京张高铁八达岭长城站大跨度深埋三连拱隧道设计及施工方法研究

刘树红,王 婷,吕 刚,刘建友

(1.京张城际铁路有限公司,北京 100070；2.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

近年来，随着中国铁路的高速发展，已经不局限于传统明挖地下车站，出现了深埋地下车站[1-2]，在车站内设置正线及到发线，需设置三连拱等结构。修建大断面三连拱隧道面临着许多问题[3]，如：连拱隧道开挖跨度大、施工工序多、开挖和支护交互进行，而整个施工过程中体系多次转换使围岩应力分布和衬砌荷载变得十分复杂[4-5]。来弘鹏[6]、梁文添[7]、张杰[8]、申玉生[9]、徐振[10]、朱青峰等[11]在大跨度三连拱隧道施工过程分析及隧道施工工序优化方面做了大量研究，并取得了一些成果。围岩压力作用模式和计算方法作为隧道围岩与支护结构作用关系的核心内容，直接关系到衬砌结构形式的选取和支护参数的确定，目前双连拱隧道在公路隧道工程中应用比较广泛，众多学者已经做了大量研究，如丁文其[12]、李鸿博[13]、李鹏飞[14]等。但对于大跨度深埋三连拱隧道荷载计算方法的研究，采用数值模拟手段分析合理的施工工序，并通过现场实际施工验证的案例较少。本文依托京张高铁八达岭长城站工程，基于普氏平衡拱理论的基本假定，研究深埋三连拱隧道承载拱理论及隧道荷载分布规律，通过有限元软件分析三连拱隧道的合理施工工序，研究成果为大跨度深埋三连拱隧道定量化设计和安全快速施工积累经验。

1 工程概况

1.1 大跨度三连拱隧道工程概况

新建京张高铁八达岭长城站位于北京市延庆区八达岭滚天沟，毗邻八达岭长城，车站最大埋深102 m，地下建筑面积3.6万m2，是目前国内埋深最大的高速铁路地下车站[15]，车站总体透视图见图1。

图1 八达岭长城站透视

车站设计全长470 m，共设2条到发线和2条正线，正线线间距为4.6 m。三连拱区段长72 m，位于车站两侧端头，最大处断面净宽度14.5 m+14.2 m+14.5 m，该断面设计参数见图2。

图2 三连拱断面结构设计(单位：m)

1.2 地质及水文概况

车站范围地层岩性主要为第四系松散层 (Q/4)、燕山晚期(γ/5)侵入岩，属于八达岭中型岩株，以斑状二长花岗岩为主。站址区洞身穿越1条F2实测断层，与隧道相交于DK68+260～DK68+300，与线路相交角度35°。地下水类型为基岩裂隙水，稳定水位埋深6.5～28.6 m。根据围岩条件将三连拱区段围岩等级划分为III级和V级。

2 深埋三连拱隧道围岩压力计算

2.1 深埋三连拱隧道围岩压力分析

公路隧道中常规双连拱隧道施工通常采用先施工中导洞及中隔墙[16]，再施工两侧洞的施工顺序，因此，中隔墙的主动支护对于承载拱的形成尤为重要，相比之下八达岭长城站三连拱隧道的结构具有自身的特点。

(1)结构为三洞相连，结构形式与常规双线隧道差别较大，施工顺序相对更加复杂。

(2)隧道开挖跨度较大，总开挖跨度39～45 m。

(3)中隔墙及中洞支护对隧道三连拱结构稳定协同作用，必须充分考虑施工工序与围岩特点确定荷载模式。

(4)三连拱处隧道埋深80～90 m，根据铁路隧道规范中深浅埋判定标准属于深埋隧道。

图3 深埋三连拱隧道承载拱曲线

通常情况下，深埋三连拱隧道围岩压力荷载模式介于两者之间。即中隔墙起到了主动承载的作用，起到了分担部分极限承载拱内土体压力的作用。基于以上分析可以得出，三连拱隧道围岩压力可以看作拱部松散土压力和两处中隔墙所承受的压力之和，如图4所示。主要荷载为：拱部基本围岩垂直压力q1、拱部附加围岩垂直压力q2、中隔墙顶松散围岩垂直压力q3、中隔墙顶附加围岩压力qz及侧向围岩压力e。

图4 深埋连拱隧道荷载分布

分析计算结果可以得出以下结论。

(1)Ⅲ级围岩条件下中隔墙顶花岗岩岩体的承载能力较强，由于中隔墙承担了绝大部分拱部附加荷载，三连拱隧道松散土压力荷载接近了单洞隧道的情况。

(2)由于Ⅴ级围岩处有1条F2断层，岩体非常破碎，中隔墙岩体承载能力近似为零，导致隧道顶部松动影响范围接近为极限平衡拱状态，从而造成中洞更多地承担了松散荷载，应提高中洞的承载能力。

2.2 三连拱段围岩荷载统计结果

结合八达岭长城站实测地勘资料，计算深埋三连拱隧道Ⅲ级、Ⅴ级围岩条件下围岩压力荷载值，三连拱隧道边洞开挖跨度12.5～15.4 m、中洞开挖跨度14.1 m，开挖高度12.9 m，中隔墙宽度1.0 m，根据三连拱隧道荷载分布规律并结合普氏平衡拱理论，可计算得出三连拱隧道最大断面处围岩压力计算结果，见表1。

表1 深埋三连拱隧道围岩压力计算值

3 三连拱隧道施工工序研究

3.1 施工工序方案拟定

结合三连拱断面形式，拟定开挖方案主要有两种：先侧洞后中洞(工况1)、先中洞后侧洞(工况2)。先侧洞后中洞开挖时，两侧洞室为前进洞室，中部洞室为后进洞室；先中洞后侧洞开挖时，中部洞室为前进洞室，两侧洞室为后进洞室。洞室开挖方案见图5。

图5 三连拱洞室开挖方案

3.2 数值模拟分析

采用FLAC有限元分析软件对两种工况下隧道进行数值仿真模拟，对其开挖支护后围岩主应力值、衬砌应力、围岩位移、地表变形及塑性区进行分析。

(1)围岩主应力

为了解施工过程中围岩的应力变化情况，选取两个方案中每开挖完一个部位的云图进行分析，并对开挖工况中围岩应力最大值进行对比，选取三连拱的左、右侧洞及中洞全部开挖完成后阶段作为分析步进行分析研究，云图结果如图6、图7所示，围岩应力对比如表2所示。

图6 最大主应力云图(工况1)

图7 最大主应力云图(工况2)

表2 两种开挖工况开挖完成围岩应力最大值对比MPa

开挖方案围岩最大压应力围岩最大拉应力工况19.251.32工况210.541.77

综合两种方案的围岩应力分析，工况1开挖的围岩最大压应力和最大拉应力均小于工况2。先开挖中洞室后开挖侧洞会造成围岩较大的扰动。因此，可以得到三洞分离洞室施工采用先开挖侧洞后开挖中洞对围岩受力更为有利。

(2)衬砌应力

初衬是围岩应力的主要承载体[19]，围岩由于开挖释放的应力会逐渐转移到初衬中[20]，提取初衬在三连拱施工过程中受到的最大拉应力和最大压应力云图并对应力值进行对比分析，如图8、图9及表3所示。

图8 最大主应力云图(工况1)

图9 最大主应力云图(工况2)

表3 两种开挖工况开挖完成初衬应力最大值对比 MPa

开挖方案初衬最大压应力初衬最大拉应力工况112.134.87工况213.605.79

综合两种方案的初衬应力分析，工况1开挖的初衬最大压应力和最大拉应力均小于工况2。先开挖中洞室后开挖侧洞会造成中洞初期支护多次扰动，而三连拱的初期支护最薄弱的地方往往是中洞的初衬。因此，三连拱洞室施工采用先开挖侧洞后开挖中洞对初衬受力更为有利。

(3)围岩位移

综合图10、图11两种工况的围岩竖向位移云图及表4中围岩竖向最大位移值对比分析，工况1开挖使围岩产生竖向沉降和回弹均小于工况2。可见先开挖侧洞再开挖中洞对围岩的扰动更小。

图10 开挖完中洞时围岩竖向位移云图(工况1)

图11 开挖完中洞时围岩竖向位移云图(工况2)

表4 两种开挖工况开挖完成围岩竖向位移最大值对比mm

开挖方案围岩最大沉降量围岩最大回弹量工况17.048.27工况29.1010.07

从以上计算结果可以得出以下结论：

(1)围岩应力方面，先开挖侧洞后开挖中洞(工况1)的围岩最大拉、压应力均最小；洞室开挖完毕后，围岩基本处于受压状态，在侧墙和仰拱的交界处墙脚处的应力比较集中。

(2)初衬受力方面，先开挖侧洞后开挖中洞(工况1)施工时，后进右洞室开挖对左洞室的受力影响很小，后进中洞室开挖对前进左、右洞室的受力均有影响，但影响不大。先开挖中洞后开挖侧洞(工况2)施工时，后进左、右洞室的开挖均对中洞室的受力有较大的影响。开挖完成后，工况1初衬受力更小，对支护体系的稳定更有利。

(3)围岩变形方面，先开挖侧洞后开挖中洞(工况1)的围岩沉降、隆起均最小，工况1对围岩扰动较小。洞室开挖之后，两个方案的围岩位移趋势都是拱顶周围围岩下沉，仰拱周围回弹，两侧围岩向洞内收敛。

经过上述的结果对比分析，三连拱结构方案采用先开挖侧洞后开挖中洞(工况1)对于稳定围岩、在不断进行的施工过程中保持支护结构体系的稳定性较为有利，是较优方案。

4 现场施工及监测情况

4.1 现场施工情况

(1)施工工艺流程

该站三连拱隧道段现场施工采用先两侧洞后中洞的施工工法，该工法具有施工快捷、工序转换少、施工安全可靠、机械化程度高的特点，具体工艺流程为：施工准备—左洞开挖及支护—右洞开挖及支护—左、右洞二衬施工—中洞开挖及支护—中洞二衬施工。

(2)施工顺序

隧道采用侧洞左洞先行，左洞全断面初期支护封闭成环后再开挖右洞，左、右洞开挖错开距离>15 m；左、右洞全部衬砌完成后再开挖中洞。Ⅲ级围岩左、右洞均采用三台阶法开挖，Ⅴ级围岩左、右洞均采用三台阶加临时横撑法开挖；中洞开挖前两侧设临时横撑，上半断面开挖后，先进行拱部衬砌，衬砌完成后再分部开挖下部，最后施工中洞仰拱。Ⅴ级围岩段三连拱段隧道施工顺序见表5。

表5 三连拱段隧道施工顺序

4.2 现场监测与对比

八达岭长城站三连拱段现场施工采用先开挖两侧洞后开挖中洞法进行施工，为验证设计计算及施工工序的合理性，进行第三方检测以确保现场施工安全。现场选取Ⅴ级围岩区段进行实时监测，监测断面铁路里程为DK68+280，测点位置如图12所示，侧洞每处断面布置9处压力盒，分别对应侧洞拱顶、拱腰、拱脚及仰拱处；中洞断面布置6处压力盒，分别对应中洞拱顶、拱腰及仰拱处。

图12 三连拱结构测点布置示意

图13 右洞DK68+280断面初支-二衬接触压力

通过现场监测初支-二衬接触压力值，绘制右侧洞及中洞位置接触压力变化曲线，图13为右侧洞初支与二衬接触压力变化曲线，支护结构安装后，初支与二衬之间接触压力呈增大趋势，在右拱脚处出现应力集中现象，压力值为0.45 MPa，这与数值模拟初衬应力云图中拱脚出现应力集中现象是一致的；图14为中洞初支与二衬接触压力变化曲线，二衬浇筑后，中洞初支与二衬间压力呈增大趋势并最终趋于稳定，最大压力值始终存在于拱顶，最大值为0.23 MPa。

图14 中洞DK68+280断面初支-二衬接触压力

为验证三连拱隧道断面解析法计算的合理性，将三连拱右洞围岩压力计算结果与现场检测结果对比，右洞拱顶计算误差最小，解析结果为0.17 MPa，监测结果为0.16 MPa，相对误差6.25%；右洞左拱顶计算误差最大，解析结果0.30 MPa，监测结果0.27 MPa，相对误差10%。整体误差在10%以内，证明解析法计算是合理的。

八达岭长城站三连拱段于2018年6月1日开工，2018年10月30日竣工。现场采用先开挖两侧洞后开挖中洞的工序施工，整个阶段监测情况一切正常，确保了车站安全、质量及进度，该施工工法切实可靠。

5 结论

从大跨度三连拱隧道受力的实际情况出发，依据普氏平衡拱理论，建立了深埋三连拱隧道围岩荷载模型，计算得出深埋三连拱隧道的围岩压力荷载，同时采用软件数值模拟方法分析出三连拱隧道的合理施工工序为，先开挖两侧洞后开挖中洞，并通过现场施工及监测数据验证了理论计算的准确性和施工工序的合理性。本文分析结果已经应用于京张八达岭长城站三连拱隧道设计施工中，确保了结构施工及运营安全，取得了良好的经济和社会效益，对将来类似工程提供了借鉴意义。