京廣高速鐵路石家莊六線隧道建設關鍵技術

萬　清， 李懷鑒， 杜華林， 馬志富， 張桂揚， 于全勝， 劉　勇， 王　眾

(1. 鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 天津　300251; 2. 北京中鐵隧建筑有限公司, 北京　100022;

3. 石家莊鐵道大學, 河北 石家莊　050043)

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京廣高速鐵路石家莊六線隧道建設關鍵技術

萬清1， 李懷鑒1， 杜華林2， 馬志富1， 張桂揚1， 于全勝2， 劉勇3， 王眾1

(1. 鐵道第三勘察設計院集團有限公司, 天津300251; 2. 北京中鐵隧建筑有限公司, 北京100022;

3. 石家莊鐵道大學, 河北 石家莊050043)

摘要：石家莊六線隧道與一般的鐵路隧道不同，屬于城市隧道工程，其規模與復雜程度在國內地下隧道工程中尚屬首例。為確保隧道工程的順利實施，同時也為今后類似隧道穿越城市工程提供借鑒與參考，在石家莊六線隧道設計、施工過程中，經過研究論證、理論計算、模擬分析、方案比選優化、現場試驗和重難點技術科研攻關，成功解決了穿城入地連拱多跨超長距離隧道營業線施工技術難題，形成了松軟地層超寬基坑圍護技術、緊鄰既有線帶狀基坑工程安全防護技術、連拱隧道下穿運營鐵路安全防護技術、寬體隧道下穿城市主干道技術等一系列關鍵技術，以及客運專線鐵路穿越城區修建技術重點科研成果。

關鍵詞：石家莊六線隧道； 城市隧道工程； 連拱隧道； 深基坑； 既有線； 下穿

0引言

眾所周知，石家莊是一座被火車拉來的城市。多年以來，石家莊沿著鐵路兩側發展，石家莊編組站和石家莊客運站均位于城市中心，京廣線橫穿主城區，鐵路像分割線一樣把石家莊分為橋東和橋西。近年來隨著石家莊的發展，鐵路造成的城市分割弊端日益凸顯：東、西區域城市規劃無法連續，導致區域經濟發展不同步；土地利用價值增長緩慢；東西向交通穿行只能走地下通道，繁忙時間交通壓力巨大；汛期地道雨水倒灌，給百姓出行造成很大影響，甚至造成局部癱瘓。為使城市分割成為歷史，實現可持續發展，根據城市發展空間戰略，在京廣高鐵穿越石家莊時，經過反復論證，最終確定了石家莊市鐵路樞紐工程建設方案(見圖1)： 搬遷既有火車站和鐵路貨運系統，在既有的石家莊編組站位置建設新火車站，在永壁建設設施先進、配套齊全的鐵路貨運站，實現鐵路客貨分流，并在城區段采用地下方式敷設新建鐵路和既有鐵路，形成國內第一條穿城入地的合體隧道——石家莊六線隧道。

石家莊六線隧道與一般的鐵路隧道不同，屬于城市隧道工程，其規模與復雜程度在國內地下隧道工程中尚屬首例。整座隧道緊鄰既有運營鐵路，同時，由于隧道地處城市中心地帶，周邊環境極其復雜，隧道所處地層全部為Ⅵ級圍巖松軟地層[1]，此類型的城市隧道工程以往沒有成功實例可供參考；因此，隧道設計和施工難點重重，極具挑戰。

石家莊六線隧道在設計、施工過程中，經過研究論證、理論計算、模擬分析、方案比選優化、現場試驗和重難點技術科研攻關等，形成了一系列關鍵技術，可為今后類似隧道穿越工程提供借鑒和參考。

圖1　石家莊鐵路樞紐總布置示意圖

1工程概況

1.1隧道概況

石家莊六線隧道自北向南縱穿石家莊市主城區，是京廣高速鐵路引入石家莊樞紐的關鍵工程。工程地處石家莊市二環內，北起石紡路，南至槐安東路，線路基本沿既有京廣線東側敷設(見圖2)，是一條六線并行(局部七線)、普速與高速并存的龐大地下工程。隧道包含京石客運專線正線(雙線)、改建京廣線正線(雙線)、石青客運專線正線(雙線)、石太聯絡線(單線)。其中，改建京廣線、京石客專和石青客專速度目標值分別為160、350、160 km/h，隧道正線全長4 980 m。

1.2地表環境概況

石家莊六線隧道穿越城市中心地帶，周邊建筑稠密，道路縱橫交錯，管線密布。隧道西側緊鄰運營中的京廣線、石德鐵路等既有鐵路；下穿既有石太直通線高路堤；下穿石家莊市和平路、正東路、中山路、裕華路4條東西向城市主干道；隧道影響范圍內需拆遷改移的市政、鐵路管線無數，周邊環境極其復雜。

1.3地質條件

1.3.1地層巖性

隧道場地巖性主要為新黃土、黏性土、粉土、砂類土及碎石土。隧道所處地層主要為黏性土及砂類土，全部為Ⅵ級圍巖松軟地層。

1.3.2地下水情況

石家莊市區現狀地下水水位埋深48.70～50.30 m(高程23.28～25.00 m)，抗浮設防水位為地下6 m(高程59 m)。

1.4施工方法

石家莊六線隧道除下穿既有石太直通線段(80 m)采用暗挖法施工、下穿市政道路段(218 m)采用蓋挖法施工外，其他段落均采用明挖法施工，明挖基坑寬26～50 m，深9.5～21 m，為長大深基坑工程。各種典型工法現場照片見圖3—6。

圖2　石家莊六線隧道總平面示意圖

Fig. 3Mined construction site of the tunnel crossing underneath Shijiazhuang-Taiyuan line

圖4　下穿市政道路蓋挖施工

Fig. 4Cut-and-cover top-down construction site of the tunnel crossing underneath municipal road

圖5　隧道明挖段施工(錨索段)

Fig. 5Construction site of cut-and-cover tunnel (anchor cable section)

圖6　隧道明挖段施工(混凝土支撐+錨索段)

Fig. 6Construction site of cut-and-cover tunnel (concrete support and anchor cable section)

2主要工程措施

2.1隧道建筑限界和主要斷面軌上凈空面積

石家莊六線隧道內京石客專建筑限界采用《新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定》(鐵建設[2007]47號)中“客運專線鐵路建筑限界”[2]，改建京廣線、石青客專和石太聯絡線的建筑限界采用TB 10003—2005中 “電力牽引隧道建筑限界”[3]。隧道典型斷面限界見圖7。

2.2隧道斷面型式

石家莊六線隧道結構斷面型式繁多，結構斷面寬26～50 m，高約13 m，隧道最大埋深約22 m(至基坑底)，各種典型隧道斷面型式見圖8—11。

圖7　隧道典型斷面限界圖(單位： cm)

圖8　石家莊六線隧道三跨標準斷面圖(單位： cm)

圖9　局部七線四跨標準斷面圖(單位： cm)

2.3圍護結構

明挖段基坑根據基坑與既有線距離的不同，主要采用的圍護結構型式有2種： 1)鉆孔灌注樁+土釘墻+錨索圍護結構(見圖12)，適用于一般明挖基坑； 2)鉆孔灌注樁+混凝土支撐+錨索圍護結構(見圖13)，適用于緊鄰既有繁忙干線鐵路地段。

圖10　下穿既有石太直通線暗挖斷面圖(石青客專未并入段)(單位： cm)

Fig. 10Cross-section of mined tunnel crossing underneath existing Shijiazhuang-Taiyuan line (without Shijiazhuang-Qingdao section) (cm)

圖11　兩跨標準斷面圖(石青客專未并入段)(單位： cm)

圖12　鉆孔灌注樁+土釘墻+錨索圍護體系示意圖(單位： mm)

圖13　鉆孔灌注樁+混凝土支撐+錨索圍護體系示意圖(單位： mm)

2.4洞門和洞口工程

石家莊六線隧道進出口位置配合路基U型槽高度確定。結構進、出口段高出原地面部分應滿足1 m覆土，填土坡度1∶2，填土表面植草綠化?？紤]洞口段景觀U型槽及雨棚結構工程，隧道進、出口段采用直切式洞門(見圖14和圖15)。

圖14　隧道進口洞門(石青客專未并入段)

Fig. 14Tunnel entrance (without Shijiazhuang-Qingdao section)

圖15　隧道出口洞門

3重點難題及應對措施

石家莊六線隧道屬于城市地下鐵路多線合體工程，其規模與復雜程度在國內地下隧道工程中尚屬首例，設計施工面臨連拱隧道下穿運營鐵路安全防護、緊鄰既有線帶狀基坑工程安全防護、寬體隧道下穿城市主干道施工、松軟地層超寬基坑的圍護等挑戰。

3.1連拱隧道下穿運營鐵路安全防護技術[4-6]

京石客專及改建京廣線雙連拱隧道于DK278+300～+380下穿既有石太直通線路堤(平縱斷面位置關系見圖16)，隧道下穿既有石太直通線段落的雙連拱隧道斷面寬度約30 m，隧道距離既有線軌面高度約9 m，旁側還有既有鐵路橋，既有線路堤在1996年洪水期間曾被沖垮，搶險時內部填料相當復雜，隧道施工期間既有線需繼續運營，且該線車流量極大；因此，隧道施工方案、工程措施、既有線的加固等必需慎重研究，考慮不周將造成工程失敗和巨大的人員、財產損失。

針對雙連拱淺埋隧道暗挖下穿既有石太直通線段落，采用CRD法進行分步開挖施工，大管棚超前支護，對既有線路進行扣軌加固，對既有線路基及鐵路橋橋臺進行注漿加固，對施工方法和輔助措施等進行詳細設計，保證工程順利進行；同時，也使沉降得到有效控制，確保既有線的營運安全(現場施工照片見圖17和圖18)。

3.2緊鄰既有線帶狀基坑工程安全防護技術[7]

整個六線隧道4.98 km范圍全部位于京廣線、石德鐵路等既有運營鐵路的東側(見圖19)，其中，中山路—裕華路段(原石家莊站，約1 km)隧道基坑距離既有線路基的最近處僅有5 m(見圖20)。因此，隧道基坑圍護結構型式的選擇、既有線一側土體的加固措施、隧道施工過程中對既有線的沉降變形影響等尤為重要，稍有不慎將對既有線的運營和安全構成嚴重威脅。

(a) 平面圖

(b) 縱斷面圖

Fig. 16Diagram of tunnel section crossing underneath existing Shijiazhuang-Taiyuan line (m)

圖17　隧道下穿既有石太直通線雙連拱暗挖施工照片

Fig. 17Mined construction site of the tunnel crossing underneath Shijiazhuang-Taiyuan line

圖18　既有石太直通線路基邊坡注漿加固

Fig. 18Side slope grouting reinforcement of roadbed of Shijia-zhuang-Tiayuan line

圖19　隧道緊鄰京廣線施工平面圖

Fig. 19Construction plan of the tunnel adjacent to Beijing-Guangzhou railway

圖20　隧道緊鄰既有線施工

根據基坑與既有線距離，設定3個基坑安全等級：基坑距既有線邊緣凈距≤0.75H(H為基坑深度)為特級基坑；0.75H<基坑距既有線邊緣凈距

1)基坑距既有線邊緣凈距≤0.75H時，采用φ1 200@1 800鉆孔灌注樁+混凝土支撐+預應力錨索圍護型式?？拷扔芯€一側圍護樁外，從地面往下采用袖閥管注漿加固地層，加固深度為地面下3 m至基坑底下2 m(見圖21)。

圖21　既有線一側注漿加固

2)基坑距既有線邊緣凈距在0.75H<凈距

3)基坑距既有線邊緣凈距≥H時，采用φ1 000@1 500鉆孔灌注樁+預應力錨索(基坑上部約3 m放坡)圍護型式。

3.3寬體隧道下穿城市主干道施工技術[8]

石家莊六線隧道在DK280+082、DK281+288、DK282+176分別下穿和平路、中山路和裕華路，這幾條市政道路是石家莊城區東西向主干道，車流量非常大，施工期間的交通疏解至關重要。為減少施工對市政道路交通的影響，同時考慮施工難易程度、工程造價，對暗挖施工及蓋挖施工工法進行綜合比選，最終確定了隧道下穿市政道路段采用蓋挖法施工。施工期間對道路進行半幅倒邊施工，利用剩余半幅道路進行交通疏解，保證道路暢通。

3.4松軟地層超寬基坑圍護技術[9]

隧道大部分段落采用明挖法施工，基坑寬度大部分都在40 m以上，隧道所處地層為砂、土地層，圍護結構的選擇尤為重要。圍護結構能影響基坑安全、結構安全、實施難度、施工工期和工程投資。圍護結構采用了鉆孔灌注樁+預應力錨索為主的圍護結構體系，基坑圍護結構見圖22和圖23。

圖22　鉆孔灌注樁+錨索圍護體系明挖基坑

Fig. 22Mined foundation pit with retaining system of “bored pile + anchoring cable”

4重點研究成果

4.1形成了連拱隧道下穿營運鐵路系列技術[10]

4.1.1下穿既有鐵路深埋雙連拱隧道開挖地表沉降控制基準

下穿鐵路施工地表沉降控制標準由軌道允許變形決定，通常軌道沿鐵路方向可以看作是無限長的柔性結構，可以認為軌道的變形與地表變形是一致的。因此，根據鐵路軌道允許的傾斜值[f]=[d]/l，可以推導既有鐵路路面地表沉降控制計算值。

圖23　鉆孔灌注樁+錨索+混凝土支撐圍護體系明挖基坑

Fig. 23Mined foundation pit with retaining system of “bored pile + anchoring cable + concrete support”

深埋雙連拱隧道地表沉降分布符合peck正態分布規律，可按peck公式進行擬合。擬合結果表明，地表沉降寬度系數i和地表沉降最大值Smax，其相關系數R均在 0.99以上, 沉降槽寬度系數與彈性模量、泊松比、黏聚力以及內摩擦角關系不大，但與埋深的關系較為顯著，地表沉降槽寬度系數i與隧道埋深H的關系滿足i=0.357 5H+12.737 7。得深埋雙連拱隧道下穿既有客運專線地表最大允許沉降量

Smax=(0.357 5H+12.737 7)[f]/0.61。

(1)

此最大沉降值即為雙連拱隧道下穿既有客運專線既有鐵路沉降控制基準值。

4.1.2下穿既有鐵路淺埋雙連拱隧道開挖地表沉降規律

下穿既有線淺埋雙連拱隧道仿真計算結果表明，采用CRD與眼鏡工法組合開挖能有效控制地表沉降，但其地表沉降曲線與經典正態分布曲線不同，呈非對稱雙峰值曲線，且受開挖分部數及開挖順序的影響，不應直接套用常規的地表沉降控制標準值，宜通過數值仿真確定相應工況的沉降控制值。

4.1.3開挖進尺、管棚支護措施對淺埋雙連拱隧道地表沉降控制的影響規律

管棚設計參數仿真分析結果表明，管棚支護措施對沉降控制作用明顯，管棚間距及直徑存在最優設計值。間距太小，造價高且控制沉降的效率低；間距太大，導致沉降過大或局部漏土，且管棚直徑越大造價越高，對設備要求更高，施工難度增加。宜根據實際情況，通過參數分析及曲線擬合，確定管棚最優間距及直徑。

4.2系統研究了緊鄰既有鐵路干線帶狀深基坑圍護體系受力及變形規律，形成了沉降控制標準和技術措施[11]

4.2.1緊鄰既有線深大基坑圍護結構設計方法及安全措施

緊鄰既有線深基坑風險大，事故后果非常嚴重，常規圓弧滑動條分法只適用于黏聚力較大、內摩擦力較小的黏性土，對于環境及邊界條件復雜的深基坑圍護結構無法反映其特殊性。因此，采用強度折減法對圍護結構的穩定安全性進行補充分析，滿足基坑安全系數要求。

同時，通過風險評估，對勘測資料、地勘報告、施工圖等進行分析，確定石家莊六線隧道明挖深基坑施工主要風險有塌方風險、大變形風險、既有線安全風險3種。結合現有統計數據及現行規范和規定，明確上述3種主要風險的風險等級，并分別采取袖閥管注漿加固地層、加強監測并預留袖閥管、加打臨時支護樁等基坑安全控制措施。

4.2.2緊鄰既有鐵路深大基坑施工沉降變形控制標準

基坑施工不可避免地會產生地表變形，過量的地表變形則可能會危及鐵路運營安全，因此，緊鄰既有鐵路的基坑穩定性控制因素是鐵路運營安全允許的基坑變形。

鐵路運營安全允許的基坑變形高于一般環境敏感性要求。根據不同行車速度條件下的鐵路靜態驗收允許水平傾斜率，及16 m深基坑現場實測及模擬分析地表沉降曲線，制定緊鄰既有鐵路深大基坑施工沉降變形控制標準，如表1所示。

表1鄰近鐵路基坑坑壁允許沉降位移

Table 1Settlement and displacement allowance of wall of foundation pit adjacent to railway

列車速度/(km/h)靜態驗收允許水平傾斜率不同距離基坑坑壁允許沉降/mm5m10m20m≤1600.0043274992200～2500.0036224177300～3500.000714.5815

4.2.3列車動載瞬時作用下圍護體系的動力響應規律

根據圍護樁的現場測試及仿真分析結果，圍護樁的水平振動速度及垂直振動速度與機車總質量、基坑開挖深度、距軌道的水平距離及垂直距離有關。以地層的水平振動速度及垂直振動速度為因變量，機車總質量、基坑開挖深度、距軌道的水平距離及垂直距離為自變量，得出圍護樁水平振動速度及垂直振動速度的表達式：

vh=-1.008 6+0.005 5P+0.12d+0.003sh-0.03sv；

(2)

vv=-2.67+0.019P+0.477d-0.057sh- 0.23sv。

(3)

式(2)和式(3)中： P為機車總質量，t； d為基坑開挖深度，m； sh為測點距軌道的水平距離，m； sv為測點距軌道的垂直距離，m。

得出，基坑開挖深度分別為10、15、20、25 m時，受列車振動荷載影響的范圍分別為82、124、166、208 m。

4.2.4列車動載長期作用下錨索預應力損失規律

列車振動在地層中衰減較快，列車振動能使基坑圍護結構的坑壁位移、樁身混凝土應力、支撐軸力、錨索應力損失等有一定增加，但增加比例一般小于10%。根據現場測試結果，錨索軸力擬合指數函數表達通式為

y=A1×e-x/t1+y0。

(4)

式中A1、t1、y0為擬合常數值。

5體會

本文對石家莊六線隧道的工程設計和城市規劃進行了全面結合，不僅僅要考慮鐵路工程，還要最大限度地減小對城市地面的影響，滿足未來的商業開發、改善交通和城市生態環境需求。

石家莊六線隧道設計施工過程中形成了松軟地層超寬基坑圍護技術、緊鄰既有線帶狀基坑工程安全防護技術、連拱隧道下穿運營鐵路安全防護技術、寬體隧道下穿城市主干道技術、錨索在土質地層中的應用技術、不同圍護支撐體系結合部的處理技術、避免局部支撐構件失效引起整個基坑失穩而進行的超靜定支護技術、緊鄰既有線的大型基坑施工變形預測及控制技術，以及超長、超寬、大深度的明挖基坑工程雨季防洪、隧道分段快速施工等一系列關鍵技術，可為今后類似隧道穿越工程提供借鑒和參考。

石家莊六線隧道自2012年12月開通運營后，所有從市區穿行的鐵路均改移至地下，對完善石家莊市基礎設施建設、改善城市投資環境、優化城市布局、促進城市經濟發展創造了良好條件。

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Key Construction Technologies for 6-Track Tunnels in Shijiazhuang on Beijing-Guangzhou High-speed Railway

WAN Qing1, LI Huaijian1, DU Hualin2, MA Zhifu1, ZHANG Guiyang1, YU Quansheng2,LIU Yong3, WANG Zhong1

(1.The3rdSurvey&DesignInsituteGroupCo.,Ltd.，ofMinistryofRailway,Tianjin300251,China;2.BeijingCTGConstructionCo.,Ltd.,ChinaRailwayTunnelGroup,Beijing100022,China;3.ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,Hebei,China)

Abstract:The urban 6-track tunnels (local 7-track) in Shijiazhuang are different from other tunnels; their scale and complexity are unique in China. During the design and construction of the mentioned tunnels, a series of works, i.e. study demonstration, theoretical calculation, numerical analysis, construction scheme comparison and contrast, field testing and technical breakthrough, have been done so as to guarantee the safe construction of the tunnels. In the end, the safe construction of long-distance multiple arch tunnel is guaranteed; and a series of construction technologies, such as retaining of large foundation pit in soft strata, protection of belt-shaped foundation pit adjacent to existing railway line, protection of multiple arch-tunnel crossing underneath running railway and construction of multiple arch-tunnel crossing underneath arterial road, and key research results of passenger-dedicated railway crossing urban area are obtained.

Keywords:6-track tunnel in Shijiazhuang; urban tunnel works; multiple arch tunnel; deep foundation; existing lines; under crossing

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)02-0241-10

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.018

作者簡介：第一 萬清(1980—)，男，四川眉山人，2013年畢業于石家莊鐵道大學，建筑與土木工程專業，碩士，高級工程師，從事鐵路隧道和地鐵設計工作。E-mail： 4777162@qq.com。

收稿日期：2015-05-08; 修回日期: 2016-01-05