京广高速铁路石家庄六线隧道建设关键技术

万　清， 李怀鉴， 杜华林， 马志富， 张桂扬， 于全胜， 刘　勇， 王　众

(1. 铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津　300251; 2. 北京中铁隧建筑有限公司, 北京　100022;

3. 石家庄铁道大学, 河北 石家庄　050043)



京广高速铁路石家庄六线隧道建设关键技术

万清1， 李怀鉴1， 杜华林2， 马志富1， 张桂扬1， 于全胜2， 刘勇3， 王众1

(1. 铁道第三勘察设计院集团有限公司, 天津300251; 2. 北京中铁隧建筑有限公司, 北京100022;

3. 石家庄铁道大学, 河北 石家庄050043)

摘要：石家庄六线隧道与一般的铁路隧道不同，属于城市隧道工程，其规模与复杂程度在国内地下隧道工程中尚属首例。为确保隧道工程的顺利实施，同时也为今后类似隧道穿越城市工程提供借鉴与参考，在石家庄六线隧道设计、施工过程中，经过研究论证、理论计算、模拟分析、方案比选优化、现场试验和重难点技术科研攻关，成功解决了穿城入地连拱多跨超长距离隧道营业线施工技术难题，形成了松软地层超宽基坑围护技术、紧邻既有线带状基坑工程安全防护技术、连拱隧道下穿运营铁路安全防护技术、宽体隧道下穿城市主干道技术等一系列关键技术，以及客运专线铁路穿越城区修建技术重点科研成果。

关键词：石家庄六线隧道； 城市隧道工程； 连拱隧道； 深基坑； 既有线； 下穿

0引言

众所周知，石家庄是一座被火车拉来的城市。多年以来，石家庄沿着铁路两侧发展，石家庄编组站和石家庄客运站均位于城市中心，京广线横穿主城区，铁路像分割线一样把石家庄分为桥东和桥西。近年来随着石家庄的发展，铁路造成的城市分割弊端日益凸显：东、西区域城市规划无法连续，导致区域经济发展不同步；土地利用价值增长缓慢；东西向交通穿行只能走地下通道，繁忙时间交通压力巨大；汛期地道雨水倒灌，给百姓出行造成很大影响，甚至造成局部瘫痪。为使城市分割成为历史，实现可持续发展，根据城市发展空间战略，在京广高铁穿越石家庄时，经过反复论证，最终确定了石家庄市铁路枢纽工程建设方案(见图1)： 搬迁既有火车站和铁路货运系统，在既有的石家庄编组站位置建设新火车站，在永壁建设设施先进、配套齐全的铁路货运站，实现铁路客货分流，并在城区段采用地下方式敷设新建铁路和既有铁路，形成国内第一条穿城入地的合体隧道——石家庄六线隧道。

石家庄六线隧道与一般的铁路隧道不同，属于城市隧道工程，其规模与复杂程度在国内地下隧道工程中尚属首例。整座隧道紧邻既有运营铁路，同时，由于隧道地处城市中心地带，周边环境极其复杂，隧道所处地层全部为Ⅵ级围岩松软地层[1]，此类型的城市隧道工程以往没有成功实例可供参考；因此，隧道设计和施工难点重重，极具挑战。

石家庄六线隧道在设计、施工过程中，经过研究论证、理论计算、模拟分析、方案比选优化、现场试验和重难点技术科研攻关等，形成了一系列关键技术，可为今后类似隧道穿越工程提供借鉴和参考。

图1　石家庄铁路枢纽总布置示意图

1工程概况

1.1隧道概况

石家庄六线隧道自北向南纵穿石家庄市主城区，是京广高速铁路引入石家庄枢纽的关键工程。工程地处石家庄市二环内，北起石纺路，南至槐安东路，线路基本沿既有京广线东侧敷设(见图2)，是一条六线并行(局部七线)、普速与高速并存的庞大地下工程。隧道包含京石客运专线正线(双线)、改建京广线正线(双线)、石青客运专线正线(双线)、石太联络线(单线)。其中，改建京广线、京石客专和石青客专速度目标值分别为160、350、160 km/h，隧道正线全长4 980 m。

1.2地表环境概况

石家庄六线隧道穿越城市中心地带，周边建筑稠密，道路纵横交错，管线密布。隧道西侧紧邻运营中的京广线、石德铁路等既有铁路；下穿既有石太直通线高路堤；下穿石家庄市和平路、正东路、中山路、裕华路4条东西向城市主干道；隧道影响范围内需拆迁改移的市政、铁路管线无数，周边环境极其复杂。

1.3地质条件

1.3.1地层岩性

隧道场地岩性主要为新黄土、黏性土、粉土、砂类土及碎石土。隧道所处地层主要为黏性土及砂类土，全部为Ⅵ级围岩松软地层。

1.3.2地下水情况

石家庄市区现状地下水水位埋深48.70～50.30 m(高程23.28～25.00 m)，抗浮设防水位为地下6 m(高程59 m)。

1.4施工方法

石家庄六线隧道除下穿既有石太直通线段(80 m)采用暗挖法施工、下穿市政道路段(218 m)采用盖挖法施工外，其他段落均采用明挖法施工，明挖基坑宽26～50 m，深9.5～21 m，为长大深基坑工程。各种典型工法现场照片见图3—6。

图2　石家庄六线隧道总平面示意图

Fig. 3Mined construction site of the tunnel crossing underneath Shijiazhuang-Taiyuan line

图4　下穿市政道路盖挖施工

Fig. 4Cut-and-cover top-down construction site of the tunnel crossing underneath municipal road

图5　隧道明挖段施工(锚索段)

Fig. 5Construction site of cut-and-cover tunnel (anchor cable section)

图6　隧道明挖段施工(混凝土支撑+锚索段)

Fig. 6Construction site of cut-and-cover tunnel (concrete support and anchor cable section)

2主要工程措施

2.1隧道建筑限界和主要断面轨上净空面积

石家庄六线隧道内京石客专建筑限界采用《新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设[2007]47号)中“客运专线铁路建筑限界”[2]，改建京广线、石青客专和石太联络线的建筑限界采用TB 10003—2005中 “电力牵引隧道建筑限界”[3]。隧道典型断面限界见图7。

2.2隧道断面型式

石家庄六线隧道结构断面型式繁多，结构断面宽26～50 m，高约13 m，隧道最大埋深约22 m(至基坑底)，各种典型隧道断面型式见图8—11。

图7　隧道典型断面限界图(单位： cm)

图8　石家庄六线隧道三跨标准断面图(单位： cm)

图9　局部七线四跨标准断面图(单位： cm)

2.3围护结构

明挖段基坑根据基坑与既有线距离的不同，主要采用的围护结构型式有2种： 1)钻孔灌注桩+土钉墙+锚索围护结构(见图12)，适用于一般明挖基坑； 2)钻孔灌注桩+混凝土支撑+锚索围护结构(见图13)，适用于紧邻既有繁忙干线铁路地段。

图10　下穿既有石太直通线暗挖断面图(石青客专未并入段)(单位： cm)

Fig. 10Cross-section of mined tunnel crossing underneath existing Shijiazhuang-Taiyuan line (without Shijiazhuang-Qingdao section) (cm)

图11　两跨标准断面图(石青客专未并入段)(单位： cm)

图12　钻孔灌注桩+土钉墙+锚索围护体系示意图(单位： mm)

图13　钻孔灌注桩+混凝土支撑+锚索围护体系示意图(单位： mm)

2.4洞门和洞口工程

石家庄六线隧道进出口位置配合路基U型槽高度确定。结构进、出口段高出原地面部分应满足1 m覆土，填土坡度1∶2，填土表面植草绿化。考虑洞口段景观U型槽及雨棚结构工程，隧道进、出口段采用直切式洞门(见图14和图15)。

图14　隧道进口洞门(石青客专未并入段)

Fig. 14Tunnel entrance (without Shijiazhuang-Qingdao section)

图15　隧道出口洞门

3重点难题及应对措施

石家庄六线隧道属于城市地下铁路多线合体工程，其规模与复杂程度在国内地下隧道工程中尚属首例，设计施工面临连拱隧道下穿运营铁路安全防护、紧邻既有线带状基坑工程安全防护、宽体隧道下穿城市主干道施工、松软地层超宽基坑的围护等挑战。

3.1连拱隧道下穿运营铁路安全防护技术[4-6]

京石客专及改建京广线双连拱隧道于DK278+300～+380下穿既有石太直通线路堤(平纵断面位置关系见图16)，隧道下穿既有石太直通线段落的双连拱隧道断面宽度约30 m，隧道距离既有线轨面高度约9 m，旁侧还有既有铁路桥，既有线路堤在1996年洪水期间曾被冲垮，抢险时内部填料相当复杂，隧道施工期间既有线需继续运营，且该线车流量极大；因此，隧道施工方案、工程措施、既有线的加固等必需慎重研究，考虑不周将造成工程失败和巨大的人员、财产损失。

针对双连拱浅埋隧道暗挖下穿既有石太直通线段落，采用CRD法进行分步开挖施工，大管棚超前支护，对既有线路进行扣轨加固，对既有线路基及铁路桥桥台进行注浆加固，对施工方法和辅助措施等进行详细设计，保证工程顺利进行；同时，也使沉降得到有效控制，确保既有线的营运安全(现场施工照片见图17和图18)。

3.2紧邻既有线带状基坑工程安全防护技术[7]

整个六线隧道4.98 km范围全部位于京广线、石德铁路等既有运营铁路的东侧(见图19)，其中，中山路—裕华路段(原石家庄站，约1 km)隧道基坑距离既有线路基的最近处仅有5 m(见图20)。因此，隧道基坑围护结构型式的选择、既有线一侧土体的加固措施、隧道施工过程中对既有线的沉降变形影响等尤为重要，稍有不慎将对既有线的运营和安全构成严重威胁。

(a) 平面图

(b) 纵断面图

Fig. 16Diagram of tunnel section crossing underneath existing Shijiazhuang-Taiyuan line (m)

图17　隧道下穿既有石太直通线双连拱暗挖施工照片

Fig. 17Mined construction site of the tunnel crossing underneath Shijiazhuang-Taiyuan line

图18　既有石太直通线路基边坡注浆加固

Fig. 18Side slope grouting reinforcement of roadbed of Shijia-zhuang-Tiayuan line

图19　隧道紧邻京广线施工平面图

Fig. 19Construction plan of the tunnel adjacent to Beijing-Guangzhou railway

图20　隧道紧邻既有线施工

根据基坑与既有线距离，设定3个基坑安全等级：基坑距既有线边缘净距≤0.75H(H为基坑深度)为特级基坑；0.75H<基坑距既有线边缘净距

1)基坑距既有线边缘净距≤0.75H时，采用φ1 200@1 800钻孔灌注桩+混凝土支撑+预应力锚索围护型式。靠近既有线一侧围护桩外，从地面往下采用袖阀管注浆加固地层，加固深度为地面下3 m至基坑底下2 m(见图21)。

图21　既有线一侧注浆加固

2)基坑距既有线边缘净距在0.75H<净距

3)基坑距既有线边缘净距≥H时，采用φ1 000@1 500钻孔灌注桩+预应力锚索(基坑上部约3 m放坡)围护型式。

3.3宽体隧道下穿城市主干道施工技术[8]

石家庄六线隧道在DK280+082、DK281+288、DK282+176分别下穿和平路、中山路和裕华路，这几条市政道路是石家庄城区东西向主干道，车流量非常大，施工期间的交通疏解至关重要。为减少施工对市政道路交通的影响，同时考虑施工难易程度、工程造价，对暗挖施工及盖挖施工工法进行综合比选，最终确定了隧道下穿市政道路段采用盖挖法施工。施工期间对道路进行半幅倒边施工，利用剩余半幅道路进行交通疏解，保证道路畅通。

3.4松软地层超宽基坑围护技术[9]

隧道大部分段落采用明挖法施工，基坑宽度大部分都在40 m以上，隧道所处地层为砂、土地层，围护结构的选择尤为重要。围护结构能影响基坑安全、结构安全、实施难度、施工工期和工程投资。围护结构采用了钻孔灌注桩+预应力锚索为主的围护结构体系，基坑围护结构见图22和图23。

图22　钻孔灌注桩+锚索围护体系明挖基坑

Fig. 22Mined foundation pit with retaining system of “bored pile + anchoring cable”

4重点研究成果

4.1形成了连拱隧道下穿营运铁路系列技术[10]

4.1.1下穿既有铁路深埋双连拱隧道开挖地表沉降控制基准

下穿铁路施工地表沉降控制标准由轨道允许变形决定，通常轨道沿铁路方向可以看作是无限长的柔性结构，可以认为轨道的变形与地表变形是一致的。因此，根据铁路轨道允许的倾斜值[f]=[d]/l，可以推导既有铁路路面地表沉降控制计算值。

图23　钻孔灌注桩+锚索+混凝土支撑围护体系明挖基坑

Fig. 23Mined foundation pit with retaining system of “bored pile + anchoring cable + concrete support”

深埋双连拱隧道地表沉降分布符合peck正态分布规律，可按peck公式进行拟合。拟合结果表明，地表沉降宽度系数i和地表沉降最大值Smax，其相关系数R均在 0.99以上, 沉降槽宽度系数与弹性模量、泊松比、黏聚力以及内摩擦角关系不大，但与埋深的关系较为显著，地表沉降槽宽度系数i与隧道埋深H的关系满足i=0.357 5H+12.737 7。得深埋双连拱隧道下穿既有客运专线地表最大允许沉降量

Smax=(0.357 5H+12.737 7)[f]/0.61。

(1)

此最大沉降值即为双连拱隧道下穿既有客运专线既有铁路沉降控制基准值。

4.1.2下穿既有铁路浅埋双连拱隧道开挖地表沉降规律

下穿既有线浅埋双连拱隧道仿真计算结果表明，采用CRD与眼镜工法组合开挖能有效控制地表沉降，但其地表沉降曲线与经典正态分布曲线不同，呈非对称双峰值曲线，且受开挖分部数及开挖顺序的影响，不应直接套用常规的地表沉降控制标准值，宜通过数值仿真确定相应工况的沉降控制值。

4.1.3开挖进尺、管棚支护措施对浅埋双连拱隧道地表沉降控制的影响规律

管棚设计参数仿真分析结果表明，管棚支护措施对沉降控制作用明显，管棚间距及直径存在最优设计值。间距太小，造价高且控制沉降的效率低；间距太大，导致沉降过大或局部漏土，且管棚直径越大造价越高，对设备要求更高，施工难度增加。宜根据实际情况，通过参数分析及曲线拟合，确定管棚最优间距及直径。

4.2系统研究了紧邻既有铁路干线带状深基坑围护体系受力及变形规律，形成了沉降控制标准和技术措施[11]

4.2.1紧邻既有线深大基坑围护结构设计方法及安全措施

紧邻既有线深基坑风险大，事故后果非常严重，常规圆弧滑动条分法只适用于黏聚力较大、内摩擦力较小的黏性土，对于环境及边界条件复杂的深基坑围护结构无法反映其特殊性。因此，采用强度折减法对围护结构的稳定安全性进行补充分析，满足基坑安全系数要求。

同时，通过风险评估，对勘测资料、地勘报告、施工图等进行分析，确定石家庄六线隧道明挖深基坑施工主要风险有塌方风险、大变形风险、既有线安全风险3种。结合现有统计数据及现行规范和规定，明确上述3种主要风险的风险等级，并分别采取袖阀管注浆加固地层、加强监测并预留袖阀管、加打临时支护桩等基坑安全控制措施。

4.2.2紧邻既有铁路深大基坑施工沉降变形控制标准

基坑施工不可避免地会产生地表变形，过量的地表变形则可能会危及铁路运营安全，因此，紧邻既有铁路的基坑稳定性控制因素是铁路运营安全允许的基坑变形。

铁路运营安全允许的基坑变形高于一般环境敏感性要求。根据不同行车速度条件下的铁路静态验收允许水平倾斜率，及16 m深基坑现场实测及模拟分析地表沉降曲线，制定紧邻既有铁路深大基坑施工沉降变形控制标准，如表1所示。

表1邻近铁路基坑坑壁允许沉降位移

Table 1Settlement and displacement allowance of wall of foundation pit adjacent to railway

列车速度/(km/h)静态验收允许水平倾斜率不同距离基坑坑壁允许沉降/mm5m10m20m≤1600.0043274992200～2500.0036224177300～3500.000714.5815

4.2.3列车动载瞬时作用下围护体系的动力响应规律

根据围护桩的现场测试及仿真分析结果，围护桩的水平振动速度及垂直振动速度与机车总质量、基坑开挖深度、距轨道的水平距离及垂直距离有关。以地层的水平振动速度及垂直振动速度为因变量，机车总质量、基坑开挖深度、距轨道的水平距离及垂直距离为自变量，得出围护桩水平振动速度及垂直振动速度的表达式：

vh=-1.008 6+0.005 5P+0.12d+0.003sh-0.03sv；

(2)

vv=-2.67+0.019P+0.477d-0.057sh- 0.23sv。

(3)

式(2)和式(3)中： P为机车总质量，t； d为基坑开挖深度，m； sh为测点距轨道的水平距离，m； sv为测点距轨道的垂直距离，m。

得出，基坑开挖深度分别为10、15、20、25 m时，受列车振动荷载影响的范围分别为82、124、166、208 m。

4.2.4列车动载长期作用下锚索预应力损失规律

列车振动在地层中衰减较快，列车振动能使基坑围护结构的坑壁位移、桩身混凝土应力、支撑轴力、锚索应力损失等有一定增加，但增加比例一般小于10%。根据现场测试结果，锚索轴力拟合指数函数表达通式为

y=A1×e-x/t1+y0。

(4)

式中A1、t1、y0为拟合常数值。

5体会

本文对石家庄六线隧道的工程设计和城市规划进行了全面结合，不仅仅要考虑铁路工程，还要最大限度地减小对城市地面的影响，满足未来的商业开发、改善交通和城市生态环境需求。

石家庄六线隧道设计施工过程中形成了松软地层超宽基坑围护技术、紧邻既有线带状基坑工程安全防护技术、连拱隧道下穿运营铁路安全防护技术、宽体隧道下穿城市主干道技术、锚索在土质地层中的应用技术、不同围护支撑体系结合部的处理技术、避免局部支撑构件失效引起整个基坑失稳而进行的超静定支护技术、紧邻既有线的大型基坑施工变形预测及控制技术，以及超长、超宽、大深度的明挖基坑工程雨季防洪、隧道分段快速施工等一系列关键技术，可为今后类似隧道穿越工程提供借鉴和参考。

石家庄六线隧道自2012年12月开通运营后，所有从市区穿行的铁路均改移至地下，对完善石家庄市基础设施建设、改善城市投资环境、优化城市布局、促进城市经济发展创造了良好条件。

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Key Construction Technologies for 6-Track Tunnels in Shijiazhuang on Beijing-Guangzhou High-speed Railway

WAN Qing1, LI Huaijian1, DU Hualin2, MA Zhifu1, ZHANG Guiyang1, YU Quansheng2,LIU Yong3, WANG Zhong1

(1.The3rdSurvey&DesignInsituteGroupCo.,Ltd.，ofMinistryofRailway,Tianjin300251,China;2.BeijingCTGConstructionCo.,Ltd.,ChinaRailwayTunnelGroup,Beijing100022,China;3.ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,Hebei,China)

Abstract:The urban 6-track tunnels (local 7-track) in Shijiazhuang are different from other tunnels; their scale and complexity are unique in China. During the design and construction of the mentioned tunnels, a series of works, i.e. study demonstration, theoretical calculation, numerical analysis, construction scheme comparison and contrast, field testing and technical breakthrough, have been done so as to guarantee the safe construction of the tunnels. In the end, the safe construction of long-distance multiple arch tunnel is guaranteed; and a series of construction technologies, such as retaining of large foundation pit in soft strata, protection of belt-shaped foundation pit adjacent to existing railway line, protection of multiple arch-tunnel crossing underneath running railway and construction of multiple arch-tunnel crossing underneath arterial road, and key research results of passenger-dedicated railway crossing urban area are obtained.

Keywords:6-track tunnel in Shijiazhuang; urban tunnel works; multiple arch tunnel; deep foundation; existing lines; under crossing

中图分类号：U 455

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)02-0241-10

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.018

作者简介：第一 万清(1980—)，男，四川眉山人，2013年毕业于石家庄铁道大学，建筑与土木工程专业，硕士，高级工程师，从事铁路隧道和地铁设计工作。E-mail： 4777162@qq.com。

收稿日期：2015-05-08; 修回日期: 2016-01-05