大斷面黃土隧道臺階法雙層支護技術

李國良，宋 冶，李 雷，王新東，李 波

（1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043；2.中鐵西南科學研究院有限公司，成都 610031）

大斷面黃土隧道臺階法雙層支護技術

李國良1，宋 冶2，李 雷1，王新東1，李 波2

（1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043；2.中鐵西南科學研究院有限公司，成都 610031）

依托鄭西高鐵高橋隧道小角度下穿既有南同蒲鐵路施工實踐，通過試驗研究取得大斷面黃土隧道臺階法雙層支護體系的力學特性及施工技術關鍵，在砂質新黃土條件下成功解決埋深僅11 m的下穿運營鐵路的超大斷面（171 m2）隧道施工，對類似工程的設計與施工具有重要參考價值。

大斷面黃土隧道；臺階法；雙層支護；下穿

1 前言

鄭西高速鐵路有數座大斷面黃土隧道下穿高速公路和鐵路，提出有效控制地層沉降的適用工法，使隧道開挖既確保安全又不影響既有線正常運營是設計與施工面臨的巨大挑戰。為了解決大斷面黃土隧道下穿運營鐵路的施工技術關鍵，在鄭西高鐵陜西段高橋隧道下穿南同蒲鐵路段開展了臺階法雙層支護的試驗研究。本文對此重點介紹大斷面黃土隧道臺階法雙層支護體系的力學特性及施工技術關鍵。

2 工程背景

鄭西高鐵高橋隧道位于陜西潼關縣境內，洞身處于Ⅰ級黃土臺塬區，全長1 458 m。在隧道出口段與既有南同蒲鐵路小角度下穿立交（交角23°58′），下穿段總長90 m，最小埋深11 m（小于1倍隧道開挖寬度），如圖1所示。下穿段隧道開挖面積171 m2，開挖寬度15.5 m、高度13.4 m。該段穿越Q3～Q2砂質黃土地層，Ⅴ級圍巖，表1為高橋隧道黃土地層物理力學參數表[1]。

圖1 高橋隧道下穿段縱斷面及平面圖Fig.1 The longitudinal section and plan of the under-crossing section in Gaoqiao tunnel

表1 高橋隧道黃土地層物理力學參數表Table 1 The physical-mechanical parameters of loess in Gaoqiao tunnel

高橋隧道下穿既有南同蒲鐵路段，具有特淺埋、超大斷面、小角度下穿運營鐵路和砂質新黃土易坍塌等一系列技術難點，施工風險極大，需要嚴格控制隧道拱部下沉及地表沉降以確保隧道施工安全和既有鐵路的正常運營。同時，還要考慮建設工期和經濟性要求，既確保安全又能實現快速施工。通過多種方案比選，最終從隧道建設工期以及避免長時間影響既有鐵路運營考慮，確定高橋隧道下穿段采用長管棚（100 m）、臺階法開挖、雙層初期支護的施工方案。圖2、圖3分別為下穿段襯砌斷面圖和臺階法實際開挖順序圖，圖4為下穿段試驗測試布置圖。

圖2 高橋隧道下穿段雙層支護襯砌斷面Fig.2 Lining section of double-layer support of the under-crossing section in Gaoqiao tunnel

圖3 雙層支護臺階法實際開挖順序Fig.3 The actual excavation sequential of benching method with double-layer support

3 臺階法雙層支護力學特性

3.1 圍巖變形特性

3.1.1 凈空位移

高橋隧道下穿段臺階法雙層支護凈空位移最大值和速率實測結果見表2。當二層落后一層1榀鋼架時（0.5～0.6 m），拱部下沉僅為50～60 mm。落后3榀時（1.5～1.8 m），拱部下沉為90 mm水平，明顯大于落后1榀的情況。淺埋下穿段拱部下沉基本控制在50～60 mm的較低水平，除與仰拱封閉距離短有關外，與同時施作的雙層支護控制凈空位移的效果密切相關。即雙層支護控制拱部下沉優于單層支護，但其控制效果與二層是否緊跟一層有關。試驗顯示緊跟的效果明顯好于滯后。二層支護不同跟進情況下的凈空位移時態曲線如圖5所示。

臺階法雙層支護凈空位移特性統計顯示（見圖6），拱腳與拱頂下沉無差異，二者之比約為1，這與淺埋單層支護臺階法相似[2]。所不同的是，在埋深更淺的下穿段，雙層支護的水平收斂遠小于拱部下沉，下沉與收斂之比一般達到5，在立交點附近則更高（見圖6c）。表明臺階法不論單層還是雙層支護，凈空位移均以拱部整體下沉為主要特征，且埋深越小整體下沉越明顯。在下穿交叉點附近由于埋深最小，拱部整體下沉更為顯著。

3.1.2 地中位移

測斜孔測試顯示（見圖7），上臺階到達時邊墻范圍已發生水平位移達到總位移（襯砌施作后）的29%，表明臺階法開挖初期對黃土的擾動，其初期位移可達總位移的30%左右。但試驗段總的地中水平位移很小（＜10 mm），這與水平收斂很小的特性互相印證。地表垂直鉆孔和洞內水平鉆孔位移計測試顯示（見圖8和圖9），拱頂附近上方地層相對地表的垂直位移很小（＜5 mm），反映拱部地層具有整體下沉趨勢；地中水平位移很小（＜6 mm），這與襯砌緊跟施作不無關系。

圖4 高橋隧道下穿段試驗測試布置圖Fig.4 The layout of measurements of the under-crossing section in Gaoqiao tunnel

表2 高橋隧道下穿段臺階法雙層支護凈空位移及速率最大值匯總表Table 2 Summary table of displacement and its rate of double-layer support by benching method in the under-crossing section of Gaoqiao tunnel

圖5 臺階法雙層支護凈空位移時態曲線Fig.5 Time curves of displacement of double-layer support by benching method

圖6 下穿段臺階法雙層支護凈空位移特性統計圖Fig.6 Statistics on displacement characteristics of double-layer support by benching method in the under-crossing section

圖7 測斜孔測試結果（DK349+412）Fig.7 Measurement result of the inclinometer borehole（DK349+412）

圖8 地表垂直鉆孔位移測試結果（DK349+439、DK349+445）Fig.8 Measurement result of displacement by vertical drilling on surface（DK349+439、DK349+445）

圖9 洞內邊墻水平鉆孔位移計測試結果（DK349+445）Fig.9 Measurement result of displacement by horizontal drilling to sidewall in tunnel（DK349+445）

3.1.3 地表沉降

如圖10、圖11所示，在埋深＜1倍隧道開挖寬度的特淺埋新黃土條件下，高橋下穿段臺階法雙層支護地表沉降槽深度133 mm，沉降槽半寬度為15 m（等于1倍隧道開挖寬度），地表最終沉降大于洞內拱部下沉（開挖階段地表沉降略滯后于拱部下沉，見圖10b），特淺埋新黃土中開挖引起的拱部地層整體沉降和重固結壓縮沉降顯著（開挖后黃土水分向臨空面遷移引發）。

圖10 下穿段臺階法雙層支護地表沉降特性Fig.10 Characteristics of surface settlements by benching method with double-layer support in under-crossing section

圖11 地表沉降時態曲線Fig.11 Time curves of surface settlements

3.2 支護受力特性

3.2.1 型鋼應力

測試顯示（見圖12），開挖階段雙層支護外層I25a型鋼應力遠小于同規格型鋼的雙側壁法、交叉中隔壁法和單層支護臺階法[3]，顯然此時結構受剛度控制。相對上述工法，臺階法雙層支護提拱了一種強度和剛度更大的初期支護形式。

圖12 臺階法雙層支護外層型鋼（I25a）應力極值統計及對比Fig.12 Statistics and contrasting on the stress extrema of steel ribs（I25a）by benching method with double-layer support

3.2.2 錨桿軸力

測試顯示（見圖13），邊墻范圍錨桿開挖階段最大受拉軸力僅5 kN，與單層支護短錨桿受力情況相似，在淺埋新黃土中臺階法雙層支護短錨桿受力效果同樣較差，建議此時錨桿長度不小于4 m。

圖13 錨桿軸力極值沿斷面分布統計圖Fig.13 Statistics on axial-force extrema of system bolts along cross section

3.2.3 鎖腳錨桿與大拱腳的承壓效果

如圖14、圖15所示，在鎖腳錨桿和大拱腳的承壓效果上，單層支護＞雙層支護。綜合而言，在臺階法開挖對拱腳的擾動上，雙層支護對拱腳的影響沒有單層支護明顯。

圖14 鎖腳錨桿軸力極值對比Fig.14 Contrasting of anxial-force extrema of lock-footing bolts

圖15 大拱腳壓力極值對比Fig.15 Contrasting of pressure extrema of large arch footings

4 臺階法雙層支護施工技術關鍵

4.1 封閉距離與時間

在大斷面黃土隧道臺階法中，支護只有及時閉合成環才能有效提供剛度來控制變形，而支護及時封閉的意義，在于支護盡量靠近掌子面封閉，并且越靠近掌子面封閉，對掌子面的穩定性就越有利[2～4]。對于埋深≤1倍隧道開挖寬度的特淺埋情況，雙層支護臺階法的仰拱封閉距離應≤1倍隧道開挖寬度。對于封閉時間，按高橋隧道下穿段經驗，控制在20 d內即可。

4.2 雙層支護的施作

根據力學特性測試，雙層支護要求二層支護緊跟一層同時施作，才能達到及時增加支護剛度有效控制下沉的目的。按高橋隧道下穿經驗，二層支護滯后一層的距離可控制在1.5 m以內。

4.3 掌子面的穩定

對于埋深≤1倍隧道開挖寬度的特淺埋黃土，應特別重視掌子面的穩定性。開挖時，應確保掌子面后方核心土體積，并要求每層臺階均預留核心土，同時應采取掌子面超前加固輔助措施穩定前方核心土。

4.4 輔助措施

1）在淺埋下穿場合，大斷面黃土開挖面失穩很容易引發直通地表的坍塌而殃及地面構筑物。因此，淺埋下穿段應采取有效的防坍措施。其中，管棚是防止通頂坍方的有效手段。跟據高橋隧道下穿經驗，采取雙層管棚增大管棚剛度，可有效減小開挖對地表的影響。同時，應施作超前小導管。實踐顯示，在拱部120°范圍施作超前小導管，對于提高掌子面的穩定性具有明確的效果，尤其是黃土隧道取消拱部錨桿的場合。

2）在下穿既有鐵路時，對既有線軌面控制應滿足《鐵路軌道工程質量檢驗評定標準》（TB 10413—2003）規定的30 mm沉落限值要求，但目前工法對地表沉降控制很難直接達到該標準要求。因此，必須采取相應輔助措施，如設置扣軌梁、起道調平等。

4.5 淺埋大斷面黃土隧道臺階法雙層支護技術適用參數

表3給出淺埋大斷面黃土隧道臺階法雙層支護技術推薦參數表，用于特淺埋新黃土以及下穿地段采用挖掘機的開挖環境，下穿段月施工速度可達到25 m以上。

表3 淺埋大斷面黃土隧道臺階法雙層支護技術推薦參數表Table 3 Recommended parameters of benching method with double-layer support for large-section loess tunnels in shallow

5 應用效果

高橋隧道下穿段臺階法雙層支護采用三臺階預留核心土開挖，每層臺階預留核心土，圖16為實際開挖情形。仰拱實際封閉距離為6～20 m，平均為12 m；封閉時間為6～25 d，平均為17 d（見圖17）。

圖16 高橋下穿段臺階法開挖情形Fig.16 Excavating by benching method in the under-crossing section of Gaoqiao tunnel

從2007年9月正式開挖，鄭西高鐵首次在大斷面黃土隧道采用臺階法雙層支護經過開始階段的磨合，施工速度逐漸提高，在仰拱及襯砌緊跟情況下，11月下穿既有鐵路時的月開挖進度達到25 m以上（見圖18）。通過對既有線軌面監控，在既有線保持運營條件下（限速40 km/h），開挖期間軌面控制最大隆起-10 mm、沉降25 mm（見圖19），滿足TB 10413—2003評定標準要求[5]。

6 結語

大斷面黃土隧道臺階法雙層支護采用三臺階預留核心土順序開挖，初期支護采用雙層支護，目的是加強掌子面的開挖穩定性和增加支護剛度，有效控制淺埋以及下穿段大跨隧道拱部下沉及地表沉降。鄭西高鐵高橋隧道采用臺階法雙層支護在埋深僅11 m＜1倍隧道開挖寬度的特淺埋砂質新黃土層以小角度下穿既有南同蒲鐵路的實踐，為大斷面黃土隧道下穿構筑物的施工技術提供了成功的經驗。

相對雙側壁法、交叉中隔壁法等工法，臺階法雙層支護提拱了一種強度和剛度更大的初期支護結構形式，用鋼量比雙側壁節省，且無需臨時支護，施工較為快捷。對于高鐵超大斷面黃土隧道，在埋深≤1倍隧道開挖寬度的特淺埋地段，雙層支護臺階法的月開挖進度可以達到25 m以上，其技術經濟效益顯而易見。

圖17 仰拱實際封閉距離和時間的統計Fig.17 Statistics on the actual closure distance and time of invert arch

圖18 高橋下穿段雙層支護臺階法開挖月進度Fig.18 Monthly progress of benching method with double-layer support in the under-crossing section of Gaoqiao tunnel

圖19 既有線軌面隆沉監控結果Fig.19 Monitoring result of rail settlements of the existed railway

因此，臺階法雙層支護可用于埋深≤1倍隧道開挖寬度的特淺埋非飽和黃土以及下穿段大斷面隧道施工。但用于下穿既有鐵路時，為滿足《鐵路軌道工程質量檢驗評定標準》（TB 10413—2003）要求，還需要對線路采取相應輔助措施如設置扣軌梁、起道調平等，并進行軌面監控。

[1]王曉州，丁維利，王慶林，等.淺埋大斷面黃土隧道下穿既有鐵路施工技術[J].鐵道標準設計，2007（S1）：67-71.

[2]中鐵第一勘察設計院集團有限公司，中鐵西南科學研究院有限公司，西南交通大學，等.鄭西客專大斷面黃土隧道施工方法與監控技術研究報告[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2008.

[3]中鐵西南科學研究院有限公司.鄭西客運專線大斷面黃土隧道施工方法與監控技術研究——力學特性現場測試報告（西南研字第580號）[R].成都：中鐵西南科學研究院有限公司，2008.

[4]李國良，宋 冶，李 雷，等.鄭西高鐵大斷面黃土隧道施工方法研究[C]//第七屆世界高速鐵路大會論文集（上冊）.北京：中國鐵道出版社，2010：43-50.

[5]宋 冶，王新東，王 剛，等.客運專線大斷面黃土隧道施工監控技術[J].鐵道工程學報，2010（1）：52-58.

Double-layer support technology of large-section loess tunnel by benching method

Li Guoliang1，Song Ye2，Li Lei1，Wang Xindong1，Li Bo2

（1.China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xi’an 710043，China；2.China Railway Southwest Research Institute Co.Ltd.，Chengdu 610031，China）

Relying on the construction under crossing the existed south Tongpu Railway with a small included angle at Gaoqiao tunnel of Zhengzhou—Xi’an high speed rail，carrying out the test and study，the mechanical characteristics and key construction techniques of the doublelayer support system of large-section loess tunnels by benching method are acquired.It successfully resolved the construction difficulties of super-large-section tunnel（171 m2）under crossing the operating railway in the depth of only 11 m under sandy neoloess，thus to have the significant reference for the design and construction of the similar engineering.

large-section loess tunnel；benching method；double-layer support；under crossing

U455

A

1009-1742（2014）08-0054-10

2014-04-20

鐵道部科技研究開發計劃項目（2005K001-D（G）-1）

李國良，1966年出生，男，甘肅莊浪縣人，中鐵第一勘察設計院集團有限公司副總工程師，研究方向為隧道及地下工程；E-mail：lgl6604@vip.sohu.com