运高速公路，隧道下穿的高速公路路面宽约25 m，下穿路面段长约为34 m，高速公路与隧道洞身夹角约48°11′37″，隧道开挖洞顶至公路路面高约27 m，开挖洞顶至高速公路路堑边坡顶约34 m。隧道开挖宽度约为15.2 m，开挖高度约为13.0 m，属大跨度浅埋隧道。忻州隧道下穿大运高速平面位置关系图如图1所示。

忻州隧道下穿段地表覆新黄土，黄褐色，坚硬-硬塑，颗粒均匀，具大孔隙，含薄层细圆砾土和钙质结核层，夹多层浅棕红色古土壤层。下伏老黄土夹砂，浅棕红色，土体紧密，局部含冲积类砂土，无黏聚力，开挖易引起土体流失。此段围岩分级情况为Ⅴ级。与岩质地层相比，黄土地层土体强度低、自承能力差、变形大，湿陷性黄土受水影响强烈，一旦受水浸泡达到一定程度，其强度将明显降低，隧道开挖扰动极易引起整体性塌陷，造成严重后果。

2 方案选取

为确保隧道下穿施工不影响大运高速公路的安全运营，下穿施工必须控制地面沉降，参照相关工程经验及规范，最终制定了忻州隧道下穿大运高速段的变形管理值，如表1所示。

表1忻州隧道下穿大运高速段变形管理值
Table 1 Management values of deformation of Xinzhou tunnel crossing underneath Datong-Yuncheng highway

开挖阶段极限值/mm警戒值/mm变形速率/(mm/d)洞内收敛、拱顶下沉1682．4地表沉降20162．5

忻州隧道一般浅埋段隧道施工采用三台阶临时仰拱法，现场监控量测数据表明，忻州隧道一般浅埋段地面沉降在64～89 mm，这对于地面沉降无特殊要求的段落采用此工法施工是可行的。观察表1发现，若在忻州隧道下穿大运高速段仍采用三台阶临时仰拱法施工根本无法保证变形在控制范围之内，尤其是隧道上方还存在着重载车辆的动荷载影响，因此必须研究新的施工方案。

CRD法、双侧壁导坑法是目前控制隧道施工变形较为有效的施工工法，对以上工法进行三维计算表明在采取相同开挖步距的情况下，2种施工工法分别较三台阶临时仰拱法地面沉降减少约56%和68%，但其仍不能满足忻州隧道下穿大运高速段变形管理值要求，根据现场实际并参照相关工程经验，该隧道拟采用新意法+新奥法中的双侧壁导坑开挖方式完成下穿施工[8-9]。

忻州隧道下穿段采用的具体施工步骤为：1)超前管棚施工；2)掌子面加固；3)隧道掌子面开挖；4)施作初期支护；5)仰拱回填并施作二次衬砌。本下穿段隧道的主要支护措施初步定为：拱部150°范围内施设外径159 mm、壁厚9 mm、套管200×6 mm的超前管棚支护；拱部140°范围内施设外径42 mm、壁厚3.5 mm的超前小导管支护；施作玻纤锚杆加固掌子面；初期支护为35 cm厚的C25喷射混凝土，钢拱架采用I25a，间距0.5 m；二次衬砌为60 cm厚的C35混凝土。

3 采用新意法下穿大运高速公路数值分析

3.1 模型建立

根据隧道施工对周边土体影响范围为2～3倍的洞径，选取下穿高速公路段120 m长隧道为研究对象，模型上边界取至地表，下边界取3倍洞高约40 m，左右边界取3倍洞跨约为45 m，模型左右边界施加X方向的位移约束，前后边界施加Y方向的位移约束，模型底部施加Z方向的位移约束，具体模型如图2所示。土层采用摩尔-库仑模型，支护结构材料采用弹性模型，参照相关地勘资料及相关规范[10]，对加固区围岩参数进行合理提升，材料具体参数见表2。

图2 三维模型计算图

考虑到本工法需要控制的设计参数较多，本文仅对超前加固措施(无超前管棚、20 m每循环分段管棚、120 m通长管棚)、掌子面范围(掌子面不加固、掌子面上半断面加固、掌子面全断面加固)、开挖步距(开挖进尺分别为0.5，1.0 m)及二次衬砌施设时机(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)等对变形控制影响较大的参数进行了对比分析，建立了多种计算模型，为保证分析结果具有可比性，在分析每一影响参数时，其他参数保持一致。

表2 材料物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of materials

3.2 超前加固措施及范围对隧道下穿段的影响分析

不同超前管棚加固长度的计算(此时掌子面上半断面超前加固)表明，120 m通长管棚、20 m每循环分段管棚、无管棚3种超前加固措施下的地表下沉值分别为1.53，1.59，3.91 cm。采用通长120 m超前管棚与20 m分段管棚时地表下沉值比较接近，而无管棚时地表下沉值约为有管棚情况的2.5倍，说明布设管棚对于控制下穿段的竖向位移值是有效的。对比通长管棚、20 m每循环分段管棚发现，虽然二者下沉值差别不大，但是考虑到本计算中未考虑分段管棚需要施设多个管棚洞室，同时分段管棚延缓了下穿施工的进度，延长了隧道的封闭时间，最后分段管棚施工还多次扰动了下穿段土体，将增加竖向下沉值，因此建议采用通长管棚的施设方式(本段120 m管棚长度虽较长，但是下穿段围岩主要为新黄土，超长管棚施设不存在技术困难)。

3种掌子面加固方式计算(此时采用120 m通长管棚)表明，掌子面加固范围越大，竖向位移控制效果越好。其中掌子面未加固、上半断面掌子面加固、全断面加固3种加固方式下地表最大竖向沉降分别为2.18，1.53，1.50 cm。分析不同的加固效果可以发现随着掌子面加固范围的增大，竖向沉降逐渐减少，但其随着掌子面加固范围的增大，竖向沉降减少的速率逐渐降低。考虑到隧道竖向沉降控制值为2 cm，安全经济起见，建议隧道掌子面加固范围为上半断面掌子面(掌子面随各导坑施工步分别进行超前加固)。

3.3 开挖步距及二次衬砌施设时间对隧道下穿段的影响分析

通过对2种不同开挖步距的隧道模型计算分析，发现开挖步距短的隧道，在施工过程中围岩水平、竖直方向的应力小，围岩水平收敛、拱顶下沉、地表沉降小；但初期支护在开挖步距短的隧道模型中受力较大，这与隧道开挖后围岩应力未得到有效释放有关，若初期支护能够及早封闭，作为后期主要承载的二次衬砌受力情况是：开挖步距短的隧道模型，其二次衬砌受力较小，说明初期支护的及时封闭，有效地束缚了围岩的持续变形，其前期的快速封闭时间与初期支护受力较大换回了后期二次衬砌受力更安全。

通过对3种不同二次衬砌施设时间的隧道模型计算分析，发现二次衬砌施设时间晚的隧道，在施工过程中围岩水平、竖直方向的应力小；围岩水平收敛、拱顶下沉、地表沉降大；初期支护在二次衬砌施设时间早的隧道模型中受力较大，这与隧道开挖后围岩应力未得到有效释放有关；二次衬砌施设时间早的隧道模型，其二次衬砌受力较小。

本计算中考虑的是隧道开挖完毕后围岩应力即得到完全释放，同时未考虑隧道顶部高速公路车辆动荷载长期作用及黄土的蠕变效应，因此建议下穿段尽可能地缩小开挖步距，及早施设二次衬砌，避免初期支护垮塌。

3.4 忻州隧道下穿段推荐方案确定

根据上文不同的计算工况得出适用于忻州隧道下穿段的推荐方案如下：采用双侧壁导坑法开挖；施作120 m通长管棚超前支护；上半断面掌子面玻纤锚杆注水泥浆超前加固(参数见表2)，加固循环进尺8 m，搭接段长度4 m；采用小步距短进尺开挖，建议循环开挖进尺与钢拱架间距相同；尽早施作二次衬砌，具体二次衬砌施设时间根据现场施工组织确定。根据推荐方案得到，忻州隧道下穿段的结构受力及变形均在规范许可范围内，具体情况如图3—6所示。

图3 推荐方案竖向位移图

图4 推荐方案应力图

图5 推荐方案初期支护有效应力图Fig.5 Effective stress of primary support of tunnel in proposed scheme

图6 推荐方案二次衬砌有效应力图Fig.6 Effective stress of secondary lining of tunnel in proposed scheme

4 忻州隧道下穿大运高速公路施工控制要点及效果分析

1)施工控制要点。超长管棚施作中应设管棚工作室，同时施工管棚导向墙，钻孔外插角5°，施工中应严格控制钻机下沉量及左右偏移量，插入管棚后及时注入水泥砂浆；玻纤锚杆施工时应垂直打入掌子面，锚杆安装过程中扭矩不得大于34 N·m，玻纤锚杆注纯水泥浆，对掌子面进行开挖时将玻纤锚杆外露部分切断以方便施工；双侧壁导坑法严格按工序施工，参照数值分析结果控制施工步距；初期支护紧跟开挖面及时施作，以减少围岩暴露时间，抑制围岩变形，防止围岩在短期内松弛剥落，为确保结构安全，二次衬砌应及早施作。

2)效果分析。将本文的推荐方案应用于忻州隧道下穿段后，取得了较好的效果，现场监控量测数据表明，隧道开挖后30 d内变形基本趋于稳定，结构及地表变形均在前期确定的变形管理值之内，表明采用新意法+新奥法相结合的方式在浅埋黄土下穿隧道施工中是有效的，现场具体监控量测值如表3所示。

表3监测断面30 d变形值汇总
Table 3 30-day deformation measured at monitoring cross-sections mm

5 结论与建议

1)通过对忻州隧道下穿段的计算表明，采用新意法+新奥法相结合的方式在浅埋黄土下穿隧道施工能够较好地控制隧道变形及地表沉降。

2)在工法的应用过程中应结合现场实际情况进行分析，本工程采用双侧壁导坑法开挖；施作120 m通长管棚超前支护；上半断面掌子面超前加固，加固循环进尺8 m，搭接段长度4 m；采用小步距短进尺开挖，尽早施作二次衬砌等设计施工参数的条件下，有效控制了结构及地表变形均在前期确定的变形管理值之内。

3)现场监测表明，在下穿隧道施工中，地表沉降有效控制在20 mm以内，这是常规施工方法难以比拟的，对于地面沉降控制要求严格的隧道采用新意法进行施工是有效的，但此工法实际施工中存在工期较长的问题，建议研究更方便快捷的施工工法。

4)建议在类似隧道施工期间，严格控制地面行车速度及载重，加强洞内外监控量测，及时修正施工参数，确保施工安全。

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广州投资逾1 800亿元酝酿最大一轮地铁建设

已开通9条地铁的广州正在酝酿新一轮同时也是规模最大的一轮地铁建设。新一轮的广州轨道交通投资将逾1 800亿元，与珠三角城际轨道实现更好的衔接。

日前，广州市发改委在广州市人大常委会第三十四次会议报告上指出，目前广州在建的11条地铁线路预计2017年全部完成，而新一轮的轨道交通建设规划已经经过专家咨询，初步计划在2015—2025年再新建15条、339 km地铁线。

新规划明确致力于完善线网架构，响应今年年初广州所做的重大行政区划调整，与珠三角城际轨道实现更好的衔接。

与珠三角城际网衔接

新一轮的地铁方案在很大程度上是广州城市发展的内在要求。广州地铁建设始于20世纪90年代。经过20多年的建设，目前已建成并开通共9条、261 km地铁线，日均客流达600万人次，解决了广州近40%的通勤要求。这些已建成线路覆盖了广州8个行政区域，尚有增城、从化、花都、萝岗未覆盖。

现阶段广州正在进行第二轮大规模地铁建设——总长达262 km的11条地铁线，目前这些线路进展顺利，计划于2016—2017年陆续建成，可实现广州十区二市的全覆盖。

总投资逾1 800亿元

公开数据显示，2014年广州已全面开工11条地铁线(段)，在建总里程262 km，涉及总投资1 407亿元，平均每km投资约5.37亿元。照此推测，新一轮的广州轨道交通投资将逾1 800亿元。

(摘自 新浪财经 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，山东烟台人，2013年毕业于西南交通大学，桥梁与隧道工程专业，硕士，助理工程师，主要从事隧道技术研究工作。

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

U 455.5

B

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