新考塘隧道出口三線漸變段結構選型與施工工法研究

洪　軍， 郭海滿， 張俊儒， 陳利杰

(1. 贛龍復線鐵路有限責任公司， 福建 龍巖　364000；2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都　610031)

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新考塘隧道出口三線漸變段結構選型與施工工法研究

洪軍1， 郭海滿1， 張俊儒2，*， 陳利杰1

(1. 贛龍復線鐵路有限責任公司， 福建 龍巖364000；2. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都610031)

贛龍鐵路新考塘隧道出口處于全風化花崗巖富水地層，且處于三線漸變段，開挖跨度大，隧道埋深小，最大開挖跨度達到30.3 m，最大開挖面積為396 m2，為國內外鐵路隧道工程所罕見。為安全、經濟、快速修建此隧道，基于工程所處具體地形地質條件，對淺埋軟巖特大跨度漸變段隧道的結構選型與施工工法進行研究，形成了應用于喇叭口漸變段的隧道內輪廓采用多個分段階梯式變化的設計方法。漸變段共計215 m，分6段階梯式加寬，加寬值分別為0.8、2、4、6、8、10.3 m，軌面以上凈空面積從85.16 m2到 200.02 m2變化。除加寬0.8 m段按常規雙線段考慮外，加寬2、4、6 m段分別采用了四步CRD法、雙側壁導坑法、大墻腳復合雙側壁法，加寬8 m和10.3 m段采用了“靴型大邊墻+加勁拱”復合工法，且其支護參數不同。目前新考塘隧道已施工完畢并投入運營，實踐證明設計的隧道結構型式及相應的工法是合理可行的。

贛龍鐵路； 新考塘隧道； 全風化； 漸變段； 特大跨度； 靴型邊墻； 加勁拱

0　引言

隨著鐵路建設不斷向山區發展，由于受復雜困難山區地形的限制，就會在隧道進出口形成多線車站隧道和受聯絡線出岔影響的多線過渡段喇叭口隧道，這些隧道的開挖跨度一般超過15 m，屬于特大斷面隧道。同時，由于特大跨度隧道處于洞口段時，地形地質條件相對較差，屬于淺埋或超淺埋軟弱圍巖隧道，有時還處于富水區，這些給隧道設計和施工帶來很大的困難。

從當前的實際情況來看，修建大斷面或超大(特大)斷面隧道是今后發展趨勢[1]。一方面是目前已建成和正在大量修建的客運專線隧道開挖斷面達140～160 m2，局部超200 m2，屬于超大斷面；另一方面受地形限制，車站部分伸入隧道內形成多線隧道，三線車站隧道跨度均已超過20 m[2]。2012年開通運營的六沾復線烏蒙山2號隧道四線車站段開挖跨度達到28.42 m，開挖面積354.30 m2，其施工重點是引入預應力錨索，以索換撐[2-5]；開挖斷面達340 m2的濱海軟土隧道拱北隧道，采用基于超前管幕預支護下的多臺階分部開挖方案施工[6-9]。盡管已經取得一些成果，但可供直接借鑒的設計施工經驗仍然甚少，尤其對于斷面超過300 m2隧道，尚無統一規范，同類工程在設計施工方面差別較大。本文依托工程贛龍鐵路新考塘隧道出口擴大段最大開挖跨度達30.3 m，開挖面積為396 m2，且處于全風化花崗巖富水地層，設計、施工難度可見一斑。

贛龍鐵路新考塘隧道出口段由于南(平)三(明)龍(巖)鐵路與贛(州)龍(巖)鐵路間聯絡線設置的需要，出口段形成了“2條正線+1條聯絡線”的格局，聯絡線與贛龍鐵路右線的線間距從出岔點向隧道出口端逐漸加大，形成了喇叭口狀三線隧道結構，涉及的范圍為DK268+050～+265，總長度為215 m，其中DK268+260～+265段為明挖段。新考塘隧道出口線路平面布置圖如圖1所示。對比以往類似變截面燕尾段隧道[10-13]，本次喇叭口狀三線過渡段的最大跨度和最大開挖面積均超過以往，且本次以擴大段直接出洞，缺少小凈距雙洞階段，從空間效應上來說，受力更為不利。

圖1　新考塘隧道出口線路平面布置圖(單位：cm)

本文以贛龍鐵路新考塘隧道工程為依托，對全風化花崗巖富水地層三線漸變段特大跨度淺埋隧道結構型式及施工工法進行設計研究。

1　工程概況

新考塘隧道位于福建省龍巖市新羅區龍門鎮境內，全長2 503 m，隧道進出口里程分別為DK265+762、DK268+265。該隧道為時速200 km客貨共線鐵路雙線隧道，DK265+762～DK268+050段隧道內線間距為4.4～4.675 m；DK268+050～+265段隧道為贛龍至南三龍上行聯絡線道岔進隧道影響段，贛龍至南三龍上行聯絡線在正線右線出岔，贛龍復線隧道正線線間距為4.4 m，贛龍正線右線與贛龍至南三龍上行聯絡線間距為0～10.216 m。

新考塘隧道隧址區屬于中、低山地貌，為構造剝蝕山地，植被發育、灌木雜草叢生。地表水不發育，地下水類型主要為孔隙潛水、基巖裂隙水，主要受大氣降水補給，向低洼處排泄。隧道出口大跨段位于低山谷地，埋深較小(5～40 m)，自然坡度為30～45°，預測單位長度最大涌水量為14.26 m3/(d·m)，為強富水區。該段隧道基本處于全風化花崗巖層，洞身圍巖主要為中細?；◢弾r，灰紅色至灰黃色，全風化，部分為強風化至弱風化，圍巖松散至破碎，工程地質條件差，按TB 10003—2005《鐵路隧道設計規范》劃分為V級圍巖，加之處于洞口段，圍巖穩定性問題突出。新考塘隧道出口縱斷面如圖2所示。

2　漸變段隧道結構型式研究

新考塘隧道根據鐵建設函[2005]285號《新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定》中“電力牽引鐵路橋隧建筑限界(KH-200)”的要求，確定隧道建筑限界，進而擬定隧道襯砌內輪廓。

2.1分段加寬襯砌斷面設計的思路

贛龍鐵路至南三龍鐵路上行聯絡線道岔進入新考塘隧道，其中道岔影響段里程為DK268+050～+260。隨著聯絡線道岔引出隧道，其與正線右線線間距呈現為一個漸變式增長，受漸變線間距和道岔設置結構的復合式加寬的影響，其聯絡線與正線隧道建筑限界相對位置逐漸發生變化，故隧道襯砌內輪廓根據《新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定》中的“電力牽引鐵路橋隧建筑限界(KH-200)”、各線線間距及其他各種因素綜合考慮擬定。

圖2　新考塘隧道出口縱斷面圖

從設計、施工便利性和經濟性等方面綜合考慮，將大跨段結構分為6種襯砌斷面形式，逐級加寬，分別采用不同的超前支護措施、襯砌設計參數和施工工法。

2.2分段襯砌斷面內輪廓的擬定

能否合理選取相應的結構加寬值對隧道襯砌結構進行分段(或稱分節)，是新考塘隧道順利修建的一個核心技術點。考慮漸變線間距和道岔設置結構復合加寬(該段聯絡線位于緩和曲線上，需考慮道岔本身的加寬)的影響，并將由于凈空斷面變化而改裝二次襯砌臺車的間隔控制在約3循環二次襯砌長度(即每段按約3×12=36 m計算)?；谝陨戏治?，將該隧道大跨漸變段DK268+050～+260共分6段，每段襯砌斷面形式(加寬與對應的線間距，內凈空參數等)設置如表1所示。

表1　新考塘隧道襯砌結構加寬與線間距設置一覽表

在隧道兩側設置貫通的救援通道后，救援通道寬1.25 m，高2.2 m，外側距線路中線2.2 m。為便于對照加寬值，將正常雙線隧道內輪廓以及漸變段的6段襯砌內輪廓分示如圖3—9所示；仰拱設置后的不同加寬段內輪廓圖如圖10所示。

圖3　正常雙線隧道內輪廓(單位：cm)

圖4　DK268+090隧道內輪廓(加寬0.4 m斷面)(單位：cm)

Fig. 4Inner contour of cross-section DK268+090 (widened by 0.4 m) (cm)

3　漸變段特大斷面隧道施工工法及支護參數

根據2.2節隧道襯砌斷面分段方法，施工工法及支護參數亦按照加寬10.3、8、6、4、2 m段分別考慮(0.8 m 段可按常規雙線段考慮)。從加寬10.3 m段到加寬2 m段，采用了“靴型大邊墻+加勁拱”復合工法、大墻腳復合雙側壁單層支護法、雙側壁導坑先墻后拱法、四步CRD法等。

圖5　DK268+110隧道內輪廓(加寬2 m斷面)(單位：cm)

Fig. 5Inner contour of cross-section DK268+110 (widened by 2 m) (cm)

圖6　DK268+156隧道內輪廓(加寬4 m斷面)(單位：cm)

Fig. 6Inner contour of cross-section DK268+156 (widened by 4 m) (cm)

圖7　DK268+192隧道內輪廓(加寬6 m斷面)(單位：cm)

Fig. 7Inner contour of cross-section DK268+192 (widened by 6 m) (cm)

圖8　DK268+228隧道內輪廓(加寬8 m斷面)(單位：cm)

Fig. 8Inner contour of cross-section DK268+228 (widened by 8 m) (cm)

圖9　DK268+265隧道內輪廓(加寬10.3 m斷面)(單位：cm)

Fig. 9Inner contour of cross-section DK268+265 (widened by 10.3 m) (cm)

圖10　不同加寬段的隧道內輪廓對比圖

Fig. 10Comparison among inner contours of tunnels with different widening values

3.1加寬10.3 m段隧道施工工法及支護參數

加寬10.3 m里程區段為DK268+228～+260，最大開挖寬度達30.26 m、開挖面積為396 m2，且位于富水的全風化花崗巖軟弱地層，在這樣困難的地質條件下修建如此大斷面隧道，對設計和施工提出了極富挑戰性課題，也是國內外同類工程建設中的技術空白。針對該段工程特點，在新奧法理念[14]基礎上，研究采用一種新型工法：“靴型大邊墻+加勁拱”復合工法，即：在軟弱基底中通過擴大隧道支護墻腳形成靴型大邊墻，為上部結構提供穩定基礎，同時強化與仰拱的連接；采用雙層初期支護復合的加勁拱部結構，減小拱部拆撐帶來的受力結構體系轉換風險，滿足拆撐后的超大跨隧道施工階段受力要求，防止拱部失穩；且在無內撐條件下，剩余部分可以大刀闊斧地被開挖，相比傳統雙側壁導坑法(傳統法一般要求豎撐落底)，施工自由度大大增加，方便大型機械作業，加快了施工進度。

“靴型大邊墻+加勁拱”復合工法施工工序、支護參數、超前支護體系如圖11所示。

(a) 超前支護體系

(b) 開挖工序與支護體系

除注明外，圖(a)其余尺寸以cm計。

圖11加寬10.3 m斷面施工工法與支護參數示意圖

Fig. 11Construction method and support parameters of section widened by 10.3 m

3.2加寬8 m段隧道施工工法及支護參數

加寬8 m里程區段為DK268+192～+228，其工法與加寬10.3 m斷面工法類似，僅在斷面寬度尺寸、二次襯砌厚度、下導洞初期支護鋼架參數，以及超前支護體系有少量調整。加寬8 m斷面施工工法與支護參數示意圖如圖12所示。

(a) 超前支護體系

(b) 開挖工序與支護體系

Fig. 12Construction method and support parameters of section widened by 8 m

3.3加寬6 m段隧道施工工法及支護參數

加寬6 m里程區段為DK268+156～+192，洞身位于w3強風化花崗巖中，隧道開挖高度為14.71 m，開挖寬度為24.42 m，采用φ159洞身長管棚超前支護方案加固地層，采用大墻腳復合雙側壁單層支護法施工，襯砌類型采用大墻腳復合雙側壁單層支護法大跨襯砌結構。加寬6 m斷面施工工法與支護參數示意圖如圖13所示。

圖13　加寬6 m斷面施工工法與支護參數示意圖

Fig. 13Construction method and support parameters of section widened by 6 m

3.4加寬4 m段隧道施工工法及支護參數

加寬4 m里程區段為DK268+110～+156，洞身位于w3強風化花崗巖中，隧道開挖高度為13.80 m，寬度為18.02 m，采用φ159長管棚超前支護方案，雙側壁導坑先墻后拱法施工，襯砌類型采用先墻后拱法大跨襯砌結構。加寬4 m斷面施工工法與支護參數示意圖如圖14所示。

圖14　加寬4 m斷面施工工法與支護參數示意圖

Fig. 14Construction method and support parameters of section widened by 4 m

3.5加寬2 m段隧道施工工法及支護參數

加寬2 m里程區段為DK268+090～+110，洞身位于w2弱風化花崗巖中，隧道開挖高度為12.73 m，寬度為15.72 m，采用φ159長管棚超前支護，四步CRD法施工，襯砌類型采用Ⅴ級圍巖大跨隧道襯砌結構。加寬2 m斷面施工工法與支護參數示意圖如圖15所示。

圖15　加寬2 m斷面施工工法與支護參數示意圖

Fig. 15Construction method and support parameters of section widened by 2 m

4　結論與討論

對于漸變段特大跨度隧道，特別是在軟弱富水地層中修建特大跨度淺埋隧道，選擇合理的襯砌結構型式、施工工法以及配套的支護體系，對于安全、經濟、快速施工具有十分重要的戰略意義。本文以贛龍鐵路新考塘隧道為工程依托，對全風化花崗巖富水地層中三線漸變段特大跨度淺埋隧道的結構型式及施工工法設計進行了詳細研究。該隧道主體結構于2014年12月完成(見圖16)，并在2015年12月正式通車運營，通過對該隧道的力學特征和變形進行的全程監測表明，漸變段特大跨度隧道是安全可靠的。實踐證明，本文提出的設計技術與施工工法是成功的，其研究成果可為今后類似設計提供參考。

圖16　施工完成后的變截面隧道

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Study of Structure Selection and Construction Method for Three-line Transition Section at Exit of Xinkaotang Tunnel

HONG Jun1, GUO Haiman1, ZHANG Junru2，*, CHEN Lijie1

(1. Ganzhou-Longyan Double-track Railway Co., Ltd., Longyan 364000, Fujian, China; 2. Key Laboratory ofTransportationTunnelEngineeringofMinistryofEducation,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The three-line transition section at exit of Xinkaotang Tunnel on Ganzhou-Longyan Railway is located in water-rich fully weathered granite stratum; and it has many characteristics, i.e. large excavation span (30.3 m), shallow cover and large excavation area (396 m2). The structure selection and construction method for shallow-covered large-span tunnel on three-line transition section is studied; and subsection design method for different cross-section, which suits for transition section of tunnel, is put forward. The transition section (215 m long) is divided into 6 subsections. The widening values are 0.8 m, 2 m, 4 m, 6 m, 8 m and 10.3 m respectively, with area above rail varying from 85.16 m2to 200.02 m2. The subsection widened by 0.8 m is constructed just like normal double-line tunnel, while subsections widened by 2 m, 4 m, 6 m are constructed by CRD method, double-side-wall heading method, and compound double-side-wall heading method with dilated wall respectively. The construction method of “dilated wall + enhanced arch” is put forward for subsections widened by 8 m and 10.3 m. The construction practice of Xinkaotang Tunnel shows that the design of construction methods and the corresponding support structure are feasible and rational. The results can provide reference for similar projects in the future.

Ganzhou-Longyan Railway; Xinkaotang Tunnel; fully weathered; transition section; extra-large span; dilated wall; enhanced arch

2016-04-05;

2016-05-20

國家自然科學基金資助(51378435)

洪軍(1967—)，男，福建龍巖人，1989年畢業于福州大學，土建工程專業，本科，高級工程師，主要從事鐵路工程建設的技術和管理工作。E-mail：hongjun86@sina.com。*通訊作者：張俊儒， E-mail：swjtuzhjr@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.010

U 45

A

1672-741X(2016)08-0953-07