铁路隧道浅埋下穿河道暗挖施工拱部加固措施研究

刘 甫，王英学，章伟华，张子为，赵万强

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

随着城市化建设的发展，越来越多的隧道在浅表地层修建，且在隧道施工过程中，常不可避免地跨越或下穿不同工程地层地质及地表建筑物。当浅埋隧道下穿河道时，施工过程中极易发生河水下渗，导致工作面水泥喷涌等工程灾害，且浅埋隧道开挖施工，极易使得上方河道地层产生较大变形，从而诱发隧道塌方等严重事故，对隧道施工人员的生命安全和社会的公共财产造成不可估量的损失。

针对该类工况，国内外学者开展了如下研究：王利民[1]对武家岭隧道浅埋段下穿季节性河道采用半明挖暗穿河道的施工方法进行分析，提出采取半明挖暗下穿施工方案，宋朋超[2]对浅埋岩溶隧道下穿河流段施工进行分析，通过多方案比较，在铣挖法等施工方法中选取了较优的施工方案。李会[3]对北京广渠路东延道路下穿北运河隧道工程进行分析，对采用明挖法施工河道行洪与项目安全间的相互影响进行分析，提出补救防范措施。熊怡思[4]对大断面公路隧道下穿水塘超前预支护技术进行研究，验证了大跨浅埋隧道下穿水塘时采用上半断面帷幕注浆进行加固止水的可行性。闫自海[5]对城市隧道下穿河道浅埋暗挖施工进行研究，结合依托工程，提出了河道导流和周边注浆加固两种措施。彭思甜[6]以鹅岭隧道为依托，对铁路隧道下穿河道过程进行了数值模拟分析，确定隧道下穿拿山河床的注浆参数。陈铁军[7]以北京地铁九号线浅埋暗挖区间隧道下穿马草河为例，研究区间隧道在砂卵石地层中穿越河道的施工技术。付贺[8]结合徐州市城市轨道交通1号线一号路站—振兴路站区间下穿三八河的工程实例，探讨及总结了浅埋暗挖矿山法隧道下穿河道初支施工技术。肖伟良[9]依托贵广铁路岩山隧道下穿寨蒿河段，通过河道地表一定范围内水泥回填，保证了施工的顺利进行。钟国[10]以大连地铁学海区间过凌水河段隧道为依托，分析了该段隧道施工中存在的主要风险因素，给出了相应的支护加强和施工处理措施。陈建伟、薛子斌、周鑫、颜治国等重点针对盾构法下穿河道的施工影响及对策进行了分析，得出了一些重要结论。

通过上述调研分析可以看出，对于隧道下穿河道施工的方法、对策已经有许多学者进行研究，并取得了许多成果。但是由于施工状况的复杂性，具体施工加固及支护措施应如何选取尚待完善。本文依托戴云山一号隧道工程，通过Flac3D建立4种隧道浅埋下穿河道的不同拱部加固及超前支护措施模型，研究在浅埋隧道下穿河道施工过程中，采用不同的拱部加固及超前支护措施对隧道洞周围岩及地表变形的影响，为该类工程的施工加固与超前支护措施提供参考。

1 工程概况

戴云山一号隧道是兴泉铁路(江西省兴国县至福建省泉州市)的一项重要工程，隧道进口位于泉州市德化县美湖乡岩头村，隧道出口位于泉州市德化县盖德乡。进口里程DK356+280，出口里程DK370+000，隧道全长13 720 m。其中单线隧道长13 000 m，车站隧道长720 m；隧道最大埋深527 m。洋田车站伸入隧道进口端，出口紧邻德化车站。隧道进、出口附近有简易公路相通，交通较方便。

戴云山一号隧道出口DK369+685～DK369+700洞身浅埋段，围岩岩层为V级围岩偏压式明洞断面，洞顶中心填土高度为4 m，初步拟定采用明挖施工，实际工程采用拱部加强的暗挖法施工。隧道与河道的平面位置如图1所示，隧道与河道纵剖面如图2所示。隧址区地表水发育，以地表河流、沟槽水、水库水为主，水量变化较大。且受季节影响显著。隧道穿越区地下水分布受构造、岩性控制，水文地质边界条件较为复杂，隧道在断层破碎带多为地下水富集区，易发生突水、突泥。

图1 浅埋段平面布置

图2 浅埋段纵剖面布置(单位:cm)

2 三维数值模拟

2.1 计算工况及模型

为了对比设置不同拱部加固措施与否对施工沉降及应力场的影响，本文选取无拱部结构、拱盖+侧梁加固、拱盖加固三类工况进行施工开挖仿真分析。其中，为了对比设置不同超前支护措施对施工沉降及应力场的影响，选取长、短管棚两类工况进行施工开挖仿真分析。本文工况选取如表1所示。

表1 计算工况

计算模型示意图如图3所示。

拱部加固措施如图4所示，支护措施如图5所示。

2.2 模型参数

参考隧道施工区域地质剖面图，在河道区段地层为<68-1>中粗粒花岗岩(J3GZ)：灰白色、肉红色，中粗粒结构，块状构造，主要成分为石英、长石、黑云母。岩体差异风化严重，局部全风化层较厚，弱风化花岗岩岩质坚硬，锤击不易碎。

全风化层(W4)呈土状，厚2～40 m，属Ⅲ级硬土，C组填料；强风化层(W3)呈角砾状，厚2～30 m，属Ⅳ级软石，B组填料。据此建立模型，分配材料参数(表2)。

图3 计算模型示意(单位：m)

图4 拱部加固措施示意

图5 超前支护、锁脚锚杆示意

2.3 模拟方法及测点

在隧道开挖模拟分析中，结合施工的具体工况，采用上下台阶法施工，上下台阶的纵向间距10 m。仅设置超前管棚和锁脚锚杆。在开挖0～10 m区段，设置外径108 mm管棚，在开挖15～35 m河道区段，设置外径159 mm管棚25 m。在设计中，二衬落后初支40 m，且开挖模拟过程也仅为48 m，因此，仅设置初支，不考虑二衬设置。开挖初始位置在y=0 m处，首先，设置管棚10 m，然后每步开挖进尺为1.0 m，再设置初支；开挖设置下一步初支时，设置上一步的锁脚锚杆；上台阶开挖10 m时，开始下台阶开挖，同样按1 m开挖步进；开挖至河道区段(15～35 m)时，设置25 m长管棚，开挖进尺与前期一致。隧道断面测点布置如图6所示。

表2 材料参数

图6 隧道断面测点布置

2.4 计算结果与分析

2.4.1 施工沉降云图

当上台阶开挖至48 m时，不同工况下模型施工沉降云图如图7所示。总体而言，由于河道两侧的隧道埋深较大，河道区段的埋深较浅，因此，河道区域的沉降量相对较小。

图7 不同工况施工沉降云图

2.4.2 管棚及锁脚锚杆轴力云图

当上台阶开挖至48 m时，不同工况下管棚及锁脚锚杆轴力云图如图8所示。无拱部加固措施与采用拱部加固措施的计算结果对比显示，设置拱部加固措施对充分发挥超前支护作用、保障施工安全更为有效。

对有无盖加固措施情况下的管棚受力、变形情况显示：在长管棚与短管棚的搭接点区段(距开挖起始点10～15 m)内，无拱部加固措施时，短管棚呈现较大的变形扭曲。这主要由于无拱部加固措施时，短管棚超前支护处于较为软弱的河道地层中，与围岩并无较强的固结着力点，于是在施工中的上覆地层压力作用下易出现较大变形，发生扭曲，危及施工安全。

设置拱部加固措施后，短管棚并未出现变形扭曲现象。此时短管棚末端处于拱部加固措施内，与围岩有较强的固结着力点，因此在施工中抵抗外力作用的能力明显提高，因此管棚并未出现较大变形及扭曲。

图8 不同工况管棚及锁脚锚杆轴力云图

2.4.3 隧道洞周变形

2.4.3.1 拱顶沉降

上台阶开挖至48 m时，在不同工况下，拱顶监测点最终变形量如图9所示。在长管棚与短管棚的搭接区段(距开挖起始点10～15 m)，拱顶沉降总是会产生波动。无拱部加固措施与采用拱部加固措施的计算结果对比显示，设置拱部加固措施对于隧道拱顶沉降影响较小。仅可以使隧道施工的拱顶沉降减小3～5 mm。采取拱盖+侧梁的拱部加固措施隧道拱顶沉降无明显影响。

图9 不同工况下拱顶监测点最终沉降量

拱顶沉降在距开挖起始点10～15 m产生波动的原因：

(1)在无拱部加固措施时，该区段处于短管棚与长管棚的搭接区段。短管棚与河道地层的固结力较弱，而长管棚在初始安装时，临近安装点的支撑力也较弱，该处隧道拱顶沉降增大，产生波动。

(2)采用拱盖加固措施时，如河道区段为短管棚超前支护，则拱顶沉降曲线较为平缓；如河道区段为长管棚超前支护，由于存在长、短管棚搭接段，隧道拱顶沉降存在波动。且设置拱部加固措施后，在该区段一方面短管棚末端处于拱部加固措施内，具有较强的固结着力点，同时相较于跨河道其他区段，该区域具有长管棚与短管棚两种超前支护措施，支护措施相对较强，因此在该区段隧道拱顶沉降总小于其他区段。

2.4.3.2 拱腰水平收敛

上台阶开挖至48 m时，在不同工况下，拱腰监测点最终水平收敛变形量如图10所示。在计算分析中，拱腰测点的水平收敛变形主要是向隧道内方向，且随着开挖工作面的推进，变形量逐渐减小。出现该变形趋势主要与施工模拟过程为从隧道埋深较大处向隧道埋深较小处(河道区段)施工有关。

不同加固措施的拱腰测点水平收敛显示，拱部加固地越强则向隧道内方向的水平收敛变形量越大，这主要由于设置拱部加固且初期支护施作过后，施工开挖所释放的原岩应力大部分向隧道两侧围岩挤压，所以出现向隧道内方向的水平收敛变形。

图10 不同工况下拱腰监测点水平收敛

2.4.4 地表最终沉降

上台阶开挖至48 m时，地表监测点在不同工况下的最终沉降量如图11所示。无拱部加固措施与采用拱部加固措施的计算结果对比显示，河道区段在隧道设置拱部加固措施，对于地表沉降影响明显，可以使隧道施工引起的河道区段地表沉降降低5～8 mm。

图11 不同工况下地表测点最终沉降量

河道区段在隧道设置拱部加固措施时，地表沉降在加固范围内呈现为弯月形，即在加固措施中部，地表沉降量最小；地表测点越靠近加固措施边界，其沉降量越大。拱部加固增加侧梁可以使地表沉降减小1～2mm。

3 结论

本文基于Flac3D软件，依托戴云山一号隧道工程，对隧道在不同拱部加固及超前支护措施下浅埋下穿河道的施工过程进行研究与分析，主要结论如下：

(1)河道区段采用拱部加固措施非常必要，如不采用拱部加固措施，因短管棚末端未达到河道软弱围岩区段，围岩不能提供有效的固结力，管棚将会扭曲，危及施工安全。在河道区段设置拱部加固措施对充分发挥超前支护作用、保障施工安全十分重要。

(2)河道区段采用拱部加固措施，对于地表沉降影响明显，对于隧道拱顶沉降影响较小。且地表沉降在加固范围内呈现为弯月形，即在加固措施中部，沉降量最小；越靠近加固措施边界，地表沉降量越大。比较两种拱部加固措施显示，拱部加固增加侧梁可以使地表沉降减小1～2 mm，对隧道拱顶沉降无明显影响。

(3)采用拱盖加固措施时，如河道区段为短管棚超前支护，则拱顶沉降曲线较为平缓；如河道区段为长管棚超前支护，由于存在长、短管棚搭接段，在距开挖起始点10～15 m处，会产生施工沉降的波动，应加强施工观察，采取必要的预防措施。

(4)隧道洞周水平收敛变形主要向隧道内方向，且随着开挖工作面的推进，变形量逐渐减小。拱部加固越强则隧道洞周水平收敛变形量越大，这主要由于采取拱部加固措施，在设置初支后，隧道施工开挖所释放的原岩应力大部分向隧道两侧围岩挤压，所以出现向隧道内方向的水平收敛变形。施工过程中应重点关注。