高鐵黃土隧道近接下穿運營鐵路變形控制技術(shù)分析

張 超 （中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

我國廣泛分布著黃土地層，黃土屬特殊土質(zhì)，隧道開挖過程中，變形大、穩(wěn)定性差，特別是大斷面黃土隧道下穿既有建構(gòu)筑物時，造成地表沉降超限，給地表建構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全帶來了嚴(yán)重的影響。

現(xiàn)已有若干隧道下穿建構(gòu)筑物的案例，如表1所示。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，黃土隧道下穿既有建構(gòu)筑物時，采用的施工方法主要是以CRD和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法這類有臨時豎撐的分部開挖方法為主；臺階法等非減跨方法也有部分應(yīng)用，但黃土性質(zhì)較差時，則難以保證地表沉降滿足要求。

部分黃土隧道下穿既有建構(gòu)筑情況統(tǒng)計表 表1

黃土隧道下穿既有建構(gòu)筑物時變形要求嚴(yán)格，設(shè)計中常采用中隔壁、交叉中隔壁、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等有豎向臨時支撐的分部開挖法，然而這類開挖方法分部多，施工速度慢，嚴(yán)重限制了大型機械的使用，臨時豎撐拆除的過程中又存在著“關(guān)門”風(fēng)險。因此在黃土隧道下穿建構(gòu)筑物施工中，研究施工速度快、效率高、效益好的施工方法，是科研工作者和工程實施者的共同目標(biāo)。針對黃土隧道變形控制的措施，國內(nèi)外大量學(xué)者進行了研究，認(rèn)為初期支護快速閉合、提高支護剛度、增加超前支護、采用大拱腳支護等措施是可以有效控制圍巖變形的。

2 依托工程

2.1 工程概況

銀（川）西（安）鐵路干堡隧道位于陜西省咸陽市永壽縣境內(nèi)，隧道全長1969.62m，設(shè)計速度250km/h。隧道為單洞雙線隧道，開挖斷面160m2，最大埋深45m，屬于超大斷面隧道。DK105+013～DK105+097段下穿西（安）—平（涼）鐵路，設(shè)計時速120 km/h。兩線路中線夾角55°，隧道下穿影響段長度約84m，隧道埋深32m，線路位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 干堡隧道與西平鐵路空間位置圖

干堡隧道所通過的地層主要為第四系新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土。

2.2 初步設(shè)計情況

隧道施工期間西平鐵路保持正常運營，根據(jù)《鐵路軌道工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》（TB10413-2018）規(guī)定的軌道中線高程允許偏差量，將地表沉降控制值設(shè)置為30mm。設(shè)計建議采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法或交叉中隔壁法（CRD法），由于此兩種工法的施工效率難于滿足工期要求，同時本隧道穿越的黃土地層為Q2黏質(zhì)黃土，整體穩(wěn)定性較好，施工過程中是否可以減少開挖分部，通過增加控制變形輔助措施，達到變形控制的目的，進而提高施工效率。

2.3 施工優(yōu)化情況

基于以上背景，結(jié)合已有的研究成果，課題組提出如下方案：

通過超長管棚加強超前支護，在上、中臺階設(shè)置臨時仰拱快速形成初期支護閉合，減少臺階長度等措施，應(yīng)可實現(xiàn)變形控制的目標(biāo)。具體如下：在隧道洞身拱頂140o范圍內(nèi)，布置φ159mm長管棚+φ42mm小導(dǎo)管進行超前支護，使隧道在下穿西平鐵路前，預(yù)先在拱頂設(shè)置縱向支撐體系結(jié)構(gòu)（超長管棚）。

為確保洞內(nèi)管棚一次性通過下穿西平鐵路段，需要施作管棚工作室以提供管棚作業(yè)空間，如圖2所示，管棚工作室范圍內(nèi)，初期支護輪廓放大80cm，長度12m（含2m過渡段）。采用導(dǎo)向跟管鉆進法施工大管棚，即直接用管棚鋼管做鉆桿，前端加特制導(dǎo)向鉆頭鉆至預(yù)定深度，鋼管及鉆頭留在孔內(nèi)，然后注漿。鉆進過程中用安裝于鉆頭后部的導(dǎo)向儀探頭隨時監(jiān)控鉆進方向并及時作出校正。

施工步序及支護結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

圖2 管棚工作室圖

圖3 施工步序圖

圖4 三臺階設(shè)臨時仰拱法施工工序圖

初期支護中鋼架采用工20b型鋼，間距0.6m，C25噴射混凝土厚度為28cm，臨時仰拱采用工18型鋼，噴射混凝土厚度18cm，間距0.6m，鎖腳采用φ 42錨管，長度4m。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型及參數(shù)選取

根據(jù)原設(shè)計，干堡隧道下穿西平鐵路開挖工法采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，超前支護采用長度9m的?89短管棚，為加快施工進度，現(xiàn)擬采用三臺階設(shè)臨時仰拱的開挖方法，并采用長度84m的?159長管棚。為比較不同工法開挖對地表路基沉降以及支護安全等的影響，現(xiàn)利用數(shù)值計算軟件FLAC3D進行模擬分析，在保證安全施工和提高施工進度的基礎(chǔ)上，選擇較合理的開挖工法。

計算模型選取范圍：根據(jù)隧道開挖圍巖受影響范圍，設(shè)定隧道左右邊界距離隧道外邊墻5倍洞徑，隧道下邊界距離隧道底部3倍洞徑，根據(jù)埋深將隧道上邊界設(shè)置為距隧道拱頂32m，根據(jù)實際工程情況沿開挖方向取120m；約束情況為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面。

圖5 開挖方法的模型圖

干堡隧道與西平鐵路相交區(qū)域位于里程DK105+040～DK105+080段內(nèi)，隧道穿越的地層主要為黃土地層，模型僅選取單一土層作為計算對象，其計算參數(shù)參照鄭西高速黃土鐵路隧道選取。隧道開挖前打設(shè)管棚進行超前預(yù)支護，管棚參數(shù)參照相近工程選?。婚_挖后及時施作初期支護及噴射混凝土，其計算參數(shù)由剛度等效及重度等效方法得到，混凝土計算參數(shù)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB 10003-2005）的相關(guān)規(guī)定選取，計算參數(shù)如表2所示。

計算參數(shù)表 表2

3.2 變形分析

選取最具有代表性的地表沉降的數(shù)據(jù)（模型的中間斷面）進行分析，兩個工法各階段的最大沉降數(shù)據(jù)如表3所示，地表變化規(guī)律分別如圖6和圖7所示。

各階段地表路基最大沉降統(tǒng)計表 表3

圖6 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖路基沉降曲線

圖7 臺階法開挖路基沉降曲線

2種工況的整體沉降規(guī)律是一致的，地表沉降表現(xiàn)為在掌子面到達沉降觀測點前，沉降已經(jīng)產(chǎn)生，隨著支護的施作，整體的變形趨于穩(wěn)定；地表沉降整體呈現(xiàn)出先緩慢增加，后加速增加，最后趨于穩(wěn)定。從地表沉降的最大值比較來看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的確在變形控制上有較好的效果，但是兩種工法的最大沉降量均小于30mm的變形控制要求。

基于數(shù)值計算的結(jié)果，初步證實采用超長管棚+臨時仰拱形成的縱橫支撐體系能夠控制變形，滿足本項目的變形要求。

4 現(xiàn)場實測及分析

4.1 測試項目

為保障現(xiàn)場施工過程安全及變形量控制要求，并驗證數(shù)值計算結(jié)果的正確性，進行了圍巖壓力、初期支護鋼架應(yīng)力的力學(xué)監(jiān)測，以及初期支護拱頂沉降、地表沉降的監(jiān)測。

4.2 測試方法

由于初期支護力學(xué)監(jiān)測屬于常規(guī)內(nèi)容，已有成熟的監(jiān)測方法介紹，本文不再贅述。

4.3 測點布置

在下穿西平鐵路的正下方布置三個測試斷面，見表6所示。其中初期支護設(shè)置8個測點，每個測點布置3個元件（1個土壓力盒，2個鋼架表面應(yīng)變計），各監(jiān)測單元的元件布置如圖8所示。

圖8 監(jiān)測元件布置示意圖

4.4 測試數(shù)據(jù)及分析

4.4.1 初期支護圍巖壓力

初期支護的圍巖壓力直接反映出地層對隧道結(jié)構(gòu)的荷載大小，DK105+062斷面的初期支護圍巖壓力隨監(jiān)測時間的增長規(guī)律如圖9所示。隨著監(jiān)測時間的增加，圍巖壓力逐漸增加，呈現(xiàn)出先快速增加后逐步趨于穩(wěn)定的規(guī)律，當(dāng)仰拱封閉后，圍巖壓力趨于穩(wěn)定，最終圍巖壓力的分布如圖10所示。

量測典型斷面及量測內(nèi)容 表4

圖9 DK105+062斷面初期支護圍巖壓力圖

圖10 各斷面圍巖壓力分布規(guī)律圖(單位：MPa)

圖9和圖10中顯示，初期支護的圍巖壓力值總體較小，最大值為0.079MPa，換算為土柱高度僅3.7m；分布規(guī)律為拱部數(shù)值較小，拱腳部位數(shù)值較大，仰拱部位數(shù)值處于拱部和拱腳數(shù)值之間。

4.4.2 鋼架應(yīng)力

初期支護中鋼架作為重要的支護結(jié)構(gòu)，起到快速承載的作用，如圖11所示，DK105+062斷面的鋼架應(yīng)力整體呈現(xiàn)出先快速增加后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，同圍巖壓力的規(guī)律一致，當(dāng)仰拱封閉后，測試數(shù)值趨于穩(wěn)定。整體呈現(xiàn)出受壓的狀態(tài)，數(shù)值較小，三個斷面各測點的最大鋼架應(yīng)力分布如圖12所示。

圖11 DK105+062斷面鋼架應(yīng)力圖

圖12 各斷面鋼架應(yīng)力分布圖（單位：MPa）

從圖11和圖12中可以明顯看出：鋼架總體應(yīng)力較小，最大值為183.64MPa，未超過材料的極限強度（210MPa），鋼架的整體穩(wěn)定性較好，鋼架整體處于受壓狀態(tài)，且應(yīng)力分布較均勻，未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。

綜合初期支護圍巖壓力及鋼架應(yīng)力的監(jiān)測值可知，作用于初期支護上的荷載較小，結(jié)構(gòu)安全性較高。

4.4.3 地表沉降

地表沉降槽的數(shù)據(jù)如圖13所示，現(xiàn)場實測和數(shù)值計算的結(jié)果對比如圖14所示，從沉降的變形規(guī)律來看，和數(shù)值計算分析的結(jié)果是一致的，即先快速增加后逐漸趨于穩(wěn)定。

圖13 DK105+061斷面地表沉降槽曲線

圖14 現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬地表沉降對比圖

地表沉降的實測數(shù)據(jù)有2個點位比數(shù)值計算得到的數(shù)據(jù)大，其余則都是差別不大，但整體的最大沉降值并未超過30mm的限值。

5 結(jié)論

①超大斷面黃土隧道下穿既有運營鐵路時，開挖方法的選擇是以變形控制為準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)的安全為輔。

②采用臨時仰拱臺階法，輔以超長管棚進行變形控制是滿足變形控制要求的，其中超長管棚和臨時仰拱組成的“縱橫支撐”體系將豎向荷載可沿縱向較大范圍地傳遞至鋼架及穩(wěn)定圍巖中，減少掌子面附近荷載集中，取代了臨時豎撐，增大了開挖面積，有利于加快施工速度。