兰新二线西宁隧道长距离浅埋下穿城区方案研究

靳宝成

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

1 工程概况

兰新二线西宁隧道位于青海省西宁市，起讫里程DK192+120—DK197+863，总长5 743 m。隧道DK192+120—DK193+528段位于西宁城区，埋深约6～23 m，属于浅埋。下穿城区段主要建(构)筑物有兰西高速公路、教学楼、民房、管线、市政道路等[1]。隧道自DK193+528进入低中山，地形起伏大，相对高差可达100 m以上。结合隧道所处地质条件，考虑施工工期、洞口施工条件及运营期间救援疏散要求，采用“2座竖井+2座斜井+正洞进、出口”的施工组织方案，见图1。

图1 西宁隧道施工组织方案示意

2 浅埋下穿城区段地质条件

2.1 工程地质条件

浅埋下穿西宁城区段主要分布地层为：①砂质黄土，厚15～30 m，硬塑～软塑，硬塑基本承载力σ0=120 kPa、软塑σ0=100 kPa；②细砂，呈透镜体状分布，饱和～潮湿，中密，σ0=150 kPa；③细圆砾土，厚1～3 m，潮湿～饱和，中密，σ0=350～400 kPa；④粗圆砾土，厚1～12 m，饱和，中密，σ0=500 kPa；⑤卵石土，厚1～12 m，饱和，中密，σ0=600 kPa。其中，DK192+120—DK193+490段属Ⅵ级围岩，DK193+490—DK193+528段属Ⅴ级围岩[2]。

2.2 水文地质条件

3 风险因素分析及等级评定

3.1 风险因素分析

1)隧道进口DK192+120—DK193+490段围岩级别低，为Ⅵ级围岩。

2)地层含水率高。受地表生活用水、水管渗漏水、大气降雨等影响，地层含水率增大。各工区含水程度统计见表1。

表1 各工区含水程度统计

3)下穿兰西高速公路。隧道在DK192+190—DK192+270段下穿兰西高速公路，埋深约10 m，隧道拱部处于砂质黄土中，仰拱处于砂卵石层，地下水位处于内轨顶面，地下水丰富。

4)下穿西宁城区。下穿西宁城区段隧道拱部基本位于黄土地层，边墙及仰拱位于卵石土中。

①隧道在DK192+474处分别从西宁市第十五中学教学楼、家属楼旁通过，教学楼为4～5层砖混结构，隧道结构距教学楼最小净距26.4 m,轨面以上深度18.4 m；家属楼为6层砖混结构，隧道结构距家属楼最小净距10.44 m，轨面以上深度约19.3 m。

②隧道洞顶上方约有8条市政道路，部分为主要道路，通行公交车及重型车辆。

③隧道洞顶上方有2根直径分别为20,10 cm的自来水管与隧道结构交叉。另外有1条走向基本与线路走向一致的水渠，明渠段位于隧道右上方，并与线路小角度相交。

3.2 下穿城区段方案风险等级评定

根据《铁路隧道工程风险管理技术规范》(Q/CR 9247—2016)[3]，需对西宁隧道下穿城区段初始风险等级进行评定，必须对风险等级为“极高”和“高度”的风险事件采取有效的处理措施，使残余风险等级降低到可以接受的范围。经评定，长距离浅埋下穿城区方案初始风险较高，为一级风险，需针对不同风险成因采取风险处理方案。

4 风险处理方案

4.1 下穿高速公路段

下穿兰西高速公路段埋深较浅，为减少对高速公路运营的影响，遵循“管超前、强支护、快封闭、紧衬砌、勤量测”的原则，加强洞内、外联合预支护，采用暗挖法施工。具体风险控制措施[4-5]：

1)洞外沿高速公路坡脚设置φ1200钻孔灌注隔离桩防护，对下穿段高速公路路面3 m以下范围路基采用R51N管棚注浆加固，对隧道两侧最大开挖轮廓线10 m以内的高速公路坡脚范围地表采用φ42小导管注浆加固。

2)洞内采用φ159管幕超前预支护，洞内降水，双侧壁导坑法开挖。采取玻璃纤维锚杆超前预加固掌子面，喷射混凝土封闭掌子面。初期支护采用双层支护形式，二次衬砌采用加强钢筋混凝土结构。

4.2 下穿城区段

4.2.1 施工方案比选

下穿西宁城区段长1.17 km，有明挖条件。结合该段地质条件、外部环境等因素，设计了暗挖、围护明挖和放坡明挖3种施工方案[6]。

各方案优缺点对比见表2。可见，暗挖方案为最佳方案。

表2 各方案优缺点对比

4.2.2 风险控制措施

1)隧道开挖轮廓线距西宁市第十五中学家属楼最小水平净距约10.44 m，轨面以上深度约19.3 m。为避免隧道施工引起地表沉降变形危及地表建筑物的安全。地表先采用φ1200的钻孔隔离桩加以保护，桩间距1.5 m，桩长24.6 m，桩底伸入隧道仰拱开挖底面不小于1.5 m。既有建筑物保护措施见图2。

图2 既有建筑物保护措施(单位：cm)

2)针对隧址区黄土地层含水率增大引起掌子面涌水、突泥，导致掌子面失稳变形，设计了地表旋喷桩和袖阀管深孔注浆方案[7-10]。根据本工程地质条件，结合类似工程经验，对袖阀管注浆适应性进行分析，发现存在以下不足：①该段地表至隧道中台阶以上地层为砂质黄土，含水率较高，硬塑～软塑，袖阀管注浆成孔困难，易出现塌孔现象；②袖阀管注浆压力一般为2～3 MPa，黄土地层单一，结构较为密实，在较小压力下注浆扩散半径较小，易出现注浆盲区；③采用袖阀管沿隧道结构外缘纵向注浆形成的止水帷幕起不到完全隔水的效果；④袖阀管注浆技术难度较大，工艺要求较高，需专业队伍施工。

综合比较分析得到地表旋喷桩加固更适合本工程，在隧道两侧开挖轮廓线各设置2排φ800咬合旋喷桩，桩纵向间距60 cm，桩长自拱顶以上5 m至黄土与粗圆砾土分界线以下1 m。在开挖轮廓线以内，根据黄土地层含水率分析塑性状态，旋喷桩按1.2或 1.5 m 梅花形布置，桩长自拱顶以上5 m至黄土与粗圆砾土分界线，详见图3。

图3 地表旋喷桩加固示意(单位：mm)

3)下穿西宁城区段采用的主要施工方法及支护措施：①拱墙范围设φ89管棚超前支护；②双侧壁导坑法施工；③初期支护为厚35 cm的C25喷射混凝土，间距为0.5 m的 I25a 工字钢；④二次衬砌为C40钢筋混凝土结构，拱墙处厚60 cm，仰拱处厚70 cm。

西宁隧道下穿西宁城区段采用暗挖法通过。截止2013年2月红线范围内，线路两侧约30 m范围，共剩余30户民房未搬迁；开挖轮廓线内剩余12户未拆迁；地表道路改移、水管加固等施工干扰较大，受外界因素影响较大，若采用明挖法施工，工期难以保证。

5 衬砌结构安全性分析

基于荷载—结构理论来验证隧道衬砌结构设计的安全性[11]。主要针对二次衬砌结构设计安全性进行检算，检算结果见表3。可见，各部位安全系数均>2，衬砌结构设计能够满足承载要求。

表3 二次衬砌结构关键部位安全性检算结果

6 结论与建议

1)西宁隧道浅埋下穿城区段受兰西高速公路、民房、学校、市政道路、管线等既有建(构)筑物影响较大，综合考虑拆迁量、施工对周围环境的影响、市容美观、环境保护等因素，浅埋下穿城区段采用暗挖法较为合理。

2)隧道浅埋下穿城区段时宜采用地表预加固措施，既可保证施工安全，也可加快施工进度、缩短工期。

3)浅埋隧道开挖轮廓线之外地表有既有建(构)筑物。施工危及建(构)筑物安全的地段宜设置地表隔离桩，降低施工对既有建(构)筑物的影响。

西宁隧道于2010年5月开工，并于2013年8月顺利贯通。

[1]中铁第一勘察设计院集团有限公司.西宁隧道设计文件[Z].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2010.

[2]中铁第一勘察设计院集团有限公司.西宁隧道地质勘察报告[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2009.

[3]中国铁路总公司.Q/CR 9247—2016 铁路隧道工程风险管理技术规范[S].北京:中国铁道出版社,2016.

[4]杨建民,喻渝,谭忠盛,等.浅埋大断面黄土隧道下穿高速公路设计方案研究[J].现代隧道技术,2009,46(6):85-90.

[5]李新乐,窦慧娟,王海涛.浅埋暗挖隧道下穿既有铁路和涵洞施工技术方案研究[J].铁道建筑,2012，52(7):47-50.

[6]中铁第一勘察设计院集团有限公司.西宁隧道进口浅埋段方案研究报告[R].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2009.

[7]史赵鹏.偏压超浅埋大断面黄土隧道施工技术[J].铁道建筑,2010，50(5):59-61.

[8]张翾,张顶立,李鹏飞.黄土隧道地表塌陷原因分析与施工对策研究[J].隧道建设,2010,30(4):430-433.

[9]张晓,杨建国,王运周,等.水平旋喷桩预支护在软弱黄土隧道中的试验研究[J].现代隧道技术,2010,47(1):36-40.

[10]中国铁路总公司.Q/CR 9604—2015 高速铁路隧道工程施工技术规程[S].北京:中国铁道出版社,2015.

[11]国家铁路局.TB 10003—2016 铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2017.