深挖方路堑与隧道及其施工方案比选研究

陈明明

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南714099）

1 概述

“一带一路”倡议的提出极大促进了西部黄土地区交通建设发展，越来越多的黄土隧道开工建设。黄土隧道施工中通常采取明挖法、暗挖法、盾构法以及深挖方路堑方案进行施工[1]。例如西安地铁九号线（临潼线）纺织城东侧采用明挖法施工，郑西高铁吴沟隧道进行了暗挖法隧道施工，西安地铁一号线二期森林公园站至沣东路站左线应用盾构机进行开挖。目前黄土地区隧道施工方案的设计多采用经验法和工程类比法，本文针对西法城际铁路项目在眉县闫家堡南侧穿越浅层湿陷性黄土地层的工程地质特点，以及临近太白山国家级自然保护区的特殊条件，以保障安全、经济环保、灵活施工为原则，对线路的工程建设方案进行比选，推荐采用浅埋暗挖法隧道施工方案，以期为太白隧道的设计与施工提供参考。

2 工程概况

西安至法门寺至机场城际铁路全长237.173km，设计速度目标值200km/h[2]，线路呈东西走向穿越陕西省眉县闫家堡南侧，详情如图1 所示。此段落内地形起伏较大，道路及灌渠分布较多，地表多为耕地，主要地层为第四系上更新统风积黏质黄土（Q3）及第四系中更新统风积黏质黄土（Q2）。黄土台塬坡面下切作用强烈，DK77+310～DK77+360 段坎边坡分布有溜坍。隧道洞身处黏质黄土多为软塑状，具有湿陷性及古土壤膨胀性，地下水为赋存于黏质黄土层中的孔隙潜水，埋深约17～35m，地下水位受季节及人工抽取地下水的影响而变化。此段落内湿陷性黄土地层与含水率高的工程地质特征，对设计线路穿越方案及保障后期安全运营都造成极为不利的影响。同时，太白隧道临近太白山国家级自然保护区，线路方案需符合环保要求。

3 设计方案与比选

3.1 深挖方路堑方案

设计采用深挖方路堑方案时，依据《铁路路基设计规范》[3]，拟设计路基长度950m，最大挖方边坡高度43m，路堑边坡高度大于25m 的地段长约550m。边坡地段设置桩板墙及H 型桩板墙，地基采取挖除换填、水泥土挤密桩、水泥搅拌桩等处理，坡面采用空心砖及拱形骨架护坡防护。

3.2 盾构法方案

若线路选用盾构法隧道方案，设计隧道起迄里程DK76+350～DK77+390，长度1040 m。根据线路埋深、工程地质、水文地质情况等条件，DK76+518.5～DK77+327.5 段（809m）采用盾构施工，其余为洞口浅埋明洞及洞门段。该方案中隧道以浅埋为主，最大埋深约29m。区间隧道坡度1.2%下坡。考虑地层主要为黏质黄土，根据地层的渗透系数、地层的颗粒级配，选取直径达12.9m 土压平衡盾构机进行开挖。

图1 项目工程地貌平面图

3.3 浅埋暗挖法方案

浅埋暗挖方案拟定为360m 浅埋暗挖与421m 明挖结合的方案，长度共计781m。全隧道位于半径为2200m 的曲线上，为3%的单面下坡，洞身全浅埋，最大拱顶埋深约31m，开挖跨度为14.86m，隧道内轮廓高度为9.68m。该隧道Ⅴ级围岩共261m，占隧道全长的33.4%；Ⅵ级围岩520m，占隧道全长的66.5%。采取预留核心土法开挖并结合现场量测数据适时调整灵活施工方法。

3.4 深挖方路堑与隧道工程方案对比

深挖方路堑方案相比隧道施工方案简单易行，施工安全可靠，能够有效规避浅埋黄土隧道施工中出现的大变形甚至塌方的风险，开挖作业面相比隧道内狭小空间大大提高，能够实现快速，安全的施工。

然而深挖方路堑方案存在三方面问题：（1）挖方深度达43 m，地下水埋深则在17～35 m 处，因而致使路基面处于地下水位线下。所处地层多为具有湿陷性的软塑状黄土，开挖暴露在空气中易风化，遇水强度下降明显，路堑边坡容易产生滑塌等危害[4-5]；（2）挡护工程量大、占地多，地基处理和路基排水工程量大，改移道路和灌渠渡槽工程大，线路后期运营时，容易出现边坡失稳破坏等问题；（3）项目所在地临近太白山自然保护区，应当重视自然生态环境问题，避免大开大挖。

相比于深挖方路堑方案，采取暗挖法修筑的隧道工程具有以下优势：（1）可避免深挖方路堑的大开大挖及高边坡的形成，规避滑塌风险；（2）隧道作为地下工程建筑物，修筑时可减少用地，降低对地表建筑与交通的影响，线路运营期可克服边坡失稳、滑塌等危害；（3）隧道工程因其占地少，对周边环境影响较小。

因此，在详细检查、核对和分析地质资料的基础上，考虑施工及运营安全，生态环境保护等问题，研究推荐为隧道方案。

表1 隧道方案盾构法与浅埋暗挖法对比

3.5 隧道方案盾构法与浅埋暗挖法对比

盾构法具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降等特点。浅埋暗挖法是在山岭隧道施工常用的新奥法原理基础上发展起来的，通过采集量测数据指导设计和施工，同时采用超前支护，改良地层，注浆加固等技术辅助隧道施工。开挖方法多种多样，包括全断面法，台阶法，中隔壁法，双侧壁导坑法等。当地质环境较为复杂，采用浅埋暗挖法施工技术具有施工方式灵活、适应性强等优点。本项目隧道方案中两种方法的基本情况对比见表1 所列。

盾构法相比浅埋暗挖法施工具有机械化程度高，掘进速度快等优点，然而在太白隧道采用盾构法需考虑以下三方面问题：（1）国内尚无在黄土地区采用12.9m 大直径土压平衡盾构机施工案例，且盾构法施工对场地条件，施工用电要求高，因而风险较高。洞身所处地层主要为黏质黄土，且呈软塑状，盾构机在掘进过程中，刀盘易发生“糊刀”和“泥饼”现象，影响施工；（2）盾构法施工预计工期18.6 月，但不包括设备购置及拼接安装时间；（3）采取盾构法施工主体隧道工程投资1.78 亿元，施工设备购置费1.3～1.5 亿元，共计最高可达3.28 亿元。

太白隧道采取浅埋暗挖方案，具备以下特点：（1）由于隧道穿越浅埋湿陷性黄土地层，隧址区地层含水率变化差异大，隧道不同段落围岩工程性质变化较大，采用浅埋暗挖法施工则具有地质适应能力强的优势；（2）浅埋暗挖法方案预计工期为22.5月，较盾构法工期长3.9 个月，但考虑盾构机设备购置及拼接安装时间，二者实际工期接近；（3）较盾构施工投资少1.28 亿元，浅埋暗挖法施工投资2 亿元。

因此，综合考虑施工难度、工期及经济成本，推荐浅埋暗挖法作为本工程隧道的施工方案。

4 结论

4.1 进行黄土地区隧道设计方案时，应结合现场工程地质实际情况，以保障安全，经济环保，灵活施工为原则进行方案比选。

4.2 深挖方路堑方案相比隧道施工方案简单易行，施工安全可靠，然而深挖方路堑方案中深挖槽形成的高边坡失稳是线路运营期严重安全隐患，同时此方案施工期大开大挖会破坏大面积地表植被并带来扬尘等环保问题，然而隧道方案可以规避以上问题。因此，选取隧道方案通过。

4.3 盾构法方案较浅埋暗挖法方案存在对场地条件、施工用电要求高，安全风险较高的问题，且从经济角度太白隧道盾构法方案投资高出浅埋暗挖法方案投资1.9 亿元。因此，太白隧道宜采取浅埋暗挖法修建。