忻州隧道下穿大運(yùn)高速公路技術(shù)方案研究

王洪昌，馬志富，曾 青，奐光坤

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142；2.四川港航開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610041)

忻州隧道下穿大運(yùn)高速公路技術(shù)方案研究

王洪昌1，馬志富1，曾 青1，奐光坤2

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142；2.四川港航開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610041)

為解決大西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)忻州隧道下穿大運(yùn)高速公路時(shí)可能引發(fā)的路面沉降及結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，對(duì)黃土淺埋隧道采用新意法+新奧法相結(jié)合的方式下穿高速公路進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，研究工法中不同設(shè)計(jì)參數(shù)及施工方案下的可行性及施工對(duì)地面沉降的影響等，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)現(xiàn)忻州隧道下穿段采用新意法+新奧法相結(jié)合的設(shè)計(jì)參數(shù)(雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖、循環(huán)進(jìn)尺8 m、搭接段長(zhǎng)度4 m的上半掌子面加固、120 m通長(zhǎng)管棚超前加固、短進(jìn)尺、早封閉)進(jìn)行施工是可行的。

新意法；淺埋隧道；黃土；高速公路；數(shù)值模擬

0 引言

隨著中國(guó)高速鐵路隧道建設(shè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的穿越工程，其中淺埋隧道下穿高速公路就是一種比較常見(jiàn)的穿越，施工中如何控制高速路面沉降，保證路面行車(chē)及隧道的安全是該類(lèi)工程設(shè)計(jì)和施工的難點(diǎn)，此類(lèi)穿越在黃土地層中尤其難以控制[1-2]。前人對(duì)淺埋下穿隧道進(jìn)行的大量研究表明，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑、CRD等工法能夠?qū)⒌乇沓两悼刂圃?0～80 mm[3-7]，這對(duì)于掌子面穩(wěn)定、地表沉降要求標(biāo)準(zhǔn)低的下穿工程是可行的，但一旦遇到像忻州隧道這樣，地表最大沉降要求<20 mm，并且其開(kāi)挖易發(fā)生土體流失的新黃土夾砂層而言，采用常規(guī)方式難以完全保證地表沉降滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

本文對(duì)忻州隧道采用新奧法+新意法相結(jié)合的理念穿越大運(yùn)高速公路的施工過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析其開(kāi)挖力學(xué)行為及變形狀況，并根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中，以期有效控制掌子面的土體流失問(wèn)題，同時(shí)控制地面沉降在20 mm以?xún)?nèi)。

1 工程概況

大西鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)原平至運(yùn)城段的忻州隧道全長(zhǎng)3 083 m，隧道洞身于DK206+734.7～+782.3斜穿大運(yùn)高速公路，隧道下穿的高速公路路面寬約25 m，下穿路面段長(zhǎng)約為34 m，高速公路與隧道洞身夾角約48°11′37″，隧道開(kāi)挖洞頂至公路路面高約27 m，開(kāi)挖洞頂至高速公路路塹邊坡頂約34 m。隧道開(kāi)挖寬度約為15.2 m，開(kāi)挖高度約為13.0 m，屬大跨度淺埋隧道。忻州隧道下穿大運(yùn)高速平面位置關(guān)系圖如圖1所示。

忻州隧道下穿段地表覆新黃土，黃褐色，堅(jiān)硬-硬塑，顆粒均勻，具大孔隙，含薄層細(xì)圓礫土和鈣質(zhì)結(jié)核層，夾多層淺棕紅色古土壤層。下伏老黃土夾砂，淺棕紅色，土體緊密，局部含沖積類(lèi)砂土，無(wú)黏聚力，開(kāi)挖易引起土體流失。此段圍巖分級(jí)情況為Ⅴ級(jí)。與巖質(zhì)地層相比，黃土地層土體強(qiáng)度低、自承能力差、變形大，濕陷性黃土受水影響強(qiáng)烈，一旦受水浸泡達(dá)到一定程度，其強(qiáng)度將明顯降低，隧道開(kāi)挖擾動(dòng)極易引起整體性塌陷，造成嚴(yán)重后果。

2 方案選取

為確保隧道下穿施工不影響大運(yùn)高速公路的安全運(yùn)營(yíng)，下穿施工必須控制地面沉降，參照相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范，最終制定了忻州隧道下穿大運(yùn)高速段的變形管理值，如表1所示。

表1忻州隧道下穿大運(yùn)高速段變形管理值
Table 1 Management values of deformation of Xinzhou tunnel crossing underneath Datong-Yuncheng highway

開(kāi)挖階段極限值/mm警戒值/mm變形速率/(mm/d)洞內(nèi)收斂、拱頂下沉1682．4地表沉降20162．5

忻州隧道一般淺埋段隧道施工采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明，忻州隧道一般淺埋段地面沉降在64～89 mm，這對(duì)于地面沉降無(wú)特殊要求的段落采用此工法施工是可行的。觀察表1發(fā)現(xiàn)，若在忻州隧道下穿大運(yùn)高速段仍采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工根本無(wú)法保證變形在控制范圍之內(nèi)，尤其是隧道上方還存在著重載車(chē)輛的動(dòng)荷載影響，因此必須研究新的施工方案。

CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是目前控制隧道施工變形較為有效的施工工法，對(duì)以上工法進(jìn)行三維計(jì)算表明在采取相同開(kāi)挖步距的情況下，2種施工工法分別較三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法地面沉降減少約56%和68%，但其仍不能滿(mǎn)足忻州隧道下穿大運(yùn)高速段變形管理值要求，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際并參照相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，該隧道擬采用新意法+新奧法中的雙側(cè)壁導(dǎo)坑開(kāi)挖方式完成下穿施工[8-9]。

忻州隧道下穿段采用的具體施工步驟為：1)超前管棚施工；2)掌子面加固；3)隧道掌子面開(kāi)挖；4)施作初期支護(hù)；5)仰拱回填并施作二次襯砌。本下穿段隧道的主要支護(hù)措施初步定為：拱部150°范圍內(nèi)施設(shè)外徑159 mm、壁厚9 mm、套管200×6 mm的超前管棚支護(hù)；拱部140°范圍內(nèi)施設(shè)外徑42 mm、壁厚3.5 mm的超前小導(dǎo)管支護(hù)；施作玻纖錨桿加固掌子面；初期支護(hù)為35 cm厚的C25噴射混凝土，鋼拱架采用I25a，間距0.5 m；二次襯砌為60 cm厚的C35混凝土。

3 采用新意法下穿大運(yùn)高速公路數(shù)值分析

3.1 模型建立

根據(jù)隧道施工對(duì)周邊土體影響范圍為2～3倍的洞徑，選取下穿高速公路段120 m長(zhǎng)隧道為研究對(duì)象，模型上邊界取至地表，下邊界取3倍洞高約40 m，左右邊界取3倍洞跨約為45 m，模型左右邊界施加X(jué)方向的位移約束，前后邊界施加Y方向的位移約束，模型底部施加Z方向的位移約束，具體模型如圖2所示。土層采用摩爾-庫(kù)侖模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)材料采用彈性模型，參照相關(guān)地勘資料及相關(guān)規(guī)范[10]，對(duì)加固區(qū)圍巖參數(shù)進(jìn)行合理提升，材料具體參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 三維模型計(jì)算圖

考慮到本工法需要控制的設(shè)計(jì)參數(shù)較多，本文僅對(duì)超前加固措施(無(wú)超前管棚、20 m每循環(huán)分段管棚、120 m通長(zhǎng)管棚)、掌子面范圍(掌子面不加固、掌子面上半斷面加固、掌子面全斷面加固)、開(kāi)挖步距(開(kāi)挖進(jìn)尺分別為0.5，1.0 m)及二次襯砌施設(shè)時(shí)機(jī)(距先行掌子面16 m、距先行掌子面22 m和距先行掌子面28 m)等對(duì)變形控制影響較大的參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，建立了多種計(jì)算模型，為保證分析結(jié)果具有可比性，在分析每一影響參數(shù)時(shí)，其他參數(shù)保持一致。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of materials

3.2 超前加固措施及范圍對(duì)隧道下穿段的影響分析

不同超前管棚加固長(zhǎng)度的計(jì)算(此時(shí)掌子面上半斷面超前加固)表明，120 m通長(zhǎng)管棚、20 m每循環(huán)分段管棚、無(wú)管棚3種超前加固措施下的地表下沉值分別為1.53，1.59，3.91 cm。采用通長(zhǎng)120 m超前管棚與20 m分段管棚時(shí)地表下沉值比較接近，而無(wú)管棚時(shí)地表下沉值約為有管棚情況的2.5倍，說(shuō)明布設(shè)管棚對(duì)于控制下穿段的豎向位移值是有效的。對(duì)比通長(zhǎng)管棚、20 m每循環(huán)分段管棚發(fā)現(xiàn)，雖然二者下沉值差別不大，但是考慮到本計(jì)算中未考慮分段管棚需要施設(shè)多個(gè)管棚洞室，同時(shí)分段管棚延緩了下穿施工的進(jìn)度，延長(zhǎng)了隧道的封閉時(shí)間，最后分段管棚施工還多次擾動(dòng)了下穿段土體，將增加豎向下沉值，因此建議采用通長(zhǎng)管棚的施設(shè)方式(本段120 m管棚長(zhǎng)度雖較長(zhǎng)，但是下穿段圍巖主要為新黃土，超長(zhǎng)管棚施設(shè)不存在技術(shù)困難)。

3種掌子面加固方式計(jì)算(此時(shí)采用120 m通長(zhǎng)管棚)表明，掌子面加固范圍越大，豎向位移控制效果越好。其中掌子面未加固、上半斷面掌子面加固、全斷面加固3種加固方式下地表最大豎向沉降分別為2.18，1.53，1.50 cm。分析不同的加固效果可以發(fā)現(xiàn)隨著掌子面加固范圍的增大，豎向沉降逐漸減少，但其隨著掌子面加固范圍的增大，豎向沉降減少的速率逐漸降低?？紤]到隧道豎向沉降控制值為2 cm，安全經(jīng)濟(jì)起見(jiàn)，建議隧道掌子面加固范圍為上半斷面掌子面(掌子面隨各導(dǎo)坑施工步分別進(jìn)行超前加固)。

3.3 開(kāi)挖步距及二次襯砌施設(shè)時(shí)間對(duì)隧道下穿段的影響分析

通過(guò)對(duì)2種不同開(kāi)挖步距的隧道模型計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖步距短的隧道，在施工過(guò)程中圍巖水平、豎直方向的應(yīng)力小，圍巖水平收斂、拱頂下沉、地表沉降小；但初期支護(hù)在開(kāi)挖步距短的隧道模型中受力較大，這與隧道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力未得到有效釋放有關(guān)，若初期支護(hù)能夠及早封閉，作為后期主要承載的二次襯砌受力情況是：開(kāi)挖步距短的隧道模型，其二次襯砌受力較小，說(shuō)明初期支護(hù)的及時(shí)封閉，有效地束縛了圍巖的持續(xù)變形，其前期的快速封閉時(shí)間與初期支護(hù)受力較大換回了后期二次襯砌受力更安全。

通過(guò)對(duì)3種不同二次襯砌施設(shè)時(shí)間的隧道模型計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)二次襯砌施設(shè)時(shí)間晚的隧道，在施工過(guò)程中圍巖水平、豎直方向的應(yīng)力小；圍巖水平收斂、拱頂下沉、地表沉降大；初期支護(hù)在二次襯砌施設(shè)時(shí)間早的隧道模型中受力較大，這與隧道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力未得到有效釋放有關(guān)；二次襯砌施設(shè)時(shí)間早的隧道模型，其二次襯砌受力較小。

本計(jì)算中考慮的是隧道開(kāi)挖完畢后圍巖應(yīng)力即得到完全釋放，同時(shí)未考慮隧道頂部高速公路車(chē)輛動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用及黃土的蠕變效應(yīng)，因此建議下穿段盡可能地縮小開(kāi)挖步距，及早施設(shè)二次襯砌，避免初期支護(hù)垮塌。

3.4 忻州隧道下穿段推薦方案確定

根據(jù)上文不同的計(jì)算工況得出適用于忻州隧道下穿段的推薦方案如下：采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖；施作120 m通長(zhǎng)管棚超前支護(hù)；上半斷面掌子面玻纖錨桿注水泥漿超前加固(參數(shù)見(jiàn)表2)，加固循環(huán)進(jìn)尺8 m，搭接段長(zhǎng)度4 m；采用小步距短進(jìn)尺開(kāi)挖，建議循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺與鋼拱架間距相同；盡早施作二次襯砌，具體二次襯砌施設(shè)時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工組織確定。根據(jù)推薦方案得到，忻州隧道下穿段的結(jié)構(gòu)受力及變形均在規(guī)范許可范圍內(nèi)，具體情況如圖3—6所示。

圖3 推薦方案豎向位移圖

圖4 推薦方案應(yīng)力圖

圖5 推薦方案初期支護(hù)有效應(yīng)力圖Fig.5 Effective stress of primary support of tunnel in proposed scheme

圖6 推薦方案二次襯砌有效應(yīng)力圖Fig.6 Effective stress of secondary lining of tunnel in proposed scheme

4 忻州隧道下穿大運(yùn)高速公路施工控制要點(diǎn)及效果分析

1)施工控制要點(diǎn)。超長(zhǎng)管棚施作中應(yīng)設(shè)管棚工作室，同時(shí)施工管棚導(dǎo)向墻，鉆孔外插角5°，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制鉆機(jī)下沉量及左右偏移量，插入管棚后及時(shí)注入水泥砂漿；玻纖錨桿施工時(shí)應(yīng)垂直打入掌子面，錨桿安裝過(guò)程中扭矩不得大于34 N·m，玻纖錨桿注純水泥漿，對(duì)掌子面進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)將玻纖錨桿外露部分切斷以方便施工；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法嚴(yán)格按工序施工，參照數(shù)值分析結(jié)果控制施工步距；初期支護(hù)緊跟開(kāi)挖面及時(shí)施作，以減少?lài)鷰r暴露時(shí)間，抑制圍巖變形，防止圍巖在短期內(nèi)松弛剝落，為確保結(jié)構(gòu)安全，二次襯砌應(yīng)及早施作。

2)效果分析。將本文的推薦方案應(yīng)用于忻州隧道下穿段后，取得了較好的效果，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)表明，隧道開(kāi)挖后30 d內(nèi)變形基本趨于穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)及地表變形均在前期確定的變形管理值之內(nèi)，表明采用新意法+新奧法相結(jié)合的方式在淺埋黃土下穿隧道施工中是有效的，現(xiàn)場(chǎng)具體監(jiān)控量測(cè)值如表3所示。

表3監(jiān)測(cè)斷面30 d變形值匯總
Table 3 30-day deformation measured at monitoring cross-sections mm

5 結(jié)論與建議

1)通過(guò)對(duì)忻州隧道下穿段的計(jì)算表明，采用新意法+新奧法相結(jié)合的方式在淺埋黃土下穿隧道施工能夠較好地控制隧道變形及地表沉降。

2)在工法的應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行分析，本工程采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖；施作120 m通長(zhǎng)管棚超前支護(hù)；上半斷面掌子面超前加固，加固循環(huán)進(jìn)尺8 m，搭接段長(zhǎng)度4 m；采用小步距短進(jìn)尺開(kāi)挖，盡早施作二次襯砌等設(shè)計(jì)施工參數(shù)的條件下，有效控制了結(jié)構(gòu)及地表變形均在前期確定的變形管理值之內(nèi)。

3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，在下穿隧道施工中，地表沉降有效控制在20 mm以?xún)?nèi)，這是常規(guī)施工方法難以比擬的，對(duì)于地面沉降控制要求嚴(yán)格的隧道采用新意法進(jìn)行施工是有效的，但此工法實(shí)際施工中存在工期較長(zhǎng)的問(wèn)題，建議研究更方便快捷的施工工法。

4)建議在類(lèi)似隧道施工期間，嚴(yán)格控制地面行車(chē)速度及載重，加強(qiáng)洞內(nèi)外監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)修正施工參數(shù)，確保施工安全。

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廣州投資逾1 800億元醞釀最大一輪地鐵建設(shè)

已開(kāi)通9條地鐵的廣州正在醞釀新一輪同時(shí)也是規(guī)模最大的一輪地鐵建設(shè)。新一輪的廣州軌道交通投資將逾1 800億元，與珠三角城際軌道實(shí)現(xiàn)更好的銜接。

日前，廣州市發(fā)改委在廣州市人大常委會(huì)第三十四次會(huì)議報(bào)告上指出，目前廣州在建的11條地鐵線(xiàn)路預(yù)計(jì)2017年全部完成，而新一輪的軌道交通建設(shè)規(guī)劃已經(jīng)經(jīng)過(guò)專(zhuān)家咨詢(xún)，初步計(jì)劃在2015—2025年再新建15條、339 km地鐵線(xiàn)。

新規(guī)劃明確致力于完善線(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)，響應(yīng)今年年初廣州所做的重大行政區(qū)劃調(diào)整，與珠三角城際軌道實(shí)現(xiàn)更好的銜接。

與珠三角城際網(wǎng)銜接

新一輪的地鐵方案在很大程度上是廣州城市發(fā)展的內(nèi)在要求。廣州地鐵建設(shè)始于20世紀(jì)90年代。經(jīng)過(guò)20多年的建設(shè)，目前已建成并開(kāi)通共9條、261 km地鐵線(xiàn)，日均客流達(dá)600萬(wàn)人次，解決了廣州近40%的通勤要求。這些已建成線(xiàn)路覆蓋了廣州8個(gè)行政區(qū)域，尚有增城、從化、花都、蘿崗未覆蓋。

現(xiàn)階段廣州正在進(jìn)行第二輪大規(guī)模地鐵建設(shè)——總長(zhǎng)達(dá)262 km的11條地鐵線(xiàn)，目前這些線(xiàn)路進(jìn)展順利，計(jì)劃于2016—2017年陸續(xù)建成，可實(shí)現(xiàn)廣州十區(qū)二市的全覆蓋。

總投資逾1 800億元

公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，2014年廣州已全面開(kāi)工11條地鐵線(xiàn)(段)，在建總里程262 km，涉及總投資1 407億元，平均每km投資約5.37億元。照此推測(cè)，新一輪的廣州軌道交通投資將逾1 800億元。

(摘自 新浪財(cái)經(jīng) http://finance.sina.com.cn/china/dfjj/20141031/034020692683.shtml)

StudyonConstructionSchemeofXinzhouTunnelCrossingUnderneathDatong-YunchengHighway

WANG Hongchang1,MA Zhifu1,ZENG Qing1,HUAN Guangkun2

(1.TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300142,China;2.SichuanPortandChannelDevelopmentCo.,Ltd.,Chengdu610041,Sichuan,China)

Xinzhou tunnel on Datong-Xi’an passenger-dedicated railway crosses underneath Datong-Yuncheng highway.Therefore,serious ground surface settlement and safety risks may occur in the construction of Xinzhou tunnel.In the paper,3D simulation is made on the construction of the section of Xinzhou tunnel crossing underneath Datong-Yuncheng highway by means of ADECR-RS and NATM,and study is made on the feasibility of different design parameters and different construction schemes,as well as on the influence on the ground surface settlement.Conclusion is drawn that the construction of the section of Xinzhou tunnel crossing underneath Datong-Yuncheng highway by means of ADECR-RS and NATM is feasible,with the design parameters as follows: excavation by double side heading method,cyclic advance rate being 8 m,reinforcing of the top heading with 4 m reinforcement overlap,advance support by 120 m pipe roof,short advance rate and early ring closing.

ADECO-RS; tunneling under shallow cover; loess; highway tunnel; numerical simulation

2014-09-08;

2014-09-14

王洪昌(1986—)，男，山東煙臺(tái)人，2013年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，橋梁與隧道工程專(zhuān)業(yè)，碩士，助理工程師，主要從事隧道技術(shù)研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.011

U 455.5

B

1672-741X(2014)11-1082-05