高鐵隧道穿越淺埋段圍巖變形規律分析

趙紅飛，黃海濤，劉繼文，翟朝嬌，程樺，曹廣勇

(1.中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230012；2.安徽建筑大學 建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601)

0 引言

2018年底我國高鐵運營里程超過2.9萬 km，占全球高鐵運營里程三分之二以上，超過其他國家總和。隨著我國高鐵建設持續發展，相應的隧道數量隨之增加，復雜條件下圍巖穩定性控制對高鐵隧道的安全施工與后期運營影響重大，一直是需要重點關注的問題。特別是淺埋條件下，圍巖多為表土或巖性較差的巖體，強度低，開挖后難以形成穩定的自承結構，容易引發初期支護中的拱架扭曲、混凝土開裂以及圍巖大變形等，支護強度難以滿足要求[1，2]。

針對淺埋段等軟弱圍巖條件下隧道圍巖控制，國內外學者開展了大量的研究[3-15]。Dalgic[3]依托Beykoc隧道分析了軟弱圍巖對隧道開挖和支護的影響規律，提出了高強聯合支護控制方法。Choi[4]利用FLAC3D軟件分析了軟弱圍巖條件下隧道穩定性變化，提出了支護優化設計方法。孫鈞等[5]采用非線性流變理論研究了軟弱圍巖隧道擠壓大變形問題，對大變形控制進行了有益的探索。黃正濤[6]研究了超前支護對隧道淺埋段施工的影響，同時提出了采用常規預報法和物探法相結合可以有效地預警不良地質狀況。戚翼[7]分析了隧道淺埋段開挖進尺與圍巖變形穩定的空間關系，定量評價了隧道開挖影響范圍。石熊[8]、羅彥斌[9]分別研究了軟弱圍巖采用CRD施工時不同開挖順序對圍巖位移、應力的影響規律。

前人的研究促進了隧道圍巖控制理論與技術的發展，但是主要針對公路隧道和普通鐵路隧道，關于高鐵隧道穿越淺埋地段圍巖穩定性的研究相對較少。本文在前人研究的基礎上，以太(原)焦(作)高鐵皇后嶺隧道為工程背景，選取隧道過淺埋段典型斷面，開展現場監測，對比分析圍巖變形規律，評價開挖及支護方案是否合理。

1 工程背景

皇后嶺隧道為太焦高鐵的重要組成部分，位于山西省長治市境內，隧道進口位于長治縣辛呈村西南角，出口位于長治縣西八村東南，往南距685縣道約110 m，往東距207國道約360 m。隧道設計為雙線隧道，軌道間距4.6 m，設計時速250 km/h。隧道起始里程為DK241+765，終點里程為DK246+305，全長4540 m，屬于長隧道。上覆地層以石灰巖、砂巖、泥巖和新黃土為主，最大埋深142.56 m。

本文研究區域為隧道出口淺埋段，洞身穿越地層為新黃土、石灰巖。新黃土呈淺黃色、具有陷濕性，石灰巖呈深灰色、弱風化、溶蝕現象嚴重。隧道埋深范圍約6.5-9.8 m，圍巖等級為V級。隧道地質剖面及斷面尺寸如圖1所示，出口現場如圖2所示。

圖1 隧道地質剖面及斷面尺寸

圖2 隧道出口現場

選取的三個典型斷面分別位于DK246+125、DK246+150和DK246+210，間隔25m和60m。其中DK246+125斷面鄰近上部采空區，DK246+150斷面為常規淺埋段，DK246+210位于出口明、暗洞分界線。

2 開挖和支護方案設計

根據皇后嶺隧道出口淺埋段的工程地質條件、工期要求，設計淺埋段采用三臺階臨時仰拱法施工，預留變形量為10～15 cm，依次開挖上臺階、中臺階和下臺階。上臺階高3.11 m，每天進尺1.2 m；中臺階高4.22 m，下臺階高3.05 m，中、下臺階左右錯開跟進開挖，間距3 m。每層臺階開挖后，隨即初噴混凝土和安設拱架，開挖示意圖和流程如圖3、圖4所示，圖中I—III為相應臺階開挖順序，①—③為相應支護順序。

圖3 三臺階臨時仰拱開挖示意圖

圖4 開挖流程圖

主要開挖及支護過程如下：

(1)開挖上臺階I，初噴4 cm厚混凝土，鋪設鋼筋網片，架立I22型鋼拱架，復噴26 cm厚混凝土至設計厚度。施作上臺階臨時仰拱，在平臺底部噴射4 cm混凝土，架設I18輕型臨時鋼架，復噴混凝土至設計厚度25 cm，施作砂漿錨桿。

(2)開挖中臺階Ⅱ，滯后上臺階一段距離后，拆除I部2～3榀I18臨時鋼架，再開挖Ⅱ。對兩邊側墻初噴4 cm厚混凝土，掛設鋼筋網片，架立I22型鋼架，復噴26 cm厚混凝土。施作中臺階臨時仰拱，與上臺階相同。當現場條件惡劣時可封閉掌子面。

(3)開挖下臺階Ⅲ，與中臺階相同。需要特別注意的是：中、下臺階開挖時至少錯開2榀拱架施工，嚴禁兩邊拱架同時懸空。

二次襯砌為C35現澆混凝土，厚度為0.55 m，采用邊頂拱式砼襯砌鋼模臺車施工。襯砌主筋為Φ22、間距20 cm，縱向副筋Φ18、間距25 cm，鉤筋為Φ8、間距25 cm，鋼筋采用擠壓套筒連接。

主要支護參數見表1。

表1 主要支護構件及參數

3 圍巖控制效果分析

3.1 監測方案設計

本文圍巖變形監測主要包括拱頂下沉和水平收斂，拱頂下沉測點設置在拱頂軸線附近，水平收斂測點對稱布置，每個斷面設7個測點。測量頻率為1次/天，監測周期為60 d。測點具體布置如圖5所示。

圖5 測點布置示意圖

3.2 監測結果分析

圖6 為三個典型斷面圍巖累計變形量和變形速率變化趨勢。

對比分析可知：

(1)三個斷面的拱頂下沉和水平收斂變化趨勢基本一致，均在30 d后趨于穩定，各斷面拱頂的累計下沉量均大于水平收斂量，說明隧道淺埋段拱頂屬于重點監控部位。

(2)三個斷面各部位圍巖的變形速率在上、中臺階開挖時變化明顯，波動范圍較大。以變化范圍在±0.2 mm/d以內為穩定標準，則下臺階支護完成5d后圍巖變形基本趨于穩定。

(3)DK246+125斷面的拱頂沉降量最大，達到18.7 mm；DK246+210斷面最小，為8.8 mm。水平收斂最大值位于DK246+125斷面上臺階B-C處，達到9.3 mm，最小值位于DK246+210斷面中臺階D-E處，為4 mm。表明距離采空區越近，圍巖受開挖和采空區擾動影響越大，導致圍巖變形相對較大。

(4)本文研究范圍內，淺埋段施工時，拱頂下沉受上臺階開挖擾動明顯。以DK246+150斷面為例，上臺階開挖完成后拱頂下沉量為7.4 mm，約占最終監測值的50%；中臺階開挖引起的變形量為4.5 mm，占30%；下臺階開挖引起的變形量占20%。

(5)根據每天開挖進尺和監測時間，可知當監測斷面距掌子面40 m范圍內，圍巖變形較大；距離掌子面40 m以外時，變形基本穩定。

(6)各監測斷面的累計變形量均遠小于預留變形量，處于允許范圍內，說明設計采用的開挖方案合理，支護強度滿足要求。

圖6 圍巖收斂變形及速率變化圖

4 結論

太焦高鐵皇后嶺隧道出口淺埋段埋深6.52-9.83 m，圍巖等級為V級。設計采用三臺階臨時仰拱法施工，主要支護構件為I22型鋼架。

(1)隧道拱頂下沉和水平收斂均在30 d后趨于穩定，接近采空區的監測斷面位移最大，拱頂最大下沉量為18.7 mm，水平收斂最大值為9.5 mm，均遠小于預留變形量；拱頂變形受上臺階開挖擾動最大，其變形值約占最終收斂值的50%，受中、下臺階開挖影響較小，變形值分別約占最終變形值的30%和20%。

(2)三臺階臨時仰拱法在高鐵隧道穿越淺埋段施工時方法可行，以I22型鋼架為核心的支護方案滿足圍巖控制需求，為類似條件工程施工提供了參考。